需求預測對兩級供應鏈績效的影響分析

摘要：企業為了獲得競爭優勢，都在尋求改善供應鏈績效的方法。然而，影響供應鏈績效的因素很多，其中預測技術的準確性是一項重要的因素。為此，探索不同隨機需求模式下，采用何種預測技術可以獲得較優的供應鏈系統績效具有很強的實用價值。

關鍵詞：隨機需求；預測技術；供應鏈績效

中圖分類號：F224-12 文獻標識碼：B

一、引言

為了在需求隨機多變的全球市場上獲得競爭優勢，企業都在尋求改善供應鏈績效的方法。影響供應鏈績效的因素很多，其中一項重要因素是供應鏈成員在制定生產計劃或采購決策時采用的預測技術的準確性^{[ 1，2]}。如果預測不準確，供應鏈成員物料或產品的采購量同實際需求量之間就有誤差，這個誤差將沿著供應鏈傳遞到它的供應商，在供應鏈傳遞過程中誤差將被不斷地放大，形成了牛鞭效應，從而導致供應鏈庫存費用增加、缺貨增多和客戶滿意度降低等不良影響。因此，探索不同隨機需求模式下，采用何種預測技術可以獲得較優的供應鏈系統績效具有很強的實用價值。

對于供應鏈系統中隨機需求及預測問題的分析，現有文獻主要研究預測技術及其控制參數對供應鏈系統牛鞭效應影響的數學建模^{[ 3-5]}，供應鏈成員之間合作預測和共享信息效益和運作機制，預測技術對生產計劃的影響^{[ 6，7]}等。筆者在現有文獻基礎上，使用仿真方法和統計分析技術，以一個供應商和三個零售商組成的單一產品兩級供應鏈系統為對象，研究需求的季節變動、長期趨勢、隨機擾動特性和預測技術之間是否具有特

定的匹配關系以及這兩者的不同配置是否對供應鏈績效有顯著影響。

二、兩級供應鏈系統運作模型

（一）兩級供應鏈系統描述

單一產品兩級供應鏈是供應鏈系統的基本組成單元，任何復雜的供應鏈系統都可以分解為多個單一產品兩級供應鏈。本文研究對象是包括一個供應商、三個零售商的單一產品兩級 供應鏈，其中供應商制造產品提供給三個零售商銷售，制造商制造能力有限。在每個時間周期內，零售商按照order-up-to方式滿足一定量的市場需求，然后根據當前自身庫存量和對市場需求的預測決定是否向供應商訂貨；供應商根據當前庫存量以及零售商的訂單進行貨物發送，如果當期庫存量足夠滿足所有訂單需求，則根據訂單和缺貨部分總量為每個零售商發貨；如果當期庫存量不足以滿足所有零售商的訂單需求，那么則按照一定比例為每個零售商發貨，缺貨部分在下期補足，并根據已有訂單和需求預測決定下期生產能力。

（二） 市場需求模式

零售商所面對的需求可能具有季節變動、長期趨勢和隨機擾動，由式（1）確定。

1）——標準正態分布。

（三） 需求預測技術

供應鏈成員采用同一種需求預測技術，對將來的需求進行預測。可供選擇的預測技術分別為：一次移動平均法SMA、二次移動平均法DMA、一次指數平滑法SES、布朗單參數指數平滑法BSES、霍爾特雙參數指數平滑法HDES、溫特季節性指數平滑法WSES。

（四）采購/生產決策模式

零售商的采購決策是依據需求的歷史數據，進行將來市場需求預測，采用EOQ模型和order-up-to補貨策略，確定是否發出采購訂單以及采購訂單的批量。

供應商在不同的需求情況下對自身的生產量進行調整，一方面維持較低庫存量，另一方面及時滿足零售商的定單需求。供應商根據往期零售商采購訂單以及預測技術來預測將來一段時間內零售商的采購速率，然后根據能力約束生產系統批量動態規劃算法^{[ 7]}確定下期生產量。

（五）供應鏈績效指標

供應鏈績效采用如下指標：（1）庫存費用SC：零售商、供應商庫存費用；（2）訂單處理費PC：零售商訂單處理費；（3）生產換模費用SUC：供應商調整生產松緊度的費用；（4）缺貨費OC：供應鏈的缺貨損失費；（5）運輸費TC：零售商和供應商負擔的運費；（6）總費用TTC：庫存費+缺貨費+運輸費+訂單處理費+生產換模費用。

