基于VBA的供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

向萬里， 張靜芳, 胡鯤鵬， 安美清

(蘭州交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,蘭州 730070)

0 引 言

著名供應(yīng)鏈管理專家馬丁·克里斯多夫教授認(rèn)為：“21世紀(jì)是供應(yīng)鏈與供應(yīng)鏈的競爭”，可見供應(yīng)鏈管理是進(jìn)一步提升企業(yè)核心競爭力的有效手段，然而，在供應(yīng)鏈中普遍存在著需求不確定性波動的現(xiàn)象，即牛鞭效應(yīng)[1]，這種需求信息的嚴(yán)重扭曲給供應(yīng)鏈管理帶來了諸多困難。牛鞭效應(yīng)作為《供應(yīng)鏈管理》課程中一個重要的知識點，感性認(rèn)識它在不同條件下的產(chǎn)生、傳播及分析具有十分重要的意義。鑒于仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用[2-6]，以David等開發(fā)的一個Windows XP環(huán)境下的具有圖形用戶界面的啤酒游戲軟件The Beer Game為原型(該軟件跨平臺能力較差，不能在高版本的Windows系列操作系統(tǒng)上安裝使用)，同時考慮到Excel軟件的普遍性和易用性，采用Excel VBA軟件開發(fā)了供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)仿真系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)

1.1 啤酒游戲

20世紀(jì)60年代，麻省理工學(xué)院的斯隆管理學(xué)院首創(chuàng)了“啤酒游戲”，用來展現(xiàn)供應(yīng)鏈庫存管理中普遍存在的一種現(xiàn)象——牛鞭效應(yīng)。1997年，斯坦福大學(xué)知名教授Hau L.Lee(李效良)在頂級期刊Management Science上發(fā)表文章首次提出了牛鞭效應(yīng)的概念，并從信息扭曲的角度，深入探索了牛鞭效應(yīng)的機理[7-9]。本研究主要是以麻省理工學(xué)院的David等開發(fā)的啤酒游戲軟件為原型，鑒于其向后兼容性較差，遂以具有廣泛應(yīng)用背景的Excel VBA為工具[10-12]，進(jìn)行再次開發(fā)，目的是為了便于用戶使用和加強學(xué)生對于供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)的感性認(rèn)識及理解。

1.2 供應(yīng)鏈模型構(gòu)建與模擬

1.2.1供應(yīng)鏈模型

在該仿真系統(tǒng)軟件中，供應(yīng)鏈節(jié)點有四個，分別是制造商、批發(fā)商、分銷商和零售商，各個節(jié)點之間由運輸和通訊環(huán)節(jié)進(jìn)行聯(lián)系。當(dāng)客戶向零售商提出自己的需求以后，零售商會通過提供相應(yīng)數(shù)量的商品(啤酒)來滿足客戶的需求，這樣就會使得零售商庫存水平發(fā)生變化。零售商根據(jù)這個變化，并結(jié)合自身的情況及對未來市場的估計，進(jìn)而向批發(fā)商發(fā)出一定量的訂貨需求。同樣，批發(fā)商也會根據(jù)自己的庫存情況以及下游零售商的訂單情況，向其上游分銷商發(fā)出相應(yīng)的訂單，分銷商又會根據(jù)自己的庫存情況以及下游批發(fā)商的訂單情況，向制造商發(fā)出相應(yīng)的訂單。這就是啤酒游戲的過程，整個過程就簡單地構(gòu)成了啤酒供應(yīng)鏈。具體如圖1所示。

圖1 (啤酒)供應(yīng)鏈模型

1.2.2供應(yīng)鏈模擬

在供應(yīng)鏈模擬過程中，涉及如圖1所示的供應(yīng)鏈節(jié)點，為完成供應(yīng)鏈運營模擬，需要首先選擇玩家希望扮演的角色(Player)(其余角色則由系統(tǒng)自動扮演)。由于涉及系統(tǒng)自動扮演角色，接下來，需要為每個角色制定庫存策略(Policy)以及設(shè)置外部需求(Demand)模式等。

具體而言，在模擬過程中，玩家可以扮演供應(yīng)鏈節(jié)點的管理者：零售商，或批發(fā)商，或分銷商，或制造商，其被稱為交互式角色，計算機則扮演余下角色(當(dāng)用戶選擇None角色時，所有供應(yīng)鏈節(jié)點管理者均由計算機扮演，即由計算機自動執(zhí)行)。在仿真演示過程中，為了便于觀察與區(qū)分，交互式角色一般用彩色突出顯示。模擬過程主要由訂貨事件驅(qū)動，模擬運行時間是以周(w)為單位的,每周伊始，先是零售商，再是批發(fā)商和分銷商，最后是制造商，都會依次運行如下事件，仿真從上游開始，對于每個供應(yīng)鏈組成部分都會依次運行以下步驟[1]：

