基于Supply-hub的多供應(yīng)商橫向協(xié)同補(bǔ)貨決策模型

陳建華，何真云，吳 姝

(1.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 港口物流技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，湖北 武漢 430063)

在汽車、家電、電子產(chǎn)品等加工裝配式供應(yīng)鏈中，由于零部件種類繁多、供應(yīng)商數(shù)量龐大，再加上供應(yīng)或需求變化等因素引起的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整，往往導(dǎo)致零部件供應(yīng)物流協(xié)同運(yùn)作難度大、成本高。Supply-hub(集配中心)模式的應(yīng)用在很大程度上優(yōu)化了供應(yīng)物流系統(tǒng)運(yùn)作流程，提高了供應(yīng)鏈協(xié)同運(yùn)作水平。BARNES等[1]首次提出了Supply-hub的概念并分析了其在降低成本、提高響應(yīng)性等方面的優(yōu)越性。王彧等[2]進(jìn)一步提出了集配商和集配中心的概念及其理論模型。陳建華等[3]創(chuàng)新性地提出了供應(yīng)驅(qū)動(dòng)的概念、內(nèi)涵，以及包含供應(yīng)鏈上下游縱向協(xié)同和供應(yīng)環(huán)節(jié)多供應(yīng)商之間橫向協(xié)同的二維協(xié)同模型，分析了基于Supply-hub的3種典型供應(yīng)驅(qū)動(dòng)鏈協(xié)同模式。CHEONG等[4]研究指出通過3PL協(xié)調(diào)和整合多供應(yīng)商與多制造商之間的生產(chǎn)與配送流程可以達(dá)到最優(yōu)的物流績(jī)效。張令榮等[5]等針對(duì)“三供應(yīng)商-單制造商”組成的兩級(jí)供應(yīng)鏈在需求不確定情況下的協(xié)同補(bǔ)貨問題，提出3種補(bǔ)貨策略并對(duì)比分析不同策略下供應(yīng)鏈成本變化情況，研究表明當(dāng)滿足一定條件時(shí)，不考慮批量與時(shí)間協(xié)同的補(bǔ)貨策略下的供應(yīng)鏈成本總是低于供應(yīng)商獨(dú)立補(bǔ)貨策略下的成本。關(guān)旭等[6]基于仿真模型采取面向過程的方法，發(fā)現(xiàn)Supply-hub模式在響應(yīng)性方面具有優(yōu)勢(shì)，VMI模式在效率性方面具有優(yōu)勢(shì)。馬士華等[7]通過模型證明了Supply-hub的協(xié)同功能能夠降低各供應(yīng)商成本、制造商總成本和供應(yīng)鏈總成本，同時(shí)指出需求不確定性越高，Supply-hub模式的優(yōu)勢(shì)越明顯。李毅鵬等[8]考慮了由多供應(yīng)商、單制造商組成的按訂單裝配的供應(yīng)鏈，指出供應(yīng)商之間的橫向協(xié)同能夠降低制造商的期望總庫存成本。BLUMENFELD等[9]研究了單供應(yīng)商、多客戶的生產(chǎn)與配送協(xié)同問題，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)與配送協(xié)同能夠降低供應(yīng)鏈總成本。PUNDOOR等[10]建立了需求確定下多供應(yīng)商、一個(gè)倉庫和一個(gè)客戶的生產(chǎn)與配送協(xié)同模型，發(fā)現(xiàn)基于倉庫的組織協(xié)調(diào)作用能夠有效降低供應(yīng)鏈總成本。MIRZAPOUR AL-E-HASHEM等[11]研究了多供應(yīng)商、多制造商的供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，建立了需求不確定下多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型，對(duì)生產(chǎn)與配送過程進(jìn)行了分析優(yōu)化。KHOUJA[12]研究了單供應(yīng)商、多制造商、多客戶的生產(chǎn)與配送周期協(xié)同問題，比較了共同周期、倍數(shù)周期和指數(shù)周期3種協(xié)同策略，結(jié)果表明指數(shù)周期策略下的供應(yīng)鏈總成本最小，同時(shí)也指出模型中單供應(yīng)商情況下的限制與不足。WEE等[13]在供應(yīng)鏈整合方面進(jìn)行了大量實(shí)證研究，在Goyal模型的基礎(chǔ)上，提出了一種啟發(fā)式算法來求解單制造商、多分銷商、多客戶的生產(chǎn)與配送周期協(xié)同問題，得到了最優(yōu)的生產(chǎn)與配送周期。

