Modeling and Analysis of Actor Behavior in Supply Chains using Bilevel Optimization

In der heutigen, globalisierten Weltwirtschaft stellen Lieferketten (engl. Supply Chains) das Rückgrat der international vernetzten Produktion und Distribution dar. Die operative, taktische und strategische Interaktion zwischen den verschiedenen Akteuren – Produzenten, Lieferanten, Großhändlern und Einzelhändlern – beeinflusst dabei maßgeblich die Effizienz und Stabilität dieser Netzwerke. Während eine enge Kooperation zwischen den Beteiligten durch vertikale Integration zu einer Optimierung der Gesamtperformance der Supply Chain führen kann, stehen in der Praxis häufig divergierende Interessen und wettbewerbsorientiertes Verhalten im Vordergrund. Besonders in wettbewerbsintensiven Branchen, wie beispielsweise dem Energiesektor, kommt es daher häufig zu Ineffizienzen, höheren Kosten und Störungen.

Ein zentrales Problem ist daher die Fragestellung, wie Akteure, die sich in unterschiedlichen hierarchischen Ebenen der Supply Chain befinden, optimale Entscheidungen treffen können, wenn ihre Interessen nicht übereinstimmen. Insbesondere die Gestaltung von Preisverträgen, Produktionsmengen, Investitionsentscheidungen oder Ablaufplänen ist häufig von einem gegenseitigen Abhängigkeitsverhältnis geprägt. Diese Problematik lässt sich durch sogenannte Bilevel-Optimierungsmodelle abbilden, die es ermöglichen, Entscheidungsprozesse auf mehreren Hierarchieebenen simultan zu modellieren und zu analysieren. Hierbei trifft ein führender Akteur (Leader) eine strategische Entscheidung, auf die nachgelagerte Akteure (Follower) reagieren, indem sie ihre eigenen Optimierungsprobleme lösen.

Die Zielsetzung der Dissertation besteht darin, innovative Beiträge zur Modellierung und Lösung praxisrelevanter Bilevel-Optimierungsprobleme in Supply Chains zu leisten. Der Fokus liegt dabei auf folgenden zentralen Aspekten:

• Modellierung mehrstufiger, wettbewerbsintensiver Lieferketten unter realistischen Annahmen, bspw. in der Energiebranche, in der Akteure um begrenzte Ressourcen und Marktanteile konkurrieren.
• Untersuchung des Einflusses von Preisverträgen und Anreizmechanismen auf das Design und den Betrieb von Lieferketten. Dabei wird analysiert, wie sich unterschiedliche Vertragsmodelle auf die Entscheidungsstrategien der Akteure und die Gesamteffizienz der Lieferkette auswirken.
• Weiterentwicklung von Lösungsverfahren für Bilevel-Optimierungsprobleme durch die Integration von (Meta-)Heuristiken, um die rechnerische Komplexität zu reduzieren und praxisrelevante Lösungen für große Probleminstanzen zu ermöglichen.