Praktische inzichten onderzoek optimalisatie van toelevernetwerken met hubs

 

Context en relevantie

Deze studie is uitgevoerd in het kader van een promotieonderzoek, uitgevoerd door Technische universiteit eindhoven (TU/e), dat valt onder het Heijendaal Living Lab-project. Het doel was om een effectieve oplossingsmethode te vinden voor een complex Inventory Routing Problem. In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de eerste resultaten en de praktische implicaties hiervan.

Er is steeds meer belangstelling voor ”laatste mijl” logistiek, waarbij gebruik wordt gemaakt van zogenaamde hubs (d.w.z. faciliteiten voor tussenopslag en -overslag van goederen). Dergelijke toeleveringsketens worden twee-echelon distributiesystemen genoemd, waarbij de eerste echelon wordt gevormd door het distributienetwerk tussen leveranciers van goederen en hubs en de tweede echelon door het distributienetwerk tussen de hubs en klanten voor de goederen. We gaan in op de optimalisatie van deze twee-echelon distributienetwerken en leveren praktische inzichten in deze distributiesystemen.

Figuur 1 toont een voorbeeld van een eenvoudige twee-echelon toeleveringsketen die bestaat uit één leverancier met een centraal depot, twee hubs en een groot aantal klanten met opslagcapaciteit.

Figuur 1 Voorbeeld van een twee-echelon toeleveringsketen

Onderzoeksvraag

Stel, een leverancier bedient een groot aantal klanten vanuit een of meer centrale depots via een klein aantal hubs. Er zijn twee afzonderlijke wagenparken van beperkte omvang beschikbaar voor de levering van goederen in de eerste en tweede echelon. Goederen kunnen worden opgeslagen in de hubs en bij de klanten. Wat zijn de optimale voorraad- en routebeslissingen om over meerdere perioden tegen zo laag mogelijke kosten aan de vraag van de klanten te voldoen? De routebeslissingen betreffen de volgorde en de tijdsplanning van de bezoeken aan de klanten en aan de hubs. De voorraadbeslissingen betreffen de voorraadniveaus bij elke hub en klant, en de aan elke klant en elke hub te leveren hoeveelheden per periode. Dit soort probleem wordt een twee-echelon voorraadrouteprobleem genoemd.

Onderzoeksaanpak en -methode

We hebben dit probleem gemodelleerd als een wiskundig model. Hierbij wordt een aantal aannames gedaan. De vraag wordt als gegeven beschouwd. Verder wordt ervan uitgegaan dat de productiecapaciteit bij de centrale depots van de leverancier onbeperkt is, en dat de transportkosten recht evenredig met de afgelegde afstanden zijn. Alle leveringen aan klanten moeten via een hub plaatsvinden.

Er is geprobeerd om de optimale oplossing voor bovengenoemd model te vinden. Hiervoor hebben we een nieuw branch-and-price algoritme ontwikkeld en dit getest op 400 nieuw gecreëerde voorbeelden met verschillende waarden voor parameters zoals het aantal tweede-echelon voertuigen, het aantal leveranciers, hubs en klanten, en voorraadhoudkosten.

Resultaten

Voor verschillende sets parameterwaarden zijn (vrijwel) optimale resultaten verkregen. We constateren dat voor de voorbeelden waarvoor een optimale oplossing werd gevonden de eerste-echelon routes doorgaans heen-en-weer-routes zijn,dat wil zeggen de eerste-echelon routes omvatten slechts één hub, ongeacht het aantal beschikbare hubs. Dit lijkt erop te wijzen dat het gebruik van één enkele hub op een strategische locatie voor kleine tot middelgrote steden nagenoeg optimaal is.

Algemeen
Het algoritme is ontwikkeld voor een situatie waarbij de leverancier grote flexibiliteit heeft wat betreft het gebruik van hubs, deelleveringen en levermomenten/-hoeveelheden. Deze methode kan echter enigszins onpraktisch zijn voor de klant vanwege het grotere aantal leveringen of deelleveringen. Het algoritme geeft aan of in een bepaalde situatie kan worden voldaan aan de leveringsbehoeften. Het algoritme kan ook worden gebruikt om te laten zien wat de gevolgen zijn van bijvoorbeeld meer opslagruimte in de hubs of bij klanten, en/of meer/minder en/of grotere/kleinere vrachtwagens.

