Production control of unreliable systems in the context of green manufacturing and reverse logistics

Entezaminia, Arezou (2022). Production control of unreliable systems in the context of green manufacturing and reverse logistics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Throughout the last century, there has been a growing public awareness about environmental issues and serious effects of greenhouse gas (GHG) emissions, such as global warming and climate change. At the governmental level, the Kyoto Protocol (1997), which was signed by 37 industrialised countries, has urged them to decrease their GHG emissions. Changes in environmental consciousness have also an impact on the industrial sectors. Regarding the environmental concerns and regulations that have been enacted, it is critical for industries to put effort into emission mitigation.

As a result, decision-makers must establish the best environmental management strategies while keeping the economic aspect in mind. In this regard, we focus on the topic of integrating environmental concerns in the management of manufacturing systems using a stochastic optimal control approach. In practice, the manufacturing sector has a particularly dynamic behaviour due to the multiple variables and random events such as random failure and repair times. In this thesis, we address the production planning problem of unreliable manufacturing systems integrated with environmental aspects.

In the first part, we focus on the production planning problem of manufacturing systems consisting of high-emitting machines (HEMs), which are willing to gradually invest in lowemitting machines (LEMs). New cost-effective and environmentally friendly control policies are developed for such companies to help the decision-maker in synchronising HEM and LEM. Accordingly, we develop two new policies under which both HEM and LEM can run at the same time to boost system availability while simultaneously reducing inventory, backlog, and generated emissions. The simulation modeling, experimental approach, and response surface methodology are used to obtain the optimal parameters of these control policies. Finally, various experiments conducted for a wide range of cost and system parameters, revealed that our control policies result in considerable cost saving and GHG emissions reduction.

In the second part, we address the problem of trading and production planning for failure-prone manufacturing systems regulated by cap-and-trade scheme. In the case of the carbon price, which randomly changes in the market, it is difficult and complicated for businesses to determine their production rate and trading volume in order to make a profit from the carbon market. We develop a new joint production and trading control policy to help managers in determining when to buy/sell allowances or increase/decrease the production rate in order to minimize the total cost and reduce GHG emissions. Finally, sensitivity analysis and a comparative study are conducted to demonstrate how our proposed joint policy leads to significant cost savings and emissions decrease when compared to existing policies adapted from the literature.

In the third part, we integrate the environmental considerations into failure-prone manufacturing/remanufacturing systems taking variate quality returns into account. Specific quality conditions (high- or low-quality) are assigned to returned products. The impact of the returns’ quality on GHG emissions and production rates is also taken into consideration. We develop two production control policies to synchronise manufacturing and remanufacturing considering both high- and low-quality returns in order to achieve environmental and economic goals. The optimal value of parameters is calculated using simulation, design of experiment, and response surface methodology. Based on the results, our proposed policies outperform the existing policies adapted from the literature in terms of both optimal total costs and emissions reduction.

In the fourth part, we focus on unreliable manufacturing systems which consume high-emitting fuels (e.g., coal) and tend to reduce emissions by switching to cleaner fuels (e.g., natural gas (NG)). Indeed, production using a cleaner fuel type reduces GHG emissions but results in higher fuel cost. We also take the random fluctuation of NG price into account. We developed production control policies for failure-prone manufacturing systems with the possibility of fuel switching to minimize total costs while reducing GHG emissions. In this vein, two production control policies are developed to achieve both economic and environmental goals. According to our proposed policies, decisions on fuel switching are made based on the random fluctuation of NG price, and the key elements of the system including its state, inventory, and emissions level. Our proposed policies could reduce emissions while minimizing total costs including inventory, backlog, fuel, and emission costs. The optimal value of control factors is determined using simulation, design of experiment, and response surface methodology. Our proposed control policies surpass the policies derived from the literature in terms of both optimal total costs and emissions reduction.

In conclusion, this thesis contributes to the field of production planning and control of unreliable manufacturing systems in several ways. Indeed, we look at the environmental aspects of such systems from multiple perspectives (low-emitting technologies, carbon trading, reverse logistics, fuel switching). Efficient structures of production control policies are developed, contributing to a better understanding of the dynamic and stochastic behavior of such systems. Comparative study and in-depth sensitivity analysis are performed to validate the structure of developed control policies.

Titre traduit

Contrôle de la production de systèmes non fiables dans le contexte de la fabrication verte et de la logistique inverse

Résumé traduit

Tout au long du siècle dernier, le public a pris de plus en plus conscience des problèmes environnementaux et des effets graves des émissions de gaz à effet de serre (GES), tels que le réchauffement de la planète et le changement climatique. Au niveau gouvernemental, le protocole de Kyoto (1997), qui a été signé par 37 pays industrialisés, les a exhortés à réduire leurs émissions de GES. Les changements dans la conscience environnementale ont également un impact sur les secteurs industriels. En ce qui concerne les préoccupations environnementales et les réglementations qui ont été promulguées, il est essentiel que les industries fournissent des efforts pour atténuer les émissions.

