基于Petri網(wǎng)和Agent的供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型

寇瑜琨，黃夢醒，陳泓宇

（海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?70228）

0 引 言

需求預(yù)測是供應(yīng)鏈管理中的關(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測供應(yīng)鏈的需求是企業(yè)面對的一個難點(diǎn)，因此如何選擇合適的預(yù)測模型是供應(yīng)鏈管理中一個重要研究課題［1，2］，大量學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了深入、廣泛的研究，提出了許多供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型，取得了一定的研究成果［3］。傳統(tǒng)供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型主要有多元線性回歸、時間序列等模型［4，5］，多元線性回歸模型通過選擇影響供應(yīng)鏈需求的因子，對供應(yīng)鏈需求的未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，其簡單、易實現(xiàn)，但預(yù)測精度低，預(yù)測結(jié)果的可靠性差［6］；供應(yīng)鏈需求歷史數(shù)據(jù)是按時間先后順序收集的，是一種典型的時間序列數(shù)據(jù)，因此時間序列預(yù)測模型應(yīng)用比較廣泛，然而多元線性回歸和時間序列預(yù)測模型均屬于線性預(yù)測模型，它們假設(shè)供應(yīng)鏈需求是一種線性增長或下降變化趨勢，實際上供應(yīng)鏈需求變化十分復(fù)雜，具有不確性、非線性等變化特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)預(yù)測模型不能準(zhǔn)確預(yù)測供應(yīng)鏈需求變化規(guī)律，實際應(yīng)用價值不高［7］。隨著基于統(tǒng)計學(xué)理想的支持向量機(jī)等機(jī)器算法不斷成熟，出現(xiàn)基于支持向量機(jī)的供應(yīng)鏈需求算法，由于其具有強(qiáng)大的非線性預(yù)測能力，泛化能力優(yōu)異，尤其對于小樣本、非線性的供應(yīng)鏈需求問題，優(yōu)勢十分明顯，一定程度上提高了供應(yīng)鏈需求的預(yù)測準(zhǔn)確性［8］。目前大部分需求預(yù)測模型主要針對單級供應(yīng)鏈進(jìn)行建模與預(yù)測，忽略了企業(yè)之間的互相協(xié)作，難以滿足現(xiàn)代企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測要求［9］。近些年來，有學(xué)者提出供應(yīng)鏈協(xié)同需求預(yù)測模型，從整體角度對企業(yè)需求預(yù)測進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，如文獻(xiàn)［10］提出了基于多源信息的供應(yīng)鏈協(xié)同需求預(yù)測模型；文獻(xiàn) ［11］提出了基于影響因子的供應(yīng)鏈協(xié)同預(yù)測模型；文獻(xiàn)［12］提出了基于Petri網(wǎng)的供應(yīng)鏈協(xié)同需求預(yù)測模型，這些模型可以更加準(zhǔn)確描述供應(yīng)鏈需求的動態(tài)變化，預(yù)測結(jié)果可以對企業(yè)供應(yīng)鏈進(jìn)行優(yōu)化，提高企業(yè)的整體競爭能力。

為了提高企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測的準(zhǔn)確性，提出一種基于Petri網(wǎng)和Agent相融全的供應(yīng)鏈協(xié)同需求預(yù)測模型，首先采用Agent建立基本元素，描述企業(yè)供應(yīng)鏈中的行為規(guī)則，然后采用Petri網(wǎng)描述企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)變化規(guī)律，建立企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型，最后采用實驗測試其性能。

1 供應(yīng)鏈協(xié)同需求預(yù)測的Agent

1.1 動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測的Agent結(jié)構(gòu)選擇

Agent是一種處于特定環(huán)境中的計算機(jī)系統(tǒng)，具有自主性、反應(yīng)性、主動性和社會性特性，主要包括認(rèn)知型、反應(yīng)型和混合型等體系結(jié)構(gòu)，其中多Agent系統(tǒng) （multi－Agent system，MAS）是一種由多個Agent組成的分布式自主系統(tǒng)，具有個體行為獨(dú)立自制、個體信息不完全、能力有限、無全局控制、數(shù)據(jù)分散化和計算異步等特點(diǎn)，其目標(biāo)是為了解決那些超出每個問題求解器的單獨(dú)能力，這些問題的求解器就是Agent。從MAS中Agent之間通信、協(xié)調(diào)角度出發(fā)，可將其分為3類結(jié)構(gòu)：集中型結(jié)構(gòu)、分散型結(jié)構(gòu)和聯(lián)邦型結(jié)構(gòu)，其中聯(lián)邦型結(jié)構(gòu)平衡了集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和不足，適應(yīng)分布式MAS復(fù)雜、開放的特性，因此本文采用Agent聯(lián)邦系統(tǒng)建立企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型，多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)邦型的多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 Agent聯(lián)邦的角色劃分

