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Doutorado - Vitor Miranda de Souza

por dirppg-ct publicado 15/02/2019 10h00, última modificação 15/02/2019 13h47
Projeto de redes de fornecimento regenerativas
Quando
20/02/2019
de 09h30 até 12h30
(America/Sao_Paulo / UTC-300)
Onde
Sede Ecoville: Auditório do NUEM
Pessoa de contato
Prof. Milton Borsato
Participantes
Prof. Milton Borsato, Dr. Orientador - UTFPR
Profa. Jacqueline Bloemhof-Ruwaard, Dra. Co-orientadora - Wageningen University
Banca examinadora:
Prof. Milton Borsato, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Argyris Kanellopoulos, Dr. - Wageningen University
Prof. Aldo Roberto Ometto, Dr. - USP
Prof. Tamara Simone van Kaick, Dr. - UTFPR
Prof. Eloy Fassi Casagrande Jr., Dr. - UTFPR
Examinador Suplente:
Prof. José Aguiomar Foggiatto, Dr. - UTFPR
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Resumo: A estratégia de minimização de impactos ambientais - também conhecida como eco-eficiência, ou "fazer as coisas do jeito certo" para o meio ambiente - não tem sido efetiva suficiente para reverter os danos causados ao meio ambiente por sistemas de produção. É necessário ir além, buscando a eco-efetividade - "fazer a coisa certa" para o meio ambiente - em Projetos Sustentáveis, maximizando os benefícios e engajando-se ativamente na regeneração de ecossistemas degradados. Estes sistemas de produção também devem ser capazes de se adaptar a distúrbios, garantindo o cumprimento da sua função - habilidade denominada de Resiliência - e a manutenção destes benefícios ambientais no longo prazo.

Iniciativas voltadas para o projeto de redes de fornecimento - um tipo específico de sistemas de produção - tem focado em (i) melhorar sua eco-eficiência, (ii) propor definições mais eco-efetivas para estas redes, ou (iii) melhorando sua Resiliência. No entanto, nenhuma iniciativa que conjugue estas três abordagens, com enfoque em regeneração ambiental, pode ser encontrada na literatura. Esta tese tem como objetivo contribuir nesta direção, propondo um procedimento para a realização de projeto de redes de fornecimento que promovam a regeneração do meio ambiente enquanto cumprem sua função operacional. Este procedimento é considerado como um artefato, e para sua elaboração, a metodologia de Design Science Research (DSRM) foi utilizada, prescrevendo a execução de seis atividades: identificar o problema e motivar, definir objetivos para a solução, projeto & desenvolvimento, demonstração, avaliação e comunicação. Todas as seis atividades foram executadas, e estão descritas ao longo dos capítulos desta tese.

O primeiro passo foi mapear o progresso científico do Projeto Sustentável no contexto da Gestão de Operações. Uma revisão de literatura foi executada por meio de abordagem holística, com base no ProKnow-C - uma metodologia para realização de análise bibliométrica e sistêmica. Esta revisão de literatura está descrita no Segundo Capítulo. O amplo escopo da revisão de literatura permitiu a identificação das várias áreas e disciplinas envolvidas no avanço da pesquisa sobre Projeto Sustentável em Gestão de Operações. Dois resultados foram atingidos: primeiro, por meio da análise bibliométrica, os periódicos e as publicações mais importantes foram identificados, além dos principais autores. Segundo, a análise sistêmica levou a compreensão das tendências e oportunidades de pesquisa, categorizadas seguindo um mapa mental que vincula as principais áreas de pesquisa e suas respectivas subcategorias. Esta revisão de literatura embasou a proposta de um procedimento de projeto de Redes de Fornecimento Regenerativas, o PRFR.

O projeto e o desenvolvimento do procedimento PRFR estão descritos no Terceiro Capítulo. Primeiro, a Rede de Fornecimento Regenerativa é caracterizada, envolvendo os conceitos de transdisciplinaridade, eco-efetividade, eco-eficiência e resiliência. Segundo, o processo de Projeto de Redes de Fornecimento Regenerativas é definido a partir dos conceitos de Redes de Fornecimento Sustentáveis, Projeto de Cadeias de Fornecimento, Abordagem Sistêmica e Projeto Regenerativo. Terceiro, o procedimento PRFR é definido, consistindo em quatro etapas: (i) descrever os entornos da rede e identificar um propósito regenerativo usando a visão de Sistema Socio-Ecológico; (ii) reprojetar as saídas, entradas e processos de transformação, com abordagem eco-efetiva; (iii) executar o projeto conceitual do sistema, onde as interações entre a rede projetada e seus arredores são decompostas a partir das visões de Sistemas Socio-técnicos e Sistemas Socio-Ecológicos, e princípios de resiliência são adotados. No quarto e último estágio, os desempenhos econômico e ambiental da rede são otimizados, e a resiliência é quantificada e verificada por meio do Ecosystem Network Analysis, ou Análise de Redes de Ecossistemas, um modelo concebido para avaliação da Resiliência de ecossistemas.