(1) 延遲2的內(nèi)容被移到延遲1，延遲1的內(nèi)容被移到在庫庫存中。延遲2在此時的狀態(tài)是0。

(2) 每個角色盡可能地滿足直接下游的訂單(對于零售商來說，其下游指的是客戶)。切記，訂貨量要包括當(dāng)前訂貨和所有累積下來的拖欠訂單。將暫時沒有滿足的訂單先記錄下來(相當(dāng)于當(dāng)前庫存減去當(dāng)前訂貨量與拖欠給下游的訂單之和)，并在條件允許的情況下盡快滿足。除了零售商把貨物送到系統(tǒng)外部，訂貨都被送到其直接下游的延遲2的位置。

(3) 計算每1周的缺貨和庫存成本，并累加到前1期累計的總成本之中。每1周成本計算如下：在這一機構(gòu)和運輸?shù)较掠螜C構(gòu)的總庫存乘以持有成本0.50美元，延遲交貨數(shù)目，即拖欠訂單(backorder)，乘以缺貨成本1.00美元。

(4) 發(fā)出訂單。如果是玩家扮演某一角色，則由玩家指定訂單的需求量；如果是計算機自動運行的工作，即角色工作由電腦扮演執(zhí)行，則計算機會根據(jù)預(yù)先設(shè)置的庫存控制策略給出訂貨數(shù)量。

這一事件順序有幾個需要注意的地方。首先，一旦下游機構(gòu)在第1周末發(fā)出訂單，該訂單將在第3周初之后才能被滿足(也就是說，如果訂單在w周末被發(fā)出，物料將會在w+3周初之后才能收到，有2周的延遲)。同樣，一旦1個訂單在某1周末發(fā)出，它只能在下周初之后才能被收到。這意味著，比如說零售商在某一時期末發(fā)出了訂購5單位的訂單，批發(fā)商在下一時期初才能收到該訂單。在這一時期里，批發(fā)商盡可能地滿足前一時期的訂單。

1.3 軟件模塊設(shè)計與實現(xiàn)

牛鞭效應(yīng)仿真系統(tǒng)是基于Excel VBA來設(shè)計與實現(xiàn)的[13-15]。主要包括：主界面、Player(玩家)選擇界面、Policy(策略)選擇界面、Demand(需求)管理界面、圖和表界面以及各個用戶窗體和模塊的設(shè)計。

1.3.1主界面設(shè)計

供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)仿真系統(tǒng)主界面如圖3所示，主要實現(xiàn)供應(yīng)鏈訂單事件活動過程的可視化，可以清晰的了解到客戶下達(dá)的訂單數(shù)量(Demand)，以及各個供應(yīng)鏈節(jié)點角色的庫存，延遲1(Delay 1)和延遲2(Delay 2)的庫存(在途庫存)，同時可以清晰觀察到各個角色的總成本(Total cost)、缺貨(backorder)數(shù)量以及給供應(yīng)鏈上游下達(dá)的訂單(recent order)。整個仿真依賴star按鈕開始，爾后借助next按鈕驅(qū)動仿真過程不斷繼續(xù)，每點擊一次next按鈕，仿真時鐘向前推進(jìn)1周，相關(guān)信息在week后的單元格里得以不斷變化顯示，同時，庫存、成本、缺貨等信息也會相應(yīng)地發(fā)生變化。值得說明的是，仿真的執(zhí)行需要按圖2先行選定相關(guān)參數(shù)設(shè)置，不過，系統(tǒng)有缺省設(shè)置參數(shù)值，依然可以正確執(zhí)行仿真過程。

圖2 仿真系統(tǒng)運行流程圖

圖3 仿真系統(tǒng)主界面

1.3.2角色(Player)選擇功能模塊

角色選擇功能模塊在名為“Player”的Sheet表單中，顯示如圖4所示，具體由一個下拉列表框存放了供應(yīng)鏈節(jié)點角色零售商Retailer、批發(fā)商Wholesaler、分銷商Distributor以及制造商Factory，當(dāng)選擇某個角色時，該角色由用戶擔(dān)當(dāng)，其余角色由計算機自動模擬。此外，為了便于簡單操作系統(tǒng)仿真過程和便于快速了解仿真結(jié)果，可以選擇None角色，即沒有人機交互角色，所有角色統(tǒng)一由計算機扮演。

圖4 角色選擇功能模塊

1.3.3庫存策略選擇功能模塊

為了實現(xiàn)計算機自動扮演供應(yīng)鏈中的不同角色，需要先行給各個角色設(shè)定扮演過程中執(zhí)行的庫存策略，具體如圖5所示。相關(guān)參數(shù)具體信息可見文獻(xiàn)[1]。

