云制造模式下基于線性優(yōu)化的制造資源配置研究

王雪冰，趙道致

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津　300072)

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云制造模式下基于線性優(yōu)化的制造資源配置研究

王雪冰，趙道致

(天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津300072)

基于市場需求的視角，在滿足市場需求的前提下，以企業(yè)利潤最大化為原則，采用線性規(guī)劃方法建立了企業(yè)資源最優(yōu)交易價格的決策模型。鑒于云制造平臺可實(shí)現(xiàn)制造資源的便利可得，利用該決策模型可根據(jù)市場需求的變化及時確定企業(yè)購買或出售資源的價格，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的優(yōu)化配置。

云制造；資源配置；線性優(yōu)化模型

云制造是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造技術(shù)，按用戶需求組織網(wǎng)絡(luò)上的制造資源(制造云)，為用戶提供各類制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[1]。在云制造模式下，云制造資源提供端在云制造服務(wù)平臺上提供制造資源相關(guān)的信息，云制造資源請求端提出服務(wù)請求，云制造服務(wù)平臺根據(jù)需求端的要求，將其服務(wù)請求分配給合適的云制造服務(wù)提供者。這種制造模式突破了以往傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，將制造資源集中起來，通過合適的匹配規(guī)則，將剩余的制造資源分配到各需求端。云制造概念的提出者認(rèn)為：云制造是在云計(jì)算的概念基礎(chǔ)之上進(jìn)行各方面擴(kuò)展的一種制造模式，并提出了云制造服務(wù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[2]，為進(jìn)一步研究管理模式和商業(yè)運(yùn)作模式提供了理論支持。云制造模式的應(yīng)用，使得制造能力成為了一種便利可得的資源，由于使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，也使得制造資源具有深度可視性。企業(yè)可以通過“物-物”相連更準(zhǔn)確、及時地獲知每一臺設(shè)備的資源使用情況，因此可以在自身和其他企業(yè)之間進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的制造能力配置。這既拓展了企業(yè)的生產(chǎn)能力，拓寬了企業(yè)的生產(chǎn)范圍，同時還能在一定程度上降低生產(chǎn)成本，使制造企業(yè)更能適應(yīng)市場需求，提高企業(yè)在市場中的競爭力。

圍繞著云制造環(huán)境下的制造資源優(yōu)化配置問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了許多相關(guān)研究。張霖等[3]闡述了“制造云”的構(gòu)建過程，并給出了制造能力元描述模型，從而實(shí)現(xiàn)了資源的服務(wù)化封裝，為制造資源的優(yōu)化配置奠定了基礎(chǔ)。在云制造資源優(yōu)化配置方面的研究，多是從物流角度進(jìn)行模型建立，并從不同的算法角度驗(yàn)證求解機(jī)制的優(yōu)劣，如李慧芳[4]以達(dá)到最高匹配度為目標(biāo)，對已有的制造云服務(wù)進(jìn)行搜索，提出了一種高效搜索和匹配制造云服務(wù)的方法。王時龍等[5]考慮了物料流以及信息流對成本和時間的影響，構(gòu)建了一種以時間和成本最小、質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)的制造資源優(yōu)化配置模型。高一聰?shù)萚6]考慮各種不同的云制造資源之間的相互影響，提出了基于模糊積分的云制造服務(wù)資源匹配方法。Yuanjun等[7]提出了一種基于改進(jìn)免疫算法的云制造服務(wù)模式，來優(yōu)化制造資源的配置。邰麗君等[8]通過對云制造服務(wù)資源建立多目標(biāo)調(diào)度模型，提出了一種應(yīng)對突發(fā)事件的動態(tài)調(diào)度技術(shù)，在云制造服務(wù)資源的動態(tài)調(diào)度問題上有了一定的突破。而企業(yè)作為參與資源配置的利益相關(guān)者，并沒有在上述文獻(xiàn)中得到充分的重視。SEOK等[9]指出近年來供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)中制造商之間的制造資源共享問題引起了廣泛的關(guān)注，并從長期期望利潤最大化的角度，分析了在不聯(lián)盟、靜態(tài)聯(lián)盟和動態(tài)聯(lián)盟3種情況下制造商對制造能力共享應(yīng)采取的策略。杜其光等[10]從經(jīng)濟(jì)主體的利益分析角度出發(fā)，建立了隨機(jī)需求下制造資源在兩個制造企業(yè)間的轉(zhuǎn)移模型。

本文從經(jīng)濟(jì)主體的角度出發(fā)，研究云制造模式下，一個生產(chǎn)多種不同產(chǎn)品、涉及多種不同的制造資源的經(jīng)濟(jì)主體如何在生產(chǎn)過程中進(jìn)行快速的制造資源調(diào)度才能滿足市場需求。在云制造平臺下，企業(yè)作為制造資源的提供者，同時又是制造資源的需求者，需要決策如何在一個生產(chǎn)周期內(nèi)制定買賣制造資源的策略，使得企業(yè)恰好滿足市場需求，同時能使自身利益最大化。

