一种用于优化路面维护决策的自动化模型，旨在实现性能、成本和环境的可持续性

《Journal of Cleaner Production》：An automated pavement maintenance decision-making optimization model for sustainability of performance, cost and environment

通过开发多目标混合整数线性规划模型，研究在伊朗陶器供应链中平衡成本效率、环境可持续性和健康合规产品交付。案例研究表明，采用可持续生产工艺（M2）可降低20-30%生态影响，总成本为19906710，同时确保1586件健康合规产品交付。

　　

玛丽亚姆·亚古比（Maryam Yaghoubi）| 法特梅·达德曼德（Fatemeh Dadmand）

伊朗德黑兰帕亚梅努尔大学（Payame Noor University, PNU）数学系

摘要

目的

陶瓷制造业面临着一个关键挑战：如何在成本效益与日益增长的环境关切以及消费者对健康意识产品的需求之间找到平衡。尽管多目标优化（MOO）提供了一个潜在的解决方案，但许多现有模型未能整合产品质量，未能明确比较生产方法，且很少使用真实世界数据进行验证。本研究通过开发一个多目标优化模型来同时最小化总成本、减少环境影响，并在陶瓷供应链中最大化健康合规产品的交付。

设计/方法论

本研究开发了一个多目标混合整数线性规划（MILP）模型，以优化战略和战术决策，包括原材料采购、传统生产方法（M1）与可持续生产方法（M2）的选择、生产调度、库存控制以及多期分销计划。该模型在GAMS（通用代数建模系统，General Algebraic Modeling System）环境中使用ε约束方法进行实现和求解。通过一个基于详细运营数据的伊朗陶瓷制造商（“Taqdis品牌”）的全面案例研究，证明了该模型的有效性和实际相关性。

发现

研究结果表明，所提出的模型能够有效找到最优解，在所有目标上实现了平衡，综合得分为0.397。关键的是，仅选择了可持续生产方法（M2），总成本为19,906,710，环境影响为759,100，交付了1,586件符合健康标准的产品。这一结果表明，转向可持续生产方式可以在不显著增加成本的情况下显著减少生态足迹（根据行业基准估计可减少20-30%），同时保持产品质量。

引言

供应链是现代工业的基础基础设施，支持材料、信息和产品从供应商到最终用户的有效流动（Pasandideh等人，2015；Tang和Musa，2011）。这些网络由相互关联的利益相关者、供应商、制造商、物流提供商和分销商组成，他们在生产和分销过程中共同创造价值（Wu等人，2021）。面对市场波动性和运营复杂性的增加，分布式制造系统（DMS）已成为集中式模型的战略替代方案。通过分散生产单元，DMS使企业能够利用区域资源，降低运输成本，并增强对自然灾害等中断的抵御能力（Badhotiya等人，2020；Shabbir等人，2021）。

同时，环境可持续性已成为当代供应链管理（SCM）和制造策略的核心支柱，这得益于全球减轻气候变化、保护有限资源和履行社会责任的努力（WCED，1987）。可持续制造旨在减少产品、过程和系统层面的排放、能源消耗和浪费（Kishawy等人，2018；Dey等人，2019）。除了满足监管要求外，可持续性越来越被视为提高竞争力和增强消费者吸引力的来源（Alinezhad等人，2022；Riera等人，2023）。随着对环保产品的需求增长，将可持续性目标纳入供应链决策变得至关重要。

这种需求在资源密集型行业（如陶瓷制造）中尤为迫切，因为这些行业严重依赖自然资源和能源，因此对环境退化有重大贡献（Robinson，2020）。关键工艺，包括原材料提取、高温烧制和废物产生，与温室气体排放和生态损害密切相关（Salonitis和Ball，2013）。伊朗的实际情况进一步凸显了这些挑战。尽管伊朗的制造业多样化且资源丰富，但仍面临能源消耗高、生产基础设施过时以及对外部冲击的脆弱性等结构性问题（见图1）。该国的地理和经济多样性使得DMS特别有吸引力（Badhotiya等人，2020）。同时，工业排放、资源利用效率低下和废物管理不善给伊朗的生态系统带来了巨大压力（Modares等人，2024）。因此，扩大可持续制造实践代表着提高运营效率、降低成本、增强全球市场竞争力以及满足消费者不断变化期望的机会（Cachón-Rodríguez等人，2022；S?derholm，2020）。

