需求管理視角下天津電網(wǎng)計量裝置需求分配研究

陳磊 徐杰 楊茜茹 張毅斌

摘 要：文章結(jié)合CPFR理論，對天津電網(wǎng)計量裝置需求管理的全過程進(jìn)行分析，提出目前其需求管理過程中存在的問題。通過構(gòu)建天津電網(wǎng)計量裝置需求管理的理論框架，提出基于需求管理視角下的需求分配優(yōu)化思路。鑒于需求分配在天津電網(wǎng)計量裝置需求管理優(yōu)化中的重要性及可實施性，文章站在計量中心的角度，從最大限度滿足客戶需求出發(fā)，在既有的庫存水平下，構(gòu)建了一個多周期的兩級網(wǎng)絡(luò)需求分配優(yōu)化模型，并運用算例求解驗證了模型的有效性。研究不僅能為天津電網(wǎng)計量裝置的需求管理體系建設(shè)提供理論和方法依據(jù)，也可為電網(wǎng)系統(tǒng)計量裝置的需求管理提供可借鑒的參考。

關(guān)鍵詞：計量裝置；需求管理；CPFR；需求分配

中圖分類號：F252.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Based on CPFR theory， this paper analyzes the whole process of the metering device requirements management of Tianjin power grid， and puts forward the existing problems in the process of demand management. By constructing the theoretical framework of the demand management of Tianjin power grid metering device， the optimization of demand distribution based on demand management is put forward. In view of the importance and the implementation of the demand distribution in the metering device demand management optimization of Tianjin power grid， from the point of view of the measurement center， the paper builds a multi-cycle two level network demand distribution optimization model from the maximum to meet customer needs with the existing inventory levels. The validity of the model is verified by a numerical example. The research of this paper can not only provide theory and method for the construction of metering device's demand management system of Tianjin power grid， but also can provide reference for the management of power grid system.

Key words： metering device； demand management； CPFR； demand distribution

0 引 言

天津電網(wǎng)擔(dān)負(fù)著整個天津市的用電需求，隨著天津市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場對電能的需求量越來越高，電網(wǎng)計量裝置的需求量也隨之增長。同時由于計量裝置需求不確定性強，技術(shù)水平要求高，全生命周期都需要可視化管理，其供應(yīng)鏈管理全過程涉及生產(chǎn)、檢測、配送、安裝等多個環(huán)節(jié)，因此計量裝置物流管理在電網(wǎng)系統(tǒng)中具有特殊地位。根據(jù)天津電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃中關(guān)于全面深化現(xiàn)代配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，提高配電網(wǎng)規(guī)劃質(zhì)量和精益化管理水平的要求，天津電網(wǎng)對計量裝置的供應(yīng)鏈管理水平直接影響“十三五”規(guī)劃目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，需求管理作為供應(yīng)鏈管理的重要環(huán)節(jié)，也成為天津電網(wǎng)計量裝置管理的重要內(nèi)容。

基于理論研究和實際問題分析，本文對天津電網(wǎng)計量裝置的需求管理進(jìn)行優(yōu)化研究，運用供應(yīng)鏈CPFR理論，提出天津電網(wǎng)需求管理應(yīng)實現(xiàn)的預(yù)測模塊、計劃模塊及補貨模塊協(xié)同優(yōu)化思路。同時，文章從計量中心作為服務(wù)方的角度出發(fā)，考慮了需求管理中補貨模塊的重要性及可實施性，對需求分配問題進(jìn)行了模型構(gòu)建和算例分析。

1 需求管理的理論及相關(guān)研究

1.1 CPFR理論

CPFR（Collaborative Planning， Forecasting， and Replenishment）是由VICS[1]提出的協(xié)同式供應(yīng)鏈庫存管理，也叫協(xié)同規(guī)劃、預(yù)測與補貨，是一種協(xié)同式的供應(yīng)鏈庫存管理技術(shù)。它將原來屬于各企業(yè)內(nèi)部事務(wù)的計劃工作，如生產(chǎn)計劃、庫存計劃、配送計劃、銷售規(guī)劃等由供應(yīng)鏈各單元共同參與，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)跨越供應(yīng)鏈的成員合作，更好地預(yù)測、計劃和執(zhí)行貨物流通。其核心目標(biāo)是增強需求計劃和補貨計劃的精度，降低供應(yīng)鏈存貨，實現(xiàn)高水準(zhǔn)的服務(wù)。

