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1、1第三章第三章 供应链系统建模与优化供应链系统建模与优化23.1.1 供应链的概念供应链的概念 在中华人民共和国国家标准物流术语GB/T18354-2019中，对供应链的定义是“供应链供应链(Supply Chain)是生产及流通过程中，涉及将产品或服务提供给是生产及流通过程中，涉及将产品或服务提供给最终用户活动的上游与下游企业所形成的网链结构最终用户活动的上游与下游企业所形成的网链结构” 。我们对这个术语可以这样来理解，即供应链是围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品，最后由销售网络把产品送到消费者手中的将供应商、制造商、分销商、零售商直到
2、最终用户连成一个整体的功能网链结构模式。 这个定义具有以下特点：这个定义具有以下特点： 它是一个范围更广的企业结构模式，它包含所有加盟的节点企业，从原材料的供应开始，经过链中不同企业的制造加工、组装、分销等过程直到最终用户； 它不仅是一条联接供应商到用户的物料链、信息链、资金链，而且是一条增值链，物料在供应链上因加工、包装、运输等过程而增加其价值，给企业都带来收益； 在这个网络中，每个贸易伙伴既是其客户的供应商，又是其供应商的客户，它们既向上游的贸易伙伴订购产品，又向下游的贸易伙伴供应产品。3.1.2 供应链的特征供应链的特征 供应链作为习惯称呼，是从上、下游关系来理解从供应商的供应商到用户的
3、用户的关系。但事实上不可能是单一链状结构，而是交错链状的网络结构(Supply Network)。在供应链竞争中，企业的竞争模式是这样的：企业处于相互依赖的网络中心，这个网络中的参与者通过优势互补结成联盟，供应链之间的竞争是通过这种网络进行竞争的。因此，为了在供应链竞争中处于领导地位，必须在内部整合的基础上，集中于供应链的网络管理。供应链时代的网络竞争建立在高水平的、紧密的战略发展规划基础上，这就要求供应链中各合作者必须共同讨论网络的战略目标和实现战略目标的方法及手段，在相互合作中，共同提高绩效以获得双赢。这里的双赢不是指参与的双方各取赢利的50%，而是指所有的合作者都从合作中受益。 一般来说
4、，供应链还具有以下特征：一般来说，供应链还具有以下特征： 复杂性。因为供应链节点企业的组成跨度(层次)不同，供应链往往由有多个、多类型的企业构成，它们之间的关系错综复杂，关联往来和交易多。 动态性。供应链管理因企业战略和适应市场需求变化的需要，其中的节点企业需要动态的更新和调整，这就使得供应链具有明显的动态性。 面向用户需求。供应链的形成、存在、重构，都是基于一定的市场需求而发生的，并且在供应链的运作过程中，用户的需求拉动是供应链中信息流、产品、服务流、资金流运作的驱动源。 交叉性。节点企业可以是这个供应链的成员，同时也可以是另外一个供应链的成员，大多的供应链形成交叉结构，增加了协调管理的难度
5、。 创新性。供应链夸大了原有的单个企业的物流渠道，充分考虑了供应链整个物流过程以及影响此过程的各个环节和因素。 风险性。供应链的需求匹配是一个持续性的难题，供应链上的消费需求和生产供应，始终存在着时间差和空间分割。 3.1.3 供应链的结构模型供应链的结构模型ABDE自然界供应商分销商用户C制造商ABCDE图3-1 供应链的结构模型图3-2 供应链的结构模型1. 供应链的方向 在供应链上除了有物流和信息流外，还存在资金流。在正常情况下，物流的方向一般都是从供应商流向制造商，再流向分销商。在供应商的研究中，我们也按照物流的方向来定义供应链的方向，以确定供应商、制造商和分销商之间的顺序关系。模型中