三、需求預測對供應鏈績效影響關系假設

筆者研究的主要目的是驗證在兩級供應鏈系統中，預測技術對供應鏈績效影響的一些假設是否成立，這些假設如下：

假設一：零售商和供應商選擇的預測技術對供應鏈績效有著至關重要的影響，即需求模式一定的情況下，采用不同的預測技術，對供應鏈績效會產生顯著影響。

假設二：需求模式對供應鏈績效有著至關重要的影響，即需求預測技術一定的情況下，不同的需求模式會對供應鏈績效有著顯著影響。

假設三：對于特定的需求模式，總有一種預測技術可以獲得比其他的預測技術更好的供應鏈績效。

四、供應鏈系統仿真建模

（一） 供應鏈系統基本數據

筆者研究對象是根據一個電子元器件供應鏈系統進行適當簡化而形成的。由于產品體積較小，零售商的采購量可以一卡車運送過去，不同零售商的采購產品不進行配載。供應商到零售商的運費分別為800，1 000和1 200元/次；零售商向供應商發訂單時，訂單處理費為100元/次；供應商和零售商的存儲費率分別為：0-04元/件.周期；0-03元/件.周期；零售商處缺貨費率為0-4元/件.周期。每個周期內，零售商的需求為均值1 200件的隨機市場需求，則供應商的需求為均值3 600件的零售商隨機訂貨需求。零售商發送訂單給供應商所需時間為0；供應商準備產品和運輸過程有一個提前期。

供應商的最大生產能力為5 400件/周期，其最大生產能力與實際生產量之比，即生產能力松緊度CT^{[ 7，8]}為1-05，1-3，1-5。供應商的生產量調整需要調整費用，相鄰CT間的調整為1 000元/次，最低和最高CT間的調整為1 500元/次。

（二） 需求模式控制參數

本文研究六種市場需求模式，需求模式的控制參數組合見表1。其中RAN模式僅具有隨機擾動；SEA模式同時具有季節變動和隨機擾動；TSRU和TSRD模式同時具有季節、趨勢和隨機擾動，長期趨勢一個為上升，一個為下降；TRU和TRD需求模式同時具有趨勢和隨機擾動，不具有季節變動。

（三） 供應鏈仿真建模

在WINDOWS操作系統下，使用仿真軟件WITNESS建立該供應鏈系統仿真模型，進行仿真實驗。整個仿真模型建立了模擬供應鏈系統中零售商和供應商的四個實體對象模塊：零售商1、零售商2 、零售商3和工廠；模擬市場在零售商處的需求模式、零售商和工廠的預測決策模式的需求、預測、訂單決策、生產決策四個邏輯模塊；用于仿真試驗的參數控制和結果統計的績效函數模塊、初始化模塊和優化控制模塊。

在模型開發過程中，使用了一系列檢測數據和驗證方法進行了有效性檢驗。每個模塊、函數、過程都進行了單獨的檢驗，在驗證了系統各模塊的正確性之后，對整個仿真系統進行了多次調試和檢驗，同時調整仿真控制變量，將系統運行過程的事件及狀態數據記錄于Excel表格，進行了數據比對，保證仿真系統在程序的邏輯結構和運行流程上的準確性，可以反映實際供應鏈系統的運行狀態。

仿真時長設定為一年，即250個周期，每種系統配置進行12次重復實驗，消除自變量隨機性對系統運行效果的影響。

五、仿真結果數據分析

對仿真實驗的結果數據，使用SAS9-0的ANOVA和GLM過程進行方差分析和變量交叉影響分析。

（一）預測技術對供應鏈績效的影響

此部分驗證假設一，即需求模式一定，供應商和零售商采取的需求預測技術類型對供應鏈績效有著顯著影響。使用SAS中的方差分析過程ANOVA分析在不同的需求模式下，需求預測技術這個六水平變量對供應鏈績效：總成本、庫存成本、缺貨成本和運輸成本的顯著影響水平，方差分析結果如表2所示。

從表2可以看出，需求預測技術類型的不同與供應鏈績效之間沒有確定的關系。以預測技術對總成本TTC的影響為例：在需求模式為RAN、TRD時，預測技術對供應鏈績效不存在直接的影響，可以采取任意一種預測技術；在需求模式為TSRU、TRU時，不同的預測技術對供應鏈績效存在顯著影響，即采取不同的預測技術對供應鏈績效影響異常顯著；而在需求模式為SEA、TSRD時，需求預測技術是否對供應鏈績效存在顯著影響受到采購提前期的影響，如果提前期較短，則沒有影響，如果提前期較長，則影響顯著。

同時從表2可以看出，如果需求預測技術對供應鏈總成本的影響顯著，則對其他三項供應鏈分成本：SC、OC、TC也具有顯著影響；如果需求預測技術對供應鏈總成本影響不顯著、或者沒有直接影響時，則對供應鏈庫存成本SC也沒有直接影響，而對缺貨成本的影響程度根據需求模式不同和提前期長短有所不能，可能有影響也可能沒有影響。可以得出結論如果能夠很好的控制庫存成本，則供應鏈總成本也可以得到很好的控制。

（二） 需求模式對供應鏈績效TTC的影響

本部分考察假設二中需求模式參數變化對供應鏈績效——供應鏈總成本TTC的影響。本文研究的需求模式中自變量有兩個：兩水平的季節性強度S和三水平的趨勢強度T，同時考察零售商采購自變量：兩水平的采購提前期LT，則考察的自變量總共為三個。使用SAS的GLM過程進行分析，獲得結果如表3所示。