CPFR理論適用于一般的生產(chǎn)供應(yīng)鏈，運用的規(guī)則主要是基于消費者的需求和整個價值鏈的增值能力。同時，CPFR根據(jù)需求預(yù)測報告制定生產(chǎn)計劃，由于需求的復(fù)雜性和不確定性，需要通過各方的信息共享和數(shù)據(jù)傳遞更加準(zhǔn)確地把握市場需求，管理者根據(jù)市場需求做出更加科學(xué)、有效的需求管理決策。本文結(jié)合天津電網(wǎng)計量裝置的需求不確定、計劃不準(zhǔn)確、補貨不科學(xué)等實際情況，根據(jù)CPFR理論對天津電網(wǎng)計量裝置的需求管理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.2 需求管理相關(guān)研究綜述

在需求管理方面，國內(nèi)外已有一定的相關(guān)研究成果。Croxton，Keely等[2]提出需求管理是供應(yīng)鏈管理的重要一環(huán)，目的是平衡供應(yīng)鏈能力與客戶的需求。當(dāng)管理流程正確時，需求管理可以使供需達(dá)到平衡，以最小的損失執(zhí)行計劃。需求管理不只限于預(yù)測，它還包括協(xié)調(diào)供給和需求，提高靈活性，減少可變性。張李義、成飛[3]提出了基于CPFR的需求管理理論，文章從客戶的需求出發(fā)，分析影響需求管理的可控因素和不可控因素，提出以準(zhǔn)確的需求預(yù)測推動企業(yè)的供應(yīng)鏈協(xié)同發(fā)展。龐海云[4]研究了應(yīng)急物資分配的決策特性、應(yīng)急物資的需求預(yù)測和應(yīng)急物資的最優(yōu)分配模式。文章根據(jù)改進(jìn)的粒子群算法，在三級物資運輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上分析得出應(yīng)急物資的最佳配送方式。張偉忠[5]以天津市電力公司電能計量中心為研究對象，結(jié)合現(xiàn)代物流管理理論，提出對天津電力公司的計量表進(jìn)行準(zhǔn)確的需求預(yù)測，科學(xué)的庫存管理以及有效的物流配送等。范志文[6]研究了云制造環(huán)境下的訂單分配及訂貨決策，文章通過構(gòu)建運輸費用最小的目標(biāo)函數(shù)，將訂單配送問題轉(zhuǎn)化為運輸問題。王海軍、黎卜豪等[7]研究了應(yīng)急救援下的需求分配問題。在建立總配送時間最小目標(biāo)函數(shù)下，通過對比不同的需求配送機(jī)制，研究表明基于距離阻抗的需求分配機(jī)制要優(yōu)于基于時間阻抗的分配機(jī)制。

綜上所述，當(dāng)前對需求管理的研究主要集中在需求預(yù)測和庫存管理兩個方面。對于需求分配的研究，其研究對象大多是應(yīng)急物資。本文根據(jù)計量裝置的專業(yè)特性和需求特點，在對天津電網(wǎng)計量裝置的需求管理進(jìn)行整體分析的基礎(chǔ)上，重點進(jìn)行天津電網(wǎng)計量裝置的需求分配優(yōu)化。

2 天津電網(wǎng)計量裝置的需求管理現(xiàn)狀分析

2.1 天津電網(wǎng)計量裝置三級管理體系及需求管理流程

天津電網(wǎng)計量裝置包括單相表、三相表、互感器、集中器等，限于篇幅，本文主要針對單相表的需求進(jìn)行分析。目前天津電網(wǎng)對計量裝置的管理分三個層級，第一層是計量中心，計量中心又包括中心庫和檢測中心；第二層是各分庫（區(qū)域庫）；第三層就是各站所（供電分公司）。具體的管理層級如圖1所示。

計量中心負(fù)責(zé)計量裝置的檢測并對各個分庫進(jìn)行配送。站所則負(fù)責(zé)進(jìn)行計量裝置的需求預(yù)測、計劃申報等，分庫則負(fù)責(zé)匯總各站所的需求并上報到計量中心，計量中心在收到各個分庫的需求申請后，實行以分庫為主，中心庫為輔的原則進(jìn)行需求分配。當(dāng)分庫和中心庫的電表存儲量無法滿足站所需求時，計量中心檢測新的電能表滿足站所的需求。

計量中心對需求的分配主要是根據(jù)站所的需求預(yù)測進(jìn)行的，而站所為了保證供應(yīng)，經(jīng)常會人為調(diào)整需求時間和需求數(shù)量，因此計量中心收到各站所上報的需求后首先要對各站所的需求進(jìn)行審核。當(dāng)需求審核通過后，計量中心則進(jìn)一步?jīng)Q策實際分配給各站所的需求量，天津電網(wǎng)計量裝置具體的需求申請和分配流程如圖2所示。