6、的箭头方向即表示供应链的物流方向。2. 供应链的级 在模型中，定义C为制造商时，可以相应地认为为一级供应商，A为二级供应商，而且还可依次地定义三级供应商、四级供应商同样，可以认为的D为一级分销商，E为二级分销商，并依次地定义三级分销商，四级分销商一般地讲，一个企业应尽可能考虑多个供应商或分销商，这有利于从整体上了解供应链的运行状态。二、供应链的网状结构模型二、供应链的网状结构模型B1B2BnC1C2C3CmD1D2Dk 图3-3 供应链的结构模型1. 入点和出点入点和出点ABDHCGEF图3-4 入点和出点A1A2BDECCB1B2A图3-5 包含出点和入点的厂商图3-6 包含供应商和分销商的
7、厂商2. 子网子网C1C2ABDEFC3C4图3-7 子网模型3.2 供应链系统建模方法供应链系统建模方法3.1.1 供应链管理决策与供应链模型供应链管理决策与供应链模型 在供应连管理决策中，供应链模型主要描述供应链的决策内容。供应链中的决策通常包括:采购决策、制造决策、运输决策、存储决策和销售决策等 一般认为供应链模型至少应该能够为决策人员提供四方面的服务: (1)确定在应用条件下最优的库存和服务水平对应关系; (2)帮助决策人员分析、预测供应链中的不确定因素，确定安全库存水平和订货策略，优化投资; (3)进行What-if分析，帮助决策人员评估各种方案以选择其中最有利的方案; (4)进行面
8、向供应链M的设计(Design-for-供应链M )，评价不同设计和工艺对供应链运行中库存和服务水平的影响，通过协调提高整体效益。 表表3.2 供应链管理决策内容供应链管理决策内容决策短期决策内容长期决策内容采购如何决定采购的材料种类、数量和日期等?如何选择供应商?供应商的具体选择个数?制造如何实现近期的生产任务?如何快速响应全球客户的需求?决定在何处设立分厂?运输如何安排运输车辆和路线?如何建立供应链运输网络?是否寻找运输商?存储如何制定履行定单计划?如何设计营销网络?如何选择建立仓库?销售按照何种顺序履行客户定单?销售预测;以及对预测信息的处理方法?3.1.2 供应链系统建模方法供应链系统
9、建模方法 虽然目前不同文献中使用的模型各异，但就常用的建模方法而言，基本上可以分为网络设计方法、近似方法和基于仿真的方法三种。这些方法大多采用数学模型，为了确切地表示供应链中模型的运用，将它们统称为供应链建模方法。 一、基于运筹学的建模（一、基于运筹学的建模（OR based Modeling Methods） 基于运筹学的方法一般使用整数规划、混合整数规划、排队论、策略评价模型、网络流以及博弈论模型、统计分析和传统的优化方法来描述和求解问题，模型可以覆盖供应链管理中的所有领域，主要用于策略性决策。求解的方法主要有分支定界法、Lagrange松弛方法、Bender分解方法和行因子化方法等。 (
10、1) 线性方程线性方程(LP)模型模型 在线性模型中，用线性的数学关系建立问题的模型。没有引入现实的实体，只是引入了它们之间的关系以及对所考虑的目标函数的影响。模型没有定性的分析，模型中每个物体都是定量的。 (2)整数整数/混合整数规划模型混合整数规划模型(IP/MIP) IP模型和LP模型是相似的，只是决策变量必须是整数(0, 1, 2.，)。它们较多地用于产品和设备的方面的后勤分析;不可能建立1.5个工厂或建立2.3个仓库。 (3）网络模型）网络模型 网络模型，同时也称优化模型，是供应链分布的网络图形表示形式。 二、近似方法二、近似方法 近似方法在供应链M 中主要用于经营性决策。把近似方法
11、应用于供应链M，是从库存管理的角度来处理问题，把其中的生产和运输环节近似为定常过程。这样建立的供应链模型一般被称作多级库存系统，主要研究在同时考虑多级库存的情况下建立库存控制策略及确定控制参数。 对供应链中多级库存问题的研究表明，它在降低库存、提高用户服务水平等方面能够起相当大的作用，但还是存在着一些比较明显的缺陷，如: 只注重供应链中的库存，而忽视了其中的生产和运输问题，更不要说与它们之间的协调； 目前处理的系统结构都只限于树状结构，而不是实际的网状结构； 对模型的约束太多，由于求解需要，对需求、延迟时间分布等使用了一些近似的假设； 忽略了非平稳随机因素的存在。这些缺陷限制了有关研究结果在实
