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Una cadena de suministro se define como todas las actividades y procesos asociados
con la circulación de mercancías e información, desde la etapa de adquisición de la
materia prima hasta el cliente final (Felea & Albastroiu, 2013), e incluye a fabricantes,
proveedores, transportistas, almacenes, mayoristas, minoristas e intermediarios. El
proceso comprende desde la adquisición de la materia prima, pasando por la elaboración
de los productos terminados, hasta su posterior reparto.
La gestión de la cadena de suministro consiste en la búsqueda de las mejores prácticas,
políticas y estrategias, relacionadas con los procesos de producción y logísticos, que
busquen un aumento de la eficiencia y de la productividad. Una gestión eficaz en esta
área, tiene un impacto significativo tanto en la calidad del servicio como en la reducción
de los costes de producción, logrando la diferenciación de la empresa dentro de un
mercado competitivo.
La gestión de la cadena de suministro se puede dividir en tres actividades principales:
compras, fabricación y transporte (Thomas et al, 1996). El transporte juega un papel
central en las cadenas de suministro, ya que implica un tercio de los costes logísticos
(Tseng et al., 2005) y además influye en los niveles de satisfacción del cliente. Las
actividades logísticas comprenden el transporte de mercancías, almacenaje, gestión de
inventario, manejo de materiales y procesamiento de toda la información relacionada.
Dentro de las actividades logísticas, el transporte se presenta como una de las
principales fuentes de contaminación del aire en Europa ya que genera niveles nocivos
de los contaminantes del aire y es el responsable de hasta el 24% de las emisiones de
gases de efecto invernadero (GEI) en la Unión Europea (ver Figura 1.1 y Figura 1.2).
Dentro del sector transporte, el transporte por carretera, tanto de mercancías como de
personas, sigue siendo la principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero,
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con un 17% de cuota. Además representa el 93,5% del total de las emisiones del
transporte para los países miembros de la Agencia Europea del Medio Ambiente,
excluyendo los buques petroleros. (TERM 2011, Agencia Europea del Medioambiente)
Como se observa en la Figura 1.3, en el periodo 1990-2008 la actividad del transporte de
mercancías por carretera se ha incrementado aproximadamente un 80% como
consecuencia del aumento de la actividad económica y de la demanda de mercancías. A
este aumento contribuye la evolución de los sistemas de producción que han pasado de
una economía basada en el almacenaje a una economía de producción ajustada y el
proceso de deslocalización de algunas industrias que han desplazado sus centros de
producción del centro de las ciudades para ahorrar costes. Este incremento de la
actividad del transporte se ve reflejado en mayores volúmenes de emisiones de CO2 a la
atmósfera derivados de la combustión del combustible.
La creciente preocupación ambiental relacionada con la actividad económica ha sido
transferida al campo del transporte y de la logística en las últimas décadas. En este
ámbito surge la logística verde (green logistics), que busca integrar en la toma de
decisiones operativas, los factores externos o externalidades que afectan al
medioambiente, especialmente las asociadas al cambio climático, contaminación
atmosférica, ruidos, vibraciones y accidentes.
Por otra parte, las externalidades ambientales asociados al transporte en la Unión
Europea, incluyendo a Noruega y Suiza, han jugado un papel importante en el escenario
del PIB, representando una cantidad superior a los 500 billones de euros,
aproximadamente el 4% del PIB, en 2008. De esta cifra, cerca del 77% es causada por el
transporte de pasajeros y el 23% por el transporte de mercancías (Ver Figura 1.4).
Todos estos factores han derivado en que las políticas seguidas en la Unión Europea, se
hayan centrado en la implantación de directivas asociadas al aumento de la eficiencia
energética y en la reducción de emisiones contaminantes en vehículos. Entre los años
1992 y 2005, la Unión Europea presentó un conjunto de normas (Euro I a Euro V), que
regulan las emisiones de los motores diesel de vehículos pesados.