計量中心審核需求訂單后，執(zhí)行出庫配送任務(wù)，安排車輛先從分庫調(diào)運，若分庫無法滿足需求則從中心庫調(diào)運；若中心庫庫存無法滿足則安排檢測中心進(jìn)行生產(chǎn)。當(dāng)電表送達(dá)各站所的存放點后，進(jìn)行新品入庫并確認(rèn)。

2.2 天津電網(wǎng)計量裝置需求管理問題分析

通過對其現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)天津電網(wǎng)計量裝置在需求管理過程中存在的一些問題。主要表現(xiàn)為：當(dāng)站所對顧客需求進(jìn)行預(yù)測時，其人為干擾因素較為明顯，各站所為了達(dá)到更好的考核結(jié)果，其預(yù)測結(jié)果和申請數(shù)量往往偏高。其次，計量中心主要是根據(jù)主觀經(jīng)驗對需求進(jìn)行分配決策，缺乏一定的科學(xué)依據(jù)。最后，站所和計量中心作為供應(yīng)鏈上的組成成員，缺乏有效的協(xié)同計劃。為此，本文從計量中心的角度出發(fā)，重點研究計量中心和分庫的需求分配策略，降低需求預(yù)測不準(zhǔn)確所帶來的影響，從而促進(jìn)供應(yīng)鏈整體協(xié)調(diào)和優(yōu)化目標(biāo)的實現(xiàn)。

3 基于需求管理視角的天津電網(wǎng)計量裝置的需求分配分析

3.1 基于CPFR理論的天津電網(wǎng)計量裝置需求管理體系設(shè)計

天津電網(wǎng)計量裝置需求管理的目標(biāo)是對需求進(jìn)行準(zhǔn)確識別和預(yù)測，減少人為干擾因素，實現(xiàn)分庫庫存最低，中心庫庫存趨于零的目標(biāo)。結(jié)合CPFR理論，本文為天津電網(wǎng)的計量裝置建立了一套科學(xué)的需求管理體系，以對需求進(jìn)行協(xié)同計劃、預(yù)測及補貨，具體的流程如圖3所示。

該需求管理體系由預(yù)測模塊、計劃模塊和補貨模塊三個部分組成。首先是預(yù)測模塊，站所根據(jù)往期計量裝置的需求規(guī)律以及新增需求對計量裝置的需求進(jìn)行預(yù)測。在預(yù)測過程中，站所應(yīng)該運用科學(xué)的預(yù)測方法對需求進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。其次是計劃模塊，計量中心在收到分庫上報的需求時，需要結(jié)合分庫、中心庫的實際庫存量安排配送和生產(chǎn)。計量中心在安排生產(chǎn)計劃過程中，應(yīng)該與站所隨時溝通，對需求隨時反饋調(diào)整。如在遇到應(yīng)急需求等例外事件時，站所應(yīng)及早告知計量中心，給計量中心留有足夠的生產(chǎn)調(diào)整時間。最后是補貨模塊，計量中心一般根據(jù)分庫上報的需求計劃隨時調(diào)整生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)適時補貨的目標(biāo)，最大限度地滿足補貨需要。通常分庫無法一次性滿足站所的計劃期內(nèi)的總需求，因此，分庫也需要對各個站所進(jìn)行隨時補貨。

由于在需求管理過程中，預(yù)測模塊是由站所決定的，計劃模塊是根據(jù)預(yù)測模塊進(jìn)行的。對于計量中心而言，補貨模塊的優(yōu)化具有主導(dǎo)性、可行性。因此，本文對天津電網(wǎng)計量裝置需求管理的研究重點是圖3中的虛線內(nèi)的部分。補貨模塊實際上是一個需求分配過程，即計量中心根據(jù)分庫申報的需求決策計量中心對分庫，分庫對站所的需求分配策略。同時，科學(xué)的需求分配策略將有助于通過信息反饋指導(dǎo)需求預(yù)測和計劃。因此，計量中心通過更加有效的需求分配策略可以實現(xiàn)更加科學(xué)的需求管理目標(biāo)。

