競爭型多源供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與彈性管理研究

方晗煒, 陳克兵

(1.武漢工程大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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競爭型多源供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與彈性管理研究

方晗煒1, 陳克兵2

(1.武漢工程大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430205；2. 南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：研究了競爭型制造商多源采購供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的彈性管理問題，建立了集彈性制造定價/彈性空庫存懲罰/彈性預(yù)警/彈性成員選擇/彈性擁堵延遲/彈性運輸于一體的供應(yīng)鏈整體架構(gòu)。利用供應(yīng)鏈背景下的一般運作模型，建立了彈性管理下的競爭型多源網(wǎng)絡(luò)?？紤]各級分銷商失效的潛在風(fēng)險，采用了彈性管理下的多源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。最后考察了多水平期望容忍條件和全球供應(yīng)鏈對于目標函數(shù)、正向架構(gòu)的彈性運作和供應(yīng)商競爭程度的影響。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計； 彈性管理； 競爭型供應(yīng)商； 彈性網(wǎng)絡(luò)

在供應(yīng)鏈系統(tǒng)中存在的干擾因素容易給供應(yīng)鏈運作帶來風(fēng)險和損失。近年來，一種供應(yīng)鏈彈性管理(supply chain resilient management，SCREM)模式開始得到了重視[1-3]。SCREM通過快速處理供應(yīng)鏈運作中的各種干擾信息，幫助系統(tǒng)恢復(fù)到原有狀態(tài)或者建立一個新狀態(tài)，使得系統(tǒng)經(jīng)歷干擾以后顯得更有競爭優(yōu)勢[4-5]。隨著供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的出現(xiàn)，一些學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了其中存在干擾和不確定因素，彈性管理證實其可以降低供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的脆性[6-8]。文獻[9]分析了全球供應(yīng)鏈選址問題中的脆性因素，提出了一組結(jié)合危險因素(如:貨物遲交,匯率,質(zhì)量問題,物流運輸?shù)裙收?生產(chǎn)風(fēng)險)的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)問題多階段模型。文獻[10]提出了一系列脆性定義及其特性，提供了相應(yīng)的策略列表及其風(fēng)險保障方法。文獻[11]將供應(yīng)鏈脆性研究的現(xiàn)有文獻與風(fēng)險管理行業(yè)從業(yè)人員的探索性訪談結(jié)果做比較，研究了供應(yīng)鏈未來的發(fā)展趨勢。文獻[12]探討了隨機需求、隨機倉庫容量和點對點的交易過程，給出幾種隨機規(guī)劃模型以便處理可選擇的彈性問題。文獻[13]通過一種模糊數(shù)學(xué)規(guī)劃方法實現(xiàn)了一種彈性供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

然而，以上干擾環(huán)境下的彈性研究主要存在以下幾個問題：1)缺乏全面的彈性管理理論框架；2)缺乏基于彈性管理理論下的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究；3)缺乏基于彈性管理的模型；4)缺少干擾損失評估，極少研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和績效量化評估。文獻[14]考慮了面對干擾風(fēng)險時保護零部件供應(yīng)商和訂單數(shù)量分配的最佳選擇，提出了一種不同風(fēng)險偏好時的混合規(guī)劃方法。然而其模型只是針對單個供應(yīng)方的風(fēng)險管理問題，未深入探討脆性因素對供應(yīng)鏈系統(tǒng)多個成員的優(yōu)化決策問題。文獻[15]通過優(yōu)化庫存分配和運輸路徑設(shè)計了一個可重構(gòu)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，提出了兩階段最短路徑優(yōu)化問題，但研究中并未對風(fēng)險管理做出進一步的量化分析。

