基于中心化策略的制造業(yè)供應(yīng)鏈多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化研究

劉昌法

LIU Chang-fa1,2

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2. 第二炮兵工程學(xué)院 院務(wù)部，西安 710025）

0 引言

對(duì)于制造業(yè)，如何充分利用計(jì)算機(jī)管理信息的優(yōu)勢(shì)，提高庫(kù)存管理的效率，尤其是在供應(yīng)鏈環(huán)境下的庫(kù)存管理方法的研究是每個(gè)企業(yè)所面臨的重要問(wèn)題。傳統(tǒng)的庫(kù)存管理中，企業(yè)各自為政，缺乏系統(tǒng)的觀(guān)念與協(xié)作精神，對(duì)新的市場(chǎng)需求趨勢(shì)反應(yīng)遲緩，且往往依賴(lài)三個(gè)間斷性的庫(kù)存緩沖環(huán)節(jié)來(lái)促使生產(chǎn)過(guò)程的貨流通暢，無(wú)法克服“需求變異放大”現(xiàn)象，使供應(yīng)鏈整體的庫(kù)存量過(guò)大，從而給企業(yè)帶來(lái)了沉重的資金負(fù)擔(dān)。而供應(yīng)鏈庫(kù)存管理，強(qiáng)調(diào)以顧客需求為導(dǎo)向，通過(guò)企業(yè)協(xié)作與信息共享實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈整體優(yōu)化。

自Scarf和Clark首先開(kāi)始建模研究供應(yīng)鏈多級(jí)庫(kù)存后，國(guó)外和國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從不同角度對(duì)供應(yīng)鏈庫(kù)存問(wèn)題進(jìn)行了研究。大致可概括為生產(chǎn)-庫(kù)存系統(tǒng)、庫(kù)存-配送系統(tǒng)、生產(chǎn)－庫(kù)存－配送系統(tǒng)、庫(kù)存-分配四個(gè)方面。大部分的庫(kù)存模型都致力于兩級(jí)的供應(yīng)鏈[1]。而國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也多是針對(duì)確定性庫(kù)存控制問(wèn)題、不確定性庫(kù)存問(wèn)題、多種產(chǎn)品的庫(kù)存控制問(wèn)題、多級(jí)供應(yīng)鏈的聯(lián)合庫(kù)存控制以及VMI問(wèn)題進(jìn)行研究[2]。而目前在供應(yīng)鏈管理環(huán)境下，庫(kù)存管理和控制的理論和運(yùn)作仍然存在一些問(wèn)題。落后的供應(yīng)鏈庫(kù)存管理合作模式嚴(yán)重影響了供應(yīng)商和制造商之間的合作關(guān)系和合作效率，這種合作之間的不協(xié)調(diào)性導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”顯著，大大增加了整個(gè)供應(yīng)鏈的庫(kù)存水平。

本文則通過(guò)對(duì)制造業(yè)當(dāng)前供應(yīng)鏈庫(kù)存管理存在的具體問(wèn)題及其對(duì)供應(yīng)鏈整體庫(kù)存影響的研究，提出基于中心化策略，并重點(diǎn)從成本優(yōu)化的角度來(lái)建立多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，來(lái)解決此制造業(yè)因需求變異放大效應(yīng)所產(chǎn)生的供應(yīng)鏈整體庫(kù)存量過(guò)大，資金負(fù)擔(dān)沉重的問(wèn)題。

1 制造業(yè)庫(kù)存管理所面臨的問(wèn)題

傳統(tǒng)的庫(kù)存管理側(cè)重于優(yōu)化單一的庫(kù)存成本，從存儲(chǔ)成本和訂貨成本出發(fā)確定經(jīng)濟(jì)訂貨量和訂貨點(diǎn)。這種庫(kù)存管理方法有一定的適用性，但是從供應(yīng)鏈整體的角度看，單一庫(kù)存管理的方法顯然是不夠的，因?yàn)楣?yīng)鏈本身是一個(gè)高度集成的虛擬化網(wǎng)絡(luò)體系，它的運(yùn)行環(huán)境與單一企業(yè)有本質(zhì)區(qū)別。如果單一企業(yè)不考慮供應(yīng)鏈因素，即使盡力降低了庫(kù)存成本，但在其他因素的制約和影響下，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本不一定會(huì)下降[3]。

