Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises

Tesis por compendio[ES] La optimización en las empresas manufactureras es especialmente importante, debido a las grandes inversiones que realizan, ya que a veces estas inversiones no obtienen el rendimiento esperado porque los márgenes de beneficio de los productos son muy ajustados. Por ello, las empresas tratan de maximizar el uso de los recursos productivos y financieros minimizando el tiempo perdido y, al mismo tiempo, mejorando los flujos de los procesos y satisfaciendo las necesidades del mercado. El proceso de planificación es una actividad crítica para las empresas. Esta tarea implica grandes retos debido a los cambios del mercado, las alteraciones en los procesos de producción dentro de la empresa y en la cadena de suministro, y los cambios en la legislación, entre otros. La planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución desempeña un papel fundamental en el rendimiento de las empresas manufactureras, ya que una planificación ineficaz de los proveedores, los procesos de producción y los sistemas de distribución contribuye a aumentar los costes de los productos, a alargar los plazos de entrega y a reducir los beneficios. La planificación eficaz es un proceso complejo que abarca una amplia gama de actividades para garantizar que los equipos, los materiales y los recursos humanos estén disponibles en el momento y el lugar adecuados. Motivados por la complejidad de la planificación en las empresas manufactureras, esta tesis estudia y desarrolla herramientas cuantitativas para ayudar a los planificadores en los procesos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución. Desde esta perspectiva, se proponen modelos realistas y métodos eficientes para apoyar la toma de decisiones en las empresas industriales, principalmente en las pequeñas y medianas empresas (PYMES). Las aportaciones de esta tesis suponen un avance científico basado en una exhaustiva revisión bibliográfica sobre la planificación del aprovisionamiento, la producción y la distribución que ayuda a comprender los principales modelos y algoritmos utilizados para resolver estos planes, y pone en relieve las tendencias y las futuras direcciones de investigación. También proporciona un marco holístico para caracterizar los modelos y algoritmos centrándose en la planificación de la producción, la programación y la secuenciación. Esta tesis también propone una herramienta de apoyo a la decisión para seleccionar un algoritmo o método de solución para resolver problemas concretos de la planificación del aprovisionamiento, producción y distribución en función de su complejidad, lo que permite a los planificadores no duplicar esfuerzos de modelización o programación de técnicas de solución. Por último, se desarrollan nuevos modelos matemáticos y enfoques de solución de última generación, como los algoritmos matheurísticos, que combinan la programación matemática y las técnicas metaheurísticas. Los nuevos modelos y algoritmos comprenden mejoras en términos de rendimiento computacional, e incluyen características realistas de los problemas del mundo real a los que se enfrentan las empresas de fabricación. Los modelos matemáticos han sido validados con un caso de una importante empresa del sector de la automoción en España, lo que ha permitido evaluar la relevancia práctica de estos novedosos modelos utilizando instancias de gran tamaño, similares a las existentes en la empresa objeto de estudio. Además, los algoritmos matheurísticos han sido probados utilizando herramientas libres y de código abierto. Esto también contribuye a la práctica de la investigación operativa, y proporciona una visión de cómo desplegar estos métodos de solución y el tiempo de cálculo y rendimiento de la brecha que se puede obtener mediante el uso de software libre o de código abierto.[CA] L'optimització a les empreses manufactureres és especialment important, a causa de les grans inversions que realitzen, ja que de vegades aquestes inversions no obtenen el rendiment esperat perquè els marges de benefici dels productes són molt ajustats. Per això, les empreses intenten maximitzar l'ús dels recursos productius i financers minimitzant el temps perdut i, alhora, millorant els fluxos dels processos i satisfent les necessitats del mercat. El procés de planificació és una activitat crítica per a les empreses. Aquesta tasca implica grans reptes a causa dels canvis del mercat, les alteracions en els processos de producció dins de l'empresa i la cadena de subministrament, i els canvis en la legislació, entre altres. La planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució té un paper fonamental en el rendiment de les empreses manufactureres, ja que una planificació ineficaç dels proveïdors, els processos de producció i els sistemes de distribució contribueix a augmentar els costos dels productes, allargar els terminis de lliurament i reduir els beneficis. La planificació eficaç és un procés complex que abasta una àmplia gamma d'activitats per garantir que els equips, els materials i els recursos humans estiguen disponibles al moment i al lloc adequats. Motivats per la complexitat de la planificació a les empreses manufactureres, aquesta tesi estudia i desenvolupa eines quantitatives per ajudar als planificadors en els processos de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució. Des d'aquesta perspectiva, es proposen models realistes i mètodes eficients per donar suport a la presa de decisions a les empreses industrials, principalment a les petites i mitjanes empreses (PIMES). Les aportacions d'aquesta tesi suposen un avenç científic basat en una exhaustiva revisió bibliogràfica sobre la planificació