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The cumulative dissertation "Optimization models for shelf space allocation in retail stores" consists of the four individual scientific contributions listed below:
1. Düsterhöft, Tobias, Hübner, Alexander and Schaal, Kai (2020): A practical approach to the shelf-space allocation and replenishment problem with heterogeneously sized shelves.
2. Hübner, Alexander, Düsterhöft, Tobias and Ostermeier, Manuel (2020): An optimization approach for product allocation with integrated shelf space dimensioning in retail stores.
3. Ostermeier, Manuel, Düsterhöft, Tobias and Hübner, Alexander (2020): A model for the store wide shelf space allocation.
4 Düsterhöft, Tobias (2020): Retail shelf space planning - Differences, problems and opportunities of applied optimization models.
The planning and best possible utilization of the available shelf space is of central importance for retailers. Shelf space is a scarce resource in stores today. Shelf planners need to determine optimal shelf spaces for each item within product allocation. Researchers have already developed several decision support models. Usually, these models have in common that they can make a decision on the number of facings per product. A facing is a visible sales unit of a product on the shelf. Behind a facing, depending on the depth of the shelf further sales units are located. With an increase in the number of facings the visibility of the product for customers is also increasing, which is associated with a certain demand effect, the so-called space elasticity.
The content of this dissertation are optimization models that extend existing approaches to product allocation significantly and thus also enable a practical application of these approaches. Within the framework of a practical project substantial new contents for the product allocation can be determined. The resulting optimization models build on each other. Initially, in the 1st article the product allocation is extended by an exact consideration of the shelf space dimensions. The resulting question of the optimal shelf layout is the central part of the 2nd article. If the layouts of shelves are determined on the shelf, the total shelf space per category must be known beforehand. This question is dealt with in the 3rd article. Finally, new research fields are identified in the 4th article based on current real processes and requirements.
The essays of the cumulative dissertation are concerned with the distribution in retailing with multi-compartment vehicles.
An effective distribution planning is a central aspect for the success of retailers. Due to a highly competitive market, retailers are forced to constantly optimize processes along the supply chain to satisfy the given requirements. On the one hand, customers expect the constant availability of various products while asking for high quality. On the other, an ever increasing pressure on prices exists. The involved logistic processes therefore need to be highly efficient to fulfil the given requirements. An important part plays thereby the distribution of goods to stores, where consumers are supplied. Here, multi-compartment vehicles offer a variety of new possibilities for distribution. The core attribute of multi-compartment vehicles is the simultaneous delivery of different temperature zones with the same vehicle. Besides the new options that therefore open up for distribution, further processes and costs incurred by the use of multi-compartment vehicles need to be taken into account.
The first essay presents the basic attributes of multi-compartment vehicles as well as the differences to processes with single-compartment vehicles. The distribution with both single- and multi-compartment vehicles is illustrated and the differences are discussed. Further, the essay discusses current literature for the distribution with multi-compartment vehicles in retailing. Based on these findings, a formal model for the distribution with multi-compartment vehicles is presented in the second essay. The model considers cost and process differences, especially for loading and unloading actions. The use of multi-compartment vehicles is analysed and saving potentials revealed, using the model and a tailor-made solution approach. The remaining essays (essays 3, 4 and 5) further extend the introduced model to consider additional aspects relevant in practice. More precisely, the third essay considers the optimal fleet mix if both single- and multi-compartment vehicles are available for distribution. The fourth essay identifies loading restrictions if multi-compartment vehicles are used and presents an innovative solution approach to address the arising problem and which enables a distribution planning without loading and unloading problems. Finally, the concluding essay (essay 5) extends the discussed planning problem for multiple periods. In particular, it examines the impact of consistent deliveries for all considered product segments across the complete planning horizon.
The essays of the cumulative dissertation are concerned with the topic of retail shelf-space optimization.
Increasing product proliferation as well as decreasing space productivity force retailers to efficiently use the limited retail shelf space and assign the right shelf quantities to products they offer to customers. Optimization models support retailers with these decisions.
The first essay analyzes how demand volatility can be integrated into shelf-space optimization models. The developed optimization model furthermore accounts for space- and cross-space elasticities as well as vertical shelf positions. A specialized heuristic solves the model efficiently and returns near-optimal results. The second essay builds on the optimization model developed in the first essay and conducts extensive numerical analyses to examine the impact of cross-space elasticities on optimal shelf quantities. The essay shows that cross-space elasticities have a negligible impact on space decisions. Therefore, the complex measurement as well as the development of corresponding optimization models are of minor relevance for future research.
The third and fifth essay extend the optimization model from the first essay by integrating adjacent decision problems. The third essay accounts for the assortment decision, i.e., supports retailers in selecting the products to offer. Apart from space elasticities, the model accounts for substitution behavior in case items are unavailable and shows that both demand effects reinforce each other, which is why they should be accounted for simultaneously. The fifth essay shows how retails can furthermore guarantee the efficient replenishment of shelves and examines the impact of the availability of a backroom on optimal shelf quantities.
The fourth essay improves the algorithm developed for the optimization model from the third essay. The improved heuristic yields higher retail profits in shorter runtime.
Die Beiträge der kumulativen Dissertation beschäftigen sich mit logistischen Planungsproblemen im Einzelhandel.