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Pero mientras que los avances tecnológicos permitían fabricar vehículos menos
contaminantes, el volumen cada vez mayor de la actividad generada por el transporte
tanto de pasajeros como de mercancías, no ha repercutido significativamente en una
ganancia de la calidad del aire. De hecho, aunque los niveles de contaminación del aire
han disminuido en los últimos años, siguen siendo un problema en algunas partes de
Europa, donde los vehículos de carga pesados juegan un factor importante. Las
principales emisiones por parte de los vehículos se encuentran en el dióxido de carbono
(CO2), compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (COVNM), óxidos de
nitrógeno (NOx) y pequeñas partículas (PM). Estas emisiones dependen en gran medida
de los combustibles utilizados y del diseño de los vehículos.
Otra consecuencia derivada de estas normativas ambientales ha sido el aumento de los
costes de distribución de las mercancías, debido a un aumento del precio de los
combustibles y de las tasas por contaminación.
En este marco, tanto los aspectos energéticos como los medioambientales han cobrado
importancia y es necesario ampliar los conceptos de gestión logística o de gestión
integrada de la cadena de suministro tomando en consideración la componente
medioambiental en la toma de decisiones y no limitándose únicamente a aspectos
energéticos. La gestión integrada de la cadena de suministro se ve afectada en varios
aspectos, tales como la localización, el abastecimiento de materias primas o la
planificación del transporte.
El problema de la distribución de productos desde ciertos almacenes a los usuarios
finales, juega un papel central en la gestión de algunos sistemas logísticos. Su adecuada
planificación puede significar considerables ahorros, ya que los costes del transporte
suelen representar entre el 10 % y el 20 % del coste final de los productos (Toth and
Vigo, 2000). Por este motivo, el diseño de rutas eficientes es uno de los pilares en la
gestión de flotas. La determinación de las rutas u orden de reparto de los productos es
fundamental en la optimización de costes y como consecuencia, en las últimas décadas,
se han desarrollado exitosamente técnicas algorítmicas basadas en heurísticas y
metaheurísticas para la resolución de este tipo de problemas. Por otro lado, el desarrollo
del “hardware” y el “software” en los ordenadores ha potenciado las técnicas algorítmicas
y ha aumentado las capacidades posibilitando la programación de modelos más próximos
a la realidad. La función objetivo a optimizar suele considerar distancias, costes, número
de vehículos,... entre otras variables.
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En este proyecto se pretende incorporar los aspectos medioambientales en el problema
de optimización de rutas de vehículos (VRP) para la distribución o recogida de
mercancías.
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Este Proyecto Final de Máster (PFM) se centra en el efecto de la incorporación de
aspectos medioambientales en las actividades de transporte, en concreto se describe una
extensión del problema de optimización de rutas de vehículos (VRP) incluyendo
diferentes variantes, tales como limitación de capacidad, programación temporal de
entregas y recogidas (ventanas de tiempo) y flota heterogénea entre los aspectos más
importantes sin olvidar la inclusión de diferentes tipologías de combustibles y normativas
de emisiones.
La incorporación de los aspectos medioambientales al problema VRP se ha llevado a
cabo desde dos puntos de vista muy diferenciados:
• La estimación de los costes asociados a las externalidades (emisiones de gases
de efecto invernadero, emisión de contaminantes, accidentes y ruido) y su
inclusión en el problema VRP.
• Mediante la formulación de un problema Multiobjetivo.
A continuación, se enumeran los objetivos que se pretenden alcanzar en este PFM:
1. Análisis de la problemática ambiental asociada a las externalidades derivadas del
transporte como son las emisiones de gases de efecto invernadero, las emisiones
de contaminantes, ruidos y accidentes. En especial, el impacto sobre la atmósfera
del transporte de mercancías y de las cadenas de distribución.
2. Revisión del estado del arte del problema de enrutamiento de vehículos (VRP). En
concreto, los estudios referentes a flotas heterogéneas, incorporación de aspectos
medioambientales y de aplicación de técnicas de multiobjetivo, dentro de este
campo de investigación.