因此，本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，研究基于彈性管理下的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，分析集彈性制造定價/彈性空庫存懲罰/彈性預(yù)警/彈性成員選擇/彈性擁堵延遲/彈性運輸于一體的系統(tǒng)供應(yīng)架構(gòu)，提出客戶最低期望容忍水平，建立基于彈性管理下的數(shù)學(xué)模型，用多個指標對系統(tǒng)穩(wěn)定性和績效進行量化評估。最后，通過仿真案例進行對比和分析，驗證模型的彈性架構(gòu)和經(jīng)濟價值。

1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

簡化正向供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，假設(shè)正向供應(yīng)只有2個競爭型制造商S1和S2。分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)有n個一級、二級和三級分銷商，組成1個3層正向供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，層級用Ti表示，i∈{1,2,3}，末端有2個需求市場。

處于競爭中的2個制造商根據(jù)需求市場信息制定生產(chǎn)計劃，以一定的成本提供產(chǎn)品給分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通過一級分銷商、二級分銷商和三級分銷商依次逐層配送產(chǎn)品，分銷網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都有最大庫存限制，如果沒有達到最大庫存，會有空庫存懲罰，并且產(chǎn)品檢測和封裝成本忽略不計。

圖1　彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在各種不確定條件和節(jié)點失效的環(huán)境中，供應(yīng)鏈設(shè)計被認為是增強系統(tǒng)彈性，降低系統(tǒng)脆性的一個重要因素[2, 5]。這里有必要對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的彈性模塊進行評估，具體見圖2。

從圖2看出，基于彈性管理下的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模塊一般包括成本控制模塊(cost control)、政府宏觀控制模塊和骨架設(shè)計模塊。成本控制包括固定成本、內(nèi)部成本和外部成本，是對系統(tǒng)各種成本的核算與控制。 其中，固定成本包括庫存容量設(shè)計和空庫存懲罰,內(nèi)部成本包括制造成本和運輸成本，外部成本包括預(yù)警成本；政府宏觀控制模塊包括牌照經(jīng)營權(quán)管理和寡頭壟斷控制，是政府為了公眾利益與社會福利的一種宏觀調(diào)控；骨架設(shè)計模塊包括網(wǎng)絡(luò)成員選擇和道路擁堵管理，根據(jù)節(jié)點的有效性對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行動態(tài)調(diào)整。

圖2　供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)彈性評估

目前關(guān)于供應(yīng)鏈風(fēng)險方面的研究，一方面有供應(yīng)鏈應(yīng)急管理，強調(diào)的是未知擾動發(fā)生后，對整個系統(tǒng)的補救措施和方法；另一方面有供應(yīng)鏈干擾管理，是在不推翻所有原方案的前提下，局部調(diào)整部分現(xiàn)有系統(tǒng)資源，來恢復(fù)系統(tǒng)運作，使得未知擾動對原系統(tǒng)的沖擊最小。在此提出了供應(yīng)鏈彈性管理的思想，并將其運用到供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，建立一種彈性網(wǎng)絡(luò)運作模型。

2基于彈性管理的競爭型多源分銷網(wǎng)絡(luò)模型

2.1模型的假設(shè)

1)網(wǎng)絡(luò)線路是規(guī)則的，上下級點與點之間是可達的。物流過程中不存在不規(guī)則的、不可達的現(xiàn)象。

2)分銷網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有各自的庫存容量，通過量過大會出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，通過量過小會有空庫存懲罰。

3)分銷過程中考慮制造成本、運輸成本和預(yù)警成本，產(chǎn)品檢測、封裝成本和其他成本忽略不計。

4)分銷網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有在一定程度上進行風(fēng)險管理、彈性運作的能力。

5)進入行業(yè)的經(jīng)營權(quán)受到政府的牌照經(jīng)營權(quán)管制，政府同時還會進行寡頭壟斷監(jiān)管。

2.2模型的符號說明

RN為彈性網(wǎng)絡(luò);

Di為第i個市場的產(chǎn)品需求量(i=1,2);

Xa為任意2個節(jié)點運輸線路(簡稱供應(yīng)弧a)上的物流量,X為常規(guī)物流量F或者期望物流量E;