Die beiden ersten Beiträge widmen sich der Optimierung der Distribution im stationären Einzelhandel mithilfe von Methoden des Operations Research. Im Fokus steht dabei vor allem der Lebensmitteleinzelhandel. Die Filialbelieferung aus den Verteilzentren ist eine zentrale logistische Fragestellung für stationäre Einzelhändler. Im Lebensmitteleinzelhandel ist es gängige Praxis hierzu auf sich wiederholende, filialspezifische Belieferungsmuster zurückzugreifen. Ein Belieferungsmuster legt fest, an welchen Wochentagen eine bestimmte Filiale beliefert wird. Der erste Beitrag stellt ein mathematisches Modell vor, das die Effekte der Belieferungsmusterfestlegung auf die verschiedenen Teilsysteme der Lieferkette des Handels berücksichtigt. Es wird ein Lösungsansatz entwickelt, dessen Vorteilhaftigkeit gegenüber einem State-of-the-Art-Ansatz in umfangreichen numerischen Tests sowie einer Fallstudie untermauert wird. Der zweite Beitrag ergänzt den ersten im Hinblick auf eine detailliertere Analyse des Einflusses der Bildung von Filialclustern für die Auslieferung auf die Belieferungsmusterentscheidung.
Während die logistischen Problemstellungen für den stationären Handel gut erforscht sind, erfordert der vermehrt auftretende Mehrkanalhandel einen explorativen Ansatz, um die neuen logistischen Probleme und Fragestellungen einzuordnen. Mehrkanalhandel bedeutet hier, dass Händler sowohl im stationären Einzelhandel wie auch im Distanzhandel aktiv sind. Für traditionelle, stationäre Händler, wie auch für Distanzhändler, bedeutet die wachsende Bedeutung des Onlinehandels eine Neuausrichtung ihrer Geschäfts- und Logistikmodelle. Eine erfolgreiche Gestaltung erfordert eine fundierte Kenntnis der logistischen Prozesse, Herausforderungen und Chancen, die mit dem Mehrkanalhandel einhergehen. Die logistischen Fragestellungen und Planungsprobleme im Operations Management und der Distribution im Mehrkanalgeschäft werden in den beiden weiteren Beiträgen mittels empirischer Erhebungen analysiert. Im Fokus steht hier vor allem der Non-Food-Handel, da in diesem Segment bisher der Großteil der Distanzhandelsabsätze zu verzeichnen ist.
Die Beiträge spannen somit den Bogen zwischen der Optimierung in etablierten Einzelhandelsstrukturen (Beiträge 1 und 2) und der Exploration der Implikationen des wachsenden Onlinemarktes für die Händler (Beiträge 3 und 4). Sie zeigen, wie in gewachsenen Strukturen unter Einsatz von Methoden des Operations Research Kosteneinsparungspotenziale gehoben werden können, aber auch, dass sich der Einzelhandel im Wandel befindet und Lösungen gefunden werden müssen, um auf neue Herausforderungen zu reagieren.
Die Beiträge befassen sich mit logistischen Fragestellungen im stationären Lebensmitteleinzelhandel (LEH). Es werden logistische Netzwerke und die entsprechenden Warenflüsse empirisch untersucht und strukturiert sowie korrespondierende logistische Planungsprozesse analysiert und weiterentwickelt.
Der erste Beitrag “Integrative retail logistics: An exploratory study” bildet ein explorativ-empirisches Fundament, auf dem alle weiteren Beiträge aufsetzen. Die Durchführung und Analyse von 28 leitfadengestützen Interviews liefert eine Vielzahl von relevanten Erkenntnissen über logistische Netzwerkstrukturen und integrative Planungsprobleme im LEH, die in die weiteren Beiträge einfließen und auf deren Basis die Optimierungsansätze entwickelt werden. Ein spezifisches Charakteristikum von Lieferketten im LEH ist die horizontale Segmentierung der Warenströme nach unterschiedlichen Dimensionen und Kriterien oder Kombinationen von Kriterien. Der zweite Beitrag liefert basierend auf den empirischen Ergebnissen eine tiefergehende Beschreibung des Segmentierungsansatzes im LEH und der damit verbundenen Planungs- und Entscheidungsprozesse sowie deren Zusammenhang mit der logistischen Effizienz in den Teilsystemen der Lieferkette. Sowohl die aus der Segmentierung resultierenden Planungsaufgaben als auch die empirisch in Beitrag 1 identifizierten Planungsprobleme finden Eingang in die “Demand and Supply Chain Planungsmatrix” (Beitrag 3), die ein ganzheitliches und strukturiertes Rahmenwerk darstellt, in dem die einzelnen logistischen Planungsprobleme abgebildet sind und ihre Zusammenhänge transparent werden. Dieses erarbeitete Gesamtbild der logistischen Strukturen und der logistischen Planung im LEH bildet die Grundlage für den Vergleich mit der Automobilindustrie in Beitrag 4. Das Ergebnis wiederum liefert Ansatzpunkte für eine Optimierung der Logistikplanung. Sowohl die empirische Untersuchung im LEH als auch der Vergleich mit der Automobilindustrie legen nahe, dass die Filiallogistik stärker und besser als in der Vergangenheit in logistische Kalküle integriert werden muss, um ein höheres Effektivitäts- und Effizienzniveau zu erreichen. Die Beiträge 5 und 6 greifen daher zwei Optimierungsansätze auf, die in den Beiträgen 1 und 4 als für die Filiallogistik besonders relevant identifiziert wurden. In Beitrag 5 wird ein Bewertungs- und Optimierungsmodell zur Selektion filialorientierter Versandgebindegrößen entwickelt. Beitrag 6 liefert einen ganzheitlich integrativen Ansatz zur Bestimmung von Filialbelieferungsmustern, der sowohl die Prozesse in den Verteilzentren und im Transport als auch in der Filiale integriert.