[논문 리뷰] Reliable design of an integrated supply chain with expedited shipments under disruption risks

Jianxun Cui, Meng Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 24.

Facility Location and Emergency Management참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 수요 변동성과 공급자 장애 상황을 고려한 신뢰성 있는 이단계 공급망 설계를 위한 혼합정수비선형계획모형을 제안한다. 이 모형은 설비 위치, 다수 수준의 서비스 배정, 다중 모odal 운송, 이중 운송 전략(일반 및 급속)을 통합한다. 주요 기여는 확률적 장애 상황에서도 공급 연속성을 확보하기 위해 백업 공급자와 급속 운송을 활용하는 라그랑주 승수 기반 해법 알고리즘으로, 예상 시스템 비용을 최소화한다.

ABSTRACT

This paper proposes a mathematical model for the design of a two-echelon supply chain where a set of suppliers serve a set of terminal facilities that receive uncertain customer demands. This model integrates a number of system decisions in both the planning and operational stages, including facility location, multi-level service assignments, multi-modal transportation configuration, and inventory management. In particular, we consider probabilistic supplier disruptions that may halt product supply from certain suppliers from time to time. To mitigate the impact from supplier disruptions, a terminal facility may be assigned to multiple supplies that back up each other with different service priorities. With such multi-level service assignments, even when some suppliers are disrupted, a facility may still be supplied by the remaining functioning suppliers. Expensive expedited shipments yet with assured fast delivery may be used in complement to less expensive regular shipments yet with uncertain long lead times. Combining these two shipment modes can better leverage the inventory management against uncertain demands. We formulate this problem into a mix-integer nonlinear program that simultaneously determines all these interdependent system decisions to minimize the expected system cost under uncertainties from both suppliers and demands. A customized solution algorithm based on the Lagrangian relaxation is developed to efficiently solve this model. Several numerical examples are conduced to test the proposed model and draw managerial insights into how the key parameters affect the optimal system design.

연구 동기 및 목표

• 확률적 공급자 장애 상황에서도 기능을 유지할 수 있는 내구성 있는 이단계 공급망을 설계하기 위해.
• 불확실성 하에서 설비 위치, 다수 수준의 서비스 배정, 운송 구성, 재고 관리와 같은 상호의존적 의사결정을 통합하기 위해.
• 최종 설비에 대해 우선순위가 부여된 다양한 수준의 서비스를 갖춘 백업 공급자를 할당하여 장애 위험을 완화하기 위해.
• 저비용 일반 운송과 고비용 급속 운송을 조합하여 비용과 신뢰성을 균형 잡기 위해.
• 불확실성 하에서 복잡한 혼합정수비선형계획문제를 효율적으로 해결할 수 있는 해법 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 수요 및 공급자 장애의 불확실성 하에서 설비 위치, 공급자 할당, 운송 수단 선택, 재고 수준을 종합적으로 최적화하는 혼합정수비선형계획모형(MINLP)을 수립한다.
• 장애 발생 시 연속성을 확보하기 위해 최종 설비에 대해 다양한 우선순위 수준을 갖는 다수 공급자 할당을 통한 다수 수준의 서비스 배정을 통합한다.
• 이중 운송 방식을 도입하여 일반 운송(저비용, 장기 및 불확실한 리드타임)과 급속 운송(고비용, 보장된 빠른 배송)을 통해 반응성을 향상시킨다.
• 복잡한 MINLP 문제를 다루기 위해 맞춤형 라그랑주 승수 기반 알고리즘을 활용하여 타당한 하위문제로 분해하고 계산 효율성을 향상시킨다.
• 하향적 최적화를 통해 이중 승수를 반복적으로 갱신하고 이중 경계를 향상시켜 근사 최적 해를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수 수준의 공급자 할당 통합이 장애 위험 상황에서 공급망의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 총 예상 시스템 비용을 최소화하기 위해 일반 운송과 급속 운송 방식 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 불확실한 환경에서 설비 위치와 운송 구성은 장애 완화 전략과 어떻게 상호작용하는가?
• RQ4 기존의 백업 또는 급속 운송 옵션이 없는 전통적 공급망 설계에 비해 제안된 모형은 시스템 비용을 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 장애 발생 확률, 수요 변동성, 운송 비용 파rameter의 변화에 따라 최적 설계는 얼마나 민감하게 반응하는가?

주요 결과

• 고장 발생 확률이 높을수록 백업 공급자와 급속 운송을 활용함으로써 예상 시스템 비용이 크게 감소한다.
• 라그랑주 승수 기반 알고리즘이 테스트된 수치적 사례에서 2% 미만의 갭을 기록하며 근사 최적 해를 도출하여 계산 효율성이 뛰어나다는 것을 입증한다.
• 일반 운송의 리드타임이 매우 변동성이 클 경우나 장애 위험이 높을 경우 급속 운송이 가장 효과적으로 기여한다.
• 설비 위치 결정은 장애 발생 확률에 매우 민감하며, 장애 위험이 증가함에 따라 더 신뢰할 수 있는 공급자 군집 쪽으로 최적 위치가 이동한다.
• 동일한 장애 상황에서 단일 공급자 할당에 비해 다수 수준의 서비스 배정은 수급 단절 가능성의 40–60% 감소를 이끌어낸다.