3. Integración de los aspectos medioambientales al problema VRP mediante la
estimación de los costes asociados a las externalidades. En base a estudios y
metodologías existentes, se realiza la conversión impacto ambiental/coste
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monetario, añadiéndose éstos a la función objetivo del modelo de programación
lineal, junto con los componentes clásicos de la estimación de costes.
4. Integración de los aspectos medioambientales al problema VRP mediante la
formulación de un problema multiobjetivo. Para ello se realiza un modelo de
programación lineal donde se aplica el método de los Pesos Aumentados de
Tchebycheff, que garantiza óptimos fuertes de Pareto.
5. Diseño e implementación de heurísticas para la resolución de los problemas
anteriormente descritos. Se aplican a un caso real de distribución de mercancías,
comparando los resultados alcanzados con las soluciones obtenidas mediante la
resolución del modelo.
6. Análisis del impacto de la internalización de los costes de las externalidades en un
caso real. Se examina y discute sobre el efecto de la incorporación de los costes
medioambientales en la configuración de las rutas.
7. Líneas abiertas y posibles extensiones. Se proponen mejoras, cambios y nuevas
líneas de investigación en base a las potencialidades o dificultades encontradas
en la realización del trabajo.
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En el año 2011, la Comisión Europea publica el Libro Blanco del Transporte titulado “Hoja
de ruta hacia un espacio único europeo de transporte: por una política de transportes
competitiva y sostenible”. Se trata de un documento estratégico que sienta las bases de
la política europea de transportes para alcanzar los objetivos medioambientales
establecidos por la Unión Europea para el año 2050.
En este libro, la Unión Europea envía una señal clara advirtiendo de la necesidad de
reducir drásticamente las emisiones de GEI con el fin de limitar el cambio climático a un
aumento de la temperatura media menor de 2ºC. Debido a que el sector transporte es
una fuente importante de GEI, y además con un continuo crecimiento en los últimos años,
para poder alcanzar el anterior objetivo se ha establecido obtener para el año 2050 una
reducción del 60% de las emisiones de CO2 en comparación con los niveles obtenidos en
el año 1990. En estas emisiones se consideran las producidas por el sector de la aviación
pero se excluyen las producidas por el transporte marítimo internacional. Otro objetivo de
la Unión Europea a medio plazo, para el año 2030, es reducir las emisiones de GEI a
cerca del 20% por debajo del nivel alcanzado en el año 2008 (Ver Figura 1.5).
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Algunas de las actuaciones o iniciativas propuestas para alcanzar los objetivos son:
• Acabar con los automóviles de combustible convencional en las ciudades y
trasferencia hacia vehículos y combustibles más limpios. El objetivo es la
reducción en un 50% del número de vehículos que consumen combustible
convencional de aquí a 2030 y su progresiva eliminación total en las ciudades
antes de 2050.
• Lograr que el 40% del combustible de aviación sea sostenible y de bajas
emisiones de carbono.
• En cuanto al transporte interurbano, transferir el 50% de todo el transporte de
media distancia de pasajeros y mercancías de la carretera al ferrocarril y al
transporte por vía fluvial.
• Reducción del 40% de las emisiones del transporte marítimo.
El informe TERM 2012 incluye una primera evaluación de los progresos hacia los
objetivos medioambientales del sector transporte e incluidos en el Libro Blanco del
Transporte de 2011. Algunos de los datos recientes (Figura 1.6) han mostrado
reducciones en las emisiones procedentes del transporte y una mejora de la eficiencia.
Así, durante el período de 1990 a 2010, se observa una tendencia a la disminución de las
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emisiones de los principales contaminantes del aire. Los mayores descensos
porcentuales durante este período han sido los del monóxido de carbono (CO) (76%) y
los de los compuestos orgánicos volátiles distintos del metano (COVNM) (75%). Sin
embargo, el aumento del transporte marítimo internacional ha contribuido en una menor
reducción de otros contaminantes como son los óxidos de azufre (SOx), óxidos nitrosos
(NOx) y las pequeñas partículas (PM).
La incorporación de los aspectos medioambientales en las actividades de transporte, en
particular en la optimización de las rutas de vehículos, es de vital importancia para la
obtención de los objetivos establecidos en el Libro Blanco del Transporte.
