基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的軌道交通裝備制造業(yè)云倉系統(tǒng)模型研究

孫麗，段居財，石赫，張楊 ，景鳳斌

(1. 大連交通大學 機械工程學院 ，遼寧 大連 116208；2. 中車大連機車車輛有限公司 ，遼寧 大連 116022)

為了提高我國軌道交通裝備制造行業(yè)的競爭力和整合市場資源，國家戰(zhàn)略性地適時合并了南北車集團，成立了中國中車股份集團有限公司.中國中車承繼了中國北車股份有限公司、中國南車股份有限公司的全部業(yè)務和資產，是全球規(guī)模最大、品種最全、技術領先的軌道交通裝備供應商[1].集團公司下屬50多家企業(yè)和研發(fā)機構，分布在全國28個城市和地區(qū).

目前，集團公司下屬的各個成員企業(yè)仍然保持著獨立運營，并非戰(zhàn)略伙伴聯(lián)盟關系，集團公司負責組織和調控.各公司的物資倉庫仍然是由自己的物流中心獨立運營，庫存信息也沒有同成員企業(yè)共享.該方式不可避免地沿襲了機械制造業(yè)固有的諸多弊端[2]：

(1)企業(yè)庫存水平高，資源利用不合理.大部分的流動資金被庫存所占用，有的企業(yè)這個比例甚至高達70%～80%，嚴重影響了企業(yè)的現(xiàn)金流，有的企業(yè)甚至被壓垮;

(2)物流配送效率低、成本高.目前，大多數(shù)企業(yè)仍然擁有一定數(shù)量的貨運車輛用于零部件和原材料的配送，或者采用供應商送貨的方式，但是車輛的使用率不是很高，貨車空載時有發(fā)生.即使部分企業(yè)將物流配送外包給專業(yè)的第三方物流，其配送效率也還是不高，或者為高效率要付出不相稱的高成本;

(3)企業(yè)生產和采購計劃不確定性高.由于軌道交通裝備制造企業(yè)大多采用訂單式生產模式，并且在設計和生產過程中變動因素很多，傳統(tǒng)的生產和采購計劃不能很好地滿足實際需求，物料控制不嚴謹，經常造成物資積壓或短缺的現(xiàn)象，所以更加迫切需要加強與戰(zhàn)略聯(lián)盟伙伴企業(yè)的合作與協(xié)同，成員企業(yè)之間共享庫存信息，互相補貨;

(4)沒有形成應有的原材料與通用件、標準件大批量采購，導致采購成本居高不下.各個成員企業(yè)盡管有很多材料的需求是一致的，但是仍然獨立采購，沒有形成規(guī)模，跟供應商談判時很難拿到抄底價格.同時在詢價、供應商選擇等程序上浪費了大量人力、物力和財力以及時間成本.

隨著物流領域全球化趨勢的日益明顯，軌道交通裝備制造業(yè)將面臨比以往更為復雜的跨國供應鏈，以動態(tài)聯(lián)盟為基礎的在全球范圍內配置物流資源將成為大勢所趨.而互聯(lián)網+制造和物聯(lián)網技術、云制造等技術的快速發(fā)展，使得遠程獲取信息并且調用物流資源的可能性大大增加.這表明，許多在地理位置上分散的系統(tǒng)可以被有效地組合起來，以實現(xiàn)更大的規(guī)模經濟效益.在這種情況下，以訂單生產為模式的軌道交通裝備制造業(yè)建立行業(yè)云倉系統(tǒng)逐步成為可能.

1 云倉系統(tǒng)概念的提出

1.1 虛擬庫存

我國對于虛擬庫存管理的概念并沒有權威的定義，參考中外文獻可知，虛擬庫存管理是在供應鏈環(huán)境下，運用通信技術和計算機信息網絡技術，共享企業(yè)物流資源與信息資源，將實物庫存信息化為虛擬庫存，分離物資的實物物流和信息流，以實現(xiàn)庫存的動態(tài)管理[3].虛擬庫存是在分布式庫存的概念上發(fā)展起來的，相關文獻較少，目前的文獻主要研究了虛擬庫存的理念和相關支撐技術.