12、际问题中的应用。 除多级库存理论外，在制造系统研究中用得比较多的排队网理论、流体近似方法等也应该属于此类，它们能够考虑生产或运输环节的随机性，而且研究得也已经比较深入，因此有可能在供应链M 研究中作为一种有效的方法，但目前在该领域几乎还没有被使用。三、基于仿真优化的方法三、基于仿真优化的方法 系统仿真（也称计算机仿真或计算机模拟）是通过建立仿真模型，在计算机上再现真实系统，并模拟真实系统的运行过程而得到系统解的研究方法。 虽然仿真模型非常准确，但是也要有一定的代价:从决策者的立场看，在采用仿真优化模型的同时，还要有更好的决策支持方法。最坏的情况是:很多分析人员用仿真的方法为供应链和物流问题建模
13、, 然后进行的人工评价和比较，而不运用任何有效的模型求解等决策支持方法。(1)基于方程的建模仿真（Equation based Modeling Methods） 基于方程的方法主要是采用系统动力学的方法。系统动力学是美国麻省理工学院（MIT）的系统动力学小组在50年代创立和发展起来的一门学科。 (2）基于离散事件仿真的建模方法（Di供应链rete Event Simulation based Modeling Methods） 对供应链仿真的研究主要是利用离散事件仿真，并综合利用运筹学、软计算等优化及建模技术，重点解决供应链系统中供应链设计、位置决策、库存管理决策等战略决策问题 （3）基于多
14、智能自主体的建模方法（Multi-Agent Simulation based Modeling Methods） 智能主体（Agent，又称为代理）属于计算机和人工智能领域的范畴。 四、各种方法的比较分析四、各种方法的比较分析表3.3 各种建模方法的比较方法基于运筹学的建模近似方法基于仿真优化的方法基本思想并不将系统当成对象来对待，用线性和代数的公式来为相互关系和约束建模。分散的网络用节点和连线图形化地表示出来，网络关系转化成为数学模型或者线性与整数模型。用对象代替目标实体，详细地描述它们之间的行为和相互的影响，用一个仿真钟反映所发生的事情。解决技术LP用简单的方法，矩阵论，IP用分支定界约
15、束:MIP用启发的方法。根据所选择的建模技术，得到较灵活的优化规则。统计比较技术，来比较一些可能的方案。3.2.3 供应链集成模型供应链集成模型 在供应商（相对于制造商的原材料供应）子系统，假定制造商在生产过程中连续地检查每种原材料的库存水平，每当库存降到订货点s(即再次提出订货时的库存水平，在需求不确定时由安全库存和现实平均需求构成)，就订购一定数量的原材料。而且假定，当供应商原材料缺货时，制造商可以延期购买，那么制造商子系统控制原材料库存的年成本是 ijFirirjrjrjrjrjrjrjFirjijrijsirjXSnQHQXqTCrjrj)1 ()2()(111111112对于制造商生
16、产子系统，其控制成本模型如下对于制造商生产子系统，其控制成本模型如下:jiTCTCTCFijPijij,22ijijijijijijijPijtXXijQXeTC222)2()1 ()2(221222222ijijijijijkijkKkijkijijijijjFijSQXcTQxnQHqTC 对于分销商子系统，假定分销中心采用订货点订货，即每当库存降到订货点0就提出订货，且顾客需求缺货可以延迟，在补给周期内的顾客需求服从正态分布。这样，分销总成本模型为： )1 ()2(13333333333imMmimikikikimkmikikikikikkikDySQDynQHqTC 集成系统的总成本为： 供应商、制造商和分销商层等子系统中安全库存与服务水平有关，计算时 方法类似。 同样可求出其他两个安全库存系数。 )1ln()221(111rjrjrjSSn3.1.3 供应链模型的发展供应链模型的发展 从供应链模型的发展来看, 经历了从简单模型到复杂模型、从单阶段模型到多阶段模型、从单产品模型到多产品模型，从国家模型到国际模型、从确定型模型到随机型模型的发展过程。 3.3 供应商选择问题建模与
