Optimising tactical production planning with Mixed-Integer Linear Programming
Ronkainen, Onni (2024-12-10)
10.12.2024
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241210100907
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241210100907
Tiivistelmä
ABSTRACT:
This paper explores optimization in tactical production planning within resource-constrained environments, where medium- to short-term decisions are essential for operational efficien-cy. Optimizing production planning under these conditions can confer competitive ad-vantages and improve resource utilization, supporting sustainability and green development goals. Through a theoretical framework, this research identifies effective methodologies suitable for case company for enhancing tactical production planning with a focus on profita-bility. Guided by this framework, a simulation model based on mixed-integer linear pro-gramming (MILP) was developed and tested using historical production data from a case company. Simulation tool was developed with Microsoft Excel, with OpenSolver add-on. Simulation tool was developed in collaboration with the case company and targeted to be a usable tool in production planning. MILP was chosen based on findings in theoretical frame-work and empirical analysis as simulation tool was developed further and new requirements emerged. The model aims to maximize profitability by improving allocation of production volumes to more profitable period. Tool will generate optimized production plans that in-crease profit per tonne produced, while still fulfilling certain production restrictions and re-quirements. Performance was assessed by comparing the simulation model's suggested plans to actual historical production plans over a three-year period. Results demonstrate the model’s potential for profitability improvements, while the simulation tool requires further development to fully cover all characteristics of the production environment. Based on these findings, the paper provides recommendations for future research, along with suggestions for further enhancing the simulation tool.
TIIVISTELMÄ:
Tämän tutkielman tarkoituksena on perehtyä taktisen tuotannonsuunnittelun optimointiin resurssi rajoitteisessa ympäristössä, missä keskipitkän ja lyhyen aikavälin päätöksillä on merkit-tävä vaikutus operatiiviseen tehokkuuteen. Tällaisessa ympäristössä tuotannon suunnittelun optimointi voi tuoda kilpailuetua, parantaa resurssien käytön tehokkuutta, sekä tukea ympä-ristön kannalta kestävää kehitystä. Teoreettisen viitekehyksen avulla tutkielma esittelee yrityk-seen sovellettavia keinoja parantaa tuotannon suunnittelun tehokkuutta, etenkin tuottavuu-den saralla. Teoreettiseen tutkimukseen pohjautuen, empiirisessä osiossa esitellään tuotannon suunnitteluun soveltuva simulaatiotyökalu, joka hyödyntää mixed-integer-pohjaista lineaaris-ta optimointia. Työkalu kehitettiin käyttäen Microsoft Excel -ohjelmistoa, jossa lisäksi oli Open-Solver -lisäosa. Simulaatiotyökalu on kehitetty yhteistyössä yrityksen edustajien kanssa, tarkoi-tuksena kehittää työkalu tuotannon suunnittelun tueksi. Mixed-integer optimointi valittiin mallin pohjaksi teoreettisen viitekehyksen, sekä empiirisen tutkimuksen pohjalta, kun huomat-tiin kriittiset tarpeet työkalun kehityksessä. Malli pyrkii parantamaan tonni -kohtaista katetta allokoimalla tarvittavat tuotantomäärät tuottavammille aikakausille, samalla kun tuotannon muut tarpeet ja rajoitteet täytetään. Simulaation suorituskykyä testattiin vertailemalla työka-lun ehdottamia optimoituja tuotantosuunnitelmia yrityksen historiallisiin tuotantosuunnitel-miin ja niiden kannattavuuteen kolmen vuoden ajanjaksolla. Tulokset osoittavat, että esitetyllä mallilla on potentiaalia tuottavuuden parantamisen näkökulmasta. Esitetty simulaatiotyökalu itsessään tarvitsee lisää kehitystä, jotta se pystyisi huomioimaan kaikki tuotantoympäristölle ominaiset tekijät. Tutkielman tulosten perusteella annetaan ehdotukset jatkotutkimuksia var-ten, sekä kehitystarpeet suunnitteluun soveltuvan simulaatiotyökalun parantamiseksi.