As atividades de Demonstração e Avaliação estão descritas no Quarto Capítulo, onde o procedimento PRFR é utilizado para projetar uma rede de gestão de resíduos domésticos, cuja função de dar disposição eco-efetiva aos resíduos coletados é cumprida, enquanto o meio ambiente é regenerado. Os quatro estágios previstos no procedimento foram cumpridos: o propósito de regeneração é identificado pela realização de escrutínio da região do Norte Pioneiro, Paraná, abordada como um Sistema Socio-Ecológico. A degradação de áreas foi identificada como o principal problema relacionado com a gestão de resíduos: vinte e três áreas degradadas foram identificadas. Desta forma, o propósito regenerativo desta rede de gestão de resíduos é recuperar estas áreas, transformando-as em fazendas solares, parques recreativos ou áreas de reflorestamento, seguindo um algoritmo de decisão que considera as necessidades do entorno de cada área. Entradas são identificadas e saídas redefinidas, de acordo com os processos de recuperação de resíduos selecionados por meio da abordagem eco-efetiva: seleção, compostagem aeróbica, digestão anaeróbica e gaseificação. Uma rede integrada de gestão de resíduos orgânicos, recicláveis e rejeitos foi concebida, e dois modelos foram desenvolvidos. Primeiro, um modelo de sistema dinâmico que fornece uma previsão do volume de resíduos sólidos domésticos gerados, descartados e coletados para um período de vinte e um anos (2018-2038), baseado em quatro cenários de previsão de aumento populacional. Segundo, um modelo de programação linear multi-cenário, multi-período, multi-objetivo, inteira mista (MC-MP-MO-PLIM) foi desenvolvido para resolver o problema de locação e alocação de unidades, produzindo configurações para a rede por meio de duas estratégias de otimização: maximização do lucro e maximização da economia líquida na emissão de gases de efeito estufa. Os desempenhos econômico, ambiental e social das soluções obtidas para os quatro cenários são apresentados e discutidos.

Finalmente, no Quinto Capítulo, uma síntese da tese é apresentada, relacionando os resultados obtidos em cada capítulo com os objectivos estabelecidos e discutindo oito implicações gerais da tese. A principal contribuição desta pesquisa é demonstrar o potencial que redes de fornecimento possuem de regenerar ecossistemas no longo prazo, apresentando um desempenho sustentável nas dimensões econômica, ambiental e social. Outras contribuições para a teoria e prática, nos campos de projeto regenerativo e quantificação de resiliência são discutidas. Limitações e pesquisas futuras também são apresentadas, como o avanço do projeto de sistemas regenerativos por meio de Projeto para Emergência. A última atividade do DSRM, Comunicação, também é detalhada.
Palavras-chave: Projeto regenerativo, Resiliência, Redes de Fornecimento, Ecocentrismo, Transdisciplinaridade, Programação Linear Inteira, Sistemas Dinâmicos.


Design of Regenerative Supply Networks

Abstract: The strategy of environmental impact minimisation - also known as eco-efficiency, or “doing things right” for the environment - has not been effective enough to revert the damage caused to the environment by production systems. A shift is needed, towards being eco-effective - “doing the right thing" for the environment - in Sustainable Design, maximising benefits and actively engaging on the regeneration of degraded ecosystems. These production systems must also cope with disturbances, while ensuring that their function is fulfilled - a capability known as Resilience - to deploy environmental benefits in the long term.

Initiatives in the field of Supply Network Design - a specific type of production system - have focused on (i) improving eco-efficiency, (ii) proposing more eco-effective definitions to these networks, or (iii) enhancing their Resilience. However, it could not be found in the literature any initiative that merge these three approaches, with a focus on environmental regeneration. This thesis aims to contribute in this direction, proposing a procedure to design supply networks that regenerate the environment as it simultaneously fulfil its function. This procedure is approached as an artefact, and Design Science Research Methodology (DSRM) is used for its development. The DSRM prescribes the execution of six activities: identify the problem and motivate, define objectives for a solution, design & development, demonstration, evaluation, and communication. All six activities were performed, and are described through chapters two, three and four of this thesis.

First, in Chapter Two, the scientific progress of Sustainable Design (SD) in the context of Operations Management (OM) is mapped through a holistic literature review, based in the ProKnow-C - a methodology to perform bibliometrics and systemic analysis. The wide scope of the literature review allows the identification of multiple areas and disciplines engaged on advancing SD in OM. The outcomes are twofold: Bibliometrics reveals the most relevant publications, authors and journals, and a systemic analysis provides insights, research trends and gaps, organised according to a mindmap linking the main areas involved and their respective subcategories. The literature review is used to ground the proposition of a procedure to design regenerative supply networks.

