Optimization models for sustainable reverse logistics network planning under uncertainty

Trochu, Julien (2019). Optimization models for sustainable reverse logistics network planning under uncertainty. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Nowadays, evolving toward sustainable operations among supply chains is a critical need for the near future and the well-being of the upcoming generations. The term sustainability commonly refers to the interactions between the economic, environmental and social dimensions of development. A sustainable development usually refers to: “A development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs". Practitioners and academics all over the world are working toward this goal since the last three decades. Thus, this thesis comes to complement this effort toward achieving sustainability in supply chain operations.

My dissertation, entitled “quantitative models for sustainable reverse logistics network design under uncertainty”, focuses on the importance of developing decision-making models that include critical uncertainties inherent to the reverse logistics operations in the industry. It studies more specifically the trade-offs that are necessary to design efficient reverse logistics networks while considering various environmental aspects, thus improving our chances to take this step toward sustainability. In the three articles presented below, we will use the construction, renovation and demolition (CRD) industry as a reference to validate our models through several case studies.

The first article, titled “Reverse logistics network redesign under uncertainty for wood waste in the CRD industry” presents a detailed case study of the challenges related to the wood building material waste management in Quebec, Canada. In this paper, the main objective is to determine the location and the capacities of the sorting facilities to ensure compliance with the regulation and prevent the wood from being massively landfilled. We formulate the problem as a mixed-integer linear programming model (MILP) to minimize the total cost of the wood recycling processes collected from CRD sites. We start from the real collection centers’ locations from the Quebec CRD industry and we propose a scenario-based approach to redesign the reverse logistics network based on various realizations of the randomness targeting the uncertain parameters. The results demonstrate that efforts toward obtaining accurate information about the supply sources’ locations, the collected wood quantity and its quality would guarantee a more efficient reverse logistics network redesign. Although environmental and social considerations are not addressed in this article, it represents a first step toward sustainability by optimizing waste management operations in a sector that is among the biggest waste generators worldwide.

Thus, in the second article, titled “A two-stage stochastic optimization model for reverse logistics network design under dynamic suppliers’ locations”, we introduce a new advanced model formulation that addresses multiple scenarios at the same time in order to cope with uncertainty in the best manner over a multi-period planning horizon. The availability of each material collected from the supply sources and the recycling rates at the collection centers are the main sources of uncertainty considered in this study. This time, not only we optimize the reverse logistics network design, but we also evaluate the integration of logistics platforms called source-separation centers (SSC), that we use to perform source-separation of the materials before shipping them to the main collection centers. We perform a sensitivity analysis on the number of supply sources (i.e. waste generators) to compare low-density rural collection zones versus high-density urban areas, where the waste collection activities are often more challenging. Although the SSC improve the network performance in both rural and urban zones, the flexibility provided by these dynamic platforms reaches its best efficiency in the high-density urban areas. The results suggest significant RLND adjustments that lead to increase both the average expected profit and the amount of materials recycled through the reverse logistics channel.

Finally, in the third article, titled “A carbon-constrained stochastic model for eco-efficient reverse logistics network design under environmental regulations in the CRD Industry”, we adapt the stochastic model of the previous article to include environmental considerations by adding a second objective function. In this research, we evaluate the optimal eco-efficient reverse logistics network design for the wood waste recycling from the CRD industry under both landfilling restrictions and emission control by a cap-and-trade system, such as the one effective in Quebec these days. In this paper, we emphasize the importance of the source separation strategy to address the challenge caused by the unpredictable quality of the wood collected and its impact on the efficiency of the recycling processes. Indeed, by accounting the emissions released by the various recycling processes, it turns out that the landfilling option may be the best option depending on the quality level of the collected waste. Finally, in this paper we establish the relation between the quality level uncertainty of the collected materials and the difficulty to comply with governmental recycling targets.

Overall, the scenario-based approach in the first article allows establishing the problematic of multiple uncertainties for designing an optimal reverse logistics network that performs under each scenario. Based on this finding, in the second article we develop a two-stage stochastic model in order to find the best expected RLND to cope with a large number of possible scenarios in a multi-period planning horizon. Lastly, in the third article we adapt this model to fit with the reality of the CRD industry for the wood waste recycling case study. Such adaptations imply emissions accounting from the wood recycling processes and complying with the legal framework regarding the recycling targets.

Titre traduit

Modèles d’optimisation pour la planification de réseaux logistiques inverses durables sous incertitudes

Résumé traduit

Le terme développement durable est un terme utilisé pour désigner un développement qui intègre les trois considérations fondamentales : la dimension économique, environnementale et sociale. Un développement durable se réfère généralement à : « Un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures de répondre aux leurs ». Les chaînes d’approvisionnement se trouvent aujourd’hui face au défi majeur de faire évoluer leurs pratiques traditionnelles afin d’appliquer ce concept à leurs opérations. Cette thèse vient appuyer cet effort visant à assurer la durabilité des opérations de la chaîne d’approvisionnement dans les années à venir, en proposant des modèles quantitatifs d’aide à la décision pour la conception de réseaux logistiques inverses performants.

