Multi-objective Models and Methods for Design and Management of Sustainable Logistic Systems

Logistics is typically defined as the design and operation of the physical, managerial and informational systems needed to allow goods to overcome space and time. Traditional models and methods for logistic system design and management focus on the optimization of the techno-economic performances. However, logistic activities are distinguished by a huge environmental impact. For instance, the final energy consumption for freight transportation reached in recent years the alarming value of 13% of the total end-use energy worldwide, equal to 40 EJ per year. Thus, innovative techniques for logistic system design and management have to guarantee these system overall sustainability not only from a technical and economic perspective but also from an environmental viewpoint. To this end, multi-objective optimization is of strong help. This is a mathematical programming technique to systematically and simultaneously optimize a collection of objective functions, often conflicting among them. Considering this scenario, aim of this Ph.D. thesis is to develop, propose and validate innovative multi-objective models and methods for design and management of sustainable logistic systems simultaneously optimizing the system technical performance, economic profitability and environmental impact. The developed models fully manage the material flow from suppliers to assembly or manufacturing areas and from these to final customers through the distribution, storage and retrieving activities among and within the logistic actors. An original decision support system is proposed to jointly minimize the operating cost, carbon footprint and delivery time in the design of multi-modal multi-level distribution networks considering the most relevant features of the delivered products. Concerning warehousing systems, both design and operation problems are tackled. A multi-objective optimization model is developed to determine the warehouse building configuration, namely length, width and height, which simultaneously minimizes travel time, total cost and carbon footprint objective functions. These two latter are estimated through a lifecycle approach. All the activities related to warehouse building installation and operating phases are evaluated both from an economic and an environmental perspective. Warehousing system operation is analyzed by means of storage assignment strategy. A time and energy based strategy is proposed to jointly minimize the travel time and the energy required by the material handling vehicles to store and retrieve the unit loads. Proper vehicle motion configuration and unit load features are considered to accurately model the objective functions. Finally, the presented models and methods are tested and validated against case studies from the food and beverage industry. The results demonstrate that a tremendous environmental impact reduction is possible at negligible technical and economic performance worsening.

La logistica viene tipicamente definita come l’insieme di quelle attività di progettazione e gestione di sistemi fisici ed informativi necessari per consentire alle diverse tipologie di merci di superare lo spazio ed il tempo. I modelli ed i metodi tradizionali per la progettazione e gestione dei sistemi logistici si focalizzano sull’ottimizzazione delle prestazioni tecnico-economiche. Tuttavia, le attività logistiche si contraddistinguono per un elevato impatto ambientale. Solo per citare un esempio, il consumo di energia per il trasporto merci ha raggiunto negli ultimi anni il 13% dell’energia complessivamente utilizzata su scala mondiale, pari cioè a 40 EJ annui. Gli approcci innovativi per la progettazione e gestione di sistemi logistici devono necessariamente garantire la loro sostenibilità non solo da un punto di vista tecnico ed economico, ma anche da quello ambientale. A tal fine, l’ottimizzazione multi-obiettivo è di notevole aiuto. Questo metodo di programmazione matematica permette di ottimizzare sistematicamente e simultaneamente un insieme di funzioni obiettivo spesso contrastanti tra loro. Alla luce di questo scenario, lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare, proporre e validare modelli e metodi multi-obiettivo innovativi per la progettazione e la gestione di sistemi logistici sostenibili ottimizzando contemporaneamente le loro prestazioni tecniche, economiche ed ambientali. I modelli sviluppati permettono di gestire nella sua interezza il flusso di materiali dai fornitori ai reparti di fabbricazione o assemblaggio e da questi ai clienti finali attraverso le necessarie attività di distribuzione, stoccaggio e prelievo all’interno e tra gli attori della catena logistica. E’ stato sviluppato un sistema per il supporto decisionale atto a minimizzare contemporaneamente il costo operativo, la carbon footprint ed il tempo di trasporto di reti distributive multi-livello e multi-modali prendendo in considerazione le più importanti caratteristiche dei prodotti trasportati. Per quanto riguarda i sistemi di immagazzinamento e stoccaggio, questa tesi affronta sia le tematiche di progettazione sia quelle operative. Un modello di ottimizzazione multi-obiettivo è proposto per definire la configurazione degli edifici atti allo stoccaggio merci, ovvero la loro lunghezza, larghezza ed altezza, al fine di minimizzare il tempo di prelievo, il costo totale e la carbon footprint. Queste ultime due funzioni obiettivo sono state valutate considerando l’intero ciclo di vita del magazzino. Tutte le attività relative alle fasi di installazione ed esercizio dell’edificio vengono contabilizzate sia da un punto di vista economico che ambientale. Per quanto concerne la gestione operativa di un sistema di immagazzinamento, questa tesi affrontata il problema dell’assegnazione dei prodotti ai vani di stoccaggio. Si è definito un modello di ottimizzazione multi-obiettivo per minimizzare contestualmente il tempo e l’energia necessari alle attività di prelievo e stoccaggio. Per modellare opportunamente le funzioni obiettivo temporali ed energetiche sono stati valutati accuratamente sia i profili di moto dei veicoli per lo stoccaggio merce sia le caratteristiche dei prodotti da immagazzinare. Per concludere, i modelli ed i metodi presentati sono stati validati e testati con casi studio provenienti dall’industria alimentare. I risultati ottenuti dimostrano come sia possibile ridurre drasticamente l’impatto ambientale di questi sistemi logistici a scapito di un trascurabile peggioramento delle prestazioni tecnico ed economiche.