參照金融系統(tǒng)的演變過程，庫存的實物形式就如同實體的金銀，而庫存信息就如同貨幣.在虛擬庫存管理中，企業(yè)需要做的是將實體庫存虛擬化為庫存信息，以減少不必要的庫存管理費用[4].

1.2 云倉系統(tǒng)的概念

本文定義的云倉系統(tǒng)結合了虛擬庫存和實體庫存的優(yōu)點，借用軟件系統(tǒng)云平臺的概念，提出軌道交通裝備制造業(yè)行業(yè)云倉系統(tǒng)的概念.行業(yè)云倉系統(tǒng)運用遠程通信技術和計算機信息網絡技術，將分布式庫存管理集成到統(tǒng)一控制的云倉平臺上來.行業(yè)云倉系統(tǒng)的供應商是原材料市場，客戶是中車集團各成員企業(yè).同虛擬倉庫不同，云倉系統(tǒng)既保存“必要的實物”，又保存“全部需求信息”，保證按時配送給各需求廠家，實現(xiàn)各成員企業(yè)真正的零庫存.云倉系統(tǒng)具備采購、存儲、保管、配送、借貸等功能，按照性質不同，可劃分為公有倉、私有倉、混合倉.公有倉用來存儲軌道交通裝備制造業(yè)通用原材料、易耗品、標準件等，經過科學計算選擇合適的位置；私有倉用來存儲某一成員企業(yè)專用的物資，就地存放，但信息由云倉系統(tǒng)統(tǒng)一管理；混合倉則兼顧二者的功能，按需就近存放必要物資.

1.3 云倉系統(tǒng)原理及結構

基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的云倉系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.各個成員企業(yè)根據(jù)主生產計劃和月生產計劃，每個月上報給云倉采購系統(tǒng)5周的物料需求預測.當發(fā)生缺貨時，成員企業(yè)之間可以互相借貸.供應商按照云倉系統(tǒng)采購部的訂單為各個實體倉進行物流配送.各個成員企業(yè)也可以訂購自己專屬的特殊物料.

圖1 基于動態(tài)聯(lián)盟的云倉系統(tǒng)原理圖

狹義的云倉系統(tǒng)由計劃、采購、收貨、調度、存儲、配送等模塊組成，系統(tǒng)軟硬件設施完善，通過計算機技術和通信技術對物資進行動態(tài)協(xié)調與控制；廣義的云倉系統(tǒng)功能結構主要由三大部分構成：供應商、云倉系統(tǒng)和軌道交通裝備制造廠家.M個供應商根據(jù)云倉系統(tǒng)的采購指令分別向云倉系統(tǒng)進行供貨并實時更新產品信息.云倉系統(tǒng)匯總N個廠家的需求，適時制定采購計劃，確定合適的經濟批量，向M個供應商進行詢貨和采購.

圖2給出了實踐中云倉系統(tǒng)的層級架構，基礎設施層主要是計算機軟硬件系統(tǒng)和網絡服務設施，同時伴有實體倉庫的存在，這也是云倉系統(tǒng)區(qū)別于虛擬倉庫的重要特點.

圖2 實踐中云倉系統(tǒng)的層級架構

1.4 云倉系統(tǒng)的選址

云倉系統(tǒng)的調度指揮中心應設在集團公司總部北京，以便于統(tǒng)籌指揮，運籌帷幄.云倉的實體倉分為公有倉、私有倉和混合倉.公有倉用于存儲通用物資和標準件，選址應距離配送地點不超過1 000公里范圍，以便前一天下單，第二日送達；私有倉仍然設置在各成員企業(yè)原有實體倉庫位置，用于保存安全庫存物資，但是全部物料信息必須上傳至云倉系統(tǒng)共享；混合倉用于存放成員企業(yè)作為半成品或者零部件提供給其他成員企業(yè)的成品或者半成品[5-7].

根據(jù)圖3公司成員企業(yè)分布情況采用模糊聚類分析模型對云倉系統(tǒng)進行選址規(guī)劃.