Node為分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點；

M和m同為常數(shù)，為供應(yīng)弧或者節(jié)點的限制參數(shù);

CapNode為分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點庫存最大容量；

Ii為第i層分銷網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)弧輸入(i=T1,T2,T3);

Oi為第i層彈性網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)弧輸出(i=S1,S2,T1,T2,T3);

2.3模型的構(gòu)建

顯然，傳統(tǒng)的一般網(wǎng)絡(luò)只考慮了整個系統(tǒng)的成本效用函數(shù)，而忽略了各級分銷商失效的問題，上一級分銷商的失效，可能會影響下一級分銷商、制造商和需求市場的運作，也可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的中斷，給系統(tǒng)帶來巨大損失。因此，在這里有必要將供應(yīng)鏈彈性管理的思想考慮進來，設(shè)計一種彈性供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。彈性供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的各級企業(yè)節(jié)點越來越認識到節(jié)點連接穩(wěn)定性對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和制定生產(chǎn)計劃有著越來越重要的現(xiàn)實意義。

在此結(jié)合供應(yīng)鏈彈性管理的思想，在設(shè)計競爭型彈性分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時，既希望各級分銷商的彈性最好且滿足一定程度的穩(wěn)定性，同時也希望系統(tǒng)的成本效用最小。在考慮了各級分銷商的容忍服務(wù)水平，選擇自己信賴并且相對可靠的分銷商之后，設(shè)計了一種多級多源供應(yīng)的正向節(jié)點選擇，在兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，達到系統(tǒng)成本最小化。干擾環(huán)境下，彈性網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)應(yīng)該考慮多源供應(yīng)的約束，這里多源系數(shù)ρ和可靠性水平Pv的定義如下：

(1)

(2)

1)彈性制造定價成本。

其中,a∈IT1，α為市場基數(shù)，Vβ1，Vβ2和Vβ3為彈性價格因子，Vβ1>Vβ2>Vβ3,q1和q2為常數(shù)。

制造成本效用

(3)

(2)彈性庫存(空)懲罰成本。

其中,Uv1，Uv2和Uv3為常數(shù)(Uv1>Uv2>Uv3)，

庫存(空)懲罰成本效用

(4)

3)彈性預(yù)警成本

(5)

4)彈性擁堵延遲。

其中,L1>L2>L3,L0為基礎(chǔ)延遲，L1，L2和L3為擁堵延遲。

(6)

5)彈性運輸成本。

彈性管理網(wǎng)絡(luò)總運輸成本

(7)

6)彈性成員選擇。

考慮了三級分銷網(wǎng)絡(luò)的各級分銷商的期望容忍水平。其中，u、u1和u2分別為一級分銷商、二級分銷商和三級分銷商對外界需求的容忍最低滿足率。當(dāng)分銷商運作失效時，流入的期望流量要大于或者等于需求的一定倍數(shù)，才能基本滿足或者超過這個最低層次的服務(wù)水平，有約束：

(8)

為了簡化計算，只考慮第一個約束，忽略后面2個期望容忍水平的約束。綜上所述，則彈性管理網(wǎng)絡(luò)的總設(shè)計成本效用：

(9)

整個供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)存在一些基礎(chǔ)約束條件。層之間要達到網(wǎng)絡(luò)均衡，約束條件式(10)～(13)為系統(tǒng)滿足物流平衡條件；式(14)和(15)表示政府為了鼓勵競爭、防止壟斷的強制約束條件；式(16)～(18)表示分銷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點庫存容量設(shè)計限制;式(19)到(21)表示分銷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點承載的物流量。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

整個彈性網(wǎng)絡(luò)的約束條件，除了基礎(chǔ)約束條件，還有以下一些：

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

式(22)～(24)表示期望物流平衡條件；式(25)～(27)表示節(jié)點的期望物流總量；式(28)表示只有被選弧上才存在期望流。式(29)表示只有在期望流為正值時，常規(guī)流才可能存在。式(30)表示物流量的期望值不可能大于常規(guī)物流量。式(31)表示最小期望物流量約束。式(34)～(37)的定義依次和式(28)～(31)類似。