近年來(lái)，制造企業(yè)隨著企業(yè)信息化的發(fā)展，企業(yè)的庫(kù)存管理出現(xiàn)了越來(lái)越多的問(wèn)題，企業(yè)現(xiàn)有的庫(kù)存控制模式已經(jīng)適應(yīng)不了當(dāng)前企業(yè)的供應(yīng)鏈管理模式，同時(shí)致使整個(gè)供應(yīng)鏈庫(kù)存成本增加。如圖1所示，為以制造業(yè)為核心的供應(yīng)鏈系統(tǒng)。在供應(yīng)鏈中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)企業(yè)之間的需求預(yù)測(cè)、庫(kù)存狀態(tài)、生產(chǎn)計(jì)劃等都是供應(yīng)鏈管理的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分布在不同的供應(yīng)鏈組織之間，要做到有效地快速響應(yīng)用戶(hù)需求、必須實(shí)時(shí)地傳遞，為此需要對(duì)供應(yīng)鏈的信息系統(tǒng)模型作相應(yīng)的改變，通過(guò)系統(tǒng)集成的辦法，使供應(yīng)鏈中的庫(kù)存數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、快速地傳遞。但是目前該供應(yīng)鏈上的各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的信息系統(tǒng)并沒(méi)有很好地集成起來(lái)，當(dāng)上游節(jié)點(diǎn)企業(yè)需要了解下游節(jié)點(diǎn)企業(yè)的需求信息時(shí)，常常得到的是延遲的信息和不準(zhǔn)確的信息。由于延遲引起誤差,同時(shí)影響庫(kù)存量的精確度，導(dǎo)致短期生產(chǎn)計(jì)劃難于實(shí)施。

圖1 以某制造業(yè)為核心的供應(yīng)鏈系統(tǒng)

圖2 需求信息放大效應(yīng)圖

其原因便是由于信息流從最終的客戶(hù)端向原始供應(yīng)商端傳遞時(shí)無(wú)法有效的實(shí)現(xiàn)信息的共享，使得信息扭曲而逐漸放大，導(dǎo)致了需求信息出現(xiàn)越來(lái)越大的波動(dòng)如圖2所示。導(dǎo)致供應(yīng)鏈中產(chǎn)生過(guò)多的庫(kù)存。有關(guān)研究表明在整個(gè)供應(yīng)鏈中，從產(chǎn)品離開(kāi)制造商的生產(chǎn)線(xiàn)至其到達(dá)零售商的貨架，產(chǎn)品的平均庫(kù)存時(shí)間超過(guò)100天。被扭曲的需求信息使供應(yīng)鏈中的每個(gè)個(gè)體都相應(yīng)增加庫(kù)存。由于無(wú)法及時(shí)處理積壓訂單，增加了生產(chǎn)計(jì)劃的不確定性，如過(guò)多地修訂計(jì)劃，增加補(bǔ)救措施的費(fèi)用、加班費(fèi)用和加快運(yùn)輸費(fèi)用等。

2 中心化多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化策略

多級(jí)庫(kù)存控制的優(yōu)化與控制是在單級(jí)庫(kù)存控制的基礎(chǔ)上形成的。供應(yīng)鏈管理的目的是使整個(gè)供應(yīng)鏈優(yōu)質(zhì)庫(kù)存最小。但是，僅僅從每個(gè)企業(yè)內(nèi)部的角度去考慮庫(kù)存問(wèn)題，并不能使供應(yīng)鏈整體庫(kù)存達(dá)到最優(yōu)。多級(jí)庫(kù)存控制的方法有兩種：1）非中心化策略，即分布式側(cè)率；2）中心化策略，即集中式策略[4]。非中心化策略是指各個(gè)企業(yè)庫(kù)存獨(dú)單獨(dú)地采取各自的庫(kù)存策略，這種策略在管理上比較簡(jiǎn)單，但并不能保證供應(yīng)鏈整體上的最優(yōu)化。對(duì)于中心化策略，所有庫(kù)存點(diǎn)的控制參數(shù)是同時(shí)決定的。考慮了各個(gè)庫(kù)存點(diǎn)的相互關(guān)系.通過(guò)協(xié)調(diào)可以獲得庫(kù)存的優(yōu)化。但是中心化策略在管理上難度大，特別是供應(yīng)鏈的層次比較多，更增加了協(xié)調(diào)控制的難度。