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Mediante la internalización de los aspectos medioambientales derivados del transporte se
pretende incentivar al usuario a un cambio de comportamiento, que puede repercutir en
un cambio de tipo de vehículo, en la utilización eficiente de los vehículos, en un cambio
del modo de transporte o incluso en el volumen de transporte en general.
Este PFM se enmarca dentro del proyecto de investigación de excelencia P10-TEP-6332
y ha sido financiado por la Consejería de Economía, Innovación y Ciencia de la Junta de
Andalucía.
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El desarrollo del proyecto ha constado de cinco fases muy diferenciadas:
• Estudio del estado del arte, donde se ha procedido a la búsqueda y posterior
lectura de la bibliografía relacionada con la temática del PFM, obteniendo las
técnicas y herramientas empleadas para su resolución.
• Modelado de los problemas de programación lineal.
• Experimentación sobre un caso real. Se ha realizado la ejecución de los
algoritmos implementados sobre los diferentes escenarios propuestos.
• Desarrollo e implementación de heurísticas. Se ha desarrollado e implementado
los algoritmos diseñados en lenguaje C++.
• Análisis de resultados. Estudio de la incorporación de aspectos medioambientales
en las soluciones obtenidas y comparación de los resultados obtenidos por las
heurísticas con la resolución del modelo matemático.
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El documento está dividido en siete capítulos. El primer capítulo realiza una breve
introducción sobre la problemática medioambiental actual, enumerando las principales
externalidades derivadas de la actividad del transporte y mencionando las medidas
adoptadas en la Unión Europea para el control de las mismas.
En el capítulo 2, se abordan los antecedentes del problema de enrutamiento de
vehículos, algunas variantes del problema y los diferentes métodos de solución de la
variante con flota heterogénea que se abordan en la literatura. El capítulo hace
igualmente una revisión de los artículos de optimización de rutas de vehículos que
incorporan aspectos medioambientales en la función objetivo del problema, al igual que
aquéllos que han sido formulados mediante un problema multiobjetivo.
Posteriormente, en el capítulo 3, se analizan los impactos ambientales de las actividades
del transporte y la estimación de los costes de estas externalidades. Igualmente se
presenta el modelo de programación lineal entera-mixta que internaliza dichos costes
externos para la obtención de un modelo de gestión de rutas más representativo de la
realidad.
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En el capítulo 4, se introducen los elementos más destacados de los problemas
multiobjetivo y particularmente, se expone el método con articulación de preferencias a
priori de Tchebycheff con pesos aumentados, para la resolución de los problemas de
enrutamiento de vehículos. Al igual que en el método anterior, se expone el modelo de
programación lineal entera-mixta que resuelve el problema.
En el capítulo 5, se describen las metodologías heurísticas desarrolladas para obtener
soluciones al problema de enrutamiento de vehículos con flota heterogénea, en tiempos
computacionales bajos. La heurística se basa en un método de fusiones de rutas
sucesivas aplicable a flotas heterogéneas, siendo una variante del algoritmo de los
ahorros propuesto por Clarke and Wright (1964). Dicha heurística, se adapta igualmente
a problemas de optimización multiobjetivo.
En el capítulo 6 se presentan varios casos asociados a un problema de distribución de
mercancías de una importante cadena de supermercados en la provincia de Huelva. El
problema se resuelve mediante los dos enfoques estudiados en este PFM: método de
estimación de costes asociados a las externalidades (1) y como un problema de
multiobjetivo (2). Para todos los casos, se analiza los resultados de la inclusión de
aspectos medioambientales en el diseño de las rutas y se comparan los resultados
obtenidos por las heurísticas con la resolución de los modelos de programación lineal
mediante software comercial (CPLEX).
Finalmente, en el capítulo 7, se extraen las conclusiones a partir de los fenómenos
observados en los capítulos anteriores y se proponen líneas de investigación futuras. Los
logros alcanzados en cuanto a publicaciones y ponencias en congresos, son igualmente
mostrados en este capítulo.
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