Problema de Explotación de Minas y Transporte de Carbón a Puertos

Es frecuente reconocer en los problemas de optimización que representan una estructura productiva, un componente de costo fijo asociado a la utilización de un recurso (dentro de un intervalo de producción relevante) y un costo variable que que asume proporcional al nivel de actividad que represente la unidad productiva (por ejemplo, lo que se refiere a costos de producción, costos de transporte en una red logística, entre otros). Por ejemplo, el Problema de Inclusión de Costos Fijos en Programación Entera representa una situación muy sencilla de lo anteriormente descrito.

En este contexto a continuación se presenta un problema de operación de minas de carbón que su simple utilización tiene asociado un costo fijo, además de incurrir en costos variables por concepto de producción y transporte a distintos puertos demandantes, que adicionalmente tienen requerimientos particulares sobre la calidad del producto recepcionado.

Problema de Explotación de Minas y Transporte

La compañía ABC puede explotar hasta tres minas de carbón y debe realizar envíos a tres puertos. El costo por tonelada de producción (en dólares), el costo fijo de operación en dólares (en caso de ser utilizada), los contenidos de una cierta clase de ceniza y de sulfuro por tonelada y las capacidades de producción (en toneladas de carbón) se resumen en la siguiente tabla:

antecedentes-productivos-mi

Por su parte, las toneladas demandadas que deben ser enviadas a cada puerto, conjuntamente con los costos de transporte (en dólares por tonelada) se dan en la siguiente tabla:

demanda-puertos

Formule y resuelva un modelo de optimización que permita determinar la eventual operación de cada mina y sus niveles de producción, de modo de satisfacer los requerimientos de demanda y que las cantidades enviadas a cada puerto contenga a los más un 4,5% de ceniza y a lo más un 3% de sulfuro.

Variables de Decisión:

variables-minas-y-puertos

Parámetros:

parametros-minas-y-puertos

Función Objetivo: Se desea minimizar los costos asociados a la explotación de las minas, el costo de producción del carbón y los costos de transporte del carbón enviado desde las minas a los puertos.

funcion-objetivo-minas-y-pu

Restricciones:

Capacidad de Producción de las Minas: cada mina puede operar a su capacidad máxima de producción para abastecer los requerimientos de los distintos puertos en caso en que se decida realizar funciones de explotación en la misma.

capacidad-minas

Demanda de Carbón los Puertos: cada puerto debe recibir la cantidad de toneladas de carbón que demanda.

demanda-carbon-puertos

Máximo Porcentaje de Ceniza admitido por cada Puerto: cada puerto esta dispuesto a recibir como máximo un 4,5% de ceniza en los envíos de carbón que recibe desde las minas. En este caso se expresa dicha condición de forma general a través de parámetros.

maximo-ceniza-puertos

Máximo Porcentaje de Sulfuro admitido por cada Puerto: similar al caso anterior pero estableciendo un límite máximo al porcentaje de sulfuro que admite cada puerto (en el ejemplo un 3%).

maximo-sulfuro-puertos

No Negatividad: las toneladas producidas en las minas y transportadas a los puertos naturalmente deben satisfacer las condiciones de no negatividad.

no-neg-minas-y-puertos

A continuación de presenta un extracto de la implementación computacional del modelo anterior haciendo uso de Solver de Excel junto a un tutorial de nuestro canal de Youtube con los detalles de la resolución:

solucion-minas-y-puertos-so

Se puede observar que sólo se utilizan las minas 1 y 3. La mina 1 envía 35, 45 y 30 toneladas al Puerto 1, 2 y 3, respectivamente. En el caso de la mina 3, ésta envía 35, 35 y 30 toneladas a los Puertos 1, 2 y 3, respectivamente. La demanda en toneladas de carbón es satisfecha en los puertos y se respeta adicionalmente la capacidad máxima de producción de las minas. Adicionalmente se puede observar en color verde el porcentaje de ceniza o sulfuro (según sea el caso) que recibe cada puerto lo cual satisface las condiciones expuestas. Finalmente el valor óptimo, es decir, el costo mínimo asociado al plan de producción y transporte descrito es de 14.550 dólares.

¿Quieres tener el archivo Excel con la implementación computacional de este problema?

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Optimización de una Red Logística de Transporte y Localización de Centros de Distribución

Los problemas de optimización que modelan el desempeño de una red logística o cadena de suministro admiten distintas extensiones que permiten representar la particularidad de distintos escenarios. Es así como en el Blog hemos abordado anteriormente el Problema de Transporte que simplemente aborda el transporte de productos desde oferentes a demandantes al mínimo costo y una extensión al mismo como el Problema de Transporte con Transbordo que incorpora intermediarios en dicho proceso con un objetivo similar. En el siguiente artículo se propone un problema de transporte con transbordo que incorpora adicionalmente la decisión de utilizar centros de distribución que operan como intermediarios entre los oferentes (plantas) y los demandantes (mercados).