本文是以某制造廠(chǎng)為核心企業(yè)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)為大環(huán)境。此供應(yīng)鏈?zhǔn)怯啥?jí)供應(yīng)商到核心企業(yè)再到最終客戶(hù)所形成的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)成員便是供應(yīng)鏈上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間形成上下游關(guān)系。物流與信息流在各節(jié)點(diǎn)之間傳遞。在此供應(yīng)鏈上，存在著多級(jí)庫(kù)存的管理。其中包括二級(jí)供應(yīng)商庫(kù)存管理、一級(jí)供應(yīng)商庫(kù)存管理、核心企業(yè)庫(kù)存管理、一級(jí)用戶(hù)庫(kù)存管理以及二級(jí)用戶(hù)庫(kù)存管理。其中作為核心的制造業(yè)（某制造廠(chǎng)）庫(kù)存分為獨(dú)立需求庫(kù)存和相關(guān)需求庫(kù)存兩種模式[5]。而其中的產(chǎn)品庫(kù)存管理屬于獨(dú)立需求庫(kù)存管理，在制品、標(biāo)準(zhǔn)件、原材料等的庫(kù)存管理屬于相關(guān)需求庫(kù)存管理。本文針對(duì)這兩種庫(kù)存問(wèn)題分別進(jìn)行分析。

3 建立優(yōu)化模型

根據(jù)制造業(yè)庫(kù)存管理所面臨的問(wèn)題以及中心化多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化策略的闡釋?zhuān)疚倪x用中心化的多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化與控制的庫(kù)存管理模型建立某制造廠(chǎng)庫(kù)存管理系統(tǒng)模型。其中產(chǎn)品的庫(kù)存管理屬于下游供應(yīng)鏈，以制造商、一級(jí)用戶(hù)、二級(jí)用戶(hù)三級(jí)進(jìn)行庫(kù)存優(yōu)化。而原材料等的庫(kù)存屬于上游供應(yīng)鏈，以二級(jí)供應(yīng)商、一級(jí)供應(yīng)商、制造商三級(jí)進(jìn)行庫(kù)存優(yōu)化。本文主要以某制造業(yè)產(chǎn)品庫(kù)存管理為主要研究對(duì)象，其三級(jí)庫(kù)存管理控制模型如圖3所示。

圖3 三級(jí)庫(kù)存管理控制模型

此三級(jí)庫(kù)存管理控制模型中，系統(tǒng)需求信息和訂貨信息從二級(jí)客戶(hù)一次向上級(jí)節(jié)點(diǎn)傳遞，高級(jí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)訂貨信息和優(yōu)化結(jié)果向下級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)貨，制造業(yè)則根據(jù)一級(jí)客戶(hù)需求來(lái)安排生產(chǎn)，向上游供應(yīng)商提出原材料、標(biāo)準(zhǔn)件以及配件等的需求信息。系統(tǒng)共3個(gè)庫(kù)存節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)代表具有庫(kù)存輸入與輸出的庫(kù)存點(diǎn)。系統(tǒng)需求在最終客戶(hù)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生，需求為確定型。系統(tǒng)提供的產(chǎn)品為單一產(chǎn)品，在上級(jí)節(jié)點(diǎn)向下級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)貨時(shí)不會(huì)產(chǎn)生等待時(shí)間，即節(jié)點(diǎn)間的訂貨提前期均為0。模型最終需要滿(mǎn)足總成本最低的目標(biāo)，還將滿(mǎn)足對(duì)于最終顧客的缺貨率最低的目標(biāo)，從而形成多目標(biāo)規(guī)劃模型，使供應(yīng)鏈系統(tǒng)在控制系統(tǒng)成本的同時(shí)提高對(duì)客戶(hù)需求的有效反應(yīng)能力，有利于提高整條供應(yīng)鏈的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3.1 基本符號(hào)表示

