A model to evaluate the hubbing effect on transportation networks

Abstract

Abstract : Logistics hubs are flow-concentrating structures that affect the success of transportation network design and supply chain management, influencing the distribution system as a whole. Although such terminals have been around for some time, it has been only recently that a concern about measuring their impact on goods distribution has emerged. In light of this, a network flow model that supports the evaluation of the hubbing effect on freight transportation networks has been developed. The first step was to devise a general framework that covers the most important aspect of logistics terminals, and guides the classification of these facilities. The framework is based on three aspects that permeate the development of this research: infrastructure availability, type of products handled, and market coverage, which consequently influence the function of each terminal. From that, we bring an updated perspective on the definition of logistics hubs. Having in mind the type of facility and the characteristics of real transportation networks, we verify that the evaluation of the hubbing effect is a result of two major decisions: hub location and flow allocation. Yet, while hub location is an established field of knowledge, the models available in the literature present limitations for flow allocation that are related to topology design, representation of supply-demand relationships, and implementation of economies of scale. Hence, a new flow model has been proposed, with a graph adaptable to different supply chains and freight networks, containing one or more hubs. The attributes of the network and the modeling approach allowed applying the mathematical formulation for the minimum-cost flow problem and Network Simplex proved to be the best algorithm for solving this problem, both in terms of speed and robustness. The proposed model was then tested using real data from the Brazilian poultry supply chain and the road network of the state of Santa Catarina. Results obtained ratified the importance of representing full networks, and of properly applying economies of scale. They further uncovered trade-offs between economies of scale and flow allocation, hub geographic coverage, demand fulfillment, and infrastructure availability ? aspects influenced by logistics hubs. Results from this evaluation may be useful for business managers, which could gain insights on plant location, identification of supply routes, and visualization of changes in consumer markets. They may also support decision making when addressing logistics infrastructure challenges, especially those of developing economies, reducing processing costs and improving the quality of investment analyses.

Plataformas logísticas são hubs concentradores de fluxo que afetam o sucesso do design das redes de transportes e da gestão das cadeias de suprimentos, influenciando o sistema de distribuição como um todo. Embora esse tipo de terminal já seja conhecido há algum tempo, foi somente recentemente que surgiu uma preocupação em medir o seu impacto no transporte de produtos. Assim, esse trabalho apresenta um modelo de fluxo em redes que dá suporte à avaliação do efeito do hub na rede, conhecido como hubbing effect. Para alcançar este objetivo, o primeiro passo consistiu na elaboração de uma estrutura que abrangesse os principais aspectos dos terminais logísticos, servindo de guia para a classificação destas instalações. Tal estrutura se baseia em três aspectos, que permeiam o desenvolvimento da presente pesquisa como um todo: disponibilidade de infraestrutura, tipos de produtos manuseados e cobertura de mercado, os quais consequentemente determinam a função de cada terminal. A partir daí, construiu-se uma perspectiva atualizada sobre o conceito de plataforma logística. Tendo em vista o tipo de instalação e as características das redes de transporte na prática, verificou-se que a avaliação do hubbing effect é resultado de duas decisões principais: localização da plataforma e alocação de fluxo. Todavia, embora a localização de hubs seja uma área de conhecimento já estabelecida, os modelos disponíveis na literatura apresentam limitações para a alocação de fluxos que estão relacionados ao desenho da topologia da rede, à representação das relações de oferta e demanda, e à aplicação de economias de escala. Diante disso, foi proposto um novo modelo de rede, através de um grafo adaptável a diferentes cadeias de suprimentos e redes de transporte, contendo uma ou mais plataformas. Os atributos da rede e a abordagem de modelagem permitiram utilizar a formulação matemática para o problema de fluxo de custo mínimo e o algoritmo Network Simplex mostrou-se a melhor ferramenta para resolver o problema, tanto em termos de velocidade de solução quanto de robustez. O modelo proposto foi testado na prática utilizando dados da cadeia de produtos de proteína animal no Brasil e a rede de transportes do estado de Santa Catarina. Os resultados obtidos ratificaram a importância de representar topologias completas e de aplicar corretamente os descontos das economias de escala. Além disso, foi possível observar trade-offs entre as economias de escala e a alocação de fluxos, cobertura geográfica, atendimento de demanda e disponibilidade de infraestrutura ? aspectos influenciados pelas plataformas logísticas. A avaliação do hubbing effect mostra-se útil para a indústria, que pode obter informações sobre a localização de plantas, identificação de rotas de transporte e mudanças nos mercados consumidores. Por outro lado, serve de apoio para enfrentar os desafios da infraestrutura de transporte e logística, especialmente em países em desenvolvimento, reduzindo custos e melhorando a qualidade das análises de investimento.