集群環(huán)境下基于競(jìng)合機(jī)制的多ａｇｅｎｔ供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)架構(gòu)

摘要:設(shè)計(jì)了一個(gè)基于競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制的MAS架構(gòu)，以協(xié)調(diào)集群環(huán)境下供應(yīng)鏈整體績(jī)效與成員企業(yè)利益之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了多agent供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)與現(xiàn)有組織之間較好的匹配，并使用仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估#65377;這有助于基于多agent系統(tǒng)和競(jìng)合機(jī)制效益的理論表達(dá)，也對(duì)企業(yè)實(shí)施基于多agent的系統(tǒng)起到了支持作用#65377;

關(guān)鍵詞:產(chǎn)業(yè)集群; 供應(yīng)鏈管理; 多agent系統(tǒng); 競(jìng)合機(jī)制

中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2007)10-0263-04

產(chǎn)業(yè)集群按照價(jià)值鏈分工合作的原則在一定區(qū)域內(nèi)以某一個(gè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為核心將大量相關(guān)企業(yè)集聚在一起，形成技術(shù)#65380;資源上的優(yōu)勢(shì)#65377;然而集群的這種外部經(jīng)濟(jì)#65380;合作效率以及技術(shù)創(chuàng)新能力很大程度上是以潛在形式存在的，需要通過一定的組織方式將其激發(fā)#65380;轉(zhuǎn)換并使其價(jià)值在市場(chǎng)上得以體現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)這一目的離不開供應(yīng)鏈系統(tǒng)在集群內(nèi)的整合及價(jià)值轉(zhuǎn)移功能[1]#65377;但是在集群環(huán)境下，隨著供應(yīng)鏈復(fù)雜性和規(guī)模的增加，供應(yīng)鏈成員間的協(xié)調(diào)變得更加困難了#65377;基于多agent系統(tǒng)(multiagent systems，MAS)提供了一個(gè)解決問題的方案，因?yàn)镸AS可以將一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)拆分成相對(duì)簡(jiǎn)單#65380;自制的單元[2]#65377;目前基于agent的技術(shù)還沒有被大規(guī)模地應(yīng)用于實(shí)際中[3]，原因之一是集中于優(yōu)化單一方面的理論機(jī)制設(shè)計(jì)與現(xiàn)有供應(yīng)鏈組織之間不能較好地匹配[4，5]#65377;MAS的設(shè)計(jì)是非常重要的，因?yàn)檫@將決定供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，從而影響庫(kù)存策略#65380;運(yùn)輸量#65380;提前期#65380;缺貨量以及客戶響應(yīng)等方面#65377;另外，已有的文獻(xiàn)對(duì)MAS價(jià)值的評(píng)估多是定性研究，很少采用結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此對(duì)系統(tǒng)效益的描述比較抽象甚至模糊#65377;本文的目的有兩個(gè):通過設(shè)計(jì)一個(gè)基于競(jìng)合機(jī)制的MAS架構(gòu)來協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈整體目標(biāo)與成員企業(yè)目標(biāo)之間的關(guān)系;使用模擬仿真技術(shù)通過對(duì)比使用系統(tǒng)前后的績(jī)效來評(píng)估系統(tǒng)的價(jià)值#65377;

1基于MAS的競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制

1.1基于多agent的系統(tǒng)