de l'aprovisionament, la producció i la distribució que ajuda a comprendre els principals models i algorismes utilitzats per resoldre aquests plans, i posa de relleu les tendències i les futures direccions de recerca. També proporciona un marc holístic per caracteritzar els models i algorismes centrant-se en la planificació de la producció, la programació i la seqüenciació. Aquesta tesi també proposa una eina de suport a la decisió per seleccionar un algorisme o mètode de solució per resoldre problemes concrets de la planificació de l'aprovisionament, producció i distribució en funció de la seua complexitat, cosa que permet als planificadors no duplicar esforços de modelització o programació de tècniques de solució. Finalment, es desenvolupen nous models matemàtics i enfocaments de solució d'última generació, com ara els algoritmes matheurístics, que combinen la programació matemàtica i les tècniques metaheurístiques. Els nous models i algoritmes comprenen millores en termes de rendiment computacional, i inclouen característiques realistes dels problemes del món real a què s'enfronten les empreses de fabricació. Els models matemàtics han estat validats amb un cas d'una important empresa del sector de l'automoció a Espanya, cosa que ha permés avaluar la rellevància pràctica d'aquests nous models utilitzant instàncies grans, similars a les existents a l'empresa objecte d'estudi. A més, els algorismes matheurístics han estat provats utilitzant eines lliures i de codi obert. Això també contribueix a la pràctica de la investigació operativa, i proporciona una visió de com desplegar aquests mètodes de solució i el temps de càlcul i rendiment de la bretxa que es pot obtindre mitjançant l'ús de programari lliure o de codi obert.[EN] Optimisation in manufacturing companies is especially important, due to the large investments they make, as sometimes these investments do not obtain the expected return because the profit margins of products are very tight. Therefore, companies seek to maximise the use of productive and financial resources by minimising lost time and, at the same time, improving process flows while meeting market needs. The planning process is a critical activity for companies. This task involves great challenges due to market changes, alterations in production processes within the company and in the supply chain, and changes in legislation, among others. Planning of replenishment, production and distribution plays a critical role in the performance of manufacturing companies because ineffective planning of suppliers, production processes and distribution systems contributes to higher product costs, longer lead times and less profits. Effective planning is a complex process that encompasses a wide range of activities to ensure that equipment, materials and human resources are available in the right time and the right place. Motivated by the complexity of planning in manufacturing companies, this thesis studies and develops quantitative tools to help planners in the replenishment, production and delivery planning processes. From this perspective, realistic models and efficient methods are proposed to support decision making in industrial companies, mainly in small- and medium-sized enterprises (SMEs). The contributions of this thesis represent a scientific breakthrough based on a comprehensive literature review about replenishment, production and distribution planning that helps to understand the main models and algorithms used to solve these plans, and highlights trends and future research directions. It also provides a holistic framework to characterise models and algorithms by focusing on production planning, scheduling and sequencing. This thesis also proposes a decision support tool for selecting an algorithm or solution method to solve concrete replenishment, production and distribution planning problems according to their complexity, which allows planners to not duplicate efforts modelling or programming solution techniques. Finally, new state-of-the-art mathematical models and solution approaches are developed, such as matheuristic algorithms, which combine mathematical programming and metaheuristic techniques. The new models and algorithms comprise improvements in computational performance terms, and include realistic features of real-world problems faced by manufacturing companies. The mathematical models have been validated with a case of an important company in the automotive sector in Spain, which allowed to evaluate the practical relevance of these novel models using large instances, similarly to those existing in the company under study. In addition, the matheuristic algorithms have been tested using free and open-source tools. This also helps to contribute to the practice of operations research, and provides insight into how to deploy these solution methods and the computational time and gap performance that can be obtained by using free or open-source software.This work would not have been possible without the following funding sources: Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for hiring predoctoral research staff with Grant (ACIF/2018/170) and the European Social Fund with the Grant Operational Programme of FSE 2014-2020. Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte, Generalitat Valenciana for predoctoral contract students to stay in research centers outside the research centers outside the Valencian Community (BEFPI/2021/040) and the European Social Fund.Guzmán Ortiz, BE. (2022). Models and Algorithms for the Optimisation of Replenishment, Production and Distribution Plans in Industrial Enterprises [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187461Compendi