Ma thèse, intitulée « Modèles quantitatifs pour la conception de réseaux logistiques inverses durables sous incertitude », souligne l'importance de développer des modèles décisionnels intégrant les incertitudes critiques inhérentes aux opérations de logistique inverses dans l'industrie. Ce travail de recherche étudie également les compromis nécessaires à la conception de réseaux logistiques inverses efficaces, tout en tenant compte de divers aspects environnementaux, améliorant ainsi les chances de progresser vers un développement durable. Dans les trois articles présentés ci-dessous, l'industrie de la construction, de la rénovation et de la démolition (CRD) est utilisée comme référence pour valider nos modèles au travers de plusieurs études de cas.

Le premier article de cette thèse présente une étude de cas détaillée qui traite des défis liés à la gestion des débris de matériaux de bois de CRD au Québec, Canada. Dans cet article, le modèle d’optimisation proposé détermine les emplacements et les capacités des centres de collecte qui assurent le tri des matériaux afin d’être en accord avec la règlementation locale sur l’enfouissement du bois. Nous formulons le problème sous la forme d'un modèle de programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP), afin de minimiser le coût total du de recyclage du bois au sein du réseau de logistique inverse et de rendre son élimination moins attractive financièrement. Nous proposons une approche basée sur divers scénarios afin de redéfinir le réseau de logistique inverse actuel en fonction des incertitudes sur les emplacements des sites de collecte, la quantité et la qualité du bois collecté. Les résultats montrent que le réseau de logistique inverse optimal dans un scénario donné peut s’avérer obsolète dans d’autres scénarios, dépendamment de la réalisation des paramètres incertains. Bien que seule l’aspect économique soit considéré dans cet article, cela représente un premier pas vers des opérations de logistique inverse durables par l’optimisation des opérations de gestion des débris dans un secteur qui compte parmi les plus grands générateurs de déchets au monde.

Ainsi, dans le deuxième article et dans le but de répondre aux problèmes causés par les incertitudes, nous présentons une nouvelle formulation plus avancée qui traite simultanément un nombre élevé de scénarios. De cette manière, nous sommes capables d’optimiser nos espérances en terme de profits sur un horizon de planification multi-période. Dans ce second article, non seulement nous optimisons la conception du réseau de logistique inverse pour la gestion des débris, mais nous évaluons également l’impact de l’intégration de plateformes logistiques appelées centres de séparation à la source, que nous utilisons pour effectuer une première séparation des débris avant leur expédition vers les centres de collecte certifiés. De plus, nous réalisons une analyse de sensibilité sur le nombre de sources d’approvisionnement (générateurs de déchets) afin de comparer les zones de collecte rurales à faible densité par rapport aux zones urbaines à forte densité, où il est souvent plus complexe de réaliser des activités de collecte. La flexibilité offerte par ces plates-formes dynamiques atteint son plein potentiel dans les zones urbaines à haute densité. Les résultats suggèrent des ajustements significatifs du réseau de logistique inverse entraînant une augmentation du profit moyen espéré ainsi que de la quantité de matériaux recyclés.

Enfin, dans le troisième article, nous adaptons le modèle stochastique du précédent article en intégrant la dimension environnementale, par le biais d’une deuxième fonction objectif qui minimise la quantité de matériaux éliminés par enfouissement. Dans cette recherche, nous optimisons la conception du réseau de logistique inverse pour le recyclage des débris de bois provenant de l'industrie de CRD, sous contraintes à la fois de restrictions d'enfouissement et de contrôle des émissions par un système de plafonnement et d'échange, tel que celui en vigueur au Québec. Une fois encore, l’importance de la stratégie de séparation à la source est soulignée dans cet article, et nous établissons la relation entre l’incertitude sur la qualité du bois collecté et la difficulté de respecter les objectifs de recyclage fixés par le gouvernement. En effet, en comptabilisant les émissions libérées par les différents processus de recyclage, il s'avère que l'enfouissement des débris de bois se révèle parfois être la meilleure option selon le niveau de qualité des déchets collectés.

En résumé, le premier article permet d’établir et de quantifier l’impact des incertitudes sur l’efficacité du réseau de logistique inverse, hautement dépendante des valeurs des paramètres incertains. Sur la base de cette constatation, nous développons dans le deuxième article un modèle stochastique qui vise à établir le meilleur compromis afin de faire face à un grand nombre de scénarios simultanément. Enfin et pour finir, dans le troisième article nous adaptons ce dernier modèle à l’étude de cas sur le recyclage des débris de bois. Les émissions de gaz à effet de serre provenant des processus de recyclage du bois sont comptabilisées, et la réglementation relative aux restrictions de l’enfouissement est également appliquée.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 151-177).
Mots-clés libres:	chaîne d'approvisionnement durable, logistique inverse, conception de réseau, modèles d’aide à la décision, optimisation stochastique et multi-objectifs, industrie de CRD, gestion des déchets, recyclage du bois, réglementations environnementales
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaabane, Amin
Codirecteur:	Codirecteur Ouhimmou, Mustapha
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 déc. 2019 18:46
Dernière modification:	18 déc. 2019 18:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2426

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