Improving the tactical and operational decision making procedures in chemical supply chains

Nowadays, market trends have made companies modify the way of doing business. The current context of globalization, economic crisis, political conditions and competence among enterprises involves the continuous challenge for achieving their Key Performance Indicators. The successful achievement of these indicators depends on the Supply Chain (SC) efficiency. Thus, companies work towards the optimization of their overall SC in response to the competition from other companies as well as to take advantage of the flexibility in the restriction on world trade. This is done by the exploration of any resource flow (including raw materials and intermediates and final products, or energy), as well as any echelon of the Supply Chain network (such as suppliers, production plants, distribution centres and final markets). In this point, the Supply Chain Management addresses the process of planning, implementing and controlling the SC operations in an efficient way, throughout the management of material, information and financial flows across a network of entities within a SC. This includes the coordination and collaboration of processes and activities involved in this network. However, the complexity of considering the overall SC as well as the presence of uncertainty (demand, prices, process parameters) introduce more complexity in the coordination of all the activities or processes which take place through the SC. The aim of this thesis is to enhance the decision making process of industrial processes, by the development of new mathematical models to better coordinate all available information and to improve the synchronization production and demand, considering different time scales. Hence, this thesis presents a general overview of production process requirements within a SC and a review of the current state of the art, which has allowed to identify the open issues in the area in the context of Process Systems Engineering. Moreover, the first part of the thesis also presents an analysis of existing approaches, methods and tools used through this thesis. The second part of this work deals with the integrated management of production and demand constraints. This part first explores how the profitability of the SC can be improved by considering simultaneously production side and demand side management under deterministic conditions. Thus, discrete and hybrid time formulations have been presented to study the performance of the time representation. Furthermore, the discrete time formulation has been extended to deal with the external and internal uncertainty, through the implementation of a reactive approach. This part is also addresses the coordinated management of production and demand as well as the use of external and internal resources. Therefore, a new generalized mathematical formulation which integrates all resources involved in the production process within a supply chain is presented. The third part of this thesis is focused on the integrated SC optimization. Particularly, this part concerns the integration of hierarchical decision levels, by the exploitation of mathematical models that assess the consequences of considering simultaneously scheduling and planning decisions when designing a SC network. The Synthesis State Task Network concept is introduced to extend its typical representation of a process to incorporate information associated to the synthesis problem by the implementation of synthesis blocks. Finally, an integrated information management system based on an ontological framework is presented. The aim of this information platform is to coordinate all available information for decision making. This integrated platform will allow monitoring the real-time evolution of industrial processes within a supply chain. Moreover, this system may be used as an Operator Training System. Finally, the last part of this thesis provides the final conclusions and further work to be developed.A día de hoy, las tendencias del mercado han hecho que las empresas modifiquen su manera de hacer negocios. El contexto actual de globalización, crisis económica, condiciones políticas y la competencia entre las empresas implica un continuo desafío para conseguir los indicadores clave de rendimiento. Por lo tanto, las empresas trabajan para la optimización de su cadena de suministro (CS) en respuesta a la competencia de otras empresas, así como también para tomar ventaja de la flexibilidad en las restricciones del comercio mundial. Esto se hace mediante al análisis del flujo de materiales (incluyendo materias primas y productos intermedios y finales), así como cualquier escalón de la red de la CS (proveedores, plantas de producción, centros de distribución y mercados finales). Llegados a este punto, la gestión de la CS aborda el proceso de planificación, ejecución y control de las operaciones de la CS de forma eficiente, a través de la gestión de los materiales, la información y los flujos financieros a través de la red que conforma la CS. Esto incluye la coordinación de los diferentes procesos y actividades que participan en esta red. Sin embargo, la complejidad de considerar toda la CS en su conjunto, así como la presencia de incertidumbre (como por ejemplo, demanda, precios, parámetros de proceso) introducen una mayor complejidad en la coordinación de todas las actividades o procesos que tienen lugar en la CS. El objetivo de esta tesis es mejorar el proceso de toma de decisiones de los procesos industriales, por el desarrollo de nuevos modelos matemáticos que coordinen toda la información disponible y sincronizar la producción y la demanda, teniendo en cuenta diferentes escalas temporales. Por lo tanto, inicialmente esta tesis presenta una visión general de los procesos de producción, así como también una revisión del estado del arte, lo que ha permitido identificar las cuestiones abiertas en el área de la Ingeniería de Procesos de Sistemas. Además, en la primera parte de la tesis se presenta un análisis de los diferentes enfoques, metodologías y herramientas que se utilizan a lo largo de esta tesis. La segunda parte de este trabajo se ocupa de la gestión integrada de la producción y la demanda. Esta parte explora cómo la rentabilidad de la CS se puede mejorar teniendo en cuenta de manera simultánea le gestión de la producción y la demanda en condiciones determinísticas. Se ha desarrollado un modelo matemático que utiliza una formulación de tiempo discreto y una formulación híbrida, con el objetivo de evaluar el impacto de la representación temporal. Esta formulación se ha extendido para hacer frente a la incertidumbre tanto externa como interna, a través de la aplicación de un enfoque reactivo. Esta parte también trata la gestión coordinada de la producción y la demanda teniendo en cuenta la gestión de los recursos externos e internos. Para ello, se presenta una nueva formulación matemática generalizada que integra todos los recursos que intervienen en el proceso de producción. La tercera parte de esta tesis se centra en la optimización de la CS integrada. Particularmente, esta parte se refiere a la integración de diferentes niveles jerárquicos de decisión, mediante la explotación de modelos matemáticos que evalúan las consecuencias de considerar simultáneamente decisiones de diferentes niveles jerárquicos en una red de CS. La representación gráfica consistente en la red de síntesis y tareas-estados se presenta para incorporar la información asociada al problema de síntesis. Por último, se presenta un sistema de gestión integrado de información en un entorno ontológico, para coordinar toda la información disponible para la toma de decisiones. Esta plataforma permitirá seguir la evolución de procesos industriales, y también puede ser usado como un sistema de entrenamiento de operarios. Finalmente, la última parte de esta tesis ofrece las conclusiones finales y el trabajo futuro a desarrollar.Postprint (published version