圖3 云倉系統(tǒng)實體倉選址規(guī)劃

(1)數(shù)學模型

模糊目標函數(shù)是以極小化類別方法為目標函數(shù)進行聚類分析的.如可供選擇的位置節(jié)點有n個，按照p個指標來進行劃分，即，將其分為c個子集(c)，則建立模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)模型求解

(5)

對式(2)求關于λ、μik和vi的偏導數(shù)，可以得到局部最優(yōu)點的必要條件為

(6)

(7)

(3)決策機制

對于決策而言，需要加上約束條件，使數(shù)學求解的結果與實際問題聯(lián)系起來，也就是使云倉的選址更加符合實際需求.本問題中節(jié)點n的值為28，云倉的個數(shù)c擬在2～6之間取值，當任一節(jié)點之間距離不大于1 000公里時，c值越小越好.

從初始值c=2開始進行聚類，得到兩個聚類中心分別為唐山和西安，但是距離閾值有6個節(jié)點超過了1 000；當c=3時，得到沈陽、大同、株洲三個聚類中心，仍然有2個節(jié)點的距離閾值超過了1 000公里；當c=4時，得到沈陽、青島、太原、武漢四個聚類中心，全部節(jié)點距離在1 000公里以內.

規(guī)劃四個分布式實體公有云倉，分別為1號公有倉沈陽(輻射齊齊哈爾、長春和大連三個成員企業(yè))，2號公有倉青島(輻射南京、常州、上海、濟南、天津、唐山六個成員企業(yè))，3號公有倉太原(輻射北京、大同、石家莊、永濟、西安、蘭州、洛陽七個成員企業(yè))和4號公有倉武漢(輻射成都、眉山、資陽、貴陽、株洲、廣州、深圳七個成員企業(yè))，鑒于香港地區(qū)的特殊性，暫時先不考慮納入云倉系統(tǒng)統(tǒng)一管理，待時機成熟可納入武漢公有倉.

2 采購計劃模塊

采購計劃模塊的技術支撐是中車集團公司物料清單及其編碼系統(tǒng)，沒有完善的物料分類編碼系，行業(yè)云倉就失去了存在的根基，根本無法運行.采購子系統(tǒng)包括供應商管理、物料采購需求、采購訂單管理模塊.

(1)供應商信息管理包括供應商名稱、地理位置、供應能力、參考價格、技術能力、成本優(yōu)勢、產品質量、企業(yè)信譽等，并可分階段對供應商進行等級評價(IRIS認證);

(2)物料采購需求信息管理包括各成員企業(yè)物料需求計劃、質量要求、重要性等，并能對相似需求進行分類匯總，使得采購批量盡量最大化、經濟化;

當供貨市場穩(wěn)定、材料價格實時波動情況下，云倉系統(tǒng)根據(jù)物料需求進行多周期動態(tài)補貨.假設需求是隨機變量，在不同的時段具有不同的概率密度函數(shù)，平均需求量隨時間變化且各周期需求相互獨立[4];

(3)采購訂單管理模塊主要是根據(jù)需求信息執(zhí)行采購任務并進行跟蹤管理.包括供應商名稱、訂購物料代碼、訂貨時間、訂貨數(shù)量、訂貨價格等.

3 庫存管理模塊

庫存管理是任何一個制造企業(yè)生產、計劃和控制的基礎.根據(jù)我們的調研，軌道交通裝備制造業(yè)的庫存往往占據(jù)了企業(yè)20%～30%的總資產，有個別企業(yè)被庫存積壓導致現(xiàn)金流難以周轉的窘境時有發(fā)生.

隨著供應鏈和互聯(lián)網技術的廣泛應用，遠程獲取信息并且調用物流資源的可能性大大增加.這些在地理位置上分散的成員企業(yè)庫存系統(tǒng)則可以有效地組合起來，以實現(xiàn)更大的規(guī)模經濟效益.

在傳統(tǒng)庫存管理模式下(圖4(a))，企業(yè)除了周轉庫存以外，會設置相當大的一部分安全庫存(一般占到單品總庫存的30%左右)，而在基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的云倉管理模式下(圖4(b))，每個成員企業(yè)實體庫存會至少降低20%，物資周轉率也會顯著提高，緩解企業(yè)資金流轉壓力.而云倉系統(tǒng)也不必存儲全部成員企業(yè)所需實體庫存的20%云倉系統(tǒng)單品實體庫存量計算公式可由虛擬庫存管理的一般成本模型求得[8].