1　問題描述

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，企業(yè)的資源具有深度可視性和便利可得性，而且能進(jìn)行轉(zhuǎn)移的制造資源和制造能力的種類更豐富[11-17]，即參與配置的制造能力資源具有多維性，這勢必導(dǎo)致企業(yè)的成本結(jié)構(gòu)和收益函數(shù)發(fā)生變化。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，企業(yè)內(nèi)部的制造資源能力的相關(guān)信息能直接、實(shí)時、動態(tài)地傳輸?shù)皆破脚_，這使得企業(yè)可以按照以制造資源能力為單位的狀態(tài)信息進(jìn)行資源優(yōu)化配置。

在云制造模式下，不再是以企業(yè)為單位進(jìn)行交互，而是通過設(shè)備將企業(yè)直接相連，云平臺扮演了提供信息收集、信息處理及資源配置的角色。通過設(shè)備獲取的信息，可以得知哪些企業(yè)的某些設(shè)備存在剩余資源，而哪些企業(yè)的資源會產(chǎn)生短缺。云制造平臺通過數(shù)據(jù)分析后，將合適的剩余資源分配給需要的企業(yè)，完成生產(chǎn)，同時使得整個云制造系統(tǒng)的制造資源得到最充分的利用，使整個系統(tǒng)達(dá)到利益最大化。云平臺中企業(yè)制造資源的信息交互如圖1所示。

圖1　云平臺中企業(yè)制造資源的信息交互

在云平臺這個系統(tǒng)中，對于任意一個以利潤最大化為經(jīng)營目標(biāo)的企業(yè)，具備多種類型的資源。在一個生產(chǎn)周期中，某些資源可能滿足生產(chǎn)，且有剩余；而有些資源可能存在短缺情況，不能滿足生產(chǎn)需求。所以，企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)利潤最大化，必須要從其他企業(yè)中獲取短缺的制造資源，同時出售自己的剩余資源。也就是說，在云制造模式下，制造企業(yè)不僅扮演了資源提供方的角色，同時也是資源需求方。在一個生產(chǎn)周期開始時，制造企業(yè)向平臺發(fā)出剩余制造資源的資源類型及數(shù)量、其出售資源的參考價格，以及所需制造資源的類型、數(shù)量和預(yù)期的購買價格。云制造平臺根據(jù)資源的供需信息進(jìn)行分析和一定的匹配，制定出符合要求的制造資源交易的候選方案，并按照企業(yè)利益最大化準(zhǔn)則評價和選出更符合要求的候選方案。傳統(tǒng)制造企業(yè)的盈利模式就是出售產(chǎn)成品，獲取收入與制造成本的差額形成的利潤。而在云制造模式下，企業(yè)參與的經(jīng)濟(jì)關(guān)系不再只限于此，而是將制造能力變成了可交易的商品，企業(yè)可通過購買制造資源產(chǎn)生新的成本，也可通過出售剩余制造資源獲取利潤。該制造企業(yè)發(fā)生利益關(guān)系的經(jīng)濟(jì)行為有從云平臺上購買制造資源、出售剩余的制造資源、出售產(chǎn)成品，如圖2所示。

圖2　制造企業(yè)發(fā)生利益關(guān)系的經(jīng)濟(jì)行為

企業(yè)的經(jīng)營目的就是為了獲取最大利潤。傳統(tǒng)的制造企業(yè)只要在出售產(chǎn)成品這一經(jīng)濟(jì)行為中獲得最大利潤即可。但是由于現(xiàn)在可在云平臺上進(jìn)行便利的資源買賣，使得企業(yè)的成本結(jié)構(gòu)和收益發(fā)生了變化，所以企業(yè)利潤最大化就需要考慮這兩個經(jīng)濟(jì)行為，改變成本函數(shù)和收入函數(shù)，使得整體利潤達(dá)到最優(yōu)。

本文從滿足市場需求的角度出發(fā)，按照企業(yè)整體利潤最優(yōu)的原則，對云制造平臺下企業(yè)制造資源優(yōu)化配置問題，采用線性規(guī)劃的優(yōu)化方法建立資源用量和交易參考價格決策模型，即通過對企業(yè)優(yōu)化配置模型中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，使得由市場需求確定的產(chǎn)品需求量成為資源優(yōu)化配置模型的最優(yōu)點(diǎn)。