This paper explores optimization in tactical production planning within resource-constrained environments, where medium- to short-term decisions are essential for operational efficien-cy. Optimizing production planning under these conditions can confer competitive ad-vantages and improve resource utilization, supporting sustainability and green development goals. Through a theoretical framework, this research identifies effective methodologies suitable for case company for enhancing tactical production planning with a focus on profita-bility. Guided by this framework, a simulation model based on mixed-integer linear pro-gramming (MILP) was developed and tested using historical production data from a case company. Simulation tool was developed with Microsoft Excel, with OpenSolver add-on. Simulation tool was developed in collaboration with the case company and targeted to be a usable tool in production planning. MILP was chosen based on findings in theoretical frame-work and empirical analysis as simulation tool was developed further and new requirements emerged. The model aims to maximize profitability by improving allocation of production volumes to more profitable period. Tool will generate optimized production plans that in-crease profit per tonne produced, while still fulfilling certain production restrictions and re-quirements. Performance was assessed by comparing the simulation model's suggested plans to actual historical production plans over a three-year period. Results demonstrate the model’s potential for profitability improvements, while the simulation tool requires further development to fully cover all characteristics of the production environment. Based on these findings, the paper provides recommendations for future research, along with suggestions for further enhancing the simulation tool.
TIIVISTELMÄ:
Tämän tutkielman tarkoituksena on perehtyä taktisen tuotannonsuunnittelun optimointiin resurssi rajoitteisessa ympäristössä, missä keskipitkän ja lyhyen aikavälin päätöksillä on merkit-tävä vaikutus operatiiviseen tehokkuuteen. Tällaisessa ympäristössä tuotannon suunnittelun optimointi voi tuoda kilpailuetua, parantaa resurssien käytön tehokkuutta, sekä tukea ympä-ristön kannalta kestävää kehitystä. Teoreettisen viitekehyksen avulla tutkielma esittelee yrityk-seen sovellettavia keinoja parantaa tuotannon suunnittelun tehokkuutta, etenkin tuottavuu-den saralla. Teoreettiseen tutkimukseen pohjautuen, empiirisessä osiossa esitellään tuotannon suunnitteluun soveltuva simulaatiotyökalu, joka hyödyntää mixed-integer-pohjaista lineaaris-ta optimointia. Työkalu kehitettiin käyttäen Microsoft Excel -ohjelmistoa, jossa lisäksi oli Open-Solver -lisäosa. Simulaatiotyökalu on kehitetty yhteistyössä yrityksen edustajien kanssa, tarkoi-tuksena kehittää työkalu tuotannon suunnittelun tueksi. Mixed-integer optimointi valittiin mallin pohjaksi teoreettisen viitekehyksen, sekä empiirisen tutkimuksen pohjalta, kun huomat-tiin kriittiset tarpeet työkalun kehityksessä. Malli pyrkii parantamaan tonni -kohtaista katetta allokoimalla tarvittavat tuotantomäärät tuottavammille aikakausille, samalla kun tuotannon muut tarpeet ja rajoitteet täytetään. Simulaation suorituskykyä testattiin vertailemalla työka-lun ehdottamia optimoituja tuotantosuunnitelmia yrityksen historiallisiin tuotantosuunnitel-miin ja niiden kannattavuuteen kolmen vuoden ajanjaksolla. Tulokset osoittavat, että esitetyllä mallilla on potentiaalia tuottavuuden parantamisen näkökulmasta. Esitetty simulaatiotyökalu itsessään tarvitsee lisää kehitystä, jotta se pystyisi huomioimaan kaikki tuotantoympäristölle ominaiset tekijät. Tutkielman tulosten perusteella annetaan ehdotukset jatkotutkimuksia var-ten, sekä kehitystarpeet suunnitteluun soveltuvan simulaatiotyökalun parantamiseksi.