(a) 傳統(tǒng)模式

(b) 云倉模式圖4 兩種模式下成員企業(yè)庫存構成

4 配送子系統(tǒng)

云倉系統(tǒng)根據(jù)各成員企業(yè)物料需求進行按時、按需配送.根據(jù)精益生產JIT的理念，供應商應直接將物料配送到工位，云倉系統(tǒng)的實體倉庫存儲的僅是該實體倉庫所輻射企業(yè)的等比例安全庫存，僅在供應鏈出現(xiàn)短缺時方可啟動安全庫存，對成員企業(yè)安全庫存進行及時補充，以實現(xiàn)成員企業(yè)零庫存，降低成員企業(yè)運營成本.為了提高配送效率、降低配送成本，必須在云倉系統(tǒng)網絡內部進行多地協(xié)同配送.云倉系統(tǒng)的協(xié)同配送涉及以下幾方面的協(xié)同[2]：

(1)物流配送網絡中各個節(jié)點的協(xié)同：如需求節(jié)點、供應節(jié)點、配送中心節(jié)點之間物流配送活動的協(xié)調;

(2)物流配送過程中各環(huán)節(jié)的協(xié)同：如庫存、分配、運輸環(huán)節(jié)之間的協(xié)調以及各環(huán)節(jié)內部各要素的協(xié)調(如考慮不同地點和不同型號車輛的協(xié)同、取貨與發(fā)貨活動的協(xié)同、各取發(fā)貨節(jié)點時間窗的協(xié)同等);

(3)物流配送系統(tǒng)的諸目標之間的協(xié)同：如成本和效率之間的協(xié)同、成本與物流質量之間的協(xié)同等.

假設中車集團共有M個供應商(各成員企業(yè)之間有時又互為半成品或零部件供應商，比如沈陽公司生產的交叉桿組成，將供應給齊齊哈爾、石家莊、太原、西安、貴陽、眉山等多家成員公司)，則在物流配送網絡中相當于有M個供應節(jié)點，N個生產基地，P個實體倉庫，Q個半成品加工基地.在已知各供應節(jié)點的固定成本、可變成本和生產能力，各實體倉庫的固定成本、庫存量和容量，各半成品加工基地和生產基地的固定成本、可變成本和生產能力，以及各節(jié)點之間的運輸成本，應完成的產品產量情況下，可以通過如下目標函數(shù)求解運輸計劃，包括大型原材料、中小型原材料和半成品的加工數(shù)量與產品生產數(shù)量[9].

(8)

該模型的輸入參數(shù)分為三大類：

(1)能力：生產能力、加工能力、倉庫的存儲容量、供應點提供原材料的需求能力;

(2)需求：單位半成品和單位成品所需的原材料數(shù)量，半成品需求量，產品需求量;

(3)成本：單位原材料成本，公有倉以及成員企業(yè)的固定成本，單位產品與單位半成品的可變成本，單位原材料與半成品的運輸成本，單位原材料、單位半成品與單位產品的存儲成本，單位原材料與單位半成品的裝卸成本.

模型的輸出變量如下：

(1)節(jié)點的選擇：包括公有倉的選擇、半成品加工基地的選擇、生產基地的選擇;

(2)生產計劃：半成品加工基地的加工數(shù)量、生產基地的半成品加工數(shù)量與產品生產數(shù)量;

(3)運輸計劃：大型原材料、中小型原材料和半成品的運輸路徑與運輸量.

5 結論

(1)本文提出了軌道交通裝備制造業(yè)云倉系統(tǒng)的概念，構建了云倉系統(tǒng)的模型，確定了云倉系統(tǒng)的功能模塊和層級架構.建立了云倉系統(tǒng)的選址模型、供應商選擇模型、采購模型、庫存控制模型和配送模型的框架，對云倉系統(tǒng)的實踐具有重要的指導意義;

(2)通過行業(yè)云倉系統(tǒng)的開發(fā)，軌道交通裝備制造企業(yè)可實現(xiàn)經濟批量采購，獲得最低采購成本；各個成員企業(yè)本地庫存量可大大降低，減少資金積壓，降低庫存成本；各成員企業(yè)計劃和采購人員可大大減少，降低人力資源成本；成員企業(yè)之間可共享庫存，大大降低停工待料現(xiàn)象，縮短產品上市周期，提高市場競爭力[10].