基于Witness的“牛鞭效應(yīng)”仿真實踐教學(xué)研究

摘要：以一個簡單的供應(yīng)鏈系統(tǒng)為仿真對象，運用Witness仿真軟件來建立仿真模型，再根據(jù)模型的運行結(jié)果，分析了供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，最后提出了供應(yīng)鏈模型優(yōu)化的改進措施?；赪itness的仿真實踐教學(xué)可幫助學(xué)生獲得分析、解決問題的能力，以適應(yīng)現(xiàn)代社會對供應(yīng)鏈與物流職業(yè)的技能需求。

關(guān)鍵詞：供應(yīng)鏈；牛鞭效應(yīng)；實踐教學(xué)；Witness仿真

隨著世界技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，全球一體化的程度越來越高，跨國經(jīng)營越來越普遍。就制造業(yè)而言，產(chǎn)品的設(shè)計可能在日本，而原材料的采購可能在中國大陸或者巴西，零部件的生產(chǎn)可能在中國臺灣或印尼某地同時進行，然后在中國大陸組裝，最后銷往世界各地。在這個產(chǎn)品進入消費市場之前，相當多的公司事實上參與了產(chǎn)品的制造，而且由于不同的地理位置、生產(chǎn)水平、管理能力，形成了復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)。這樣的一個供應(yīng)鏈在面對市場需求波動的時候，一旦缺乏有效的系統(tǒng)管理，“牛鞭效應(yīng)”便會在供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)中放大，從而嚴重影響整個供應(yīng)鏈的價值產(chǎn)出。

“牛鞭效應(yīng)”是供應(yīng)鏈上的一種需求變異放大現(xiàn)象，其原因是信息流從終端客戶向初始供應(yīng)商方向傳遞時，無法有效地實現(xiàn)信息的共享，使得信息扭曲且逐級放大，導(dǎo)致了需求信息出現(xiàn)越來越大的波動。在供應(yīng)鏈上，這種效應(yīng)越往上游，變化就越大，距終端客戶越遠，影響就越大?！芭１扌?yīng)”的存在，已經(jīng)成為削弱供應(yīng)鏈的增值能力和競爭能力的主要負面因素。

本文基于Witness仿真平臺，在對供應(yīng)鏈的仿真系統(tǒng)進行設(shè)計基礎(chǔ)上，通過模型的運行結(jié)果分析出供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”因素和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，并通過調(diào)整模型中的參數(shù)對供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型進行改善優(yōu)化，以緩解“牛鞭效應(yīng)”，立體形象地向?qū)W生展示了供應(yīng)鏈與物流實踐教學(xué)仿真軟件的功能。同時，學(xué)生可通過類似或者更加深入的訓(xùn)練，提高在使用Witness仿真軟件方面的實踐應(yīng)用技能。

一、Witness簡介及仿真建模過程

由英國Lanner集團開發(fā)設(shè)計的Witness軟件作為一種先進的運作系統(tǒng)建模與仿真優(yōu)化平臺，在生產(chǎn)運營、供應(yīng)鏈、物流、服務(wù)系統(tǒng)仿真優(yōu)化方面獲得了大量的應(yīng)用和研究成果?；诿嫦?qū)ο蠼＠砟铋_發(fā)設(shè)計的Witness軟件具有編程工作量少、可視化動態(tài)模擬界面、方便的統(tǒng)計報表系統(tǒng)、智能優(yōu)化算法等特征，通過Witness開發(fā)的系統(tǒng)仿真模型易于理解和控制，為加強物流及相關(guān)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)期間深入理解實際供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)提供了直觀的、可行的實驗場景。

應(yīng)用Witness仿真軟件建模的一般步驟為：（1）分析系統(tǒng)仿真流程，根據(jù)系統(tǒng)元素之間關(guān)系將有關(guān)聯(lián)的實體進行連接；（2）模型布局，即將仿真所需要的元素從元素模板中拖拽到仿真視圖窗口中的適當位置；（3）元素定義及可視化設(shè)置，在定義了元素的基礎(chǔ)上，將被仿真系統(tǒng)的可視實體以二維或三維的圖形顯示出來；（4）細節(jié)設(shè)計，詳細定義模型基本元素工作參數(shù)以及各元素之間的邏輯關(guān)系；（5）仿真運行，對系統(tǒng)進行一定時間范圍內(nèi)的運行，并在屏幕上動畫顯示系統(tǒng)運行的過程；（6）分析仿真結(jié)果，通過報告工具欄顯示系統(tǒng)中選中元素的運行狀態(tài)統(tǒng)計報告，可以分析系統(tǒng)中可能存在的各種問題；或通過某項指標來比較可選方案的優(yōu)缺點。

二、供應(yīng)鏈系統(tǒng)的仿真模型的建立

下面以某產(chǎn)品原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷商以及零售商組成一個簡單的供應(yīng)鏈系統(tǒng)為例進行仿真分析。為了簡化模型，假定原材料從原材料供應(yīng)商到生產(chǎn)商再經(jīng)過分銷商和零售商，供應(yīng)鏈上游企業(yè)根據(jù)下游企業(yè)的庫存水平來決定是否供貨，該供應(yīng)鏈系統(tǒng)的仿真流程圖如圖1所示。根據(jù)仿真流程圖，運用Witness仿真軟件，從用戶自定義模板中拖入相關(guān)元素建立供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中P為原材料，M1、M2、M3、M4分別為原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷商、零售商，B1為生產(chǎn)商庫存，B2為分銷商庫存，C1為從原料供應(yīng)商到生產(chǎn)商的路徑，C2為從生產(chǎn)商到分銷商的路徑，C31、C32、C33、C34分別為從分銷商到零售商的緩存，用時間序列圖的變化來表現(xiàn)供應(yīng)鏈系統(tǒng)庫存的動態(tài)變化過程。