尽管人们对可持续策略的认识和获取途径有所增加，例如材料回收、清洁技术和能够限制环境影响同时支持经济表现的数字优化工具（Bose和Khan，2022；Jhaveri等人，2018），但这些策略在伊朗供应链中的整合仍然有限。对文献和行业实践的仔细研究揭示了三个相互关联的空白，这些空白是本研究的主要动机。

首先，尽管许多行业（包括陶瓷制造）仍然依赖限制运营灵活性、提高物流成本并导致环境退化的传统生产方法（Emelogu等人，2016），但现有的优化框架很少提供传统生产和可持续生产技术之间的直接操作比较。这种遗漏限制了管理者通过量化经济-环境权衡来进行数据驱动的投资的能力。

其次，当代系统通常缺乏同时平衡成本效益、环境可持续性和服务质量的全面框架，特别是健康合规产品的交付。这是可持续SCM中的一个理论空白，必须超越经济和环境维度，包括产品安全等社会考虑因素。在实践中，确保餐具产品不含有害物质是消费者的关键关切，也是竞争优势的来源，但在优化模型中很少被明确作为目标。

第三，基于真实世界数据的实证验证模型严重不足，尤其是在陶瓷制造领域，特别是在伊朗。这种缺乏具体情境的实证分析限制了现有研究的适用性，留下了一个关键空白，需要一个能够应对实际复杂性的决策支持工具，例如能源密集型工艺、多样的生产技术和地区特定的需求波动，这些特征构成了该行业。

为了解决这些空白，本研究提出了一个专门针对伊朗陶瓷制造供应链的多目标优化模型。该模型旨在系统地解决每个具体问题。

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  解决第一个空白：它引入了一个二进制决策变量来选择生产方法，从而可以直接比较传统（M1）和可持续（M2）技术。
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  解决第二个空白：它引入了一个新的第三个目标函数，旨在最大化交付符合健康标准的产品，从而建立一个同时最小化总成本和环境影响的三元目标框架。
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  解决第三个空白：它通过一个伊朗陶瓷制造商（“Taqdis品牌”）的案例研究进行了验证，该研究基于多个时间段和不同客户群体的详细运营数据。

该模型在GAMS环境中实现和求解，展示了集成规划和环保实践如何提升运营和生态结果。通过提供一个全面且基于实证的建模框架，本研究为寻求现代化伊朗制造业的供应链管理者和政策制定者提供了宝贵的见解，从而在理论和实践上促进了可持续SCM的发展。

文献综述

可持续供应链的优化经历了几个方法论阶段，每个阶段都增加了平衡经济效率与环境管理的挑战的复杂性和真实性。本综述不仅按主题，还按主要方法论方法对文献进行了综合，对优化框架的构建和求解方式进行了批判性分析。三个相互关联的研究方向尤为相关：

数学模型定义

供应链优化问题使用综合的多目标混合整数线性规划（MILP）框架进行建模。该模型战略性地管理多个时间段（T）内的原材料采购、库存和分销，明确比较传统（M1）和可持续（M2）生产方法。该模型寻求在三个主要且相互冲突的目标之间实现帕累托最优权衡：最小化总成本（Z1），最大化健康合规产品的交付

案例研究

本研究考察了陶瓷餐具制造供应链中的优化挑战，重点关注可持续生产技术。本案例研究是位于伊朗戈纳巴德（Gonabad）的“Taqdis品牌”陶瓷餐具制造供应链。关键决策包括：

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  从两个供应商处采购原材料，
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  使用M1和M2方法生产产品P1、P2和P3。
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  在两个时间段内满足三个零售商K1、K2和K3的需求

需求对Z₁、Z₂和Z₃影响的统计和回归分析

表3展示了需求与每个目标函数之间的关系。

为了量化需求（D）与每个响应变量之间的关系（$Z_1$ 、 $Z_2$ 、 $Z_3$），拟合了回归模型，并使用R平方（R²评估了它们的拟合优度。D与$Z_1$之间的关系呈现出非线性、加速的趋势。二次回归模型提供了最佳拟合：