Genişletilmiş bir malzeme gereksinim plânlaması modeli ve uygulaması: Türkiye kuyumculuk sektörü
An extended MRP approach and application: Turkish jewelry industry
Yazar: ERHAN YAZICI
Danışman: DOÇ. DR. MURAT BASKAK ; PROF. DR. GÜLÇİN BÜYÜKÖZKAN FEYZİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Endüstri ve Endüstri Mühendisliği = Industrial and Industrial Engineering
Dizin: Bulanık matematiksel programlama = Fuzzy mathematical programming ; Doğrusal programlama = Linear programming ; Kapalı döngü tedarik zinciri ağ tasarımı = Closed loop supply chain network design ; Karma tamsayılı programlama = Mixed integer programming ; Malzeme ihtiyaç planlaması = Material requirement planning ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Yeniden kazanma = Recycling ; Yeniden üretim = Remanufacturing ; Yeşil tedarik zinciri = Green supply chain ; Üretim planlaması = Production planning

Özet:
Kuyumculuk sektörü, üretimde hammadde olarak değerli metalleri kullanmasından dolayı kendine özgü farklılıklar içeren bir sektördür. Bu değerli hammadde hareketleri, bütünleşik olarak bir kapalı döngü tedârik zinciri içerisinde olmaktadır. Malzemelerin ve özellikle değerli hammaddelerin hareketleri tedârikçiden, üretime ve üretimden müşteriye kadar etkin bir şekilde yönetilmelidir. Bu süreç içerisinde plânlamanın merkezinde olan ve gereksinim kaynağını oluşturan üretimin plânlanması, değerli metallerin kullanılmasından dolayı incelenmesi gereken, farklı gereksinimler içeren bir konudur.
Geleneksel Malzeme Gereksinim Plânlama (MRP) yalnızca ileri yönlü hareketleri dikkate alarak, gereksinimlere uygun şekilde üretim sipârişlerini ve ilişkili gereksinimleri ortaya koyar. Bununla birlikte kuyumculuk üretimi yalnızca ileri yönlü malzeme hareketlerini içermez. Kapalı döngü tedârik zinciri içerisinde malzemelerin hareketleri ileri yönlü olarak tedârikçiden üretime ve üretimden müşteriye kadar etkin bir şekilde yönetilmesi gerektiği gibi, aynı şekilde tersine yönlü olarak müşteriden üretime ve üretimden tedârikçiye etkin bir şekilde yönetilmelidir. Kuyumculuk sektörü ileri yönlü geleneksel malzeme hareketlerine ek olarak, geri dönüşüm ve yeniden üretim süreçlerinden dolayı ters yönlü malzeme hareketlerini içerir.
Geleneksel MRP, yalnızca ileri yönlü malzeme hareketleri ile ilgilenirken, yalnızca ters yönlü hareketlerin plânlanması ile ilgilenen "Tersine MRP" olarak adlandırılan bir plânlama yaklaşımı da vardır. Tersine MRP, ürünlerin parçalarına ayrıştırılmasının malzeme gereksinim plânlaması ile ilgilenir. Bununla birlikte hem ileri hem de ters yönlü hareketleri dikkate alan başka bir yaklaşıma gereksinim vardır. Bu yaklaşım "Genişletilmiş MRP" olarak adlandırılır. Genişletilmiş MRP, hem ileri yönlü hem de ters yönlü hareketleri MRP içerisinde eşzamanlı olarak dikkate alır. Bu, kuyumculukta MRP için gereksinim duyulan bir yaklaşımdır.
Bu çalışmada öncelikle, Türkiye'deki kuyumculuk sektörü dikkate alınarak geleneksel MRP modeli, çift yönlü (ileri ve ters yönlü) üretim içi hareketler ile birlikte çift yönlü tedârik zinciri hareketleri gözönüne alınarak genişletilmiştir. Çift yönlü üretim içi hareketler olarak şunlar dikkate alınmıştır: Hurda, fire geri dönüşümleri ve iade geri dönüşümleri. Çift yönlü tedârik zinciri hareketleri olarak ise iade, tahsilat ve iade yeniden işlemeleri dikkate alınmıştır.