三、仿真模型各元素的細節(jié)設(shè)置

仿真模型各元素可視化設(shè)置后，需要編輯各元素的參數(shù)。當生產(chǎn)商的原料庫存小于15單位時原材料供應(yīng)商開始生產(chǎn)，每生產(chǎn)一批原材料需要的時間服從1～3小時的均勻分布。當分銷商的庫存小于6單位時，生產(chǎn)商開始配貨，每配一批貨需要的時間服從0.5～1小時的均勻分布。當零售商中最小庫存量小于3個單位時，分銷商開始組織供貨，每提供單位商品需要的時間服從2～6小時的均勻分布。零售商每銷售1單位商品需要4小時，供應(yīng)鏈每兩個環(huán)節(jié)之間的路程需要5小時。

在完成對模型元素的細節(jié)和詳細參數(shù)設(shè)置后，運行仿真模型即可以在Witness軟件中看到供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)實時的庫存變化情況。

四、仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化

模型仿真鐘取系統(tǒng)默認的1的時間單位為1小時，運行365×24=8760仿真時間單位，得到供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)庫存量的二維圖標，如圖3所示。庫存統(tǒng)計二維圖中六條波動曲線分別模擬生產(chǎn)商庫存（紅色）、分銷商庫存（淺綠色）、分銷商到零售商1的在線庫存（藍色）、分銷商到零售商2的在線庫存（淺藍色）、分銷商到零售商3的在線庫存（黃色）、分銷商到零售商4的在線庫存（紫色）的實時動態(tài)變化情況。通過二維圖看出，生產(chǎn)商與分銷商的庫存量波動劇烈，呈現(xiàn)“牛鞭效應(yīng)”。

在布局窗口中框選所有的模型元素，通過報告工具欄可按元素類型分類顯示供應(yīng)鏈系統(tǒng)各元素的運行統(tǒng)計報表，如表1和表2所示。

從表1中的供應(yīng)鏈模型設(shè)備利用率統(tǒng)計可以看出：在仿真運行時間內(nèi)，上游的生產(chǎn)商的繁忙時間只占28%，其余時間都處于空閑狀態(tài)，而分銷商基本上處于繁忙狀態(tài)，這就在供應(yīng)鏈中形成了所謂的“瓶頸”。同時，從表2中的供應(yīng)鏈模型各環(huán)節(jié)的運輸情況統(tǒng)計也可以看出，由于生產(chǎn)商的訂貨提前期比較長，分銷商在缺貨時大量生產(chǎn)，商品從分銷商到零售商的運輸中造成了一定的時間等待，出現(xiàn)了排隊現(xiàn)象，從而降低了供應(yīng)鏈的工作效率。

根據(jù)以上的仿真運行結(jié)果分析我們可以看到，導(dǎo)致供應(yīng)鏈需求變動程度增大的主要因素在于供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)企業(yè)間的信息不對稱和不完全。各節(jié)點企業(yè)只根據(jù)其相鄰的下游企業(yè)的需求信息進行生產(chǎn)、庫存和供應(yīng)，不真實的需求信息沿供應(yīng)鏈逆向而上，產(chǎn)生需求逐級放大現(xiàn)象，訂貨量越來越脫離實際需求量，達到最源頭供應(yīng)商時，需求信息與終端客戶的實際需要量之間往往有很大的偏差。這種信息的扭曲若和企業(yè)運營過程中的不確定因素疊加在一起，將會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和效率低下。

從上述造成“牛鞭效應(yīng)”的主要因素分析，我們可以通過調(diào)整供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型中的參數(shù)設(shè)置來改進優(yōu)化：（1）提高相鄰環(huán)節(jié)之間的傳輸速度，如將供應(yīng)鏈每兩個環(huán)節(jié)之間的路徑從5小時縮短到2.5小時；（2）縮短生產(chǎn)商的訂貨提前期，如當分銷商的庫存小于8單位時，生產(chǎn)商開始配貨。然后，再次運行模型8760仿真單位時間，得到改善后的供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)庫存量的二維圖標，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)商與分銷商的庫存量波動情況明顯減弱，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化，如圖4所示。

五、結(jié)束語

本文運用仿真模型模擬了某產(chǎn)品原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷商以及零售商，上游環(huán)節(jié)根據(jù)下一環(huán)節(jié)的庫存供貨的供應(yīng)鏈過程。通過模型的運行，分析了供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”因素和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，并對模型中的各種參數(shù)進行更改，從而達到緩解“牛鞭效應(yīng)”的目的。盡管模型運行結(jié)果的數(shù)據(jù)只是在給定的條件下所得的結(jié)果，對參數(shù)的修改還需要建立在理論和實踐的基礎(chǔ)之上，但提供了一種通過Witness仿真軟件分析供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)的方法和思想。在實際的供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)中，此種仿真實踐方法可以方便地應(yīng)用到同類問題的分析和研究中，提高學(xué)生分析、解決供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)問題的能力，鍛煉學(xué)生的職業(yè)綜合技能，為更好適應(yīng)企業(yè)的需求打下堅實的基礎(chǔ)。

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