Conceptual and optimisation modelling for lean supply chain planning in Industry 4.0

Abstract

[ES] La innovación en los métodos de trabajo con nuevos sistemas de producción ajustados, sostenibles y resilientes, así como la gestión tecnológica eficaz son las tendencias actuales para mejorar el rendimiento en las organizaciones. Así, esta tesis doctoral investiga las contribuciones teóricas y formula un modelo conceptual con el uso de herramientas de fabricación ajustada o lean manufacturing (LM) y de la industria 4.0 (I4.0) para procesos de planificación de la producción en las cadenas de suministro. Además, se utiliza la optimización como tecnología facilitadora de la I4.0 para desarrollar la propuesta de solución. La metodología que se utiliza es bibliográfica, exploratoria y experimental; se aplican técnicas de investigación operativa, normalización de datos y casos de estudio en empresas industriales. Como punto de partida se revisa la literatura existente relacionada con la LM y las tecnologías de la I4.0 en el contexto de la cadena de suministro. Seguidamente, se diseña un modelo conceptual denominado LSCP 4.0 para facilitar la toma de decisiones en los niveles de decisión estratégico, táctico y operativo. Se trata de una relación estructurada entre los paradigmas lean, ágil, sostenible, resiliente y flexible para mejorar el rendimiento de las cadenas de suministro mediante la aplicación de las tecnologías facilitadoras de I4.0. Basado en esto, se propone un modelo matemático de optimización lineal entera-mixta, denominado LSCP 4.0, para maximizar los beneficios y planificar simultáneamente la producción, inventario de materiales y productos terminados satisfaciendo la demanda proveniente de previsiones y pedidos en firme en una cadena de suministro de cinco niveles. Novedosamente, se combinan enfoques de producción de just in time (JIT) y planificación de requerimientos de materiales (MRP). Ambos modelos para LSCP 4.0, i.e., conceptual y matemático, se validan en casos de estudio reales de la industria de calzado. Adicionalmente, se considera el uso de otra tecnología facilitadora de la I4.0 como la computación en nube para abordar el problema del intercambio de información entre los nodos de la cadena de suministro. Así, se propone un modelo de datos normalizado para la fabricación colaborativa en la nube aplicado a la industria del calzado.

[CA] La innovació en els mètodes de treball amb nous sistemes de producció ajustats, sostenibles i resilients, així com la gestió tecnològica eficaç són les tendències actuals per a millorar el rendiment en les organitzacions. Així, aquesta tesi doctoral investiga les contribucions teòriques i formula un model conceptual amb l'ús d'eines de fabricació ajustada o lean manufacturing (LM) i de la indústria 4.0 (I4.0) per a processos de planificació de la producció en les cadenes de subministrament. A més, s'utilitza l'optimització com a tecnologia facilitadora de la I4.0 per a desenvolupar la proposta de solució. La metodologia que s'utilitza és bibliogràfica, exploratòria i experimental; s'apliquen tècniques d'investigació operativa, normalització de dades i casos d'estudi en empreses industrials. Com a punt de partida es revisa la literatura existent relacionada amb laLM i les tecnologies de la I4.0 en el context de la cadena de subministrament. Seguidament, es dissenya un model conceptual denominat LSCP 4.0 per a facilitar la presa de decisions en els nivells de decisió estratègic, tàctic i operatiu. Es tracta d'una relació estructurada entre els paradigmes lean, àgil, sostenible, resilient i flexible per a millorar el rendiment de les cadenes de subministrament mitjançant l'aplicació de les tecnologies facilitadores d'I4.0. Basat en això, es proposa un model matemàtic d'optimització lineal entera-mixta, denominat LSCP 4.0, per a maximitzar els beneficis i planificar simultàniament la producció, inventari de materials i productes acabats satisfent la demanda provinent de previsions i comandes en ferma en una cadena de subministrament de cinc nivells. Novament, es combinen enfocaments de producció de just in time (JIT) i planificació de requeriments de materials (MRP). Tots dos models per a LSCP 4.0, i.e., conceptual i matemàtic, es validen en casos d'estudi reals de la indústria de calçat. Addicionalment, es considera l'ús d'una altra tecnologia facilitadora de la I4.0 com la computació en núvol per a abordar el problema de l'intercanvi d'informació entre els nodes de la cadena de subministrament. Així, es proposa un model de dades normalitzat per a la fabricació col·laborativa en el núvol aplicat a la indústria del calçat.

[EN] Innovation in working methods with new lean, sustainable and resilient production systems, as well as effective technology management, are current trends to improve performance in organisations. This PhD thesis investigates the theoretical contributions and formulates a conceptual model with the use of lean manufacturing (LM) and Industry 4.0 (I4.0) tools for production planning processes in supply chains (SCs). In addition, optimisation is employed as an enabling technology of I4.0 to develop the proposed solution. The applied methodology is bibliographic, exploratory and experimental; operational research techniques, data standardisation and case studies in industrial companies are applied. As a starting point, the existing literature related to LM and I4.0 technologies in the SC context is reviewed. Then a conceptual model, known as LSCP 4.0, is designed to facilitate decision making at the strategic, tactical and operational decision levels. It is a structured relation among lean, agile, sustainable, resilient and flexible paradigms to improve SCs' performance via the application of I4.0 enabling technologies. Based on this, an integer-mixed linear optimisation mathematical model, termed LSCP 4.0, is proposed to maximise profits and to simultaneously plan production, material inventory and finished goods by satisfying the demand from forecasts and firm orders in a five-tier SC. Novel just-in-time (JIT) production and material requirements planning (MRP) approaches are combined. Both models for LSCP 4.0, i.e., conceptual and mathematical, are validated in real case studies from the footwear industry. The use of another I4.0 enabling technology, such as cloud computing, is considered to address the problem of information exchange between SC nodes. Thus a standardised data model for collaborative manufacturing in the cloud applied to the footwear industry is proposed.