在MAS中，每一個(gè)agent通常被分配一個(gè)單獨(dú)的問題或問題的一部分#65377;一個(gè)問題被分成若干子問題，每個(gè)子問題又被分配給一個(gè)專門的有相應(yīng)能力的agent#65377;Agent通過彼此之間的合作以解決整個(gè)問題#65377;運(yùn)用這個(gè)方法，MAS能夠幫助人們解決復(fù)雜的問題并制訂決策或支持人們決策#65377;由于集群環(huán)境下供應(yīng)鏈具有以下特點(diǎn)，agent尤其適合用于協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈的管理:

a)供應(yīng)鏈中數(shù)據(jù)和資源是分布式的，成員企業(yè)有自己的目標(biāo)#65380;利益和要求，供應(yīng)鏈中不存在惟一的權(quán)威[6]#65377;

b)供應(yīng)鏈不停地進(jìn)行著動(dòng)態(tài)變化以適應(yīng)環(huán)境的改變，新的成員可能加入，而另外一些成員可能會(huì)退出#65377;

c)集群供應(yīng)鏈由自治合作系統(tǒng)組成#65377;制訂決策需要多方協(xié)商與合作#65377;

d)供應(yīng)鏈管理由人與人之間#65380;人與系統(tǒng)之間以及信息系統(tǒng)之間的相互作用構(gòu)成，現(xiàn)有系統(tǒng)常常是供應(yīng)鏈管理的組成部分#65377;

Agent能夠通過封裝供應(yīng)鏈實(shí)體為供應(yīng)鏈管理提供服務(wù)[7~9]#65377;一個(gè)完整的企業(yè)或一個(gè)單獨(dú)的部門甚至是一個(gè)功能都可以被封裝#65377;這種方法的優(yōu)勢(shì)在于可將供應(yīng)鏈現(xiàn)有系統(tǒng)和新系統(tǒng)進(jìn)行集成#65377;

1.2競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制

供應(yīng)鏈管理應(yīng)該在提高供應(yīng)鏈整體績(jī)效的同時(shí)還要考慮成員企業(yè)的利益和要求#65377;協(xié)調(diào)機(jī)制要能夠在成員企業(yè)與供應(yīng)鏈整體績(jī)效之間保持一個(gè)合適的平衡#65377;目前大部分關(guān)于供應(yīng)鏈管理的協(xié)調(diào)模型要么采用的是競(jìng)拍機(jī)制[9，10]，要么采用的是合作機(jī)制[11，12]#65377;競(jìng)拍機(jī)制是以優(yōu)化為目的，相互排斥目標(biāo)，每一個(gè)實(shí)體都試圖最大化自己的收益，涉及企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)#65377;合作機(jī)制經(jīng)常指的是雙贏或多贏機(jī)制，涉及在兩個(gè)或更多的實(shí)體之間解決沖突的決策過程;它們相互依賴，但不相互排斥目標(biāo)#65377;

在集群環(huán)境下，供應(yīng)商和客戶除了有各自的目標(biāo)外，還有共同的目標(biāo)，即創(chuàng)造一個(gè)不僅有效而且高效的供應(yīng)鏈#65377;當(dāng)前研究機(jī)制設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面集中在發(fā)展競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制上，即在優(yōu)化供應(yīng)鏈的同時(shí)不忽略單個(gè)組織的要求#65377;在不同的環(huán)境下需要發(fā)展不同的競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制#65377;Sadeh等人提出水平協(xié)調(diào)和垂直協(xié)調(diào)的概念[9]#65377;水平協(xié)調(diào)支持同層級(jí)agent之間的相互作用;垂直協(xié)調(diào)支持不同層級(jí)agent之間的相互作用#65377;垂直協(xié)調(diào)和水平協(xié)調(diào)有不同的競(jìng)爭(zhēng)程度，因此要求有不同的機(jī)制#65377;Cavalieri等人引入了兩種agent，即結(jié)構(gòu)agent和功能agent[11]#65377;結(jié)構(gòu)agent代表供應(yīng)鏈中的實(shí)體參與者;功能agent代表了供應(yīng)鏈中的功能和流程，如管理信息和制訂決策等#65377;

2基于多agent的系統(tǒng)架構(gòu)