Una compañía tiene una red logística que consta de dos plantas y dos centros de distribución (CD). Una de las plantas tiene una capacidad de producción de 150.000 unidades semanales y la otra de sólo 95.000 unidades semanales. Por otra parte la capacidad de despacho en cada ruta es de 65.000 unidades semanales (por ejemplo de la primera planta al segundo CD no se pueden enviar más de 65.000 unidades, lo mismo ocurre desde cualquier CD a cualquier mercado).

La compañía debe entregar sus productos semanalmente en tres mercados diferentes con demandas de 50.000, 80.000 y 45.000, respectivamente (no considerar el valor de demanda de 35.000 para el Mercado 2 que se observa en la imagen a continuación). El siguiente diagrama muestra los costos unitarios de transporte entre las distintas ubicaciones (por ejemplo el costo de transportar una unidad de la planta 1 al centro de distribución 2 cuesta $5).

diagrama-red-logistica

Existe un costo fijo semanal por concepto de arriendo asociado a utilizar un centro de distribución correspondiente a $2.000 y $3.000, para el centro de distribución 1 y 2, respectivamente. El pago de dicho costo fijo habilita al centro de distribución para recibir productos de las plantas y despachar productos a los mercados (en caso de no asumir el costo fijo de un centro de distribución, éste no se podrá utilizar).

Formule y resuelva un modelo de optimización que permita escoger la política de producción y transporte de los productos, además del arriendo de centros de distribución que minimice los costos totales.

Variables de Decisión:

variables-red-logistica

Parámetros:

parametros-red-logistica

Función Objetivo: Se desea minimizar los costos totales asociados a la logística de transporte desde las plantas a los centros de distribución, como de éstos hacia los mercados. Adicionalmente los costos de arriendo de los centros de distribución que se decidan utilizar.

funcion-red-logistica

Restricciones:

Capacidad de Producción de las Plantas (Semanal): la cantidad de unidades que puede enviar cada planta a los distintos centros de distribución no puede superar la capacidad de producción de la respectiva planta.

capacidad-de-las-plantas-lo

Disponibilidad de los Centros de Distribución: un centro de distribución puede recibir unidades desde las plantas en la medida que se decida su utilización (arriendo). En dicho caso se podrá recibir como máximo 130.000 unidades (2*M), en caso contrario no recibe nada.

disponibilidad-de-los-centr

Demanda de los Mercados: cada mercado debe recibir las unidades que demanda semanalmente desde los centros de distribución.

demanda-mercados-red-logist

Máximo a Despachar en cada Ruta: en cada ruta (combinación de transporte de una planta a un centro de distribución o de un centro de distribución a un mercado) no se podrá enviar más de 65.000 unidades (representado por el parámetro M).

capacidad-ruta

Balance en los Centros de Distribución: la cantidad de unidades que recibe un centro de distribución desde las plantas debe ser igual a las unidades que éste envíe a los mercados.

balance-centros-de-distribu

No Negatividad: se debe respetar las no negatividad para las variables de decisión continuas que representan la logística de transporte (eventualmente se podría exigir adicionalmente que adopten valores enteros)

no-negatividad-logistica

La implementación del problema anterior haciendo uso de OpenSolver, permite alcanzar los resultados que se observan a continuación:

opensolver-red-logistica

En la solución óptima de este problema de red logística de transporte y localización de centros de distribución se deben arrendar los 2 centros de distribución. La planta 1 produce 110.000 unidades semanales de las cuales envía 65.000 al centro de distribución 1 y 45.000 unidades al centro de distribución 2. Por otra parte la planta 2 produce sólo 65.000 unidades las cuales envía en su totalidad al centro de distribución 2. El centro de distribución 1 envía 50.000 unidades al mercado 1 y 15.000 unidades al mercado 2 (en el caso del centro de distribución 2, éste envía 65.000 y 45.000 unidades al mercado 2 y 3, respectivamente). Se puede apreciar que se satisfacen las condiciones anteriormente expuestas y se minimiza el costo total semanal que corresponde a $790.000 (valor óptimo).

¿Quieres tener el archivo Excel con la implementación computacional en Solver de este ejemplo?

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Cálculo de la Capacidad de Producción en un Proceso Flexible con una Carta Gantt

En el artículo Cómo calcular la Capacidad y el Tiempo de Ciclo de un Proceso con una Carta Gantt discutimos cómo obtener estos importantes indicadores de procesos con el apoyo gráfico y conceptual que representa la utilización de una Carta Gantt. En dicho caso la resolución del problema se vio facilitada al asumir que los recursos asociados a las distintas actividades o tareas eran independientes entre sí. En este contexto se asume que el trabajador que participa de una etapa del proceso lo hace de forma exclusiva en dicha etapa sin colaborar en otras.