Kuyumculuk sektörü, çift yönlü hareketler içeren bu kapalı döngü tedârik zinciri yapısından dolayı ayrıca yönetilmesi gereken belirsizlikleri içerir. Bundan dolayı çalışmanın devamında bu belirsizlikler de dikkate alınarak; sunulan genişletilmiş MRP modeli daha etkin bir tedârik zinciri yönetimi için belirsizlikleri de içerecek şekilde çalışma geliştirilmiştir.
Öncelikle çalışma ile ilgili yazın taramaları yapılmıştır. Yapılan yazın taramasını üç başlık altında gruplandırmak doğru olacaktır. Bunlardan ilki MRP, geri dönüşüm ve yeniden üretim ilgili yazın taramasıdır. Bu yazın taraması ile geri dönüşüm ve yeniden üretim içeren üretim ortamlarında üretim plânlama ve MRP problemlerine nasıl çözümler getirildiği araştırılmıştır. MRP ve belirsizlikler başlığı altındaki ikinci bir yazın taraması ile üretim ortamını etkileyen belirsizliklerin neler olduğu ve nasıl yönetildikleri incelenmiştir. Bu araştırmadan yola çıkılarak çalışmada belirsizliklerin nasıl yönetilebileceği ile ilgili yöntem geliştirilmeye çalışılmıştır. Son olarak ise belirsizlik üzerinde yapılan çalışmalardan yola çıkılarak, çözüm yöntemi olarak en çok yeğlenen bulanık modelleme saptaması ile bulanıklığın üretim plânlamada kullanımı üzerine yayınlar araştırılmıştır. Bu konuların araştırılması, yapılan bu çalışmaya ışık tutucu nitelikte etkide bulunmuştur. Çalışma, bu yazın araştırmalarının ışığında şekillendirilmiştir.
Çalışmanın devamında ise önerilen genişletilmiş MRP modeli verilmiştir. Kuyumculuk üretim süreci, problemin tanımlanması, modellenmesi bu kısımda yapılmıştır. Öncelikle model, tanımı itibari ile 	doğrusal olmayan" olarak oluşmuştur. Sonrasında parçalı doğrusallaştırma ile model doğrusal biçime getirilmiştir. Devamında modele belirsizlikler de eklenerek modelin bulanık biçimleri elde edilmiştir.
Önerilen model temel olarak iki kısımdan oluşmaktadır. İlk aşamada yeniden üretim, geri dönüşüm ve yeniden kullanımları içeren kapalı döngü tedârik zincirlerindeki üretim/yeniden-üretim ortamları için genişletilmiş MRP modelinin geliştirilmesi yapılmıştır. Bu ana konu ile birlikte, özellikle yeniden üretim, geri dönüşüm ve yeniden kullanım ile öne çıkan belirsizliklerin de dikkate alındığı bu çalışmada, ikinci olarak belirsizliklerin bu malzeme gereksinim plânlama içerisindeki rolü ele alınmıştır. Böylece önerilen modelin daha etkin bir şekilde gerçek yaşam uygulamalarına katılabilirliğinin sağlanması ve karar vericilere daha etkin bir plânlama ortamının sunulması amaçlanmıştır.
İlk aşamada, sunulan MRP modelinin geliştirilmesinde doğrusal olmayan ve doğrusal olan karışık tamsayılı matematiksel modellemeler kullanılmıştır. Modellemeler AIMMS yazılımı kullanılarak yapılmıştır. İkinci aşamada ise temel olarak bulanık mantık ve bâzı durulaştırma yöntemleri kullanılarak model, içerisindeki belirsizliklerin yönetilmesi için, belirsizlikleri içerecek şekilde geliştirilmiştir. Modele belirsizliklerin eklenmesi, genel olarak modeli doğrusal olmayan bir duruma dönüştürmüştür. Temel olarak bulanık modelin çözümü için alfa kestirimler ile parametrik doğrusal programlama kullanılmıştır.
