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Modelling Change in Supply Chain Structures and its Effect on Freight Transport Demand

Ottemöller, Ole :
Modelling Change in Supply Chain Structures and its Effect on Freight Transport Demand.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modelling Change in Supply Chain Structures and its Effect on Freight Transport Demand
Language: English
Abstract:

Economic activity, especially in the manufacturing industries, is a major determinant of freight transport. Since the actual manufacturing processes are bound to specialised business establishments, which are only partially dispersed across space, commodity flows are required that connect locations of excess supply with locations that show unfulfilled demand for goods. In this context, economic reasoning of the involved actors leads to the formation of industry specific supply chain structures. Various authors emphasise the interrelation of these continuously evolving supply chain structures and freight transport demand. However, so far no disaggregate model exists that explicitly captures this interdependence.

The study at hand addresses this gap by developing a disaggregate model for simulating the impact of change in supply chain structures on the corresponding freight transport demand. The proposed model covers centralisation and vertical disintegration as examples of structural change. For this purpose, the model quantitatively describes spatially disaggregate supply chain structures, consisting of business establishments and commodity flows, on the level of entire sectors. The model development is accompanied by an interdisciplinary literature review that gives an overview of existing research on supply chain structures and freight transport demand.

The developed model consists of two phases. A first phase generates an artificial industry landscape of business establishments and commodity flows according to available aggregate statistics. The generation relies on elements of stochastic simulation and directed choice procedures. The model's second phase simulates change in the supply chain structures from the first phase. Using linear programming, a maximum solution range regarding the impact on freight transport is calculated. Increasing the degree of assumptions, the solution space can be narrowed. Here, the model applies a combination of stochastic simulation, linear programming, and fitting procedures.

The model is applied for analysing centralisation in the poultry industry and vertical disintegration in the automotive industry of Germany. For both cases, a broad range of data sources is used, e.g. common public statistics on establishment sizes and spatial distribution of employment but also sectoral data, e.g. from industry associations or case studies. The real-world consistency of spatial flow patterns is ensured by assigning commodity flows according to statistical macroscopic flows.

Overall, the simulation results show that an increase in freight transport performance is to be expected for the case of centralisation as well as vertical disintegration. However, the maximum solution ranges also indicate that assuming suitable location choice and flow assignment a reduction in freight transport performance is mathematically possible. The analysis also addresses the suitability of state measures for mitigating the impact of changes in the supply chain structure on freight transport demand.