2.1案例研究背景

考慮如圖1所示的集群環(huán)境下的供應(yīng)鏈系統(tǒng)#65377;工廠生產(chǎn)出產(chǎn)品，然后運(yùn)送到中心倉(cāng)庫(kù)或分銷中心(distribution center，DC)#65377;DC之前是基于需求預(yù)測(cè)的庫(kù)存生產(chǎn)，DC之后是基于訂單的配送#65377;DC起到一個(gè)分離點(diǎn)的作用，將不同的流程在這里分開，用于簡(jiǎn)化或者分離需求(pull)與供應(yīng)(push)的關(guān)系#65377;分離點(diǎn)設(shè)在DC處可以減少協(xié)調(diào)決策的復(fù)雜性，因?yàn)榉蛛x點(diǎn)前后的活動(dòng)可以分別對(duì)待，有助于處理需求沖突#65377;

第三方物流運(yùn)送產(chǎn)品從工廠到DC#65380;從DC到批發(fā)商以及從批發(fā)商到超市#65377;第三方物流企業(yè)的運(yùn)輸能力是基于同托運(yùn)者之間的長(zhǎng)期合同#65377;供應(yīng)鏈中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定的庫(kù)存功能#65377;它們的總庫(kù)存由以下三個(gè)方面組成:

a)周期存貨，用于應(yīng)對(duì)兩個(gè)補(bǔ)貨期之間的需求#65377;

b)安全庫(kù)存，用于應(yīng)對(duì)不確定的需求和提前期#65377;

c)偶然庫(kù)存，用于應(yīng)對(duì)季節(jié)性的需求波動(dòng)#65377;

目前的現(xiàn)狀是供應(yīng)鏈中的庫(kù)存水平和缺貨數(shù)量都比較高#65377;一方面從整個(gè)供應(yīng)鏈看有充足的庫(kù)存，但另一方面在供應(yīng)鏈的某些節(jié)點(diǎn)卻經(jīng)常缺貨，尤其是在節(jié)假日期間，如春節(jié)#65377;因此供應(yīng)鏈企業(yè)需要一個(gè)在不增加運(yùn)輸車輛的同時(shí)能更加柔性地配置庫(kù)存的系統(tǒng)以增強(qiáng)供應(yīng)鏈的響應(yīng)性#65377;利用基于agent的系統(tǒng)能夠增加供應(yīng)鏈的適應(yīng)性，即在實(shí)現(xiàn)成員企業(yè)各自要求的同時(shí)創(chuàng)造一個(gè)有效的響應(yīng)型供應(yīng)鏈#65377;

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)供應(yīng)鏈成員企業(yè)的實(shí)際需求，成員企業(yè)決定采用Cavalieri等人提出的結(jié)構(gòu)agent和功能agent相結(jié)合，并且采用由Sadeh等人提出的垂直協(xié)調(diào)和水平協(xié)調(diào)方式作為系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)#65377;成員企業(yè)發(fā)現(xiàn)采用這些概念后使得基于多agent系統(tǒng)與現(xiàn)有組織實(shí)際能夠較緊密地聯(lián)系起來#65377;

垂直協(xié)調(diào)模型是基于層級(jí)之間的#65377;所有運(yùn)作在不同層級(jí)上的agent有同樣的目的#65377;高層級(jí)agent約束低層級(jí)agent#65377;庫(kù)存控制agent的庫(kù)存策略是基于庫(kù)存控制的統(tǒng)計(jì)方法，并經(jīng)過庫(kù)存計(jì)劃人員的經(jīng)驗(yàn)修正#65377;

供應(yīng)鏈中的組織可以用結(jié)構(gòu)agent代表#65377;結(jié)構(gòu)agent可以視為是由功能agent匯集而成的，不同企業(yè)的結(jié)構(gòu)agent彼此之間相互作用#65377;競(jìng)合協(xié)調(diào)模型的架構(gòu)如圖2所示#65377;批發(fā)商和超市有同樣的結(jié)構(gòu)，因此在圖中只顯示一次#65377;這種架構(gòu)使得供應(yīng)鏈中每一個(gè)組織能夠?yàn)槿魏我粋€(gè)agent拓展行為#65377;這樣有相同名稱和界面但屬于不同組織的agent能夠有完全不同的邏輯#65377;使用這種協(xié)調(diào)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于能夠輕易地改變agent的行為#65377;此外，現(xiàn)有系統(tǒng)甚至人類也能夠執(zhí)行這樣的行為#65377;