Por el contrario, calcular la capacidad y tiempo de ciclo de un proceso flexible, es decir, aquel donde los recursos pueden estar asociados a más de una actividad, impone un reto de mayor dificultad. Una aproximación intuitiva en este caso es construir una Carta Gantt que muestre el detalle del proceso de producción para luego deducir el tiempo promedio de ciclo y la capacidad. El siguiente ejemplo da cuenta de esta situación:

En un hospital hay dos doctores (Pedro y Francisca) y un enfermero (Diego) dedicados al control de niño sano. Para controlar a un niño se deben seguir los siguientes pasos:

  1. Toma de Datos: Se deben tomar los datos del paciente e ingresarlos al computador. Se deben actualizar algunos campos, revisar los antecedentes e imprimir una ficha. Esto toma 5 minutos y solo lo puede hacer Diego.

  2. Toma de Muestras: Se debe tomar la presión, peso y una muestra de sangre del paciente. Esto toma 5 minutos y lo puede hacer un doctor o un enfermero.

  3. Consulta: Se debe examinar al paciente y completar la ficha. Esto toma 10 minutos y lo debe hacer un doctor.

Francisca propone organizar el trabajo de forma flexible. Es decir, en este nuevo esquema, Diego toma los datos, cualquiera de los tres podría tomar muestras, y ella o Pedro podrían atender consultas. Francisca opina que de esta forma podría aumentarse la utilización del staff en relación a la alternativa donde Diego toma los datos y las muestras y los doctores se dedican exclusivamente a las consultas.

Para evaluar lo propuesto anteriormente se sugiere confeccionar una Carta Gantt que permita determinar el mayor número de niños que es posible terminar de atender durante la primera hora de trabajo. ¿Cuál es la capacidad del proceso? ¿Cuál es el tiempo promedio de ciclo?.

La Carta Gantt para el proceso descrito anteriormente es la siguiente:

carta-gantt-proceso-flexibl

Se puede observar que el tiempo de flujo del primer paciente (niño) es de 20 minutos (cuya toma de muestra y consulta es atendida por Pedro, aun cuando sería indistinto que esto sea realizado por Francisca). El segundo niño termina su atención al cabo de 25 minutos desde iniciadas las actividades y el tercer niño sale del sistema 5 minutos más tarde que el segundo niño (y así sucesivamente continua el análisis).

¿Cómo determinamos el tiempo promedio de ciclo?. Para ello nos interesa identificar un patrón de tiempo que explique la salida de una nueva atención. Para este propósito enumeraremos los minutos en los cuales terminan las atenciones (consulta) para los distintos niños (1, 2, 3, 4,…, 13): 20, 25, 30, 40, 45, 50, 60, 65, 70, 80, 85, 90, 100. Luego se evidencia un patrón en dicho comportamiento: el segundo niño termina 5 minutos más tarde que el primero y el tercer niño 5 minutos más tarde que el segundo, no obstante el cuarto niño se desocupa 10 minutos más tarde que el tercero (y así sucesivamente). En consecuencia se espera que en el largo plazo en un intervalo de 20 minutos se terminen de atender 3 niños (trabajando a máxima capacidad) por lo cual el tiempo promedio de ciclo tiende a 20[min]/3[niños]=6,666[min/niño].

tabla-tiempo-de-ciclo-prome

Notar que esta situación resulta evidente cuando el número de pacientes tiende a un número grande (en teoría infinito) donde el tiempo promedio de ciclo va convergiendo a 6,666[min/niño]. El siguiente gráfico es una forma alternativa de representar la información de la tabla anterior donde se ha incorporado una linea de color rojo punteada que cruza el eje vertical (tiempo promedio de ciclo en [min/niño]) en 6,666.

grafico-tiempo-promedio-de-

¿Cuál es la capacidad máxima de producción?. Si el tiempo promedio de ciclo es de 6,666[min/niño] entonces la capacidad de producción es 1/6,666[niños/min]*60[min/hora]=9[niños/hora]. Notar que este resultado no contradice el hecho que durante la primera hora de trabajo sólo se han terminado de atender 7 niños.

Cálculo del Costo de Mano de Obra por unidad de Producto

Un aspecto clave en todo proceso productivo es estimar los costos asociados a la fabricación de los distintos productos el cual esta compuesto por una sumatoria de distintos costos asociados al abastecimiento de materias primas, energía, insumos y servicios generales, mano de obra, etc. En este contexto en el siguiente artículo discutiremos 2 enfoques para el cálculo del costo de mano de obra (trabajo) por unidad de producto el cual entrega resultados disimiles.