Gevolg voor doelstellingen Living Lab

Duurzaamheid
Er alleen gekeken naar CO₂-emissies. De algemene aanname is dat CO₂-emissies recht evenredig zijn met de afgelegde afstand. De optimalisatie van de afgelegde afstand staat dus gelijk aan de minimalisering van de CO₂-emissies. Deze aanname is echter niet altijd juist, aangezien de emissies ook afhangen van de (hoeveelheid) gebruikte brandstof, waarbij onder meer de snelheid van de vrachtwagen, de voertuigkenmerken, de weg en het gedrag van de chauffeur een rol spelen. Optimalisatie van de afgelegde afstand kan dus niet goed genoeg zijn als er nauwkeurige waarden van de CO₂-emissies moeten worden berekend. Als in de tweede echelon echter gebruik wordt gemaakt van elektrische voertuigen, zullen de CO₂-emissies bij gebruik van een hub minder zijn omdat de vaak nog meer vervuilende eerste-echelon vrachtwagens veel minder kilometers afleggen.

Leefbaarheid
Hoewel dit buiten het bestek van dit onderzoeksproject over het gebruik van hubs valt, willen we hier toch kort op ingaan. Door het gebruik van hubs blijven grotere vrachtwagens buiten stedelijke gebieden en neemt de geluidsoverlast ervan af. De eerste-echelon vrachtwagens die eerst werden gebruikt voor het gehele transport naar klanten hebben echter vaak een groter laadvermogen dan de tweede-echelon vrachtwagens. In de tweede echelon moeten daarom op sommige tijden mogelijk wat meer voertuigen worden ingezet, afhankelijk van hun laadvermogen en de vraag van klanten.

Kosten
Het algoritme heeft met name tot doel de totale transport- en voorraadkosten voor een leverancier die zelf het transport en de voorraad beheert te minimaliseren. Er kan worden gesteld dat alleen de optimalisatie van de transportkosten de totale kosten al flink kan verlagen. Optimalisatie van de transport- en voorraadkosten samen kan echter een extra verlaging van de totale kosten opleveren. Nadeel hiervan is dat de oplossingsmethode  complexer wordt en het vinden van de optimale oplossing moeilijker en langer duurt.

Serviceniveau
Alle vraag wordt op tijd geleverd, waarbij een deel van de vraag mogelijk eerder wordt geleverd dan strikt noodzakelijk. Dit kan leiden tot extra kosten en werk (wat te vroeg wordt geleverd moet op voorraad worden gehouden) voor de klanten.

Conclusies en verder onderzoek

Om het model/de oplossingsmethode nuttiger te maken, zouden meerdere producten moeten worden meegenomen, wat zowel de route- als de voorraadbeslissingen complexer maakt (veel meer opties). Rechtstreekse leveringen vanuit de centrale depots van de leverancier aan klanten zouden kunnen worden toegestaan omdat het voordelig kan zijn om rechtstreeks vanuit de leverancier langs te gaan bij klanten die in de buurt zitten van depots. Het kan voor een leverancier interessant zijn om in de eerste echelon alleen heen-en-weer-ritten naar een enkele hub te maken, afhankelijk van de nabijheid van deze hub tot de klanten en de leverancier. In de praktijk kunnen de transportkosten veel complexer zijn (bijvoorbeeld afhankelijk van de werkelijke hoeveelheid die met één voertuig wordt getransporteerd). Het model kan eenvoudig worden gewijzigd met vaste kosten per ingezet voertuig.

Gegevens vormen een groot probleem. Zoals blijkt uit de casus met één leverancier is het niet zo gemakkelijk om aan nauwkeurige gegevens te komen over de afstanden, laat staan over het soort wegen, snelheidsbeperkingen enz. om het brandstofverbruik, de chauffeurskosten en de tijd dat chauffeurs onderweg zijn te berekenen, ook al spelen deze gegevens een belangrijke rol in de besluitvorming van bedrijven.