上述研究盡管在研究對(duì)象上涉及多供應(yīng)商體系，但仍側(cè)重于供應(yīng)鏈上下游之間的縱向協(xié)同問題，有關(guān)多供應(yīng)商橫向協(xié)同問題的研究也主要是考慮兩級(jí)供應(yīng)鏈系統(tǒng)，且很少關(guān)注協(xié)同水平對(duì)供應(yīng)鏈績(jī)效的影響。因此，筆者將考慮三級(jí)供應(yīng)鏈，從多供應(yīng)商橫向協(xié)同角度，研究需求不確定條件下基于Supply-hub的多供應(yīng)商橫向協(xié)同補(bǔ)貨決策，并分析協(xié)同補(bǔ)貨水平即服務(wù)水平對(duì)結(jié)果的影響。

1 問題描述

多供應(yīng)商、Supply-hub和單制造商構(gòu)成的三級(jí)供應(yīng)鏈如圖1所示，可以看出供應(yīng)商以批量生產(chǎn)、分批配送補(bǔ)貨方式滿足制造商需求；Supply-hub為了確保零部件的準(zhǔn)時(shí)配送，采用(Q,R)的庫存策略，并負(fù)責(zé)對(duì)各供應(yīng)商零部件進(jìn)行配套后直送制造商生產(chǎn)工位。當(dāng)某種零部件缺貨時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其他配套零部件供應(yīng)商額外增加零部件滯存成本，制造商增加產(chǎn)品缺貨成本。在此情形下，由于各供應(yīng)商個(gè)體的差異性和獨(dú)立運(yùn)作往往會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)鏈整體高成本，Supply-hub作為供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)中心，需要考慮協(xié)調(diào)供應(yīng)環(huán)節(jié)各供應(yīng)商的配送批量和補(bǔ)貨點(diǎn)，并通過總體服務(wù)水平或多供應(yīng)商協(xié)同補(bǔ)貨水平的集中調(diào)控來優(yōu)化供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本。

圖1 多供應(yīng)商-Supply-hub-單制造商三級(jí)供應(yīng)鏈

2 基本假設(shè)與符號(hào)定義

2.1 基本假設(shè)

(1)制造商生產(chǎn)單一品種，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各零部件數(shù)量構(gòu)成比例均為1∶1，零部件為單源供應(yīng)；

(2)最終產(chǎn)品的需求分布隨機(jī)，但年需求量D為固定常量；

(4)Supply-hub對(duì)制造商的補(bǔ)貨瞬時(shí)到貨；

(5)最終產(chǎn)品P的缺貨損失即懲罰成本由制造商承擔(dān)；

(6)各供應(yīng)商補(bǔ)貨服務(wù)水平相同，而且均高于95%。

2.2 符號(hào)定義

3 數(shù)學(xué)模型

在需求不確定條件下，供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本構(gòu)成要素主要包括：各供應(yīng)商庫存持有成本、各供應(yīng)商補(bǔ)貨成本、Supply-hub庫存持有成本、零部件滯存成本、產(chǎn)品缺貨損失成本。計(jì)劃周期內(nèi)(年)供應(yīng)鏈整體期望運(yùn)作成本E(TC)為：

(1)

式中：第一項(xiàng)為多供應(yīng)商庫存持有成本；第二項(xiàng)為多供應(yīng)商補(bǔ)貨成本；第三項(xiàng)為Supply-hub庫存持有成本；第四項(xiàng)為Supply-hub中零部件滯存成本；第五項(xiàng)為制造商產(chǎn)品缺貨懲罰成本。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