2　制造資源優(yōu)化配置建模

設(shè)云制造平臺下的一個制造企業(yè)在某一個計(jì)劃周期內(nèi)共生產(chǎn)K種產(chǎn)品，每種產(chǎn)品的計(jì)劃產(chǎn)量分別為x1,x2,…,xk。生產(chǎn)這些產(chǎn)品共需要N種資源，其中一部分資源能滿足其生產(chǎn)任務(wù)的要求，另一部分資源的占有量不能滿足其生產(chǎn)任務(wù)的要求。設(shè)：1,2,…,T為T種能滿足生產(chǎn)需求的資源， 分別表示該T種資源的庫存數(shù)量；T+1,T+2,…,N為N-T種占有量不能滿足需求的資源，需要從云平臺中其他企業(yè)購買；bT+1,bT+2,…,bN表示這N-T 種資源的占有數(shù)量；Mi1,Mi1,…,MiN為生產(chǎn)第i 種產(chǎn)品對資源1,2,…,N的單位需求量；Mijxi為生產(chǎn)第i種產(chǎn)品所需的第j種資源總量。

若c1,c2,…,cj,…,cN為資源1,2,…,N的單位使用成本，ωT+1,ωT+2,…,ωN為資源T+1,T+2,…,N在云制造平臺上的單位交易價格， bj1為企業(yè)自有的資源量，則計(jì)劃期內(nèi)的產(chǎn)品成本可以按資源種類分兩類計(jì)算，其中1,2,…,T種資源的使用總成本為

(1)

T+1,T+2,…,N種資源的使用成本分兩部分，其中一部分為自由資源的使用成本，另一部分為購買資源的成本，則該類資源的使用總成本可表示為

(2)

假設(shè)在云平臺下，該企業(yè)的剩余制造資源可全部出售，短缺制造資源的市場供應(yīng)是充足的，那么，該企業(yè)的優(yōu)化目標(biāo)是通過產(chǎn)品合理組合獲得最大利潤以及出售剩余制造資源獲得最佳利益，其目標(biāo)函數(shù)為

(3)

將式(1)、(2)代入到式(3)中，即

(4)

由于此時決策變量為x，所以可以將對x的取值不產(chǎn)生影響的部分去除，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為

(5)

該企業(yè)的資源優(yōu)化配置模型為

(6)

其中：Pi為產(chǎn)品i(i=1,2,…,K)的市場價格；Sj為剩余制造資源j(j=1,2,…,T)的出售價格。

由于自由資源1,2,…,T的占有量比實(shí)際需要量大，剩余部分可以在云平臺上出售給其他企業(yè)，而T+1,T+2,…,N的占有量不能滿足生產(chǎn)任務(wù)的要求，需要從云制造平臺上的其他制造企業(yè)購買以滿足生產(chǎn)，所以出售剩余資源的價格S1,S2,…,ST和從云平臺上購買資源的價格ωT+1,ωT+2,…,ωN是要進(jìn)行決策的參變量，即模型(4)是一個含有參變量Sj和ωj的資源優(yōu)化配置模型。

模型(6)的對偶問題規(guī)劃模型為：

(7)

(8)

實(shí)際中，企業(yè)的產(chǎn)量并非完全由自己決定，而是由客戶訂單和對市場需求的預(yù)測決定，即xi,i=1,2,…,K由市場決定。而從以往研究影子價格的文獻(xiàn)中可知：資源的影子價格yj可以根據(jù)市場均衡價格或機(jī)會成本近似確定，所以對于模型(8)中的參變量Sj(j=1,2,…,T)和ωj(j=T+1,T+2,…,N)，可以按照逆優(yōu)化方法建立以參變量Sj和ωj為優(yōu)化變量的模型[18-19]。

3　制造資源優(yōu)化配置的線性優(yōu)化模型

在制造資源的交易過程中，需求方希望用最低的價格購買所需資源，但是同時要考慮到，在云制造平臺上也存在很多其他的資源需求方同時也需要購買相同的制造資源，如果出價過低則可能導(dǎo)致不能成功購買到所需要的資源。同理，某種資源的提供方也希望以最高的價格出售剩余制造資源，但是也要考慮到如果賣價過高，則可能導(dǎo)致剩余制造資源賣不出去，不能實(shí)現(xiàn)利潤增長。這就需要企業(yè)在買賣制造資源時提供的價格具有一定的合理性，才能使整個云制造平臺上的資源交易有效進(jìn)行。

(9)

(10)

在云制造環(huán)境下，由于企業(yè)可以出售的制造資源的種類和數(shù)量以及需要購買的資源種類和數(shù)量需要根據(jù)計(jì)劃期的生產(chǎn)任務(wù)需求決定，企業(yè)為完成生產(chǎn)任務(wù)，必須按照生產(chǎn)計(jì)劃確定自身企業(yè)滿足生產(chǎn)之后的制造資源的剩余量，以及不能滿足生產(chǎn)需求的制造資源的類型和短缺數(shù)量來決定出售或購買資源的數(shù)量和價格，企業(yè)能進(jìn)行決策的是相應(yīng)的參考價格。因此，需要根據(jù)制造資源優(yōu)化配置模型的互補(bǔ)最優(yōu)性條件(10)來構(gòu)建其優(yōu)化問題模型。