Global supply chains of high value low volume products

Imperial Users onl

A Multi-Skilled Approach to Property Maintenance Considering Temporal, Spatial and Resource Constraints

With the continued increase in age of the United States housing and building stock, as well as the continued need to maintain properties across the U.S., the need for timely, cost-optimal maintenance is ever more critical. This paper proposes the application of a mathematical model to aid in the scheduling and assignment of construction and maintenance tasks, considering the multi-skilled workforce. The benefit of this approach is to take advantage of the economies of scale that can be developed using cross-functional skilled workers with varying levels of competence and efficiency. This approach schedules and assigns tasks using data from maintenance task software datasets, using the least-cost, competent worker available for the job while also considering the trade-off between skilled labor cost and travel costs, both in terms of travel wage and vehicle wear and tear. The model is enhanced to include pairing between a mentor and an apprentice, where combined efficiency and pairing costs are considered at the same time as travel costs. Due to the practical nature of this research, a case organization was used and data from that firm was analyzed so that operational insights into the necessity of such a model could be considered. The mathematical backbone of the optimization approach to multi-skilled resource allocation considers the temporal and spatial demands of a geographically dispersed property management program. Actual, as opposed to sample, data allows us to evaluate the real financial implications on the case firm, if such an approach to scheduling is used. The generalization of this data provides excellent fit for a model that can be used to assign the best capable worker to the most cost-efficient task, considering deadlines, priorities and availability. Results of this scheduling approach provide significant cost and resource reductions over the historical firm performance, though practical considerations should temper that expectation. The above approach offers exceptional scalability and adaptability with the continued advancement of algorithm approaches to network-distribution and peer-to-peer work platforms

Barge Prioritization, Assignment, and Scheduling During Inland Waterway Disruption Responses

Inland waterways face natural and man-made disruptions that may affect navigation and infrastructure operations leading to barge traffic disruptions and economic losses. This dissertation investigates inland waterway disruption responses to intelligently redirect disrupted barges to inland terminals and prioritize offloading while minimizing total cargo value loss. This problem is known in the literature as the cargo prioritization and terminal allocation problem (CPTAP). A previous study formulated the CPTAP as a non-linear integer programming (NLIP) model solved with a genetic algorithm (GA) approach. This dissertation contributes three new and improved approaches to solve the CPTAP. The first approach is a decomposition based sequential heuristic (DBSH) that reduces the time to obtain a response solution by decomposing the CPTAP into separate cargo prioritization, assignment, and scheduling subproblems. The DBSH integrates the Analytic Hierarchy Process and linear programming to prioritize cargo and allocate barges to terminals. Our findings show that compared to the GA approach, the DBSH is more suited to solve large sized decision problems resulting in similar or reduced cargo value loss and drastically improved computational time. The second approach formulates CPTAP as a mixed integer linear programming (MILP) model improved through the addition of valid inequalities (MILP\u27). Due to the complexity of the NLIP, the GA results were validated only for small size instances. This dissertation fills this gap by using the lower bounds of the MILP\u27 model to validate the quality of all prior GA solutions. In addition, a comparison of the MILP\u27 and GA solutions for several real world scenarios show that the MILP\u27 formulation outperforms the NLIP model solved with the GA approach by reducing the total cargo value loss objective. The third approach reformulates the MILP model via Dantzig-Wolfe decomposition and develops an exact method based on branch-and-price technique to solve the model. Previous approaches obtained optimal solutions for instances of the CPTAP that consist of up to five terminals and nine barges. The main contribution of this new approach is the ability to obtain optimal solutions of larger CPTAP instances involving up to ten terminals and thirty barges in reasonable computational time

Optimal Management of community Demand Response

More than one-third of the electricity produced globally is consumed by the residential sectors [1], with nearly 17% of CO2 emissions, are coming from residential buildings according to reports from 2018 [2] [3]. In order to cope with increase in electricity demand and consumption, while considering the environmental impacts, electricity providers are seeking to implement solutions to help them balance the supply with the electricity demand while mitigating emissions. Thus, increasing the number of conventional generation units and using unreliable renewable source of energy is not a viable investment. That’s why, in recent years research attention has shifted to demand side solutions [4]. This research investigates the optimal management for an urban residential community, that can help in reducing energy consumption and peak and CO2 emissions. This will help to put an agreement with the grid operator for an agreed load shape, for efficient demand response (DR) program implementation. This work uses a framework known as CityLearn [2]. It is based on a Machine Learning branch known as Reinforcement Learning (RL), and it is used to test a variety of intelligent agents for optimizing building load consumption and load shape. The RL agent is used for controlling hot water and chilled water storages, as well as the battery system. When compared to the regular building usage, the results demonstrate that utilizing an RL agent for storage system control can be helpful, as the electricity consumption is greatly reduced when it’s compared to the normal building consumption