3.2 天津電網(wǎng)計量裝置需求分配優(yōu)化思路

天津電網(wǎng)憑借自身管轄范圍小、業(yè)務(wù)覆蓋面全、計量倉儲體系管理方式相對集中的優(yōu)勢，在需求管理方面，實行以分庫為主，中心庫為輔，檢測中心為支撐的需求分配模式。通常各個站所向分庫上報的需求預(yù)測是月度總需求，故中心庫和分庫一般不能一次性滿足各個站所的全部需求，因此計量中心作為需求分配的主體，需要根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力、計劃期初的庫存水平對各站所分批次的實際配送量進(jìn)行科學(xué)的決策。本文的目標(biāo)旨在提高客戶的服務(wù)水平，通過有效的需求分配指導(dǎo)合理的需求預(yù)測，在計量中心和站所協(xié)同計劃的前提下，進(jìn)一步實現(xiàn)需求管理全過程的優(yōu)化。

4 天津電網(wǎng)計量裝置需求分配優(yōu)化模型構(gòu)建

本文在考慮了中心庫和分庫的庫存情況、計量中心的檢測能力和一次申請多次配送等約束條件，通過構(gòu)建計量中心到分庫、分庫到站所的兩級網(wǎng)絡(luò)多周期需求分配模型，在最大程度滿足客戶需求的情況下，實現(xiàn)計量中心對各分庫，分庫對各站所的最優(yōu)需求分配決策。

4.1 參數(shù)設(shè)計及假設(shè)

通過上述對需求分配問題的描述，進(jìn)行以下假設(shè)：（1）需求分配中，一個分庫對應(yīng)多個站所，每個站所的需求只能由其對應(yīng)的分庫完成；（2）計量中心的運力足以滿足所有的需求配送，即不考慮運力限制；（3）一次訂單周期分為各時間段實施送貨；（4）不考慮中心庫和分庫的庫存負(fù)荷。

以下對模型中一些重要的參數(shù)進(jìn)行說明：

d：計劃期第j個站所向第i個分庫提報的總需求，i=1，2，…，m， j=1，2，…，n；

q： 第k個周期第i個分庫的庫存量；k=1，2，3，4；

S：第k個周期第i個分庫給第j個站所的實際配送量；

S：第k個周期中心庫給第i個分庫的實際配送量；

q：第i個分庫在第k個周期時的庫存量，已知q為初始狀態(tài)，且q=q；

q：第k個周期期初中心庫的庫存量；已知q為初始狀態(tài)，且q=q；

M：第k個周期中心庫的實際發(fā)貨量；

r：第k個周期檢測中心的產(chǎn)出率；

I：第i個分庫所負(fù)責(zé)的站所的集合；

T： 為發(fā)貨前的生產(chǎn)備貨期。

4.2 模型的建立

其中，目標(biāo)函數(shù)（1）表示從計量中心到分庫以及從分庫到站所的兩級網(wǎng)點缺貨水平最低，即最大程度滿足各站所和分庫的配送需求，該式由兩部分組成，第一部分代表分庫對站所需求的滿足率，第二部分代表中心庫對分庫需求的滿足率。約束條件（2）表示第k+1期中心庫的庫存量，該變量存在兩種情況，當(dāng)?shù)趉個周期中心庫給分庫的實際供貨量小于該周期中心庫庫存量時，第k+1期計量中心不需要生產(chǎn)補貨；當(dāng)?shù)趉個周期中心庫給分庫的實際供貨量大于該周期庫存量時，第k+1期檢測中心需要以r的生產(chǎn)率進(jìn)行生產(chǎn)和補貨。約束條件（3）代表第k+1個周期分庫的庫存量。約束條件（4）表示T個周期內(nèi)，分庫給站所實際供貨總量小于等于站所的實際需求總量。約束條件（5）表示T個周期內(nèi)，中心庫給分庫的總供給量小于等于各站所的總需求量。約束條件（6）表示中心庫給分庫的實際供貨量小于該周期中心庫庫存量及生產(chǎn)補貨量之和。約束條件（7）表示的是每一個周期分庫向站所配送的數(shù)量應(yīng)當(dāng)符合實際情況，其最大配送量不能超過各個站所的實際接貨能力，各站所每期的接貨能力為總需求的β，其最低配送量應(yīng)當(dāng)滿足分庫向站所的最低需求滿足率，其滿足率可由分庫的每一期的服務(wù)水平β決定。

5 算例分析

本文通過研究天津電網(wǎng)計量裝置的實際需求情況，進(jìn)行算例分析，驗證模型的有效性。本文所建立的是非線性整數(shù)規(guī)劃模型，考慮Lingo軟件數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)輸出方便，求解強大的優(yōu)勢，本文的算例求解選用Lingo11.0軟件進(jìn)行。