供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)中有三種類型的結(jié)構(gòu)agent:

a)生產(chǎn)agent，以優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和資源使用為目標(biāo)#65377;

b)倉(cāng)庫(kù)#65380;DC或者中介agent，以平衡供應(yīng)和需求為目標(biāo)#65377;與供應(yīng)agent和需求agent協(xié)商，盡可能使整個(gè)供應(yīng)鏈中庫(kù)存和缺貨數(shù)量達(dá)到最小#65377;

c)超市/批發(fā)商agent的目標(biāo)是通過最小化缺貨數(shù)量來最大化地使客戶滿意#65377;

生產(chǎn)agent和批發(fā)商/超市agent都有自己獨(dú)立的利益要求，而DC agent的目標(biāo)是優(yōu)化供應(yīng)鏈#65377;它作為中介從不同成員那里匯集需求#65380;處理需求，與供應(yīng)方和需求方協(xié)商以達(dá)到最小缺貨數(shù)量#65377;DC的功能包括匯集與處理需求#65380;分解需求和下訂單#65380;匹配供應(yīng)與需求#65380;通過庫(kù)存再分配優(yōu)化供應(yīng)鏈#65380;調(diào)節(jié)庫(kù)存應(yīng)對(duì)需求波動(dòng)#65377;

不同的層級(jí)有不同類型的功能agent，包括預(yù)測(cè)agent#65380;訂單agent和執(zhí)行agent#65377;使用垂直結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于不同的層級(jí)能夠有不同的自動(dòng)化程度，如人們可以完全控制預(yù)測(cè)層，而訂單層和監(jiān)測(cè)層能由軟件agent按照在預(yù)測(cè)層上設(shè)置的約束條件自動(dòng)執(zhí)行#65377;這為在系統(tǒng)中逐漸擴(kuò)展自動(dòng)化agent數(shù)量提供了一種可行的方式#65377;

在預(yù)測(cè)層上涉及agent的類型主要有以下三種:

a)預(yù)測(cè)agent，以一周的時(shí)間為周期來制訂年度預(yù)測(cè)#65377;

b)合計(jì)agent，合計(jì)預(yù)測(cè)agent所提供的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并檢查是否將季節(jié)性的需求波動(dòng)考慮在內(nèi)#65377;

c)長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃agent，為周生產(chǎn)計(jì)劃設(shè)置約束條件并儲(chǔ)備生產(chǎn)能力，包括對(duì)預(yù)期不足的資源制訂長(zhǎng)期儲(chǔ)備計(jì)劃并制訂產(chǎn)品價(jià)格#65377;長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃也包括為高需求時(shí)期(如節(jié)假日期間)進(jìn)行預(yù)生產(chǎn)#65377;

訂單層涉及到匯聚層提供的帶有約束條件的實(shí)際訂單;訂購(gòu)計(jì)劃涉及供應(yīng)鏈成員間的協(xié)商#65377;在訂單層有如下類型的agent:

a)實(shí)際需求agent，類似于由Julka等人提出的仿真agent[7，8]#65377;實(shí)際需求agent僅僅存在于一個(gè)模擬的環(huán)境里，是客戶的替代品，用于模擬基于歷史信息的實(shí)際需求#65377;在實(shí)施系統(tǒng)中，實(shí)際需求agent是不存在的#65377;