從表3可以看出，采取六種需求預測技術時，自變量S、T及其交互作用對供應鏈總成本都有顯著影響；即不論供應商和零售商選用何種需求預測技術，需求模式中的季節性波動強度和趨勢強度取值的不同都會在很大程度上影響著供應鏈總成本。采購提前期LT對供應鏈總成本的影響隨著不同的預測技術而有所不同。當零售商和供應商采用SMA、SES、DMA三種預測技術時，LT對供應鏈總成本具有顯著影響；當零售商和供應商采用BSES、HDES、WSEM三種預測技術時，LT對供應鏈總成本沒有影響；即后三種需求預測技術對提前期具有很好的調整作用。季節性強度和提前期的交互作用對TC的影響根據預測技術不同而不同，如果零售商和供應商采用SMA、BSES預測技術，交互作用對TC的影響不顯著；而在其他需求預測技術下，交互作用對TC都有著顯著影響。

（三） 需求模式對SC、OC、TC的影響

需求模式及采購提前期對供應鏈的三項分績效指標存儲費用SC、缺貨費用OC、運輸費用TC影響的GLM分析結果如表4所示。

從表4可以看出，在多數情況下，S、T、LT及其交互作用對供應鏈中三項子成本都有著顯著影響，例如：供應鏈中零售商和供應商不論采取何種需求預測技術，趨勢強度T對三項成本都有著顯著的影響，季節性強度S對OC和TC有著顯著影響，S*T和T*LT的交互作用對缺貨成本OC都有著相互影響，LT對SC和OC有著顯著影響，S*LT的交互作用對庫存成本SC有著顯著影響，S*T*LT對庫存成本和運輸成本有著顯著影響。

在少數情況下，S、T、LT及其交互作用對供應鏈中三項子成本沒有顯著影響，例如：S*LT的交互作用對于缺貨成本都不產生顯著影響；除了預測技術為WSEM之外，S*T*LT三者的交互作用對缺貨成本都沒有影響，S以及S*T的交互作用在預測技術為SMA、HDES、WSEM時，對庫存成本SC不產生影響；S*T的交互作用在預測技術為SMA、SES、HDES、WSEM時，對運輸成本TC不產生影響等。

通過上面三部分仿真結果的分析，可以看出三項研究假設都不成立。

六、結論

筆者使用仿真方法和統計分析技術研究在兩級供應鏈系統中，需求模式與預測技術對供應鏈績效的影響。通過對單供應商和多零售商的兩級供應鏈建立仿真模型，對仿真實驗結果進行統計分析，發現三項研究假設都不必然成立，即：（1）需求預測技術與供應鏈績效之間沒有確定的關系，即需求預測技術是否會顯著影響到供應鏈績效還要受到需求模式的影響，在某些需求模式下，采用不同的預測技術，所獲得的供應鏈績效有著顯著差異；在某些需求模式下，采取不同的預測技術所獲得的供應鏈績效之間沒有明顯的差別。（2）在多數情況下，需求模式的參數對供應鏈績效有著顯著的影響，即特定的需求模式將對供應鏈績效起到決定性的作用；在少數情況下，如果需求模式不同，可以采取選用合適的需求預測技術獲得相同的供應鏈績效。（3）需求模式控制變量及其交互作用對各供應鏈績效指標的影響程度存在著一定的差異，在供應鏈采用不同的需求預測技術時，影響關系也是存在差異的。

從研究結果可以看出，在隨機需求環境下的供應鏈系統中，沒有哪種需求預測技術可以獲得絕對最優的供應鏈績效，但是通過對需求模式分析和仿真實驗，選用合適的需求預測技術進行庫存和訂單管理，可以有針對性地提高供應鏈的客戶滿意度、降低庫存成本、運輸成本以及供應鏈總成本。

參考文獻：

［1］ Kut C. So，Xiaona Zheng. Impact of supplier′s lead time and forecast demand updating on retailer′s order quantity variability in a two-level supply chain［J］．International journal of production economics，2003(86):169-179.

［2］ Wen-Yau Lianga， Chun-Che Huang. Agent-based demand forecast in multi-echelon supply chain［J］．decision support systems，2005(21):55-74.

［3］ Xiaolong Zhang. The impact of forecasting methods on the bullwhip effect［J］．International journal of production economics，2004(88):15-27.

［4］ 汪傳旭.需求預測與供應鏈協調對長鞭效應的影響分析［J］．系統工程學報，2005(6):266-272.

［5］ 萬杰，寇紀淞.需求信息預測與處理中的牛鞭效應［J］．天津大學學報，2003（5）:369-373.

［6］ Jinxing Xie， T. S. Lee. Impact of forecasting error on the performance of capacitated multi-item production systems［J］．computers industrial engineering， 2004(46):205-219.

［7］ Wilco van den Heuvel， Albert P.M. An efficient dynamic programming algorithm for a special case of the capacitated lot-sizing problem［J］．computersoperations research，2006(33):3583-3599.

［8］ 徐國祥.統計預測和決策［M］．上海：上海財經出版社，2005.

（責任編輯：石樹文）

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”