模型中的符號(hào)表示如下：

D ：外界對(duì)系統(tǒng)的需求速度，即單位時(shí)間的需求數(shù)量，在節(jié)點(diǎn)1處連續(xù)均勻發(fā)生

Tk：節(jié)點(diǎn)k的訂貨周期

tk：節(jié)點(diǎn)k在一個(gè)訂貨周期Tk內(nèi)未缺貨的時(shí)間長(zhǎng)度

Co，k ：節(jié)點(diǎn)K向外界訂貨的固定訂貨費(fèi)用，即節(jié)點(diǎn)K每次訂貨的固定費(fèi)用

h‘k ：節(jié)點(diǎn)k的點(diǎn)庫(kù)存存儲(chǔ)費(fèi)率

hk：節(jié)點(diǎn)k的級(jí)庫(kù)存存儲(chǔ)費(fèi)率

I'k(t) ：節(jié)點(diǎn)k在時(shí)刻t的點(diǎn)庫(kù)存量

Ik(t) ：節(jié)點(diǎn)k在時(shí)刻t的級(jí)庫(kù)存量

CB：最終客戶(hù)節(jié)點(diǎn)的缺貨費(fèi)率也即系統(tǒng)的缺貨費(fèi)率

Sk：節(jié)點(diǎn)k的最高庫(kù)存保有量，根據(jù)定義可知，Sk=D×tk

Qk：節(jié)點(diǎn)k的最佳訂貨批量，根據(jù)假設(shè)，Qk=D×Tk

定義某節(jié)點(diǎn)的級(jí)為包括該節(jié)點(diǎn)本身和下游所有節(jié)點(diǎn)，某節(jié)點(diǎn)的級(jí)庫(kù)存是指該節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有點(diǎn)庫(kù)存和轉(zhuǎn)移到或正在轉(zhuǎn)移給其后續(xù)節(jié)點(diǎn)的所有庫(kù)存之和。

由級(jí)庫(kù)存的定義有：

為保證級(jí)庫(kù)存費(fèi)率為非負(fù)，需假定下游節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)庫(kù)存費(fèi)率比上游節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)庫(kù)存費(fèi)率要高，即假設(shè)：

3.2 建立庫(kù)存控制模型

由假設(shè)條件知，由于需求速度為固定常數(shù)，則各節(jié)點(diǎn)的級(jí)庫(kù)存水平具有相同的形狀[6]。從而各級(jí)節(jié)點(diǎn)的級(jí)庫(kù)存量變化情況均有相似的圖形，但訂貨周期滿(mǎn)足：

Tk=mk×Tk-1(mk是大于或等于1的整數(shù)) k=2,3

則每個(gè)節(jié)點(diǎn)的庫(kù)存成本可如下計(jì)算：

則以制造業(yè)為中心的多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化與控制數(shù)學(xué)模型為：

保證了總平均成本以及缺貨時(shí)間最小。

4 實(shí)例分析

通過(guò)上述模型的建立后，根據(jù)某制造廠(chǎng)一年的實(shí)際月生產(chǎn)、銷(xiāo)售和庫(kù)存的數(shù)據(jù)資料，推算出平均庫(kù)存量、平均缺貨量、最優(yōu)庫(kù)存量、最優(yōu)訂貨周期、最優(yōu)訂貨批量這些控制參數(shù)，如表1所示。

表1 庫(kù)存控制參數(shù)數(shù)據(jù)

如表1所示，通過(guò)中心化多級(jí)庫(kù)存優(yōu)化策略，使某制造業(yè)的訂貨周期、訂貨批量、庫(kù)存量有明顯好轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品供應(yīng)更加準(zhǔn)時(shí)。同時(shí)減少了成本、提高了資金的利用率、提高對(duì)客戶(hù)需求的有效反應(yīng)能力、提高了整個(gè)供應(yīng)鏈的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某制造業(yè)庫(kù)存管理存在的因需求信息放大效應(yīng)所產(chǎn)生的成本較高、誤差較大、需求信息失真等問(wèn)題以及供應(yīng)鏈庫(kù)存影響的研究，提出中心化多級(jí)庫(kù)存控制優(yōu)化策略。通過(guò)建立庫(kù)存優(yōu)化模型，求解控制參數(shù)，獲得了較為理想的庫(kù)存優(yōu)化結(jié)果。減小了某制造業(yè)成本，提高了資金的有效利用率。對(duì)供應(yīng)鏈環(huán)境下的制造業(yè)庫(kù)存管理研究有一定的參考意義。

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