Her iki aşamada da model çözümleri gerçek vaka üzerinde yapılarak, önerilen modelin uygulanabilirliği sunulmuştur. Değişik çözücüler ve plânlama dönemleri için çözümleme yapılarak önerilen belirli modelin hesaplama etkinliği gösterilmiştir. Çözümler üzerinde duyarlılık analizleri ve kıyaslamalar yapılarak gerek belirli durumlar ve gerekse belirsizliklerin dikkate alındığı durumlar için önerilen modele ilişkin çözüm etkinlikleri verilmiştir. Hem doğrusal, hem de doğrusal olmayan modeller için farklı çözücülerde çözümler elde edilmiş, modelin performansı araştırılmıştır. Çözümlere baktığımızda doğrusal olan modelin, olmayana göre daha etkin bir şekilde çözülebildiği görülmüştür.
Çözüm sonuçlarına bakıldığında, üretim ile birlikte hammadde geri dönüşümlerinin plânlama içerisinde oluştuğu ve hammadde stoklarının geri dönüşümler dikkate alınarak şekillendiği görülmüştür. Aynı zamanda iade gelen ürünlerin yeniden işlenmesi veya dönüştürülmesi işlemi de plânlama içerisinde oluşmuş ve sipâriş karşılama veya hammadde oluşumu olarak karşımıza çıkmıştır.
Sonuç olarak, bu çalışmada genişletilmiş bir MRP modeli, karışık tamsayılı programlama yöntemi kullanılarak Türkiye kuyumculuk sektöründeki bir üretim plânlama problemine; geri dönüşüm, yeniden kullanım ve yeniden üretimleri standart üretim plânlamanın yanında dikkate alarak çözüm önerilmiştir. Önerilen model hem ileri hem de geri yönlü kapalı döngü tedârik zinciri hareketlerini süreç, tedârik ve müşteri tarafını eşzamanlı olarak gözönünde tutarak dikkate almaktadır. Tip-1 ve tip-2 bulanıklık tanımlamaları dikkate alınarak, geri dönüşümden kaynaklı belirsizlik, doğrusal bulanık programlama yöntemi ile dikkate alınarak model geliştirilmiştir. Bunlar, yazına kazandırılan temel katkılardır.
Önerilen model ve bulanık uygulamalar, kuyumculuk üretiminden gerçek bir vaka kullanılarak çözümlenmiştir. Değişik çözücüler ve plânlama dönemleri için çözümleme yapılarak, önerilen belirli modelin hesaplama etkinliği gösterilmiştir. Üretim plânlama çalışmalarının sonuçları, ters yönlü hareketlerin nasıl yönetildiğini göstermiştir. Belirli ve bulanık modellerin çözümleri, değişik kabul düzeyleri için toplam mâliyet değişimleri düzeyinde kıyaslanmıştır. Bulanık yaklaşımın karar vericilere daha iyi bir bakış açısı sunduğu gösterilmiştir. Ana amaç, değerli hammaddenin etkin bir biçimde kullanımıdır ve üretim plânlamacılar için ana zorluk budur. Önerilen model, üretimin bu ana darboğazının yönetimi için bir çözüm önermiştir. Bu etkin üretim plânlama yaklaşımının, şirket hissedarları ve üretim plânlamacılar için tatmin edici olduğu söylenebilir. Önerilen modelin uygulaması göstermiştir ki, önerilen model hem etkin bir üretim plânlama yaklaşımıdır, hem de hesaplama yükü açısından etkin ve kullanışlıdır.

Abstract:
It is important to manage reverse material flows such as recycling, reusing and remanufacturing in a production environment. This study addresses a production planning problem which involves reusing of scrap and recycling of waste that occur in the various stages of the production process and remanufacturing/recycling of returns in a closed-loop supply chain environment. An extended material requirement planning (MRP) is proposed as a mixed integer linear programming (MILP) model which includes –beside forward- these reverse material flows. The proposed model is developed for the jewelry industry in Turkey, which uses gold which is a precious metal as the primary resource of production. The aim is to manage these reverse material flows as a part of production planning to utilize resources. 
In terms of production planning, MRP has a key role which generates outputs such as production orders, capacity requirements, raw and semi material requirements by using customer orders, bill of materials (BOM), routings for capacity requirements as main data and inventory status records as initial planning status. Classical MRP only considers forward material flows. Many papers that include details about the MRP process can be found in the literature. In addition to classical MRP process, there is also another type that handles reverse material flows which is called reverse MRP that takes into account the disassembly of the products as a separate process alone. Additionally, another approach takes both forward and reverse movements into consideration together at production planning which extends MRP approach that is called as "Extended MRP".