在基于Agent聯(lián)邦的供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測過程中，包括配送、訂單管理、供應(yīng)、生產(chǎn)、庫存等多個流程，每一個流程都有自己的行為規(guī)則，因此供應(yīng)鏈需求中的每一個流程就可以抽象成一個Agent，它們之間通過交互、協(xié)同運(yùn)作，在供應(yīng)鏈需求相應(yīng)規(guī)則約束下，建立一種供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型，以企業(yè)供應(yīng)鏈的競爭力，保證企業(yè)的利潤最大化。在動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦系統(tǒng)的Agent角色通過交互和協(xié)同運(yùn)作，共同完成企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測，主要包括以下幾個Agent角色：

（1）連鎖分店Agent（CSA）：主要進(jìn)行分店的管理，了解分店的銷售狀態(tài)。

（2）配送中心Agent（DCA）：主要對配送中心的劃分和設(shè)計配送中心的地址。

（3）分銷物流中心Agent（LDCA）：主要對物流分銷中心進(jìn)行管理，合理安排物流配送路線和車輛調(diào)度，在滿足用戶需要條件下，使物流配送成本最小化。

（4）供應(yīng)Agent（SA）：主要對供應(yīng)進(jìn)行管理，了解各種產(chǎn)品的銷售情況，根據(jù)銷售做出相應(yīng)的銷售策略。

（5）訂單Agent、配送Agent、盤點(diǎn)庫存Agent、生產(chǎn)Agent是4種供應(yīng)鏈協(xié)同需求系統(tǒng)執(zhí)行角色。

1.3 聯(lián)邦的角色Agent模型

配送中心對企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測十分重要，因此以配送中心管理Agent為例，對角色Agent模型的設(shè)計進(jìn)行描述。配送中心主要包括貨物的分揀、包裝、裝卸、流通加工等系列配送的活動，可以虛擬化為大倉庫加貨的場所，在傳統(tǒng)物流系統(tǒng)中，貨物處理的速度慢、效率低，難以滿足現(xiàn)有企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測的實時性，從而對企業(yè)的整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。配送中心管理Agent模型如圖2所示。從圖2可知，在配送中心管理Agent功能相當(dāng)?shù)亩?，不僅與管理、預(yù)測相關(guān)，而且與決策和配送也密切聯(lián)系。相對于其它業(yè)務(wù)，配送業(yè)務(wù)是配送中心管理Agent最重要的業(yè)務(wù)，其它業(yè)務(wù)均是在該基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如進(jìn)貨、送貨，而且它們的行為規(guī)則各異。

圖2 DCA 的管理Agent模型

2 Agent聯(lián)邦的Petri網(wǎng)模型

2.1 Petri網(wǎng)

在供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測過程，所有Agent通過一定行為規(guī)則對自身狀態(tài)進(jìn)行識別和改變，最終實現(xiàn)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)識別，這些動作是一種動態(tài)行為，導(dǎo)致需求預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài)具有時變性和隨機(jī)性。Petri網(wǎng)是一種具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)語義的形式化圖形建模工具，適合于描述并發(fā)、異步和分布式的信息系統(tǒng)，其可以表示為N＝（P，T，F(xiàn)），其中，P 代表庫所的集合，T 代表變遷的集合，F(xiàn) 表示有向弧集，具體如圖3所示。

圖3 Petri的基本元素

2.2 Petri網(wǎng)的變遷規(guī)則

令N＝ （P，T，F(xiàn)）是一個網(wǎng)，W 表示弧的權(quán)值，則對于一個變遷t∈T，若p∈·t∶M（p）≥W（p，t），則稱變遷t在M 下是使能的，記為M ［t＞；若M ［t＞成立，則在標(biāo)識M 下，稱變遷t可以發(fā)射，t發(fā)射后，產(chǎn)生另一新標(biāo)識M′，記為MM′，有

網(wǎng)N 從標(biāo)識M0開始的所有可達(dá)標(biāo)識的集合記為R（N，M0）或M ［t＞，它是一個最小集，即M0∈R（N，M0），M ∈R（N，M0）∧M［t〉M′M′∈R（N，M0）；當(dāng)且僅當(dāng) 存 在 標(biāo) 識M0，M1，…，Mn滿 足M0［t1〉…tn〉Mn，σ ＝t1t2…tn為發(fā)射序列；若存在標(biāo)識M 使得M0［σ〉M，則M ＝M0＋CY ，其中C 為關(guān)聯(lián)矩陣，Y 為發(fā)射序列矢量。

2.3 管理Agent的Petri網(wǎng)模型

對企業(yè)供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析，結(jié)合MAS系統(tǒng)靈活建模模式，建立企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測管理Agent的Petri網(wǎng)模型，具體如下：

（1）當(dāng)系統(tǒng)收到來自市場的顧客需求信息時，系統(tǒng)將信息發(fā)送到管理Agent處，接收到新信息的管理Agent啟動會話，開始分析和執(zhí)行信息。

（2）管理Agent按照收到的不同信息做出不同的決策行為，并且向相應(yīng)的執(zhí)行Agent發(fā)送執(zhí)行任務(wù)信息，執(zhí)行Agent完成任務(wù)并通知管理Agent執(zhí)行結(jié)果。