由于制造企業(yè)使用制造資源的使用價值沒有明顯差距，并且企業(yè)間的技術(shù)水平也沒有明顯不同，所以制造資源在不同企業(yè)內(nèi)對各自總體效益所創(chuàng)造的邊際效益(資源的影子價格)就不會有很大差異[20-21]。由于資源的影子價格參考值y*可以由技術(shù)水平以及市場環(huán)境近似確定，則可以以Wi為變量，以式(10)為約束條件，以Wi的值變化最小為優(yōu)化目標(biāo)，相應(yīng)的優(yōu)化模型為：

(11)

其中：W為原規(guī)劃(6)的系數(shù)向量；W*為y*為對偶規(guī)劃模型(7)的最優(yōu)解時系數(shù)W的相應(yīng)值。

(12)

取模為l1時，上述問題可以轉(zhuǎn)化成一個線性規(guī)劃問題：

(13)

將yi=y1j-y2j,j=T+1,T+2,…,N代入式(13)中，可以得到：

(14)

(15)

則式(15)可以整理為

(16)

4　結(jié)束語

在云制造模式下，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了制造資源的深度可視性和便利可得性，使得企業(yè)的成本結(jié)構(gòu)和盈利模式發(fā)生了變化。傳統(tǒng)模式下，企業(yè)只能根據(jù)自身占有的資源進(jìn)行生產(chǎn)，由于制造資源的占有量一定，則在一定的生產(chǎn)周期內(nèi)，有可能存在某些制造資源有剩余，導(dǎo)致資源浪費(fèi)的現(xiàn)象；也有可能存在某些資源不足以滿足生產(chǎn)，導(dǎo)致企業(yè)不能滿足市場需求，造成利潤的減少。而在云制造模式下，企業(yè)可以通過購買短期制造資源來完成生產(chǎn)任務(wù)，同時也可以通過出售剩余制造資源獲得額外收益。本文考慮企業(yè)生產(chǎn)多種產(chǎn)品以滿足市場需求確定的產(chǎn)品組合數(shù)量為前提，建立了通過購買短缺制造資源和出售剩余制造資源達(dá)到企業(yè)整體利益最大化的線性規(guī)劃模型。該模型體現(xiàn)了在云制造環(huán)境下，企業(yè)可以根據(jù)市場需求的變化，快速確定企業(yè)購買和出售制造資源的最優(yōu)價格，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最優(yōu)效益。

本研究對于企業(yè)在云制造環(huán)境下的決策起一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用，但還存在一些不足，在以后的研究中還需更深入地探討：本研究以云制造平臺上的某一個企業(yè)為研究對象，忽視了制造企業(yè)之間可能存在的競爭關(guān)系。即當(dāng)一個企業(yè)與其他制造企業(yè)存在競爭關(guān)系時，會對企業(yè)的決策產(chǎn)生一定的影響；同時，本研究對資源的獲取成本采用了線性分析，往后的分析可以根據(jù)企業(yè)的運(yùn)營實(shí)踐優(yōu)化收益模型，以做出更細(xì)致的分析。

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(責(zé)任編輯劉舸)

LinearProgrammingModelofManufacturingResourceAllocationBasedonCloudManufacturing

WANGXue-bing,ZHAODao-zhi

(CollegeofManagementandEconomics,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Thispaperusedalinerprogrammingmethodtoestablishadecision-makingmodelabsorbingmanufacturingresourcepricesofsoldorbuyingasreferencevariablessoastomeetthemarketneedsandmaximizecorporateprofitsasaprinciplebasedontheperspectiveofmarketneeds.Giventhatinthecloudmanufacturingplatform,themanufacturingresourcesisveryconvenientfortransaction,sousingthismodelcandeterminetheoptimalpricetobuyorsellmanufacturingresourcesbasedonthemarketdemandtimelyandtoachieveoptimalallocationofmanufacturingresources.

cloudmanufacturing;allocationofresources;linearoptimizationmodel

2015-10-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71472134)

王雪冰(1991—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事物流與供應(yīng)鏈管理研究；通訊作者 趙道致(1956—)，男，江蘇無錫人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事物流與供應(yīng)鏈管理、運(yùn)營管理、工業(yè)工程等方面的研究，E-mail:dzzhao@tju.edu.cn。

format：WANGXue-bing,ZHAODao-zhi.LinearProgrammingModelofManufacturingResourceAllocationBasedonCloudManufacturing[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(9):118-123.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.019

TP39

A

1674-8425(2016)09-0118-06

引用格式：王雪冰,趙道致.云制造模式下基于線性優(yōu)化的制造資源配置研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):118-123.