Decision support for participation in electricity markets considering the transaction of services and electricity at the local level

[EN] The growing concerns regarding the lack of fossil fuels, their costs, and their impact on the environment have led governmental institutions to launch energy policies that promote the increasing installation of technologies that use renewable energy sources to generate energy. The increasing penetration of renewable energy sources brings a great fluctuation on the generation side, which strongly affects the power and energy system management. The control of this system is moving from hierarchical and central to a smart and distributed approach. The system operators are nowadays starting to consider the final end users (consumers and prosumers) as a part of the solution in power system operation activities. In this sense, the end-users are changing their behavior from passive to active players. The role of aggregators is essential in order to empower the end-users, also contributing to those behavior changes. Although in several countries aggregators are legally recognized as an entity of the power and energy system, its role being mainly centered on representing end-users in wholesale market participation. This work contributes to the advancement of the state-of-the-art with models that enable the active involvement of the end-users in electricity markets in order to become key participants in the management of power and energy systems. Aggregators are expected to play an essential role in these models, making the connection between the residential end-users, electricity markets, and network operators. Thus, this work focuses on providing solutions to a wide variety of challenges faced by aggregators. The main results of this work include the developed models to enable consumers and prosumers participation in electricity markets and power and energy systems management. The proposed decision support models consider demand-side management applications, local electricity market models, electricity portfolio management, and local ancillary services. The proposed models are validated through case studies based on real data. The used scenarios allow a comprehensive validation of the models from different perspectives, namely end-users, aggregators, and network operators. The considered case studies were carefully selected to demonstrate the characteristics of each model, and to demonstrate how each of them contributes to answering the research questions defined to this work.[ES] La creciente preocupación por la escasez de combustibles fósiles, sus costos y su impacto en el medio ambiente ha llevado a las instituciones gubernamentales a lanzar políticas energéticas que promuevan la creciente instalación de tecnologías que utilizan fuentes de energía renovables para generar energía. La creciente penetración de las fuentes de energía renovable trae consigo una gran fluctuación en el lado de la generación, lo que afecta fuertemente la gestión del sistema de potencia y energía. El control de este sistema está pasando de un enfoque jerárquico y central a un enfoque inteligente y distribuido. Actualmente, los operadores del sistema están comenzando a considerar a los usuarios finales (consumidores y prosumidores) como parte de la solución en las actividades de operación del sistema eléctrico. En este sentido, los usuarios finales están cambiando su comportamiento de jugadores pasivos a jugadores activos. El papel de los agregadores es esencial para empoderar a los usuarios finales, contribuyendo también a esos cambios de comportamiento. Aunque en varios países los agregadores están legalmente reconocidos como una entidad del sistema eléctrico y energético, su papel se centra principalmente en representar a los usuarios finales en la participación del mercado mayorista. Este trabajo contribuye al avance del estado del arte con modelos que permiten la participación activa de los usuarios finales en los mercados eléctricos para convertirse en participantes clave en la gestión de los sistemas de potencia y energía. Se espera que los agregadores desempeñen un papel esencial en estos modelos, haciendo la conexión entre los usuarios finales residenciales, los mercados de electricidad y los operadores de red. Por lo tanto, este trabajo se enfoca en brindar soluciones a una amplia variedad de desafíos que enfrentan los agregadores. Los principales resultados de este trabajo incluyen los modelos desarrollados para permitir la participación de los consumidores y prosumidores en los mercados eléctricos y la gestión de los sistemas de potencia y energía. Los modelos de soporte de decisiones propuestos consideran aplicaciones de gestión del lado de la demanda, modelos de mercado eléctrico local, gestión de cartera de electricidad y servicios auxiliares locales. Los modelos propuestos son validan mediante estudios de casos basados en datos reales. Los escenarios utilizados permiten una validación integral de los modelos desde diferentes perspectivas, a saber, usuarios finales, agregadores y operadores de red. Los casos de estudio considerados fueron cuidadosamente seleccionados para demostrar las características de cada modelo y demostrar cómo cada uno de ellos contribuye a responder las preguntas de investigación definidas para este trabajo