（3）企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)利用Petri網(wǎng)描述Agent的不同狀態(tài)，并且以不同的顏色來區(qū)分，變遷則表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程，對消息的處理過程。

綜合上述可知，供應(yīng)鏈需求預(yù)測管理Agent的Petri網(wǎng)模型如圖4 所示，由于篇幅有限，只列出配送中心Agent（DSA）和供應(yīng)Agent（SA）Petri網(wǎng)模型。

2.4 執(zhí)行Agent的Petri網(wǎng)模型

圖4 供應(yīng)鏈需求預(yù)測管理Agent的Petri網(wǎng)模型

根據(jù)企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合Agent聯(lián)邦和Petri網(wǎng)模型的優(yōu)點(diǎn)，采用Petri網(wǎng)描述不同業(yè)務(wù)的狀態(tài)，利用Petri網(wǎng)參量描述企業(yè)生產(chǎn)過程中的時延。配送中心等待貨物訂單的到來，如果訂貨信息發(fā)送到連鎖分店，配送中心就會向庫存發(fā)送信息，詢問能否可以滿足訂單的相應(yīng)需求，若滿足，則馬上執(zhí)行訂單，進(jìn)行發(fā)貨配送；若目前庫存不能立即滿足訂單需要，那么就向供應(yīng)鏈上一級單位下訂單，并等待上級的配送。其中配送中心管理Agent的Petri網(wǎng)模型如圖5所示。

圖5 配送中心的Petri網(wǎng)模型

圖5的相關(guān)符號描述見表1。

表1 圖5的相關(guān)符號描述

3 仿真實驗

3.1 仿真環(huán)境

為了測試Petri網(wǎng)和Agent的企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型的性能，在4核2.8GHz，4GRAM，windows XP的平臺上采用VC＋＋進(jìn)行仿真實驗。供應(yīng)鏈需求預(yù)測系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，系統(tǒng)由多個Agent組成，它們以協(xié)同機(jī)制完成企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測。

圖6 企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求仿真模型

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 供應(yīng)鏈需求預(yù)測變化態(tài)勢仿真結(jié)果

企業(yè)供應(yīng)鏈中的各種管理中心的需求預(yù)測值變化態(tài)勢如圖7所示。從圖7可知，各種管理中心的需求預(yù)測結(jié)果可以十分準(zhǔn)確反映企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真模型運(yùn)行情況，如在庫存滿足訂單條件下，可以對連鎖分店的需求信息進(jìn)行發(fā)送發(fā)貨，不然向上一級傳遞訂單信息，實驗結(jié)果對企業(yè)供應(yīng)鏈從連鎖分店到工廠的初始狀態(tài)進(jìn)行驗證。

圖7 動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真實驗結(jié)果

3.2.2 與其它供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型的性能對比

為了測試本文企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測模型的優(yōu)越性，選擇灰色模型GM （1，1）和支持向量機(jī)進(jìn)行對比實驗，數(shù)據(jù)來自某汽車集團(tuán)公司的銷售量樣本數(shù)據(jù)，它們的預(yù)測結(jié)果如圖8所示，從圖8可知，相對于對比模型，本文模型可以更好的擬合汽車集團(tuán)公司銷售量的變化趨勢，提高了銷售量的預(yù)測精度，預(yù)測誤差更低，這也說明了本文模型可以應(yīng)用于企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測實際應(yīng)用中，具有較高的實際應(yīng)用價值。

圖8 不同模型的預(yù)測性能對比

在企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測實際應(yīng)用中，系統(tǒng)的實時性要求比較高，計算模型的運(yùn)行時間，其中GM （1，1）平均時間為7.65s，SVM 為10.23s，本文模型為5.27s，因此，本文模型的運(yùn)行時間相當(dāng)較少，可以較好滿足企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測實時性要求，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

4 結(jié)束語

在企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測過程中，選擇合適的預(yù)測模型是提高供應(yīng)鏈需求預(yù)測精度的關(guān)鍵，根據(jù)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種Petri網(wǎng)和Agent相融合的企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型。首先將企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)抽象為一個由許多Agent組合的復(fù)雜系統(tǒng)，并通過Agent之間協(xié)同交互描述系流程中的各行為規(guī)則，然后采用Petri網(wǎng)描述企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)變化規(guī)律，建立企業(yè)供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型，最后采用仿真對比實驗測試其有效性和優(yōu)越性，仿真結(jié)果表明，本文模型可以準(zhǔn)確描述企業(yè)供應(yīng)鏈狀態(tài)變化特點(diǎn)，而且獲得比其它模型更優(yōu)的預(yù)測結(jié)果，提高了企業(yè)供應(yīng)鏈需求預(yù)測系統(tǒng)的運(yùn)行效率，有效降低了供應(yīng)鏈的整體運(yùn)作成本，可以為企業(yè)經(jīng)營和管理者提供有價值的參考意見。

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