3案例分析

以沿海地區(qū)某品牌汽車分銷供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)為例，網(wǎng)絡(luò)包括末端需求市場di(i=1，2)、中間共三級的分銷商(j,k,m=1.2···n，這里n=8)、前端競爭型的兩個制造商(S1和S2)。產(chǎn)品分銷區(qū)域包括西部地區(qū)、中部地區(qū)和沿海地區(qū)。包括兩個制造商提供產(chǎn)品，都在中部地區(qū)；中間三級分銷商各有2個在西部地區(qū)、3個在中部和沿海；需求市場都在中部。綜上所述，整個供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)包含28個節(jié)點和160條弧，通過Lingo軟件結(jié)合分枝定界算法求解，模型數(shù)值均經(jīng)過上萬次的迭代。一些參數(shù)取值范圍的說明如下。

◆ρ∈[0,1]-多源供應(yīng)的程度;

◆loss∈[α,+∞] -成本損失的程度;

◆apv1,apv2and apv3∈[0,1]- 分銷層layer的可靠性的程度;

◆Uv1,Uv2, Uv3∈[0, +∞]-庫存有冗余容量的懲罰程度；

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置如表1所示。

表1　模型參數(shù)設(shè)置

在此考慮2種實例，例1和例2為不考慮企業(yè)信任度約束下的彈性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，例1考察的是單級期望容忍水平變化的供應(yīng)鏈彈性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，例2則考察的是處于全球供應(yīng)鏈中的國內(nèi)和國外競爭型制造商的彈性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

例1考察3種不同的期望容忍水平u, 分別進行求解和仿真，考察u的變化對模型(9)的影響，分別得到了3種不同的多源動態(tài)彈性架構(gòu)，如圖3(a)、(b)和(c)所示。

圖3(a)、(b)和(c)分別對應(yīng)的期望容忍水平u為0.981 5、0.955和0.85，從而得到彈性供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。從圖3可以看出，每一級都選了2個以上的分銷商，實現(xiàn)了多源供應(yīng)。系統(tǒng)隨著期望容忍水平的不斷降低，主要采購從最初的沿海，轉(zhuǎn)變到中部，最后到了西部地區(qū)。3種架構(gòu)的績效評估如表2。

圖3　例1與例2的彈性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

指標例1(u=0.9815)例1(u=0.955)例1(u=0.85)例2(u=0.955)系統(tǒng)成本1.025835×1071.035214×1071.019649×1071.026128×107失效數(shù)量17755184702358018300輸出均值1000000100000010000001000000制造商S1產(chǎn)量258744485652583980588660制造商S2產(chǎn)量723501495878392440393040系統(tǒng)穩(wěn)定性0.9822450.9815300.976420.9817模型可靠性比較(相對于u=0.955)+0.0728%1-0.521%+0.0173%

從表2可以看出，系統(tǒng)隨著期望容忍水平u的不斷降低，成本先增長然后下降，這說明系統(tǒng)可靠性到了一定程度以后，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性會增加系統(tǒng)成本，但是成本優(yōu)勢使得很多制造商都鋌而走險，選擇風(fēng)險大但是價格低廉的運輸路線，使得系統(tǒng)成本不增反跌。系統(tǒng)失效數(shù)量同期望容忍水平成反比，輸出均值保持不變。處于競爭的兩個制造商S1和S2，在低水平容忍狀態(tài)下時，S1的市場份額略多于S2。但是隨著期望容忍水平的不斷提高，S1在競爭中慢慢處于劣勢?？梢钥闯觯到y(tǒng)可靠性與期望容忍水平成正比。

