Towards multi enterprise-wide coordination for large-scale chemical supply chains

Abstract

Current Supply chain (Se) decision support tools are devoted to the optimization of one objective function from a bias centralized perspective, without considering the coexistence with other participants and their uncertain conditions.
 Towards multi-enterprise-wide coordination (M-EWC), the aim of this thesis is to contribute to PSE by new decision support tools able to achieve global coordination/collaboration with all organizations participating in large-scale chemical SCs systems. Different approaches are proposed in this thesis to capture the interaction between the enterprises of contrasting and competitive goals considering the role of the uncertainty of each participant on the decision-making of the other participants. 
 The first contribution of this thesis is to achieve global coordination with the supporting enterprises (third parties). A global coordination framework is developed to integrate the third parties decisions as full SCs in the decision-making process of a large-scale multi-product se of multiple echelons. A generic coordinated tactical model is developed to highlight the interaction between the se of interest and the third parties SCs. A comparison is undertaken between the proposed coordinated approach and the traditional non-coordinated approach to highlight its potential on the tactical decision-making and the resource consumption.
 The second contribution of this thesis is to highlight the role of the third parties as business partners through pricing on the economic performance of the global coordinated system. The coordination framework proposed in the above mentioned paragraph is extended to integrate the third parties price policies as degree of freedom decisions in the coordinated se tactical model.
 Third different approaches to approximate the third parties price policies variations are proposed and compared based on the average and discounting trends built on the demand elasticity theory. The consequences of using the proposed pricing approximation models on the global coordination, regarding not only their effect on the tactical decisions, but also the additional complexity in the mathematical formulations to be solved, are analyzed and compared.
 Fourth, the inter-organizational coordination between the interacting enterprises is achieved based on cooperative and non-cooperative systems. The decisions obtained from the cooperative, non-cooperative, and standalone systems are analyzed and compared.
 Fifth, a non-cooperative non-zero-sum Scenario-Based Dynamic Negotiation (SBDN) approach, with non-symmetrical roles, is proposed to set the best conditions for the coordination/collaboration contracts between enterprises of contrasting objectives participating as full SCs in a large-scale multi-enterprise multi-product SC. Under the leadership of the manufacturer, the uncertain reaction of the follower partner resulted from the uncertain behavior of its se third parties is considered in the leader model as a probability of acceptance.
 Sixth, an evaluation methodology is proposed to evaluate the negotiation outcome based on the probability distributions taking into consideration the variability of the follower profits successful scenarios and risk behavior.
 The final contribution of this thesis is developing an integrated game theory approach for inter-organizational coordination. A non-cooperative non-zero-sum Stackelberg game is developed to capture the contrasting goals under different uncertain and competitive circumstances. The competition between the Stackelberg game players and the counterpart third parties is modeled through Nash Equilibrium game. Later in this document, a Stackelberg set of Pareto frontiers is obtained, where each point corresponds to possible expected win-win coordination contract.
 Finally, a comparison is undertaken between the coordination contracts resulted from this integrated game theory and the SBDN approach under the same circumstances. La mayoría de las herramientas de toma de decisiones para cadenas de suministro (CSs) químicas están dedicadas a la optimización desde una perspectiva centralizada, sin considerar la coexistencia con otros participantes. Hacia la coordinación de múltiples empresas químicas a gran escala, el objetivo de esta tesis es contribuir al sistema de Ingeniería de Procesos (PSE) mediante nuevas herramientas de toma de decisiones capaces de lograr la coordinación global entre las organizaciones que participan en la CS. Diferentes enfoques son propuestos para capturar los objetivos contrastantes y competitivos teniendo en cuenta el papel de la incertidumbre. La primera contribución de esta tesis se ocupa de la coordinación con los terceros. Una coordinación global está desarrollada para integrar las decisiones de los terceros en el proceso de toma de decisiones de una es completa, de gran escala, múltiples eslabones y varios productos. Se desarrolló un modelo táctico coordinado para resaltar las interacciones entre la es bajo estudio y las CSs de los terceros. Además se realizó una comparación entre el enfoque coordinado propuesto y el enfoque tradicional no coordinado para resaltar el potencial de la coordinación global en la toma de decisiones tácticas y el consumo de recursos. La segunda contribución de esta tesis tiene como objetivo enfatizar el potencial de las decisiones de precio de los terceros y su impacto en la eficiencia de la gestión de la CS. Para ello, la coordinación global que se propone en el párrafo anterior se amplía considerando la política de precio de cada tercero como un grado de libertad de decisión en el modelo táctico de la CS coordinada. En tercer lugar, se proponen diferentes enfoques para aproximar las políticas del precio de los terceros y se comparan basados en las tendencias aproximadas (promedios) y descuentos. Las consecuencias del uso de los diferentes modelos de aproximación de precio contemplados en la coordinación global entre la empresa principal y los terceros, no sólo con respecto a su efecto sobre las decisiones tácticas, sino también la complejidad adicional en los modelos que hay que resolver, son · analizadas y comparadas. Como cuarto punto, la coordinación entre las diferentes organizaciones que interactúan se logra mediante sistemas cooperativos y no cooperativos. Las decisiones obtenidas de los sistemas cooperativos, no cooperativos y autónomos son analizadas y comparadas. En quinto lugar, se propone un nuevo método no cooperativo basado en escenarios de negociación dinámica Scenario-Based Dynamic Negotiation (SBDN) de no suma cero, con reglas no simétricas, para obtener los contratos de coordinación entre las empresas con objetivos contrastantes participando como unas CSs completas en una CS a gran escala. Bajo la dirección del fabricante como líder, la reacción incierta del seguidor resultó del comportamiento incierto de sus terceros y es explícitamente considerado en el modelo del líder como una probabilidad de aceptación. En sexto lugar, se propone una metodología para evaluar el resultado de la negociación basándose en la distribución de probabilidad, teniendo en cuenta la variabilidad de los beneficios del seguidor en escenarios exitosos. La contribución final de esta tesis consiste en el desarrollo de un método integrado de la teoría de juego para la coordinación entre organizaciones participantes en CSs químicas y globales. Un juego de Stackelberg no cooperativo de suma no cero se ha desarrollado para capturar los objetivos contrastantes bajo incertidumbre: La competencia entre los participantes del juego de Stackelberg y su contraparte se modela aplicando el equilibrio de Nash. Un conjunto de fronteras de Pareto de Stackelberg se obtiene, donde cada punto corresponde a un posible contrato de coordinación (ganar-ganar). Una comparación final se realizó entre los contratos de coordinación resultó de esta teoría de juego integrada y la SBON bajo las mismas circunstancias