基于粒子群優(yōu)化的機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置研究

錢 藍(lán)

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215123）

0 引言

機械制造業(yè)逐漸成為一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)，同時也代表了一個國家的經(jīng)濟實力。隨著全球市場的競爭日益激烈、信息技術(shù)以及制造技術(shù)的逐步升級，傳統(tǒng)的機械制造業(yè)已經(jīng)難以滿足當(dāng)今市場的需求，對其進(jìn)行優(yōu)化與升級成為各國制造業(yè)的主要研究內(nèi)容。

當(dāng)前，機械制造業(yè)逐漸走向集群化發(fā)展，將與之關(guān)系密切的企業(yè)與相關(guān)支撐產(chǎn)業(yè)在空間上進(jìn)行聚集，形成強有力的競爭趨勢[1]。雖然，此種產(chǎn)業(yè)集群已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今最受關(guān)注的經(jīng)濟模式，立足于資源角度可以發(fā)現(xiàn)集群中也存在一些問題，嚴(yán)重地影響了機械制造業(yè)的發(fā)展。隨著機械工業(yè)的集成化發(fā)展，機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源配置效果直接影響機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。在產(chǎn)業(yè)供應(yīng)過程中，其資源供應(yīng)鏈相對較長。機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈多通過各個環(huán)節(jié)進(jìn)行自組織的形式完成優(yōu)化配置，但此種方式較多依賴市場調(diào)節(jié)，具有一定的隨機性。為了更好實現(xiàn)資源的均衡分配，需要對其資源均衡分類過程進(jìn)行系統(tǒng)研究。

在以往的研究中，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者也提出了部分資源均衡配置方法，如低碳供應(yīng)鏈柔性資源配置方法[2]和智慧供應(yīng)鏈物流資源配置方法[3]等等，但其應(yīng)用效果相對較差。為此，在本次研究中對機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)量相關(guān)理論進(jìn)行了梳理，構(gòu)建了一個帶有時間系數(shù)的動態(tài)供應(yīng)鏈模型。同時，使用粒子群優(yōu)化算法結(jié)合動態(tài)供應(yīng)鏈模型對當(dāng)前資源均衡配置方法進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建新型資源均衡配置方法，打破以往研究中資源配置方法的局限性。

1 資源均衡配置方法

1.1 機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源種類劃分

機械工業(yè)制造資源是維持機械工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，同時也是機械制造體系最基本的組成單元。資源種類劃分的科學(xué)性、準(zhǔn)確性都直接影響著資源均衡配置的優(yōu)劣性以及資源管理的難易程度。

隨著機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，其涉及資源的種類也越來越復(fù)雜，資源應(yīng)用范圍也在不斷擴大。因此，對制造資源進(jìn)行合理的劃分，是實現(xiàn)機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置的首要條件。本研究基于機械制造過程，對供應(yīng)鏈資源類別進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源種類

通過分析圖1可以確定生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的資源種類，并將其作為本次研究的基礎(chǔ)。在實際的制造業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈中，一般存在兩種運行模式，分別為：分散式運行模式以及集中運行模式[4]。兩種運行模式涉及資源總量有所不同，但均需要保證供應(yīng)鏈之間的均衡性。為此，在對資源種類劃分結(jié)束后，根據(jù)均衡供應(yīng)度原理，在供應(yīng)鏈運行模式不確定的情況下，計算供應(yīng)鏈均衡測度量，則有：

其中，w0表示制造生產(chǎn)目標(biāo)；w1表示制造過程中實際生產(chǎn)量；C表示產(chǎn)品的市場需求量；D表示該產(chǎn)品的市場需求；k表示資源對產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比。式(1)為一般測度模型。

對于部分精密制造業(yè)，假設(shè)機械車間生產(chǎn)工藝較為穩(wěn)定，如果只根據(jù)訂單進(jìn)行生產(chǎn)的話，其產(chǎn)出量為固定數(shù)值，則其測度模型應(yīng)優(yōu)化為下述形式：

其中，h表示生產(chǎn)過程中車間需要的能源。利用上述公式，結(jié)合設(shè)計情況，確定供應(yīng)鏈的均衡供應(yīng)度，并將其與資源類型劃分結(jié)果同期導(dǎo)入到計算軟件中，為后續(xù)的計算提供基礎(chǔ)。