In summary, the work describes a disaggregate model for simulating changes in the supply chain structure and their impact on freight transport demand. The model applications especially illustrate how the immanently required assumptions determine the impact of centralisation or vertical disintegration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Wirtschaftliche Aktivität, insbesondere materialintensiver Wirtschaftszweige wie dem verarbeitenden Gewerbe, ist ein wesentlicher Treiber für die Entwicklung des Güterverkehrs. Eine entscheidende Rolle spielt hierbei die arbeitsteilige Herstellung von Gütern durch spezialisierte Betriebe, welche zumeist ungleichmäßig räumlich verteilt sind. Für den Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage der verschiedenen Waren sind somit Güterflüsse erforderlich, die Produktionsorte mit Verbrauchsorten verbinden. Die dazugehörige Güterverkehrsnachfrage hängt wesentlich von den Lieferkettenstrukturen auf der Ebene von Betrieben und Güterflüssen ab, die sich in der Folge durch das ökonomische Verhalten der involvierten Akteure herausbilden und kontinuierlich weiterentwickeln. Entsprechend betont eine Vielzahl von Veröffentlichungen aus dem Bereich der Güterverkehrsforschung die Bedeutung dieser Abhängigkeit. Es existieren jedoch bisher keine disaggregierten Güterverkehrsmodelle, die den Wirkungszusammenhang von Lieferkettenstrukturen und Güterverkehrsnachfrage explizit abbilden. Die vorliegende Arbeit adressiert diese Lücke mit der Entwicklung eines disaggregierten Modells zur Simulation der Auswirkungen von Veränderungen in den Strukturen bestehender Lieferketten auf die Güterverkehrsnachfrage. Das entwickelte Modell ist insbesondere geeignet, um die Wirkungen von Zentralisierung sowie vertikaler Desintegration abzuschätzen. Zu diesem Zweck werden im Modell die Lieferketten ganzer Wirtschaftssektoren quantitativ und räumlich disaggregiert dargestellt. Betriebe und Güterflüsse zwischen ihnen dienen hierbei als zentrale Modellelemente. Die Modellentwicklung ist eingebettet in einen interdisziplinären Literaturüberblick, der bestehende Forschungen mit Bezug zur Struktur von Lieferketten und Güterverkehr zusammenfasst. Das entwickelte Modell besteht aus zwei Phasen. In der ersten Modellphase wird eine synthetische Industrielandschaft, bestehend aus Betrieben und Güterflüssen, unter Berücksichtigung bestehender aggregierter Statistiken generiert. Die Erzeugung verwendet dabei vor allem Elemente stochastischer Simulation und gerichteter Auswahlprozesse. Die zweite Modellphase dient der Simulation von strukturellen Veränderungen in den Lieferketten der ersten Phase zur Abschätzung der Auswirkungen auf die dazugehörige Güterverkehrsnachfrage. Unter Verwendung linearer Programmierung wird die maximal mögliche Veränderung der Güterverkehrsleistung berechnet. Durch eine Konkretisierung von Annahmen hinsichtlich verschiedener Charakteristika der Strukturveränderung werden die Freiheitsgrade zur Lösungsfindung reduziert, wodurch der zulässige Lösungsbereich eingeschränkt wird. Für diesen Zweck verwendet das Modell eine Kombination aus stochastischer Simulation, linearer Programmierung und Matrixanpassungsverfahren. In der vorliegenden Arbeit erfolgt eine Anwendung des entwickelten Modells zur Untersuchung einer Zentralisierung innerhalb des Geflügelsektors sowie von vertikaler Desintegration in der Automobilindustrie Deutschlands. Für beide Fälle wird eine Vielzahl unterschiedlicher Datenquellen genutzt. Dies sind zum einen für diese Zwecke übliche Statistiken, etwa zu Betriebsgrößen oder Beschäftigung nach Raumeinheiten, aber auch sektorspezifische Daten etwa von Industrieverbänden oder aus Fallstudien. Die Einhaltung gegebener makroskopischer Flüsse bei der Zuordnung von Güterflüssen zwischen Betrieben sichert ihre Realitätstreue hinsichtlich der räumlichen Dimension. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sowohl für den Fall einer Zentralisierung als auch für den Fall einer vertikalen Desintegration unter den gegebenen Umständen mit einer Erhöhung der Güterverkehrsleistung zu rechnen ist. Allerdings deuten die berechneten maximalen Lösungsbereiche ebenfalls an, dass bei einer geeigneten Standortwahl und Zuordnung von Güterflüssen mathematisch sogar eine Reduzierung der Güterverkehrsleistung möglich ist. Die Modellanwendungen untersuchen daher auch exemplarisch ausgewählte staatliche Maßnahmen hinsichtlich ihrer Eignung, die güterverkehrlichen Auswirkungen von Veränderungen in den Lieferkettenstrukturen abzumildern. Zusammengefasst entwickelt die vorliegende Arbeit also zunächst ein disaggregiertes Modell zur Simulation von strukturellen Veränderungen der Lieferketten ganzer Sektoren, um die daraus resultierende Auswirkung auf die Güterverkehrsnachfrage abzuschätzen. Die anschließenden, exemplarischen Anwendungen des Modells zeigen, wie die hinsichtlich der strukturellen Veränderungen erforderlichen Annahmen die möglichen Auswirkungen von Zentralisierung und vertikaler Desintegration festlegen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 300 Sozialwissenschaften > 330 Wirtschaft
300 Sozialwissenschaften > 380 Handel, Kommunikation, Verkehr
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute of Transportation
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Transportation > Transport Planning and Traffic Engineering
Date Deposited: 26 Jul 2017 12:02
Last Modified: 26 Jul 2017 12:02
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-66411
Referees: Boltze, Prof. Dr. Manfred and Friedrich, Prof. Dr. Hanno
Refereed: 4 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6641
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