圖5 庫存策略設(shè)置模塊

1.3.4需求管理功能模塊

如同庫存策略設(shè)置的初衷，需求管理目的是實現(xiàn)客戶需求的計算機自動產(chǎn)生，這里有確定性需求策略和隨機正態(tài)分布需求策略兩種情形，具體如圖6所示。其中，對于確定性需求，包含了初始化需求Initial Demand,以及從第1周到第幾周執(zhí)行和初始化需求一樣的參數(shù)設(shè)置，其余仿真時間的需求則對應(yīng)最終需求Final Demand產(chǎn)生的需求數(shù)量。隨機正態(tài)分布參數(shù)類似，具體描述亦可以參見文獻(xiàn)[1]。

1.3.5仿真記錄功能模塊

在仿真時鐘推進(jìn)過程中，為了后續(xù)可視化牛鞭效應(yīng)相關(guān)現(xiàn)象，供應(yīng)鏈各節(jié)點產(chǎn)生的庫存、缺貨量、訂單以及總成本數(shù)據(jù)都自動記錄在名為“Record”的Sheet表單里，部分信息顯示如圖7所示。這個仿真記錄對于動態(tài)繪制供應(yīng)鏈各角色相關(guān)信息圖形具有重要的基礎(chǔ)作用[15]。

圖6 需求管理功能模塊

圖7 仿真記錄功能模塊

1.3.6可視化模塊

為了多角度直觀分析供應(yīng)鏈牛鞭效應(yīng)相關(guān)機理，各角色相關(guān)仿真記錄采用Excel中的動態(tài)圖表技術(shù)結(jié)合下拉列表框控件實現(xiàn)仿真過程中圖形的實時動態(tài)繪制。便于直觀分析相關(guān)結(jié)果。具體顯示如圖8所示，其中圖8(a)主要顯示的是某一類型(例如訂單數(shù)量)仿真記錄不同角色間的對比；而圖8(b)顯示的是某一角色(例如分銷商)不同仿真記錄數(shù)據(jù)(庫存、缺貨量、訂單量以及總成本)的可視化信息，其中，分銷商的總成本圖形使用的雙縱坐標(biāo)圖的右縱坐標(biāo)。此時，從圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn)各角色訂單數(shù)量的無規(guī)則變化，尤其是供應(yīng)鏈上游節(jié)點制造商的訂單數(shù)量變化最為急劇，這直觀地展示了牛鞭效應(yīng)現(xiàn)象，為借助供應(yīng)鏈相關(guān)理論進(jìn)一步分析相關(guān)機理提供了有益的可視化輔助。

2 結(jié) 語

在物流管理專業(yè)的核心專業(yè)課程——《供應(yīng)鏈管理》課程教學(xué)過程中，通過相關(guān)任課教師和學(xué)生的使用、評測，對該仿真軟件進(jìn)行了教和學(xué)的測試，該仿真系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

(1) 避免了教師在教學(xué)過程單純講授庫存策略、需求管理及牛鞭效應(yīng)等概念和公式的枯燥乏味，通過軟件的演示，甚至是介紹部分Excel公式實現(xiàn)方式以及VBA代碼實現(xiàn)技巧，尤其是相關(guān)結(jié)果的動態(tài)可視化有助于學(xué)生感性認(rèn)識牛鞭效應(yīng)，獲得了學(xué)生的關(guān)注和共鳴，有效提升了教學(xué)課堂氣氛，同時激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步自學(xué)的熱情。

(a)

(b)

(2) 方便了學(xué)生課外實踐學(xué)習(xí)。由于需求管理、庫存策略管理中具有多種策略可供相關(guān)角色選擇，學(xué)生進(jìn)而可以在課外進(jìn)一步自主學(xué)習(xí)、分析不同條件下的牛鞭效應(yīng)現(xiàn)象。

(3) 鑒于系統(tǒng)的缺省設(shè)置以及部分角色甚至于全部角色的計算機自動扮演功能，方便學(xué)生單獨、快速實現(xiàn)牛鞭效應(yīng)的仿真，不像傳統(tǒng)啤酒游戲那樣需要多人組成供應(yīng)鏈團(tuán)隊，方能實現(xiàn)模擬過程，新系統(tǒng)提升了學(xué)習(xí)的方便性。

(4) 鑒于Excel的廣泛性和易用性，以及源代碼和函數(shù)公式的開放性，學(xué)生可以進(jìn)一步自學(xué)VBA，可在現(xiàn)有仿真系統(tǒng)上進(jìn)一步開發(fā)適合自己需要的，功能更為完善的模擬系統(tǒng)。

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