Application of Model Predictive Control in Supply Chain Processes

This thesis analyses the Material Requirements Planning (MRP) from an uncommon perspective of matrices. The whole process is developed using a set of matrices evolving over time in a time variant system approach. Instead of iterating along Bill Of Material (BOM) levels we will simultaneously calculate the materials requirement for all products at any given instance of time. The main advantage of this approach is the speed: we can calculate MPS and MRP in seconds. In the development of this idea we will be following a model predictive control approach, moving along the framework of SIOP (Sales, Inventory and Operations Planning), starting with a detailed analysis of demand planning concepts and techniques. We will then develop in detail the core concepts of the matrix approach to material requirements calculation, starting with Master Production Schedule (MPS). We will extend this approach to the next step, the Material Requirements Planning (MRP) where we will see how the demands for the single items are further exploded down to the components of that item. In a multi-product industry with complex products and with components that could be part of more than one product, this calculation though conceptually simple become a heavily complex job. Change in product structure, change in bill of materials to say it in a more technical term, obsolescence and new product introductions further complicates this calculation. Instead of the iterative approach widely used in literature and all current software applications, we will use a matrix approach here also. Instead of calculating the requirements item per item and then summing it up, the proposed matrix structure will do the calculations for all the items for a specific time period all at once. With the Master Production Schedule and Material Requirements Planning calculated, we will also extend this matrix approach to calculate the inventory levels and capacity requirements. While calculating inventory levels we will also see an important and direct application of this method in calculating the stockouts. In calculation of capacity requirement we will focus specifically on how direct labour requirements are calculated using the matrices. A last and important application of system modelling is in financial planning, especially on a systems approach to stockout forecasting.

Questa tesi esamina la pianificazione del fabbisogno di materiali Material (Requirements Planning MRP) da una diversa prospettiva, quella delle matrici. L'intero processo viene infatti sviluppato utilizzando una serie di matrici che si evolvono nel tempo in un approccio basato sul sistema tempo-variante. Invece di iterare lungo i livelli della distinta base (materiali), calcoleremo pertanto, simultaneamente, tutti i requisiti dei materiali per tutti i prodotti in un dato momento. Il vantaggio principale di questo approccio è la velocità: possiamo calcolare MPS (Piano Principale di Produzione Master Production Schedule e MRP in pochi secondi. Nello sviluppo di questa idea ci muoveremo all'interno del perimetro di SIOP (Pianificazione vendite, inventario e operazioni (Sales, Inventory, Operations Planning), seguendo un approccio basato sul modello del controllo predittivo. Inizieremo da un'analisi dettagliata dei concetti e delle tecniche di pianificazione della domanda, sviluppando, poi, in dettaglio, i concetti centrali e l'approccio basato sulle matrici per il calcolo del MPS e MRP. Dopo la presentazione del metodo attraverso il suo utilizzo per il calcolo del Piano Principale di Produzione, estenderemo questo approccio al passaggio successivo, cioè alla pianificazione dei fabbisogni di materiali (MRP), dove vedremo come le richieste dei singoli articoli vengono ulteriormente esplose fino ai componenti seguendo la distinta base dell'articolo. In una industria multi-prodotto con prodotti complessi e con componenti che potrebbero far parte di più di un prodotto, questo calcolo, sebbene concettualmente semplice, diventa un lavoro pesantemente complesso. Il cambiamento nella struttura del prodotto, il cambiamento nella distinta dei materiali, l'obsolescenza e l'introduzione di nuovi prodotti complica ulteriormente questo calcolo. Al posto dell'approccio iterativo, ampiamente utilizzato in letteratura corrente e in tutte le attuali applicazioni software, noi utilizzeremo allora un approccio basato sulle matrici. Invece di calcolare il fabbisogno articolo per articolo seguendo i vari livelli della distinta base, la struttura a matrici proposta eseguirà i calcoli per tutti gli articoli, di un determinato periodo di tempo, tutto in una sola volta. Con MPS e MRP calcolati, estenderemo l'approccio a matrice al calcolo dei livelli di inventario e del fabbisogno di capacità produttiva richiesta per soddisfare l'MPS. Durante il calcolo dei livelli di inventario vedremo anche un'applicazione importante e diretta di questo metodo nel calcolo delle scorte. Nel calcolo dei fabbisogni di capacità ci concentreremo, in particolare, su come vengono calcolati i fabbisogni di lavoro diretto con l'utilizzo delle matrici. L'ultima e importante applicazione della modellistica di sistema che vedremo, è nella pianificazione finanziaria, in particolare per la previsione del flusso di cassa.