This dissertation focuses on plant location and capacity planning for components procurement under global manufacturing environments. For the economical procurement and/or supply for components needed by globally dispersed plants (customers), the schedule of opening components manufacturing plants, plans for acquisition of capacities in opened components manufacturing plants, and plans for components procurement are determined. Several practical considerations in plant location and capacity planning for components manufacturing and procurement are considered such as: types, sizes and functional characteristics of facilities; limitations on investments for opening plants and purchasing facilities; a special requirement for components procurement in global manufacturing environments.
First, a problem of multiperiod capacity planning for components manufacturing plants is solved to determine a mix of flexible and dedicated capacities under budget restriction. Schedules of acquiring and replacing facilities are determined and operations are assigned to the flexible and dedicated facilities. The problem is formulated as a mixed integer linear program and solved by the Lagrangian relaxation approach. A subgradient optimization method and a multiplier adjustment method are employed to obtain better lower bounds. An LP-based Lagrangian heuristic algorithm is developed to find good feasible solutions.
Second, a dynamic plant location and capacity planning problem is solved for distributed components manufacturing and procurement/supply. The opening schedule of components manufacturing plants, allocations of customers' demands and plans for acquisition and/or disposal of plants capacities are determined. The problem is formulated as a mixed integer linear program and solved by a heuristic algorithm based on Lagrangian relaxation and a cut and branch algorithm which uses Gomory cuts. Several solution properties of the relaxed problem are found and used to develop efficient solution procedures for the relaxed problem. A subgradient optimization method is employed to obtain better lower bounds.
Third, a plant location and capacity planning problem under knockdown production environments is solved for the economical components procurement/supply in final assembly plants of knockdown production systems. The schedule of opening components manufacturing plants, plans for acquisition of capacities in opened components manufacturing plants, and plans for components procurement are determined. The problem is formulated as a mixed integer linear program and solved by a two-stage solution procedure. In the solution procedure, the problem is decomposed into two tractable subproblems and these subproblems are solved sequentially. In the first stage, a dynamic plant location problem is solved using a dynamic programming recursion and a cut and branch algorithm based on Gomory cuts, while a multiperiod capacity planning problem is solved in the second stage with a heuristic algorithm that uses a cut and branch algorithm and a variable reduction scheme.
Performances of all solution procedures are evaluated through a series of computational tests with problems generated to reflect the real situations well. Results of computational tests show that the solution procedures give very good strategic plans for opening components manufacturing plants and acquisition of capacities in opened components manufacturing plants for components procurement in global manufacturing environments.
본 논문에서는 글로벌 제조환경에서의 효과적인 부품 조달을 위한 부품 생산 공장의 입지 선정 및 생산 용량 계획 문제를 다루고 있다. 여러 지역에 분산되어 위치한 공장들이 필요로 하는 부품들을 최소의 비용으로 조달/공급하기 위해서 부품 생산 공장 설립 계획, 설립한 부품 공장들에서 필요한 생산 용량의 확보를 위한 설비 도입 및 처분 계획, 그리고 설립한 부품 공장들로부터 부품을 필요로 하는 공장들로의 부품 조달 계획 생성에 활용될 수 있는 수학적인 모형들과 해법들을 개발하였다.
본 논문에서는 기존의 공장 입지 선정과 생산 용량 계획과 관련된 연구들에서 고려하지 못한 부품의 생산 및 조달과 관련되어 현실적으로 고려해야 하는 사항들을 고려하였다. 첫째, 설비들이 가지는 기능적인 특성을 수학 모형들에 반영시킴으로써 생산 용량 계획시 부품 생산에 사용되는 다양한 유형의 설비들을 고려할 수 있도록 하였다. 둘째, 현실적인 공장 설립 계획과 설비 도입 계획을 생성할 수 있도록 공장 설립 및 설비 도입에 사용할 수 있는 투자의 한도를 고려하였다. 마지막으로, 글로벌 제조 환경에서 발생하는 특수한 형태의 제약인 부품 조달의 현지화 비율을 고려함으로써 자동차 산업이나 전자 산업에서 글로벌 제조 전략의 하나로 사용하는 낙다운 생산 시스템(Knockdown Production System)에 대한 현실적인 부품 공장 입지 선정 및 부품 조달 계획을 생성할 수 있도록 하였다.
먼저, 논문의 2장에서는 부품 공장이 하나인 경우에 대한 생산 용량 계획 문제를 다루었다. 부품 생산에 사용되는 다양한 설비들과 설비 도입에 사용할 수 있는 예산 제약을 고려한 혼합 정수 선형 모형(Mixed integer linear program)을 제안하였고, 제안된 수학 모형에 대한 해법을 라그랑지안 완화 기법을 사용하여 개발하였다. 제안된 수학 모형을 통하여 설비의 도입 비용과 부품 생산 비용의 합을 최소화 하는 설비 도입 및 설비 운용 계획을 생성할 수 있다.
다음으로, 논문의 3장에서는 여러 지역 혹은 여러 나라에 부품 공장을 설립하여 여러 지역에 분산되어 위치한 공장들이 필요로 하는 부품들을 효과적으로 조달하는데 활용될 수 있는 다기간 공장 입지 선정 및 생산 용량 계획 문제를 다루었다. 부품 공장의 설립 시점 및 위치, 설립된 부품 공장들에서의 부품 생산 계획 및 설비 도입 계획을 최소의 비용으로 제공할 수 있는 혼합 정수 선형 모형을 제안하였고, 제안된 수학 모형의 해법을 라그랑지안 완화 기법과 Gomory의 절단 평면을 사용하는 절단/분기 (cut and branch) 기법을 사용하여 개발하였다.
마지막으로, 논문의 4장에서는 글로벌 제조 전략의 하나로 사용되는 낙다운 생산 시스템에서의 효과적인 부품 조달에 활용될 수 있는 부품 공장 입지 선정 및 부품 조달 계획 문제를 다루었다. 낙다운 생산 시스템을 구성하는 자국 생산 기점(home production base)과 현지 생산 기점(local production base)들 간의 원활한 부품 조달을 현지 부품 조달 비율과 같은 현실적인 제약을 만족시키면서 최소의 비용으로 달성하기 위한 부품 공장 설립 계획, 설립 되는 부품 공장들에 대한 생산 용량 계획 및 부품 조달 계획을 생성하는 혼합 정수 선형 모형을 제안하고, 제안된 수학 모형에 대하여 비용 계수 조정, 원 문제의 부분화를 통한 2단계 해법을 개발하였다. 2단계 해법의 각 단계에서는 Gomory의 절단 평면을 사용한 절단/분기 방법, 쌍대 해(dual solutions)를 이용한 변수 제거를 활용하여 부분화된 부문제들(subproblems)의 해법을 개발하였다.
본 논문에서 개발된 수학 모형들과 해법들은 현장의 상황을 반영할 수 있도록 생성된 실험 문제들을 이용하여 평가 되었다. 평가로부터 현실적인 시간내에 논문에서 다루고 있는 글로벌 제조 환경에서의 부품 조달과 관련된 전략적인 의사 결정들인 부품 생산 공장들의 입지 선정 및 생산 용량 계획, 부품 조달 계획에 대한 우수한 해들을 찾을 수 있음을 확인하였다.
