A decision-making framework to jointly support the design and control of spare parts supply chain network: theory, mathematical models and application

Spare parts are key assets for the continuity of process operations in industrial plants, while the spare parts management is a relevant activity with important cost and performance implications for companies. Indeed, companies manage spare parts with the objective of reducing the consequences of equipment downtimes and, while doing it, spare parts-related decisions should provide means to achieve cost-effectiveness. Decision-making approaches are considered to this end. A major background behind them – behind models, techniques or criteria developed to support the decisions – is related to the fact that most of the spare parts differ from other typical materials due to their specific characteristics and behaviors; thus, specific management practices are required. To address these requirements, many approaches have been developed: most of the authors have focused on studying, understanding and solving specific problems concerning the spare parts management, providing a wide number of publications regarding various spare parts-related problems. Even if the extant state of the art is extensive, there is still a lack of more holistic and integrated approaches to spare parts management. Naturally, increased integration may lead to better global solutions. Specifically, it is worth remarking that some relevant spare parts management decisions have been excluded by the majority of the spare parts-related literature; among them, the design and control decisions regarding the underlying supply chain network have been considered only by a scarce number of authors. The integration of these other decisions into the “traditional” scope of spare parts management requires to identify the relationships among the different involved decisions; to this end, a decision-making framework is proposed, supporting the design and control of the spare parts supply chain network. The framework aims to guide the decision-making process in industrial settings, including also the mathematical models required to quantitatively support the decisions. These mathematical models integrate the strategic and the tactical decisions to design and control the spare parts supply chain network, and support the optimization, starting from different operations strategies settings that can be selected (i.e., supply chain network structure, inventory control, distribution, warehouses operation). This thesis also considers the development of suitable solution approaches to effectively and efficiently solve the mathematical models; in fact, the development of solution approaches is crucial in order to make applicable the mathematical models, and the entire framework, in industrial settings. An industrial case of application of the framework is adopted as collaborative research carried out with a company in the process industry. Its results are shown based on four operations strategies settings, exploring different supply chain network structures “internal” to the company owning the production equipment and process served by the spare parts. The results consistently show that the recommended spare parts supply chain configurations represent significant savings for the company’s operation.

Le parti di ricambio sono risorse fondamentali per la continuità delle operations del processo negli impianti industriali, mentre la gestione delle parti di ricambio è un’attività rilevante con importanti implicazioni sui costi e sulla performance per le aziende. Infatti, le aziende gestiscono le parti di ricambio con l’obiettivo di ridurre le conseguenze dei fermi macchina e, mentre lo fanno, le decisioni dovrebbero permettere di ottenere un adeguato rapporto costo-efficacia. Gli approcci decisionali sono considerati a tal fine. Nello sviluppo di modelli, tecniche o criteri a supporto delle decisioni, è opportuno ricordare che la maggioranza delle parti di di ricambio differisce da altri materiali, a causa di caratteristiche e comportamenti specifici; quindi, sono richieste pratiche di gestione specifiche. Per soddisfare tali requisiti, sono stati sviluppati molteplici approcci: la maggior parte degli autori si è concentrata sullo studio, la comprensione e la risoluzione di problemi specifici relativi alla gestione delle parti di ricambio, fornendo un ampio numero di pubblicazioni a tal riguardo. Anche se lo stato dell’arte esistente è ampio, mancano ancora approcci olistici e integrati nella gestione delle parti di ricambio. Naturalmente, la maggiore integrazione può portare a soluzioni globali migliori. In particolare, vale la pena notare che alcune importanti decisioni sulla gestione delle parti di ricambio sono state escluse dalla maggior parte della letteratura; tra queste, le decisioni di progettazione and controllo della supply chain network sono state considerate solo da un numero limitato di autori. L’integrazione di tali decisioni nell’ambito “tradizionale” della gestione delle parti di ricambio richiede l'identificazione delle relazioni tra le diverse decisioni coinvolte; a tal fine, viene proposto un decision-framework che supporta la progettazione e il controllo della supply chain network delle parti di ricambio. Il framework ha lo scopo di guidare il processo decisionale in contesti industriali, comprendendo anche i modelli matematici necessari per supportare quantitativamente le decisioni. Questi modelli matematici integrano le decisioni strategiche e tattiche per la progettazione e il controllo della supply chain network di parti di ricambio, e supportano l'ottimizzazione, partendo da diverse impostazioni delle strategie operative che possono essere selezionate (i.e. struttura della supply chain network, controllo dell'inventario, distribuzione, operazione dei magazzini). Questa tesi considera anche lo sviluppo di approcci adatti a risolvere in modo efficace ed efficiente i modelli matematici; infatti, lo sviluppo di approcci risolutivi è fondamentale per rendere applicabili i modelli matematici e l’intero framework in contesti industriali. Un caso industriale è adottato come ricerca collaborativa con un’azienda nell’industria di processo, per l’applicazione del decision-framework. I risultati, basati su quattro impostazioni di strategie operative, esplorano diverse strutture di rete della catena di fornitura “interna” alla società proprietaria del bene di produzione e del processo servito dalle parti di ricambio. I risultati mostrano che le configurazioni raccomandate per le supply chain network delle parti di ricambio rappresentano un risparmio significativo per il funzionamento dell’azienda.