4 算例分析

某設(shè)備制造商裝配一種設(shè)備，設(shè)備主要由4種核心零部件均按1:1比例裝配而成，零部件分別由4個(gè)不同供應(yīng)商供應(yīng)。經(jīng)預(yù)測(cè),計(jì)劃年度設(shè)備需求量為5 400臺(tái)(一年按360天計(jì)算)。各供應(yīng)商生產(chǎn)批量與配送補(bǔ)貨批量的比值k=2，各零部件單位時(shí)間內(nèi)的需求服從正態(tài)分布，設(shè)備的單位缺貨損失成本Π=300，各供應(yīng)商補(bǔ)貨服務(wù)水平均為98%，其他參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

基于上述數(shù)學(xué)模型，求得的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算結(jié)果

4.1 供應(yīng)商服務(wù)水平對(duì)供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本的影響

圖2 供應(yīng)商服務(wù)水平對(duì)供應(yīng)鏈運(yùn)作成本的影響

設(shè)定供應(yīng)商服務(wù)水平為95%～100%，計(jì)算可得供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本的變化趨勢(shì)，如圖2所示。當(dāng)供應(yīng)商服務(wù)水平即協(xié)同補(bǔ)貨水平從98.0%提升到99.5%以上時(shí)，供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本并不一定增加，而是有進(jìn)一步的下降空間且能夠?qū)崿F(xiàn)成本最小化。這是因?yàn)楣?yīng)商庫存持有成本與Supply-hub的庫存持有成本雖然都在增加，但是增加幅度要小于供應(yīng)商補(bǔ)貨成本、零部件滯存成本及產(chǎn)品缺貨懲罰成本的降低幅度。隨著服務(wù)水平的進(jìn)一步提升，各供應(yīng)商和Supply-hub的庫存持有成本將大幅增加，供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本也將快速增高。據(jù)此，各供應(yīng)商可以選擇最佳的配送補(bǔ)貨服務(wù)水平。

4.2 需求不確定性對(duì)供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本的影響

圖3 需求不確定性對(duì)供應(yīng)鏈運(yùn)作成本的影響

5 結(jié)論

考慮由多供應(yīng)商、Supply-hub和單制造商構(gòu)成的三級(jí)供應(yīng)鏈，針對(duì)多供應(yīng)商橫向協(xié)同補(bǔ)貨決策問題，構(gòu)建了需求不確定情況下基于Supply-hub的供應(yīng)鏈運(yùn)作成本模型，求解得到了多供應(yīng)商協(xié)同補(bǔ)貨最優(yōu)配送批量、補(bǔ)貨點(diǎn)及供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本的解析解。結(jié)合算例分析了服務(wù)水平和需求不確定性對(duì)供應(yīng)鏈運(yùn)作成本的影響，得到如下結(jié)論：①Supply-hub在(Q,R)庫存策略下通過對(duì)多供應(yīng)商的集成和協(xié)調(diào)，存在使得供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本最低的多供應(yīng)商協(xié)同補(bǔ)貨最優(yōu)配送批量和補(bǔ)貨點(diǎn)。②在系統(tǒng)考慮供應(yīng)商補(bǔ)貨成本、零部件滯存成本及產(chǎn)品缺貨懲罰成本等因素條件下，即使多供應(yīng)商提高協(xié)同補(bǔ)貨服務(wù)水平，供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本并不一定會(huì)增加，而是有進(jìn)一步的下降空間，這可以理解為協(xié)同的成本效應(yīng)。從這一角度來看，多供應(yīng)商可以據(jù)此選擇最佳的配送補(bǔ)貨服務(wù)水平。③需求不確定性的增加會(huì)直接導(dǎo)致缺貨概率增大，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)往往會(huì)通過增加庫存應(yīng)對(duì)缺貨風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致供應(yīng)鏈整體運(yùn)作成本增加。但是通過Supply-hub的集成協(xié)調(diào)，能夠在一定程度上弱化供應(yīng)鏈長(zhǎng)鞭效應(yīng)的影響。