b)訂單agent，代表它們的計(jì)劃者訂購(gòu)產(chǎn)品#65377;計(jì)劃者能夠通過修正或更改訂單agent制訂的決策直接干預(yù)訂購(gòu)活動(dòng)#65377;訂單agent與訂單處理agent協(xié)商以確保在合適的時(shí)間獲得合適數(shù)量的產(chǎn)品#65377;

c)訂單處理agent，與訂單agent通過協(xié)商給訂單分配產(chǎn)品#65377;訂單處理agent要考慮實(shí)際庫(kù)存#65380;預(yù)期的補(bǔ)貨量以及訂單agent的優(yōu)先級(jí)和缺貨變化#65377;

d)周生產(chǎn)計(jì)劃agent，根據(jù)需求預(yù)測(cè)和實(shí)際訂單制訂周生產(chǎn)計(jì)劃#65377;生產(chǎn)agent代表工廠，有有限的生產(chǎn)能力，要增加能力必然要提高成本#65377;因此，生產(chǎn)agent的目標(biāo)是盡量減少對(duì)額外能力的需求#65377;如果工廠生產(chǎn)能力不足，一般會(huì)采取預(yù)先生產(chǎn)#65380;雇用額外生產(chǎn)能力或增加工作輪班等措施#65377;

執(zhí)行層控制日常物流的運(yùn)作，涉及的agent有:

a)庫(kù)存監(jiān)測(cè)agent，關(guān)心的是庫(kù)存水平的變化和提醒訂單agent及時(shí)訂購(gòu)新產(chǎn)品#65377;

b)詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃agent，代表具體的產(chǎn)品制造生產(chǎn)線#65377;

水平協(xié)同模型體現(xiàn)了市場(chǎng)的很多方面，是基于競(jìng)爭(zhēng)的模型#65377;Agent之間為不足庫(kù)存的配置而相互競(jìng)爭(zhēng)#65377;DC通過維持庫(kù)存來平衡生產(chǎn)能力和產(chǎn)品需求，起到一個(gè)中心監(jiān)測(cè)器的作用#65377;這個(gè)中心監(jiān)測(cè)器在優(yōu)化供應(yīng)鏈整體績(jī)效的同時(shí)，要兼顧成員企業(yè)的利益#65377;當(dāng)利益發(fā)生沖突時(shí)，主要的協(xié)調(diào)功能經(jīng)常由一系列的協(xié)商構(gòu)成，主要是關(guān)于在離散的地點(diǎn)需要及時(shí)交貨的數(shù)量#65377;在這里DC起了一個(gè)關(guān)鍵的平衡作用，由于DC能夠根據(jù)目的的變化重新配置庫(kù)存，同時(shí)也能決定一個(gè)agent所需產(chǎn)品的優(yōu)先等級(jí)，如代表大超市的agent比代表中小超市的agent具有較高的優(yōu)先級(jí)#65377;

訂單處理agent的資源分配機(jī)制如圖3所示#65377;所有訂單首先被放入一個(gè)訂單隊(duì)列并賦予相應(yīng)的優(yōu)先等級(jí)#65377;給訂單分配產(chǎn)品是基于DC的現(xiàn)有庫(kù)存#65380;期望補(bǔ)貨量#65380;訂單agent的優(yōu)先級(jí)以及訂單agent實(shí)際缺貨的概率等#65377;如果庫(kù)存足夠，則交付所需產(chǎn)品#65377;如果庫(kù)存不足，則只能修改訂單減少訂購(gòu)數(shù)量#65377;這個(gè)機(jī)制尤其在節(jié)假日之前和期間是有用的#65377;因?yàn)檫@期間當(dāng)訂單agent所代表的超市脫銷時(shí)，另外的超市可能有更多的庫(kù)存，可能的需求低于最初的期望，而這個(gè)機(jī)制可以規(guī)避供應(yīng)鏈中過高庫(kù)存的產(chǎn)生#65377;對(duì)比現(xiàn)有文獻(xiàn)中的機(jī)制，這個(gè)機(jī)制相當(dāng)簡(jiǎn)單且沒有基于任何定價(jià)系統(tǒng)#65377;應(yīng)該注意的是在零售鏈中價(jià)格在短期內(nèi)是靜態(tài)的，并且經(jīng)常使用跨越多年的長(zhǎng)期合同#65377;因此，訂單大小的協(xié)商過程是試圖平衡供應(yīng)和需求以避免產(chǎn)生大量的缺貨#65377;這個(gè)機(jī)制是基于增加/減少已訂購(gòu)的數(shù)量，重新分配那些已經(jīng)持有的或期望到達(dá)的存貨#65377;這是一個(gè)信息密集的過程，可能包含了大量的反復(fù)溝通#65377;

