A hybrid multi-objective data-driven approach towards safety stock and safety time optimization

Abstract

As material requirements planning (MRP) systems are typically affected by demand and supply uncertainty, companies usually implement safety stock and safety time inventory buffers to minimize the impact of these sources of variability, thereby protecting themselves against unexpected disruptions. However, it is noteworthy that maintaining stock represents a cost, thus the ultimate challenge should be to reduce inventories without hurting the customer’s service level. This dissertation project, carried out within the industrial environment of Bosch Car Multimedia Portugal S.A., aims to optimize the estimation process of both safety inventory buffers for the multiple components. Considering the drawbacks presented by the experience-based strategy currently adopted by the company, there is a need to build a more effective mechanism, able of handling large amounts of data, for safety stock and safety time determination. Following the well-grounded methodology of Cross-Industry Standard Processes for Data Mining (CRISP-DM) and taking advantage of Big Data technologies, it is studied and designed a novel data-driven approach to provide optimal values of safety stock and safety time. The supply chain topology underlying this study relies in a multi-item multi-supplier single-stage inventory system under deterministic - but dynamic - demands and stochastic lead times. The goal mainly consists in the formulation of a hybrid bi-objective optimization model to simultaneously optimize upstream inventory holding costs and service levels, suggesting multiple non-dominated Pareto-optimal solutions to logistics decision-makers. The proposed solution technique has shown to work well across a wide range of components characterized by dynamic demand, uncertain lead-time, and requirements plans with different degrees of sparsity. It also provides evidence that previous studies tend to underestimate the potential benefits of combining safety-buffering decisions. Since it is intended to achieve high service levels while minimizing inventory-related costs, the results of this work suggest that, in certain cases, it appears to be more cost-effective to combine safety stock with safety time compared to considering these two inventory-buffers independently.

Os sistemas de planeamento de necessidades de materiais (MRP) são tipicamente afetados pela incerteza da procura e da oferta, pelo que as empresas normalmente implementam stocks de segurança e tempos de segurança como buffers de inventário para minimizar o impacto destas fontes de variabilidade, protegendo-se assim contra ruturas de stock inesperadas. Contudo, é de notar que a manutenção do stock representa um custo, por isso o desafio primordial deve passar por reduzir inventários sem que isso prejudique o nível de serviço para com o cliente. Este projeto de dissertação, realizado no ambiente industrial da Bosch Car Multimédia Portugal S.A., visa otimizar o cálculo de stocks e tempos de segurança dos inúmeros componentes da fábrica. Atendendo aos inconvenientes apresentados pela estratégia atualmente adotada pela empresa, baseada em experiência passada, surge a necessidade de se criar um mecanismo mais eficaz, e capaz de lidar com grandes quantidades de dados, para determinar os níveis de buffer de inventário. Adotando a metodologia Cross-Industry Standard Processes for Data Mining (CRISP-DM) e utilizando tecnologias de Big Data, é estudada e concebida uma nova abordagem baseada em dados para otimizar valores de stocks e tempos de segurança. Este estudo assenta num sistema de inventário multi-produto, com múltiplos fornecedores e sob procura determinística – mas dinâmica – e prazos de entrega estocásticos. Esta abordagem consiste na formulação de um modelo de otimização e simulação bi-objetivo para otimizar simultaneamente os custos de posse de inventário e os níveis de serviço, sugerindo múltiplas soluções ótimas de Pareto, não dominadas, aos decisores logísticos. A técnica de solução proposta revela um bom funcionamento para uma vasta gama de componentes caracterizados por uma procura dinâmica, prazos de entrega incertos e planos de requisitos de produção com diferentes graus de esparsidade. Esta técnica apresenta também evidências de que estudos anteriores tendem a subestimar os potenciais benefícios da combinação de decisões de buffers de segurança. Uma vez que se pretende atingir níveis de serviço elevados, minimizando simultaneamente os custos relacionados com o inventário, os resultados deste trabalho sugerem que, em certos casos, aparenta ser mais rentável combinar o stock de segurança com o tempo de segurança, comparativamente a considerar apenas um ou o outro destes buffers de inventário.