The jewelry industry has a distinctive characteristic due to its use of precious metals as raw materials. Using metals as a raw material is a specific characteristic needed to be analyzed in the view of production planning as precious metals are recyclable and reusable in production. Using precious metals such as gold also has its financial value. Considering the customer and supplier based material movements, jewelry production can be considered as a closed-loop supply chain. The extended MRP approach is capable to give a basic solution to the production planning problem of jewelry industry. But it needs to be expanded and extended to consider the specific production characteristics of jewelry.
The existing research on extended MRP approach uses an input-output model by using matrices to solve the MRP process by basically using only BOM and predefined ratios, periodicity being excluded. The cost is not taken into the consideration for reusing or recycling decisions and there is no cost minimization for recycling, supplying or reusing decisions. There should be a time interval of the scraps collected for economic recycling level. Scrap and loss ratios of production are not so deterministic and have to be managed as an uncertainty. Furthermore, there should be a decision mechanism to remanufacture or recycle a returned product. A financial deduction is registered as gold on the side of the supplier, as gold is used as a currency in financial reports. Besides, there is a periodicity in production and capacity constraints. These are the motivations of this study to resolve for the jewelry sector of Turkey. It is anticipated that this study may open new perspectives for other researchers, other industries and countries seeking guidance for dealing with their similar problems. When the literature is reviewed, there is no similar research for this type of problem. Moreover, it is not probable to obtaining MRP approach for jewelry.
The main objective of this study is to reach a solution for jewelry production planning problem in Turkey. The production process involves back and forth movements simultaneously. Gold is used as a raw material and financial instrument at the same time. Collections and returns of gold from customers, its purchasing and recycling from suppliers and everything in production activities relate to material movements of gold and have effects on production planning. Cost coefficients are used as ratios of production amount in the unit of gold. These are requirements which seem specific to the Turkish jewelry industry. A mathematical model has been proposed to resolve these problems, which has been observed to be nonlinear due to the description of some production processes. Nonlinear mathematical problems are hard to solve and there is no global optimal solution. Thus, using a linearization technique, this problem is defined as a MILP mathematical model, which is solved to find an optimal solution. 
This study's main motivation is the production planning problem encountered by a gold jewelry company in Turkey, which has to manage recycling, reusing and remanufacturing in coordination with the production process. This cost minimization production planning problem contains multiple products, multiple plants and capacity constraints of more than one period production environment, regarding only one bottleneck raw material, gold, and recycling, reusing and remanufacturing of raw material gold and products containing gold as raw material. The problem involves material flows both for in process, and out of process such as supply, demand, return and collection of gold.
For this production planning problem, a MILP MRP model is developed for the gold jewelry industry in Turkey with recycling, reusing and remanufacturing. The proposed model considers reverse material flows both in processes, such as recycling, reusing and remanufacturing, and out of processes, such as supplier based recycling, returns and collections from customers as raw material gold.
Main outputs of the proposed model are the main production schedule consisting of the products to produce and raw material needed; product and raw material stock quantity end of every period; amount of demand met; capacity usages; recycle, scrap and waste quantities or raw material; returned product recycling and remanufacturing quantities; and the raw material supply amount for each period.
The main aims of the model are minimizing the total production cost; planning of scrap and waste recycling; planning return remanufacturing and recycling; planning of raw material supply (mainly gold supply in this model); minimizing demand backlog; minimizing finished product and raw material stock level; effective resources usage; considering scrap, waste and return recycling and collections as raw material gold to minimize supply cost and considering returned product remanufacturing to minimize total production cost.
Constraints of the model are the stock, production and demand balance constraints for the finished product; raw material stock and supply constraints; operational resource capacity constraints and non-negativity, binary and integer subjections for the decision variables.
Relevant literature review about MRP with recycling and remanufacturing and MRP including fuzzy solutions was conducted. Currently, there are a bunch of studies about production planning and MRP in the literature. Literature was surveyed by considering the characteristics of the problem, production planning with recycling, reusing and remanufacturing. The concept of fuzzy production planning is also reviewed due to handling uncertainty of recycling in production planning. When MRP literature with recycling and remanufacturing processed is reviewed, reverse MRP and extended MRP approaches are observed.