Ejemplo Cálculo del Costo de Mano de Obra por unidad de Producto

Consideremos un proceso simple de fabricación a inventario (make to stock) que consta de 3 etapas secuenciales según se detalla en el siguiente diagrama de procesos y donde en cada etapa trabaja un trabajador que recibe un salario de US$12 la hora.

proceso-costo-mano-de-obra

La capacidad del proceso es de 4[unidades/hora] lo cual esta dado por la Etapa A (cuello de botella), un tiempo de ciclo promedio de 15[minutos/unidad] o equivalentemente 1/4[hora/unidad] y un tiempo de flujo de 30[min]. Una descripción de cómo obtener estos indicadores se puede consultar en el artículo Cálculo del Tiempo de Ciclo, Capacidad de Producción y Tiempo de Flujo de una Línea de Ensamble.

Un enfoque de cálculo para el costo de la mano de obra por unidad de producto es considerar el tiempo de flujo, es decir, el tiempo mínimo que una unidad de producto tarda en pasar por el sistema (etapas A, B y C). En este sentido si el costo de una hora de trabajo es de US$12, entonces 30[minutos] (o 1/2[hora]) cuesta US$12*0,5=US$6,0.

Una alternativa al procedimiento anterior es considerar la capacidad del proceso para prorratear los costos que se incurren cada hora por concepto del trabajo. De esta forma el costo unitario es 12*3[US$/hora]/4[unidades/hora]=9[US$/unidad].

Las diferencias en los resultados alcanzados para los 2 procedimientos se debe al tiempo ocioso o tiempo muerto. En efecto resulta ser un escenario más realista el considerar que se incurre en un costo de US$36 por cada hora (por concepto de salarios) independiente de la utilización de los trabajadores. La siguiente Carta Gantt da cuenta de esta situación donde se puede observar que en particular los trabajadores de las Etapas B y C tienen tiempos muertos de 5 y 10 minutos, respectivamente, por cada unidad de producto terminado. No obstante, al considerar la capacidad del proceso en el cálculo del costo de la mano de obra se asume que el sueldo por hora se paga a todo evento.

carta-gantt-costo-mano-obra

Cálculo del Tiempo de Ciclo, Capacidad de Producción y Tiempo de Flujo de una Línea de Ensamble

Calcular los indicadores básicos de desempeño de un proceso productivo como lo es el tiempo promedio de ciclo, la capacidad máxima de producción y el tiempo de flujo de una unidad de producto en un proceso con actividades que se realizan en forma simultanea, puede resultar ser un trabajo más complejo en comparación a un proceso que sólo considera un conjunto de actividades que se desarrolla de forma secuencial. En este contexto se presenta un ejemplo de una empresa construcción de robots que trabaja con 3 lineas de ensamble que arman el Software, Hardware y Piezas de Conexión respectivamente, para luego ser unidas en una última linea de 3 tareas (I, J y K). El siguiente diagrama muestra las tareas necesarias para la construcción de producto final y las capacidades de cada tarea medidas en [u/hr].

linea-de-ensamble-computado

A continuación se presentan algunas preguntas típicas del análisis cuantitativo de procesos que nos ayudarán a comprender de mejor forma el cálculo de los indicadores anteriormente individualizados.

1. Analizar el proceso indicando el tiempo de flujo del proceso, el tiempo de ciclo promedio, la tarea que es cuello de botella y la capacidad total del proceso.

El tiempo de flujo es la suma de la linea más larga junto con la linea de producción común, es decir, 19,3[min] + 11,6[min] = 30,9[min] (aproximado). Notar que esto implica que ningún producto final podrá ser terminado en un tiempo menor a 30,9[min], esto es, el tiempo que pasa desde que se inicia su procesamiento hasta que termina su ejecución en la etapa K.

tiempo-de-flujo-ensamble

Adicionalmente las capacidades de las actividades individuales en [u/hr] han sido transformadas a sus tiempos de ciclo asociados, por ejemplo, si la actividad A tiene una capacidad de 15[u/hr] esto implica que su tiempo de ciclo es 4[min/u] (también sería válido decir que el tiempo de ciclo es \frac{1}{15}[hr/u]). Finalmente es sencillo notar que el cuello de botella son las tareas B y D, siendo la capacidad del sistema de 12[u/hr].

2. Si pudiera agregar alguna tarea en paralelo (sin importar qué tarea sea), ¿Cuál sería? ¿Cuál es el nuevo cuello de botella?.

Si se pudiera agregar otra actividad naturalmente la tendríamos que agregar al cuello de botella, en este caso a las actividades B o D. Con esto el tiempo de flujo no cambia. El siguiente diagrama muestra el caso de incorporar una actividad D adicional:

agregar-actividad-en-parale

La capacidad del proceso se mantiene en 12[u/hr] debido a que se conserva el cuello de botella de las actividades B. Ahora si se pudiera al diagrama anterior agregar una actividad B adicional en paralelo, entonces la capacidad del proceso estaría dada por las actividades C y J (13[u/hr]).