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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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