Par conséquent, les décideurs doivent établir les meilleures stratégies de gestion environnementale tout en gardant à l'esprit l'aspect économique. À cet égard, nous nous sommes concentrés sur le thème de l'intégration des préoccupations environnementales dans la gestion des systèmes de fabrication en utilisant une approche de commande optimale stochastique. En pratique, le secteur manufacturier a un comportement particulièrement dynamique en raison des multiples événements aléatoires tels que les pannes, les activités de réparation. Dans cette thèse, nous abordons le problème de planification de la production des systèmes de fabrication non fiables intégrés aux aspects environnementaux. Dans la première partie, nous nous concentrons sur le problème de planification de la production des systèmes de fabrication constitués de machines à hautes émissions (HEM), qui sont prêts à investir progressivement dans des machines à faibles émissions (LEM). De nouvelles politiques de commande rentables et respectueuses de l'environnement ont été développées pour ces entreprises afin d'aider le décideur à synchroniser HEM et LEM. En conséquence, nous avons développé deux nouvelles politiques en vertu desquelles HEM et LEM peuvent fonctionner en même temps pour augmenter la disponibilité du système tout en réduisant simultanément les stocks, le retard et les émissions générées. La modélisation par simulation, l'approche expérimentale et la méthodologie de surface de réponse ont été utilisées pour obtenir les paramètres optimaux de ces politiques de commande. Enfin, diverses expériences qui ont été menées pour un large éventail de paramètres de coût et de système, ont révélé que nos politiques de commande ont entraîné des économies de coûts et une réduction des émissions de GES considérables.

Dans la deuxième partie, nous avons abordé le problème de la planification des échanges et de la production pour les systèmes de fabrication sujets aux défaillances réglementés par un système de plafonnement et d'échange. Dans le cas du prix du carbone, qui change aléatoirement sur le marché, il est difficile et compliqué pour les entreprises de déterminer leur taux de production et leur volume d'échange afin de tirer profit du marché du carbone. Nous avons développé une nouvelle politique conjointe de contrôle de la production et des échanges pour aider les gestionnaires à déterminer quand acheter/vendre des quotas ou augmenter/diminuer le taux de production afin de minimiser le coût total et de réduire les émissions de GES. Enfin, une analyse de sensibilité et une étude comparative sont menées pour démontrer comment notre politique conjointe proposée conduit à des économies de coûts significatives et à une diminution des émissions par rapport aux politiques existantes adaptées à partir de la littérature.

Dans la troisième partie, nous avons intégré les considérations environnementales dans des systèmes de fabrication/refabrication sujets aux défaillances prenant en compte de différentes qualités de retours. Des conditions de qualité spécifiques (haute ou basse qualité) ont été attribuées aux produits retournés. L'impact de la qualité des retours sur les émissions de GES et les taux de production a également été pris en compte. Nous avons développé deux politiques de contrôle de la production pour synchroniser la fabrication et la remise à neuf en tenant compte à la fois des retours de haute et de basse qualité afin d'atteindre les objectifs environnementaux et économiques. La valeur optimale des paramètres est calculée en utilisant la simulation, la conception de l'expérience et la méthodologie de surface de réponse. Sur la base des résultats, nos politiques proposées ont surpassé les politiques existantes adaptées de la littérature en termes à la fois de coûts totaux optimaux et de réduction des émissions.

Dans la quatrième partie, nous nous concentrons sur les systèmes de fabrication peu fiables qui consomment des carburants à fortes émissions (par exemple, le charbon) et ont tendance à réduire les émissions en passant à des carburants plus propres (par exemple, le gaz naturel (GN)). En effet, la production utilisant un type de carburant plus propre réduit les émissions de GES mais entraîne des coûts de carburant plus élevés. Nous tenons également compte de la fluctuation aléatoire des prix du GN. Nous avons développé des politiques de contrôle de la production pour les systèmes de fabrication sujets aux pannes avec la possibilité de changer de carburant pour minimiser les coûts totaux tout en réduisant les émissions de GES. Dans cette veine, deux politiques de commande de la production sont développées pour atteindre des objectifs à la fois économiques et environnementaux. Selon les politiques que nous proposons, les décisions de changement de carburant sont prises en fonction de la fluctuation aléatoire du prix du GN et des éléments clés du système, notamment son état, son inventaire et son niveau d'émissions. Nos politiques proposées pourraient réduire les émissions tout en minimisant les coûts totaux, y compris les coûts d'inventaire, d'arriérés, de carburant et d'émissions. La valeur optimale des facteurs de contrôle est déterminée à l'aide d'une simulation, d'un plan d'expérience et d'une méthodologie de surface de réponse. Nos politiques de commande proposées surpassent les politiques dérivées de la littérature en termes de coûts totaux optimaux et de réduction des émissions.

En conclusion, cette thèse contribue au domaine de la planification de la production des systèmes de fabrication peu fiables de plusieurs manières. En effet, nous avons examiné les aspects environnementaux de tels systèmes sous plusieurs angles (technologies à faibles émissions, échange de carbone, logistique inverse). Des structures efficaces de politiques de commande de la production sont développées, contribuant à une meilleure compréhension du comportement dynamique et stochastique de tels systèmes. Une étude comparative et une analyse de sensibilité approfondie sont réalisées pour valider la structure des politiques de commande développées.

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 215-230).
Mots-clés libres:	politique de commande de la production environnementale, système de fabrication non fiable, émissions de gaz à effet de serre, taxe carbone, plafonnement et échange, remise à neuf, changement de carburant, optimisation de la simulation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gharbi, Ali
Codirecteur:	Codirecteur Ouhimmou, Mustapha
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 nov. 2022 13:08
Dernière modification:	03 nov. 2022 13:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3105

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