1.2 構(gòu)建動態(tài)供應(yīng)鏈模型

根據(jù)以往研究結(jié)果結(jié)合基礎(chǔ)生產(chǎn)供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，本研究構(gòu)建了一個帶有資源約束的動態(tài)閉環(huán)機械生產(chǎn)供應(yīng)鏈模型，如圖2所示。該動態(tài)閉環(huán)供應(yīng)鏈模型中含有原料供應(yīng)商、相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)、接卸制造業(yè)支撐產(chǎn)業(yè)以及物流產(chǎn)業(yè)、用戶等多個部分[5]，將其有序連接后，得到動態(tài)供應(yīng)模型。將此模型作為本次資源規(guī)劃的載體，結(jié)合機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源種類劃分結(jié)果，實現(xiàn)本次研究目標(biāo)。

圖2 動態(tài)生產(chǎn)供應(yīng)鏈閉環(huán)模型示意圖

在動態(tài)生產(chǎn)供應(yīng)鏈閉環(huán)模型中，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生變化都會影響機械生產(chǎn)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。圖2中的箭頭表示生產(chǎn)過程中的時間周期，具體計算公式如下：

其中，Δt表示機械生產(chǎn)的固定間隔時間。考慮到生產(chǎn)過程中的復(fù)雜性，本次研究中作出下述假設(shè)：

1）資源運輸過程中，在供應(yīng)商處進(jìn)行的原料檢測等活動，均不計入供應(yīng)鏈時間內(nèi)，以便于后續(xù)的計算；

2）動態(tài)閉環(huán)供應(yīng)鏈中涉及的外部資源，但機械制造企業(yè)優(yōu)先采用回收的資源進(jìn)行再制造。

在資源均衡配置過程中，各供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)之間存在非競爭關(guān)系，需要保證各環(huán)節(jié)之間利潤最大化，則t時刻時供應(yīng)鏈的資源配置目標(biāo)函數(shù)可表示為：

將式(4)作為資源均衡規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)。由于此目標(biāo)函數(shù)在計算過程中涵蓋大量的隨機變量，為保證計算結(jié)果的可靠性，對此公式的模糊信息熵展開計算，具體計算過程如下：

其中，Ki(η)表示獲取到的機械工業(yè)生產(chǎn)過程中采集到的模糊子集的集合。對于生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，此公式還需進(jìn)行細(xì)化，則有：

其中，zi表示數(shù)據(jù)集中存在模糊信息熵的概率；(·)表示數(shù)據(jù)集的隸屬函數(shù)。使用此式(5)與式(6)作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件，保證其與生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置環(huán)節(jié)的適配度。

1.3 設(shè)計生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置優(yōu)化函數(shù)

以上文中內(nèi)容為基礎(chǔ)，使用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置優(yōu)化函數(shù)。

假設(shè)在資源供應(yīng)的過程中，n種資源可組成的資源族群為P（P1,P2,...,Pn），第i種資源在供應(yīng)鏈中的位置表示為Pi=（P1,P2,...,Pi），資源供應(yīng)速度表示為Vi=（V1,V2,...,Vi），整體供應(yīng)鏈資源使用極值表示為Pζ=（Pζ1,Pζ2,...,Pζj）。將處理后的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算軟件中，對其進(jìn)行迭代處理，每進(jìn)行一次迭代處理，需要對資源的傳輸位置進(jìn)行更新，則資源更新速度Vi+1與位置Pi+1可表示為：

其中，上角標(biāo)κ表示迭代次數(shù)；? 表示迭代過程中的慣性權(quán)重計算次數(shù)；αV、αP表示計算中的加速因子。將此公式與目標(biāo)函數(shù)相結(jié)合，以此平衡資源全局檢索能力，并確定資源在供應(yīng)鏈中的位置，然后在保證制造成本的前提下控制資源分配過程，過程如下：

其中，Ui表示各環(huán)節(jié)可得到資源量；表示各環(huán)節(jié)可得到資源量的平均值；J表示資源供應(yīng)需求量；?表示資源利用率；ρ表示資源需求率。通過上述計算內(nèi)容，對機械工業(yè)生產(chǎn)過程中的資源供應(yīng)進(jìn)行均衡配置。

2 實驗與分析

為驗證上述設(shè)計的基于粒子群優(yōu)化的機械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置方法的實際應(yīng)用性能，將其應(yīng)用于實際機械工業(yè)制造中，對其應(yīng)用性能加以分析。

2.1 實驗設(shè)計

將實驗對象設(shè)定為某機械制造業(yè)的生產(chǎn)車間，此車間周圍涵蓋4個生產(chǎn)車間，相關(guān)資源供應(yīng)企業(yè)6家。此機械制造企業(yè)需要在某年的4月份中完成500臺機械零件的生產(chǎn)工作，為保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性，要求此生產(chǎn)工作的周期控制在21天左右，所需生產(chǎn)資源約為1000T。

