Ανάπτυξη, αλγοριθμική επίλυση και υλοποίηση μοντέλων βελτιστοποίησης της εφοδιαστικής αλυσίδας στα τεχνικά έργα

Abstract

This work addresses the problem of optimal Construction Supply Chain (CSC) design and integration in deterministic and stochastic environments by providing a family of models for the optimization of a dynamic, multi-product, multi-site contractor-led CSC, consisting of three echelons. With the objective of minimizing the total CSC cost, optimal decisions are made on network design, production, inventory holding and transportation, while also considering discounts for bulk purchases, logistics centers, on-site shortages and an inventory-preparation phase. The models integrate the operations of temporal and project-based supply chains into a sustainable network with repetitive flows, large scope contracts, strategic alliances and economies of scale. This thesis begins with two deterministic mixed-integer linear programming models and then showcases the transitions to a chance-constrained programming model and a two-stage programming model, incorporating uncertainties with different types of probability distributions or scenarios, and even interdependent uncertainties – approaches that have not been explored extensively in the CSC context. These models allow for ‘here-and-now’ and/or ‘wait-and-see’ decisions depending on the nature of the problem and the risk-attitude of the decision maker. The novelty of this research lies in providing a flexible integrative optimization CSC tool that accounts for multiple CSC actors (suppliers and/or logistics centers), projects, products, time periods, operations, and different assumptions and decision-making environments. This research contributes to the fast-growing research field of CSC optimization by providing quantitative models and a rich discussion on modeling and solution approaches in light of the different solutions obtained with a spreadsheet software.

Το παρόν έργο εξετάζει το πρόβλημα βέλτιστου σχεδιασμού και ενοποίησης της εφοδιαστικής αλυσίδας στην κατασκευαστική βιομηχανία σε αιτιοκρατικά και στοχαστικά περιβάλλοντα, αναπτύσσοντας μια σειρά από μοντέλα για τη βελτιστοποίηση μιας δυναμικής τριεπίπεδης εφοδιαστικής αλυσίδας που εξυπηρετεί πολλαπλά τεχνικά έργα με πολλαπλά προϊόντα υπό την ηγεσία του κύριου εργολάβου. Με στόχο την ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους της εφοδιαστικής αλυσίδας, λαμβάνονται βέλτιστες αποφάσεις σχετικά με τον σχεδιασμό του δικτύου, την παραγωγή, την αποθήκευση και τη μεταφορά προϊόντων, επιτρέποντας την εφαρμογή εκπτώσεων για μαζικές αγορές, τη χρήση κέντρων εφοδιαστικής, τις ελλείψεις υλικών στα εργοτάξια και την προετοιμασία αποθεμάτων πριν την έναρξη των έργων. Τα μοντέλα ενοποιούν τις λειτουργίες προσωρινών και εργοκεντρικών εφοδιαστικών αλυσίδων σε ένα βιώσιμο δίκτυο με επαναλαμβανόμενες ροές, συμβάσεις ευρύτερου αντικειμένου, στρατηγικές συμμαχίες και οικονομίες κλίμακας. Αρχικά, παρουσιάζονται δύο αιτιοκρατικά μοντέλα μεικτού–ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού και, στη συνέχεια, η μετάβαση σε ένα μοντέλο στοχαστικού προγραμματισμού υπό τυχαίους περιορισμούς και η μετάβαση σε ένα μοντέλο στοχαστικού προγραμματισμού δύο σταδίων, θεωρώντας αβέβαιες παραμέτρους υπό τη μορφή διαφορετικών τύπων κατανομών πιθανοτήτων ή σεναρίων, ακόμα και αλληλεξαρτώμενες αβεβαιότητες —προσεγγίσεις που δεν έχουν εξεταστεί εκτενώς στο πλαίσιο της εφοδιαστικής αλυσίδας του κατασκευαστικού κλάδου. Τα μοντέλα αυτά επιτρέπουν τη λήψη αποφάσεων τύπου «εδώ και τώρα» ή/και «βλέποντας και κάνοντας» ανάλογα με τη φύση του προβλήματος και τη στάση του λήπτη αποφάσεων ως προς τη διαχείριση κινδύνων. Η καινοτομία αυτής της διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη ενός ευέλικτου, ολοκληρωμένου εργαλείου βελτιστοποίησης της εφοδιαστικής αλυσίδας στα τεχνικά έργα, το οποίο λαμβάνει υπόψη πολλαπλά ενδιαφερόμενα μέρη (προμηθευτές/κατασκευαστές και παρόχους υπηρεσιών εφοδιαστικής), εργοτάξια, προϊόντα, χρονικές περιόδους και λειτουργίες υπό διαφορετικές παραδοχές και διαφορετικά περιβάλλοντα λήψης αποφάσεων. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε συνεισφέρει σημαντικά στο ταχέως αναπτυσσόμενο ερευνητικό πεδίο της βελτιστοποίησης της εφοδιαστικής αλυσίδας στα τεχνικά έργα με ποσοτικά μοντέλα και μια πλούσια συζήτηση σχετικά με προσεγγίσεις μοντελοποίησης και αλγοριθμικής επίλυσης ενόψει των διαφορετικών λύσεων που προέκυψαν με τη βοήθεια λογισμικού υπολογιστικών φύλλων.