例2考慮全球供應(yīng)鏈的彈性架構(gòu)，假設(shè)處于競爭中的2個供應(yīng)商S1和S2，一個在國內(nèi)(S1)，而另一個從國內(nèi)搬遷到了海外(S2)。S1的CTA為3元/單位，S2的CTA成本為300元/單位。以期望容忍水平u=0.955為例，進行求解，得到彈性架構(gòu)如圖3(d)。由圖可以看出，系統(tǒng)分銷路線沒有太大變化，該架構(gòu)的績效評估見表2。

由表2可以看出，均衡中的競爭局面被打破了，處于全球供應(yīng)鏈中的國內(nèi)制造商S1的生產(chǎn)量增加，國外制造商S2的生產(chǎn)量減少，從而失去了競爭優(yōu)勢。系統(tǒng)的失效數(shù)量減少了，可靠性得到了提高，比以前有了更強的穩(wěn)定性。處于全球供應(yīng)鏈中的系統(tǒng)成本減少了，原因是系統(tǒng)選擇了更低價的制造商。

4結(jié)論

相對于強調(diào)干擾后調(diào)整的應(yīng)急管理和干擾過程中局部調(diào)整的干擾管理，如何設(shè)計動態(tài)的供應(yīng)鏈架構(gòu)應(yīng)對未知的風(fēng)險，迅速恢復(fù)生產(chǎn)運作，維持預(yù)期收益，在越來越強調(diào)供應(yīng)鏈成員關(guān)系的今天，顯得尤為重要。本文給出了供應(yīng)鏈彈性管理的概念，設(shè)計了一種彈性供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并將其圖形化地給出了集彈性制造定價/彈性空庫存懲罰/彈性預(yù)警/彈性成員選擇/彈性擁堵延遲/彈性運輸于一體的供應(yīng)架構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)遇到中斷或者失效后，能夠迅速對逆向各級成員進行篩選和認證，重新設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)。利用以系統(tǒng)成本最小化為目標建立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，引入多級期望容忍服務(wù)水平，考慮每個回收層之間物流平衡問題，得到了最終優(yōu)化的多級多源彈性逆向網(wǎng)絡(luò)，從而建立了一套有效的彈性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化方法。

研究表明，隨著期望容忍水平的變化，系統(tǒng)成本因為分銷商可靠性的降低呈凸規(guī)則變化，失效數(shù)量不斷提高。此外，本章還有一些地方值得以后思考。如果系統(tǒng)是多種類產(chǎn)品分銷，產(chǎn)品之間存在互補，不同級別分銷商之間存在不同提前期，提前期會隨著競爭型供應(yīng)商的市場優(yōu)勢變化而擾動，如何根據(jù)分銷商庫存容量的變化進行再設(shè)計，這都是未來值得深入研究的方向。

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A Research on Competitive Multi-sourcing Supply Chain Network Design and Resilient Management

FANG Hanwei1，CHEN Kebing2

(1. School of Management, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China；2. College of Science, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：Problem in competitive multi-sourcing network design of supply chain with resilient management based on a positive supply is studied. A supply chain integrative framework is established, integrating resilient manufacturing pricing/resilient empty inventory punishment/ resilient pre-warning/resilient members selection/resilient congestion delay/resilient transportation. Then a competitive multi-sourcing network with resilient management is established based on a general operational model of supply chain. According to the potential risk of the various distributors′ failure, a multiple-source supply with resilient management is used. Finally, a simulation is proposed with multi-level expectations tolerance and global supply chains, so as to inspect their influence to the target function, resilient performance of positive framework and manufacturers′ competition.

Key words：network design; resilient management; competitive manufacturers; resilient network

中圖分類號：F062; F224

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7375(2016)01- 0122- 07

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.01.019

作者簡介：方晗煒(1981-)，男，湖北省人，講師，主要研究方向為供應(yīng)鏈管理、風(fēng)險管理與系統(tǒng)科學(xué).

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(71201083)、(71571100); 武漢工程大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(K201323)

收稿日期：2015- 01- 28