Modelos de otimização e métodos de solução para o planejamento de redes logísticas

Abstract

Logistics Network Planning (LNP) involves decisions such as facility location, demand allocation, inventory, and transportation management. These decisions differ in terms of periodicity and frequency over the planning horizon. However, the integration of these decisions has been receiving attention from academics and practitioners in the last years aiming to achieve an adequate service level and efficient performance, in terms of network logistics costs and competitive advantages. Nevertheless, there is still a lack of research in this area. Thus, in this work, we study integrated planning in logistics networks. Foremost, we carry out a systematic literature review to understand the main decisions in logistics planning, the integration approaches, and the solution methods.

Then, we present a generic mathematical model for the integration of network design, inventory, and transportation planning. We integrate features and characteristics of the real-world application, such as demand variability, location-based lead times, storage capacity constraints in distribution centers (DCs), piecewise linear transportation costs, and a multi-period and multi-product context. The model determines the DC locals to rent; the selection of the capacity level at the DCs; the assignment of retailers to DCs; the cycle, safety stock, and anticipation inventory levels at DCs; the selection of the cost range/segment for transportation. In addition, we investigate solution methods exploring specific characteristics of the problem. A Logic-based Benders decomposition (LBBD) that enhances the master problem with a non-standard decomposition and a piecewise linear lower bound function of safety stock is proposed.

Furthermore, we address the case of a pharmaceutical logistics network in Brazil to propose mathematical modeling for location and transportation planning with some characteristics such as safety measures in cargo transportation and tax issues. Particularly, we address the Tax of Circulation of Goods and Services (Imposto de Circulação de Mercadorias e Serviços - ICMS, in Portuguese), a relevant tax for supply chains in Brazil, but it is little explored in the literature. We also handle uncertainty in demand by proposing a robust counterpart of the mathematical model. We deal with instances based on real data, for which a general-purpose software provides poor-quality solutions. Therefore, we propose a Fix-and-Optimize heuristic to solve the models near optimality. We also present robustness analyses and practical insights about the problem.

The results show the potential of the models and solution methods to address integrated problems in LNP. Therefore, by studying relevant practical features and suggesting effective solution methods, this thesis contributes to the literature on supply chain optimization and the development of tools to support decision-making in practice.

La planificación de la red logística (LNP en inglés) implica la toma de decisiones como la localización de instalaciones, la asignación de la demanda, a gestión del inventario y del transporte. Estas decisiones difieren en términos de periodicidad y frecuencia a lo largo del horizonte de planificación.

Sin embargo, la integración de estas decisiones ha recibido la atención de académicos y profesionales en los últimos años buscando lograr un nivel de servicio adecuado y un desempeño eficiente, en términos de costos logísticos y ventajas competitivas. Sin embargo, todavía falta investigación en esta área. Así, en este trabajo se estudia la planificación integrada en las redes logísticas. Primero, llevamos a cabo una revisión sistemática de la literatura para comprender las principales decisiones en la planificación logística, las estrategias de integración en el modelaje matemático y los métodos de solución.

Luego, se presenta un modelo matemático genérico para la integración de la configuración de redes, la gestión del inventario y la planificación del transporte. Se integran características del mundo real como la variabilidad de la demanda, los plazos de entrega basados en la ubicación de las instalaciones, las restricciones de capacidad de almacenamiento en los centros de distribución (CD), los costos de transporte con descuentos por cantidad (función lineal por partes), en un contexto de múltiples períodos y productos. El modelo determina los locales de los CD a rentar; la selección del nivel de capacidad en los CD; la asignación de minoristas a centros de distribución; los niveles de inventario anticipado, de ciclo y de seguridad en los centros de distribución; la selección del rango/segmento de costo para el transporte.

Además, se investigan métodos de solución explorando características del problema. Se propone una descomposición de Benders, Logic-based Benders decomposition que mejora el problema maestro con una descomposición no estándar y un límite inferior del inventario de seguridad.

Además, abordamos el caso de una red logística farmacéutica en Brasil para proponer modelos matemáticos para la planificación de localización y transporte con algunas características como medidas de seguridad en el transporte de carga y cuestiones fiscales. En particular, abordamos el Impuesto de Circulación de Bienes y Servicios ( Imposto de Circulação de Mercadorias e Serviços - ICMS, en portugués), un impuesto relevante para las cadenas de suministro en Brasil, pero poco explorado en la literatura. También manejamos la incertidumbre en la demanda al proponer modelo de optimización robusta. Se resuelven instancias basadas en datos reales, para las cuales un software de propósito general no proporciona soluciones de buena calidad. Por lo tanto, se propone una heurística Fix-and-Optimize para resolver los modelos cerca de la optimalidad. También presentamos análisis de robustez y un análisis sobre el problema.

Los resultados muestran el potencial de los modelos y métodos de solución para abordar problemas integrados en LNP. Por lo tanto, al estudiar características prácticas relevantes y sugerir métodos de solución efectivos, esta tesis contribuye a la literatura sobre la optimización de la cadena de suministro y el desarrollo de herramientas para apoyar la toma de decisiones en la práctica.