Despite all these researches in related areas, there has been no research on MRP with recycling and remanufacturing in the literature, so far. Particularly for jewelry industry, the MRP model has not been researched by including aspects like recycle, remanufacture, supply, collect and returns. In this study, recycling and remanufacturing were studied in a mathematical model for MRP and returned products and work in process materials were considered as recycle resource. Additionally, remanufacturing and recycling decision was included in the proposed model.
In spite of deterministic characteristic of most studies, there are many uncertainties in real cases as a part of production planning process. Adding fuzzy constrains or coefficients to mathematical models generally makes models non-linear. Mostly, α-cuts fuzzy parametric linear programming approach is utilized to keep mathematical model linear, considering the difficulty of solving nonlinear mathematical problems.
In this study, the presented extended MRP approach was transformed with fuzzy coefficients into a fuzzy extended MRP approach. This study extends the literature by proposing a new approach for extended MRP on a jewelry case from Turkey which includes recycling, reusing and remanufacturing decisions as a part of production planning processes. Additionally, due to the unpredictable nature of these reverse material movements, the proposed approach was also transformed into the fuzzy MRP application to handle uncertainties over this kind of process in production planning, contributing to literature.
In addition to the deterministic model, the proposed approach also transformed the model into a fuzzy MILP model for MRP to handle uncertainties, so that the unpredictable nature of reverse material movements like recycle process efficiency in production planning can be taken into account. The proposed deterministic model certainly defines all aspects of the problem. However, the effectiveness of the adopted recycling process in the proposed model is difficult to predict deterministically. Beside of that uncertainty, also as our literature survey suggests, there exist other uncertainties based on demand, supply, process and environment. The scope of this paper is limited to recycling uncertainty only, because of the high financial value of gold as the raw material in the jewelry industry. Although recycling is not a hundred percent efficient process, the amount of loss remains uncertain.  
The proposed MILP approach was modeled non-linearly by definition at first hand. Therefore, there was no optimal solution and the model was difficult to solve. To manage this challenge, binary linearization was used to transform it into a MILP model. In other words, adding fuzzy definitions to the model also could change model to non-linear. To deal with this situation, the proposed MILP was transformed according to linear programming fuzzy solutions. As the fuzzy set approach to handle uncertainty, parametric linear programming was used with α-cuts and an interactive resolution method with decision maker.
The proposed model developed for the production planning problem was applied on one of Turkey's jewelry manufacturers. This company has a production planning system based on standard MRP. It takes orders from both domestic and foreign customers. Weekly production plans are made on a daily basis, by taking the deadlines of orders received into account. Orders are planned by considering the production cost and production capacity in the plants, since products can be produced in different plants. As the raw material, gold is the main bottleneck in planning and must be used in the most effective manner. In jewelry the planning of the raw material with all aspects is the basis of production planning.
This study proposes an extended MRP model using MILP technique for the production planning problem of jewelry industry in Turkey by regarding recycling, reusing and remanufacturing in addition to standard production planning. The proposed model covers both forward and reverse material flows in a closed-loop jewelry supply chain which considers process, supply and customer side simultaneously. Furthermore, linear fuzzy programming methods are applied taking the unpredictable nature of the recycling process into account with fuzzy type-1 and type-2 uncertainty. These are the main contributions of this paper which extend literature.
The proposed model and fuzzy applications were examined using data from a jewelry company. The computational performance of the proposed deterministic model was presented for different solvers and planning periods. The results for the production planning run indicated how the proposed model handles reverse material flows. Deterministic and fuzzy model solutions were compared in terms of total cost variations for different feasibility degrees. Projections of fuzzy approaches for decision makers were presented. This study demonstrated that the fuzzy approach gave a better perspective to decision makers. The main objective was the efficient utilization of gold, a challenge for production managers, where the model proposed a solution to this main bottleneck of production. This effective production planning approach seems to be satisfying for company shareholders and production planners. Application of the proposed model indicated that this approach was practical and usable both for achieving solutions regarding computational effort and for effective production planning.