The design & development of the Regenerative Supply Network Design (RSND) procedure is described in Chapter Three. First, the Regenerative Supply Network is characterised through the concepts of transdisciplinarity, eco-effectiveness, eco-efficiency and resilience. Second, a definition for the RSND process is proposed, merging the concepts of Sustainable Supply Networks, Supply Chain Design, Systems Approach and Regenerative Design. Third, the RSND procedure is designed, consisting of four stages: (i) description of the network surroundings and identification of a regenerative purpose from the Socio-Ecological System view; (ii) redesign of outputs, inputs and transformation processes through the eco-effective approach; (iii) system conceptualisation, where interactions between the designed network with its surroundings are depicted using the Socio-Technical and the Socio-Ecological System views, and resilience principles are addressed. (iv), the network environmental and economic performance are optimised, and resilience is quantitatively checked using the Ecosystem Network Analysis, a model conceived for the evaluation of natural ecosystems.

The activities of Demonstration and Evaluation are described in Chapter Four, where the RSND procedure is used to design a waste management network which processes collected waste from the households and regenerates the environment. All four stages of the procedure were followed: the regenerative purpose was identified after scrutiny of the Norte Pioneiro region, approached as a Socio-Ecological System. Land degradation was found as the major problem related with waste management: twenty-three sites degraded from improper waste disposal were identified. The primary purpose of the waste management network is to regenerate these sites into solar farms, recreational parks or reforested areas, following a decision algorithm that considers the needs of the surroundings of each site. Inputs are identified and outputs are redefined, according to waste recovery options selected through the eco-effective approach: recyclables sorting, aerobic composting, anaerobic digestion and gasification. An integrated municipal solid waste management network was conceived to process organic, recyclable and rejected waste, and two models were developed. First, a system dynamics model to forecast waste generation, disposal and collection for a 21-year period (2018-2038), based in four scenario forecasts for population growth. Second, a Multi-Scenario, Multi-Period, Multi-Objective, Mixed Integer Linear Programming (MS-MP-MO-MILP) model was developed to solve the capacitated facility location-allocation problem, producing network configurations through two optimisation strategies: maximisation of profit and maximisation of net greenhouse gas (GHG) savings. Economic, environmental and social performance of the solutions obtained for each of the four scenarios are presented and discussed.

Finally, in Chapter Five, a synthesis of the thesis is provided, linking the outcomes of each Chapter with the research questions, and eight general implications are discussed. The main contribution of this research is to show the potential of supply networks to contribute with the regeneration of ecosystems in the long term, with a sustainable performance in the three dimensions. Other contributions to theory and practice are also described, in the field of regenerative design and quantification of resilience. Limitations and future research are presented, like advancing regenerative systems design in the field of Design for Emergence. Last activity in DSRM, communication, is also detailed.
Keywords: Regenerative Design, Resilience, Supply Networks, Ecocentrism, Transdisciplinarity, Mixed-Integer Linear Programming, System Dynamics.

 

Lista de publicações:
de Souza, V., Borsato, M. (2015). Sustainable Consumption and Ecodesign : a Review. In Transdisciplinary Lifecycle Analysis of Systems: Proceedings of the 22nd ISPE International Conference on Concurrent Engineering, at Delft, Holland (Vol. 2, pp. 492–499).

de Souza, V., Borsato, M. (2016). Sustainable Design and its interfaces: an overview. International Journal of Agile Systems Management, 9(3), 183–211.

de Souza, V., Borsato, M., Bloemhof, J. (2016). Designing eco-effective reverse logistics networks. In M. Borsato, N. Wognum, M. Peruzzini, \& J. Stjepandic (Eds.), Advances in Transdisciplinary Engineering (Vol. 4, pp. 851–860). Curitiba: IOS Press.

de Souza, V., Borsato, M., Bloemhof-Ruwaard, J. (2017). Designing Eco-Effective Reverse Logistics Networks. Journal of Industrial Integration and Management, 2(1), 1750003.

de Souza, V., Bloemhof-Ruwaard, J. M., Borsato, M. (2018). Evaluating the Resilience Performance of an Optimized Supply Chain Using Ecosystem Network Analysis. 5th International EurOMA Sustainable Operations and Supply Chains Forum, 1–12.

de Souza, V., Bloemhof-Ruwaard, J. M., Borsato, M. (in press). Exploring Ecosystem Network Analysis to balance resilience and performance during Sustainable Supply Chain Design. International Journal of Advanced Operations Management.