Responsible Inventory Models for Operation and Logistics Management

The industrialization and the subsequent economic development occurred in the last century have led industrialized societies to pursue increasingly higher economic and financial goals, laying temporarily aside the safeguard of the environment and the defense of human health. However, over the last decade, modern societies have begun to reconsider the importance of social and environmental issues nearby the economic and financial goals. In the real industrial environment as well as in today research activities, new concepts have been introduced, such as sustainable development (SD), green supply chain and ergonomics of the workplace. The notion of “triple bottom line” (3BL) accounting has become increasingly important in industrial management over the last few years (Norman and MacDonald, 2004). The main idea behind the 3BL paradigm is that companies’ ultimate success should not be measured only by the traditional financial results, but also by their ethical and environmental performances. Social and environmental responsibility is essential because a healthy society cannot be achieved and maintained if the population is in poor health. The increasing interest in sustainable development spurs companies and researchers to treat operations management and logistics decisions as a whole by integrating economic, environmental, and social goals (Bouchery et al., 2012). Because of the wideness of the field under consideration, this Ph.D. thesis focuses on a restricted selection of topics, that is Inventory Management and in particular the Lot Sizing problem. The lot sizing problem is undoubtedly one of the most traditional operations management interests, so much so that the first research about lot sizing has been faced more than one century ago (Harris, 1913). The main objectives of this thesis are listed below: 1) The study and the detailed analysis of the existing literature concerning Inventory Management and Lot Sizing, supporting the management of production and logistics activities. In particular, this thesis aims to highlight the different factors and decision-making approaches behind the existing models in the literature. Moreover, it develops a conceptual framework identifying the associated sub-problems, the decision variables and the sources of sustainable achievement in the logistics decisions. The last part of the literature analysis outlines the requirements for future researches. 2) The development of new computational models supporting the Inventory Management and Sustainable Lot Sizing. As a result, an integrated methodological procedure has been developed by making a complete mathematical modeling of the Sustainable Lot Sizing problem. Such a method has been properly validated with data derived from real cases. 3) Understanding and applying the multi-objective optimization techniques, in order to analyze the economic, environmental and social impacts derived from choices concerning the supply, transport and management of incoming materials to a production system. 4) The analysis of the feasibility and convenience of governmental systems of incentives to promote the reduction of emissions owing to the procurement and storage of purchasing materials. A new method based on the multi-objective theory is presented by applying the models developed and by conducting a sensitivity analysis. This method is able to quantify the effectiveness of carbon reduction incentives on varying the input parameters of the problem. 5) Extending the method developed in the first part of the research for the “Single-buyer” case in a "multi-buyer" optics, by introducing the possibility of Horizontal Cooperation. A kind of cooperation among companies in different stages of the purchasing and transportation of raw materials and components on a global scale is the Haulage Sharing approach which is here taken into consideration in depth. This research was supported by a fruitful collaboration with Prof. Robert W. Grubbström (University of Linkoping, Sweden) and its aim has been from the beginning to make a breakthrough both in the theoretical basis concerning sustainable Lot Sizing, and in the subsequent practical application in today industrial contexts.

L’industrializzazione ed il conseguente sviluppo economico avvenuti nello scorso secolo hanno spinto le società industrializzate a perseguire obiettivi economico-finanziari sempre più alti, mettendo momentaneamente in secondo piano la tutela per l’ambiente e per la salute umana. Tuttavia, nel corso dell’ultimo decennio le moderne società hanno cominciato a riconsiderare l’importanza degli aspetti sociali ed ambientali contestualmente agli obiettivi economici. Nel mondo industriale, così come nell’attività di ricerca scientifica odierna, sono stati introdotti nuovi concetti quali lo sviluppo sostenibile, la green supply chain e l’ergonomia dei posti di lavoro. La nozione di “triple bottom line” (3BL) è divenuta sempre più importante nella gestione industriale negli ultimi anni (Norman and MacDonald, 2004). L’idea che sta alla base del concetto di 3BL è che il successo finale di una azienda non dovrebbe essere misurato solo in termini di risultati finanziari, ma anche dai risultati in ambito etico ed ambientale. I concetti di responsabilità sociale ed ambientale sono oggi essenziali poiché una società forte e sana non si può realizzare e mantenere se i singoli individui che la compongono non godono di ottima salute. L’interesse crescente verso lo sviluppo sostenibile spinge il mondo industriale e della ricerca scientifica a trattare i problemi di operations management con un approccio integrato, in modo da inglobare in un’unica procedura obiettivi economici, ambientali e sociali (Bouchery et al., 2012). Vista la vastità degli aspetti contemplati dal settore, in questa tesi di dottorato si affronterà solo una parte ristretta dei molteplici aspetti in gioco, quelli della gestione delle scorte di magazzino e più in dettaglio della determinazione del lotto economico. Si tratta senza dubbio di uno dei problemi più tradizionali in ambito di operations management, tanto che il primo problema di lot sizing è stato affrontato più di un secolo fa (Harris, 1913). Questo lavoro di tesi si pone i seguenti obiettivi principali: 1) Lo studio e l’analisi dettagliata della letteratura riguardante i problemi di Inventory Management e Lot Sizing a supporto della gestione delle attività produttive e logistiche. In particolare dopo aver analizzato i diversi fattori e approcci decisionali alla base dei modelli esistenti in letteratura, lo sviluppo di un innovativo framework concettuale identifica i sotto-problemi associati, le variabili decisionali e i principali aspetti che influenzano la sostenibilità nelle decisioni logistiche, aiutando a delineare i requisiti delle ricerche future. 2) L’elaborazione di nuovi modelli di calcolo a supporto dell’Inventory Management e del Lot Sizing sostenibile. A questo scopo è stata sviluppata una nuova procedura metodologica, elaborando un’applicazione matematica completa del metodo di Lot Sizing Sostenibile. Tale metodo è stato opportunamente validato con dati provenienti da casi reali. 3) La comprensione e l’applicazione delle tecniche di ottimizzazione multi-obiettivo al fine di analizzare l’impatto economico, ambientale e sociale nelle scelte di approvvigionamento, trasporto e gestione dei materiali in ingresso ad un sistema produttivo. 4) L’analisi della fattibilità e convenienza di sistemi governativi di incentivazione per promuovere la riduzione delle emissioni ambientali dovute alle attività di approvvigionamento e stoccaggio dei materiali di acquisto. Sfruttando i modelli sviluppati e conducendo una analisi di sensitività, è stato sviluppato un metodo basato sulla teoria multi-obiettivo per quantificare l’effetto di incentivi per la riduzione delle emissioni in relazione ai parametri in ingresso del problema. 5) L’estensione del metodo sviluppato per il caso di approvvigionamento tradizionale “Single-Buyer”, in ottica “multi-buyer” introducendo la possibilità di Cooperazione Orizzontale e Haulage Sharing da parte di aziende diverse nelle fasi di acquisto e trasporto di materia prima e componenti su scala globale. Questo lavoro di ricerca è stato supportato da una proficua collaborazione con il Prof. Robert W. Grubbström (University of Linkoping, Svezia), e fin dall’inizio si è posto l’obiettivo di apportare un’innovazione sia nella base teorica riguardante il Lot Sizing sostenibile, sia nella conseguente applicazione pratica in contesti industriali a noi contemporanei.