為了驗證模型的有效性，本文首先構(gòu)建一個簡化的計量裝置配送網(wǎng)絡(luò)。選取1個中心庫、2個分庫、6個站所作為研究對象。其中分庫1負(fù)責(zé)向2號、3號、4號站所進(jìn)行配送，分庫2負(fù)責(zé)向1號、5號和6號站所進(jìn)行配送。具體的網(wǎng)絡(luò)配送關(guān)系如圖4所示。計量中心由中心庫和檢測中心組成，中心庫一般保有少量庫存，檢測中心在整個網(wǎng)絡(luò)的庫存不足時進(jìn)行生產(chǎn)補貨。

結(jié)合天津電網(wǎng)計量中心的實際狀況，本文根據(jù)模型求解需要，設(shè)定模型中的相關(guān)參數(shù)初始值如表1所示。

為了使模型的求解更符合實際，通過對天津電網(wǎng)計量中心實地調(diào)研，在此次的求解過程中，預(yù)設(shè)系統(tǒng)的最低服務(wù)水平為γ，每個周期都必須滿足一定的服務(wù)水平即β=γ/4?？紤]到在實際的配送過程中，站所的實際接貨能力即φ是有限的，因此，計量中心對站所每期的分配量不可超過總需求的β=φ/4。在此次模型的求解當(dāng)中，初次設(shè)定γ=70%，φ=120%。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，經(jīng)Lingo11.0求解，得出缺貨率最低時各個周期的實際配送量最優(yōu)值如表2所示、各周期的可發(fā)貨量和期末庫存狀態(tài)如表3所示。

從計算結(jié)果可以看出：中心庫對分庫1的滿足率為90.3%，對分庫2的滿足率為89.3%，當(dāng)分庫庫存的需求量過大時，中心庫一般無法完全滿足分庫的需求。分庫1對站所2、站所3、站所4的平均滿足率分別為：89.7%、100%、100%；分庫2對站所1、站所5、站所6的平均滿足率分別為：70.3%、100%、78.9%。表3表示各個周期中心庫和分庫的可發(fā)貨量及庫存動態(tài)。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，通過對天津電網(wǎng)計量裝置的需求進(jìn)行合理的分配，中心庫和分庫的庫存基本可以達(dá)到趨于零的目標(biāo)。

當(dāng)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最低服務(wù)水平γ發(fā)生改變時，通過求解得到各分庫和站所的實際滿足率結(jié)果如圖5所示：

對圖5的結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最低服務(wù)水平發(fā)生改變時，計量中心和分庫的需求分配決策均會發(fā)生變化。當(dāng)服務(wù)水平從60%提升至65%再至70%時，各個站所的實際需求滿足率更為均衡。結(jié)合上述分析，在既定最低服務(wù)水平下影響客戶滿意度的主要因素是計量中心和分庫的補貨能力。對于天津電網(wǎng)來說，從需求管理的角度出發(fā)，通過對站所上報需求的審核和對生產(chǎn)能力的科學(xué)運用，確定合理的客戶滿意度，可以達(dá)到更好的需求分配決策目標(biāo)。

6 結(jié)論和展望

本文考慮了計量中心的生產(chǎn)能力，站所的實際接貨能力，為實現(xiàn)在較低庫存水平下，最大限度地滿足站所需求的目標(biāo)，建立了從計量中心到分庫、分庫到站所的多周期的兩級網(wǎng)絡(luò)需求分配優(yōu)化模型。通過模型求解，可以計算出在滿足站所既定服務(wù)水平和接貨能力條件下，每一配送周期的實際配送量的最優(yōu)值，既能保證各站所的需求得到一定程度的滿足，又盡可能降低供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的整體庫存水平，有效避免主觀判斷帶來的不良影響。企業(yè)在實際應(yīng)用時，可以根據(jù)實際情況調(diào)整計量中心的生產(chǎn)能力、系統(tǒng)最低服務(wù)水平、站所接貨能力等參數(shù)，使模型的計算結(jié)果更接近實際情況。

本文在建立模型和求解的過程中，只考慮了一種計量裝置，目標(biāo)函數(shù)也只考慮了客戶服務(wù)水平，是單品種、單目標(biāo)需求分配優(yōu)化模型。在以后的研究中，我們將在考慮成本因素下的計量中心多產(chǎn)品的需求分配模型，使得需求分配決策更為合理，實現(xiàn)天津電網(wǎng)對計量裝置更加科學(xué)、高效的管理目標(biāo)。

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