針對上述要求對資源供應(yīng)企業(yè)的資質(zhì)進(jìn)行分析，確定其均為一級資源供應(yīng)商，可保證車間的生產(chǎn)要求。供應(yīng)企業(yè)物流貨站與生產(chǎn)車間之間的運輸成本分別為500元、480元、300元、600元、400元、550元。

為提升資源供應(yīng)速度，首先完成資源的種類劃分，并根據(jù)需求對資源進(jìn)行等級劃分，針對不同等級的資源采用不同的運輸速度。從資源供應(yīng)點到生產(chǎn)車間的運輸時間如表1所示。

表1 資源運輸時間匯總

以表1中的內(nèi)容為本次實驗中的主要參考數(shù)據(jù)，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行編寫，構(gòu)建算例實施環(huán)境。

2.2 實驗計算過程設(shè)定

以上文中設(shè)定的算例作為實驗背景，將計算過程中涉及的資源種群數(shù)據(jù)設(shè)定為50，交叉概率設(shè)定為0.5，計算變異概率設(shè)定為0.2。同時，將此資源供應(yīng)鏈設(shè)定為閉環(huán)形式。此閉環(huán)中共劃分為5個階段，每個階段都具有固定的資源需求量。

實驗中，將首先使用本文方法對此五個環(huán)節(jié)的資源配置量進(jìn)行分析，在確定本文方法具有可行性后，選取傳統(tǒng)的低碳供應(yīng)鏈柔性資源配置方法（傳統(tǒng)方法1）、智慧供應(yīng)鏈物流資源配置方法（傳統(tǒng)方法2）與本文方法進(jìn)行對比分析，根據(jù)此分析結(jié)果確定本文方法的使用效果。

2.3 粒子群優(yōu)化均衡分配方法驗證

在本次研究中，使用生產(chǎn)資源利用率對本文方法的使用效果加以分析，此指標(biāo)的計算過程如下所示。

其中，X表示資源利用率；D'表示生產(chǎn)單元得到的資源量；DI表示應(yīng)分配到的資源量；DJ表示生產(chǎn)單元使用的資源量。根據(jù)式(10)對資源配置效果加以分析，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 粒子群優(yōu)化均衡分配方法驗證結(jié)果

通過分析圖3中數(shù)據(jù)可以看出，在應(yīng)用本文方法后，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)資源利用率相對穩(wěn)定且趨近于100%，說明此方法在使用后各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)所得資源量較為均衡，可以在保證生產(chǎn)要求的前提下提升資源的利用率，避免資源分配的不均衡，說明本文方法具有一定的可行性。

2.4 對照分析

為進(jìn)一步確定本文方法的應(yīng)用優(yōu)勢，對其進(jìn)行對照分析，除生產(chǎn)資源利用率此指標(biāo)外，對資源配置成本進(jìn)行分析，通過計算不同配置方法的資源配置成本，確定不同方法的經(jīng)濟性。資源配置成本主要以表1中數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，得到實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的資源利用率實驗結(jié)果

通過分析圖4中數(shù)據(jù)可以看出，實驗中使用的2種傳統(tǒng)方法在多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均出現(xiàn)失衡的情況。其中，草圖方法1的失衡情況已經(jīng)超出了資源分配的要求。

將圖4中數(shù)據(jù)與圖3所得實驗結(jié)果進(jìn)行對比可以看出，本文方法的使用效果優(yōu)于當(dāng)前兩種方法。在完成此分析過程后，對不同方法的配置成本進(jìn)行計算，具體計算函數(shù)如下：

其中，load表示配置路徑長度；c'表示此工作運行成本；t表示資源運輸時間。應(yīng)用式(11)對不同方法的運行成本加以分析。其中，本文方法的配置成本為1.54萬，傳統(tǒng)方法1的配置成本為2.67萬，傳統(tǒng)方法2的運行成本為2.06萬。對此部分方法進(jìn)行對比可以看出，本文方法相較于其他兩種方法更具經(jīng)濟性，在日后的研究中可使用本文方法實現(xiàn)機械加工中的合理化資源分配。

3 結(jié)語

隨著機械產(chǎn)業(yè)的集成化發(fā)展，資源合理分配成為影響機械生產(chǎn)的主要因素。在以往的研究中，資源配置方法使用后難以達(dá)到人們的預(yù)期。為此，在本次研究中構(gòu)建了新型資源配置方法，此方法在一定程度上緩解了當(dāng)前方法的不足。隨著機械制造供應(yīng)鏈信息化程度的逐漸深化發(fā)展，此方法可實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。但由于本次研究受到技術(shù)與時間上的限制，導(dǎo)致其在部分環(huán)節(jié)相對薄弱，在日后的研究中還需要對其進(jìn)行完善與優(yōu)化。