3系統(tǒng)價(jià)值的評(píng)估

供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的益處可能涉及成本#65380;柔性#65380;可用性#65380;提前期#65380;缺貨數(shù)量和服務(wù)水平等方面[13，14]#65377;筆者通過仿真模擬，對(duì)比在有和沒有agent的情況下的績(jī)效變化來定量評(píng)估系統(tǒng)的價(jià)值#65377;為了達(dá)到量化評(píng)估的目的，需要在設(shè)計(jì)過程中識(shí)別供應(yīng)鏈績(jī)效的衡量指標(biāo)#65377;由于運(yùn)輸車輛作為一個(gè)約束條件被限定保持不變，不能作為績(jī)效指標(biāo)#65377;供應(yīng)鏈績(jī)效的衡量指標(biāo)主要有:

a)總提前期——從訂購(gòu)產(chǎn)品至收到產(chǎn)品時(shí)的時(shí)間#65377;

b)計(jì)劃提前期——準(zhǔn)備和處理訂單的時(shí)間，不包括物理提前期#65377;

c)物理提前期——裝貨#65380;運(yùn)輸以及卸貨的時(shí)間#65377;

d)總?cè)斯ぬ幚頃r(shí)間——所有必須由人工處理訂單活動(dòng)的時(shí)間#65377;

e)DC的存貨水平——存貨的平均數(shù)量#65377;

f)缺貨數(shù)量——零售商或超市不能滿足需求的數(shù)量，可以作為一個(gè)衡量客戶服務(wù)水平的績(jī)效指標(biāo)#65377;

大部分績(jī)效指標(biāo)顯示出在有agent系統(tǒng)的條件下績(jī)效比較好#65377;只有物理提前期沒有顯著減少#65377;從總提前期和計(jì)劃提前期的絕對(duì)變化可以推斷出，提前期的減少主要是由計(jì)劃提前期的減少而引起的#65377;計(jì)劃提前期比總提前期減少得更多是存在一個(gè)統(tǒng)計(jì)誤差，而這個(gè)差異是在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)的#65377;

需要人工處理的時(shí)間被顯著減少，然而，這很大程度上取決于人類的行為#65377;也就是說agent在沒有人類干預(yù)的條件下執(zhí)行盡可能多的任務(wù)，這是一種理想的情況#65377;

表1顯示DC#65380;超市和零售商的庫(kù)存水平和缺貨數(shù)量都顯著降低#65377;但通過調(diào)查每一個(gè)時(shí)期的缺貨數(shù)量，如圖4所示，可以得出結(jié)論:系統(tǒng)對(duì)節(jié)假日期間(如春節(jié))的缺貨數(shù)量有較為積極的作用，而在別的時(shí)間，系統(tǒng)改善庫(kù)存水平或者減少缺貨數(shù)量的作用是有限的#65377;

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于競(jìng)合協(xié)調(diào)機(jī)制的MAS架構(gòu)，有助于基于多agent系統(tǒng)和競(jìng)合機(jī)制效益的理論表達(dá)，對(duì)集群環(huán)境下供應(yīng)鏈企業(yè)實(shí)施基于多agent的系統(tǒng)起到一定的支持作用#65377;

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