供應(yīng)鏈仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

文/ 李坤徐錦希趙寧

一、引言

在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈管理模式中，經(jīng)常因信息掌握不及時(shí)而導(dǎo)致決策失誤，供應(yīng)鏈管理效率低、響應(yīng)速度慢，存在不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)供應(yīng)鏈中信息流、物流、資金流產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，及其不可控的動(dòng)態(tài)性，目前國內(nèi)企業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備不足以收集多元化的供應(yīng)過程數(shù)據(jù)，缺乏有效的溝通平臺(tái)將供應(yīng)商、分銷商、零售商有機(jī)聯(lián)系起來[1]，且管理企業(yè)的供應(yīng)鏈需要每天做大量的決策，并在企業(yè)的物流成本和客戶靈活需求之間尋找平衡點(diǎn)，在此過程中存在很多不可避免的不確定因素和隨機(jī)性因素，供應(yīng)鏈流程過長，特別是實(shí)際控制過程中遇到障礙需要調(diào)整時(shí)，往往會(huì)造成決策不及時(shí)而造成企業(yè)損失[2]。盡管一些企業(yè)已經(jīng)通過信息化等新技術(shù)手段提升企業(yè)供應(yīng)鏈管理的能力，但傳統(tǒng)方法難以應(yīng)對(duì)存在的問題和挑戰(zhàn)，對(duì)于供應(yīng)鏈管理人員來說，每天仍然面臨著供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)無法可視化等問題的挑戰(zhàn)。此外，如何基于可掌握的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，預(yù)判供應(yīng)鏈未來狀態(tài)，成為一個(gè)難題。在數(shù)字化時(shí)代，如何使用仿真技術(shù)對(duì)供應(yīng)鏈進(jìn)行建模、分析并實(shí)現(xiàn)高效管理已經(jīng)成為提高生產(chǎn)企業(yè)效率的關(guān)鍵問題之一[3]。

供應(yīng)鏈仿真技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展出的對(duì)于供應(yīng)鏈研究的新方法，相比于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠更加直觀和全面的反映問題，并能一定程度上解決系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性問題。常用的仿真軟件包括Flexsim、Anylogic、Plant Simulation等，仿真建模可以幫助企業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、降低成本以及改善服務(wù)，并可以快速清晰地分析供應(yīng)鏈中相互關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)和隨機(jī)的事件，進(jìn)而幫助企業(yè)完善決策[4]。Flexsim是美國的三維物流仿真軟件，能夠?qū)ο到y(tǒng)中所有基本存在的實(shí)物對(duì)象（如傳送帶、倉庫、集裝箱等）構(gòu)建模型、仿真，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程可視化，其對(duì)象具有開放性，建模速度快。有學(xué)者通過Flexsim仿真技術(shù)對(duì)供應(yīng)鏈運(yùn)作流程仿真建模，采取制造商延遲策略，降低整體的庫存水平，提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益[5]，也有學(xué)者通過Flexsim仿真技術(shù)模擬倉儲(chǔ)系統(tǒng)作業(yè)過程，結(jié)果表明供應(yīng)鏈信息共享對(duì)倉儲(chǔ)作業(yè)起著重要的作用[6]。Multi-Agent系統(tǒng)解決的問題更復(fù)雜，多個(gè)Agent之間可共享問題與方法等信息，從而協(xié)調(diào)并實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)，這一仿真方法相比其他仿真技術(shù)成本更低、效率更高，可重復(fù)使用，能有效解決供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)問題。Multi-Agent仿真技術(shù)可仿真模擬具有復(fù)雜自適應(yīng)特征的制造業(yè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)，較好地反映供應(yīng)鏈內(nèi)部的運(yùn)行狀況[7]。供應(yīng)鏈企業(yè)為了選擇評(píng)價(jià)合作伙伴建立模型，不同的Agent之間可充分溝通協(xié)調(diào)，使得評(píng)估工作快速有效，且能較好反映合作伙伴之間關(guān)系的動(dòng)態(tài)變化[8]。Anylogic是一款應(yīng)用廣泛的，對(duì)離散事件、多智能體和混合系統(tǒng)建模和仿真的工具，也是唯一允許將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型組件、基于多智能體和離散事件開發(fā)的模型組件相結(jié)合的工具。有學(xué)者在Anylogic平臺(tái)上進(jìn)行建模，用于研究閉環(huán)供應(yīng)鏈庫存和牛鞭效應(yīng)[9]。Plant Simulation是一款面向?qū)ο蟆D形式集成的建模仿真軟件，由Teconmatix公司負(fù)責(zé)開發(fā)，現(xiàn)為西門子旗下產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)系統(tǒng)建模和仿真，其提供了包括物料、信息、統(tǒng)計(jì)分析、優(yōu)化求解等在內(nèi)的諸多仿真單元模塊，極大簡化了模型的構(gòu)建過程，SimTalk語言更為建模過程中的人機(jī)交互提供了可行途徑[10]。很多學(xué)者利用Plant Simulation 仿真軟件對(duì)離散生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，分別從生產(chǎn)系統(tǒng)布局、生產(chǎn)線平衡、物料配送、作業(yè)排序與調(diào)度等方面開展研究，優(yōu)化的對(duì)象有車間、廠房、流水線、裝配線以及生產(chǎn)系統(tǒng)等。德國專家Rainer Schemauter使用Plant Simulation仿真軟件，將整個(gè)供應(yīng)鏈的客戶、制造商和供應(yīng)商都考慮在仿真模型當(dāng)中，并通過客戶訂單驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型，根據(jù)供應(yīng)商位置、原材料庫存狀態(tài)等信息，尋找出最高效經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)調(diào)度方案，并對(duì)企業(yè)所需的工作人員數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，降低企業(yè)成本。

二、供應(yīng)鏈仿真模型

供應(yīng)鏈仿真模型可用采購環(huán)、生產(chǎn)環(huán)、成品物流環(huán)、客戶需求環(huán)和生產(chǎn)計(jì)劃環(huán)5個(gè)模塊表達(dá)，如圖1所示。在訂單到達(dá)到訂單交付的整個(gè)過程中，從客戶需求環(huán)，到生產(chǎn)計(jì)劃環(huán)，到采購環(huán)，再到生產(chǎn)環(huán)，一直到成品物流環(huán)，不同工廠對(duì)其要求和需求不同。其中各個(gè)環(huán)各自具備獨(dú)立功能，同時(shí)互相約束，共同表達(dá)了企業(yè)生產(chǎn)和供應(yīng)特征。依據(jù)不同企業(yè)的具體情況，可選擇上述5個(gè)環(huán)的重點(diǎn)部分進(jìn)行重點(diǎn)描述，對(duì)非重點(diǎn)則采用簡化方式表達(dá)。

圖1 供應(yīng)鏈仿真模型

供應(yīng)鏈仿真模型是一個(gè)由客戶需求訂單驅(qū)動(dòng)、供應(yīng)鏈與生產(chǎn)計(jì)劃中心控制的，包括供應(yīng)商生產(chǎn)能力與供貨能力模型、企業(yè)生產(chǎn)工藝模型和運(yùn)輸倉儲(chǔ)模型的多層次的仿真模型（如圖2所示）。

圖2 供應(yīng)鏈仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

采購環(huán)節(jié)的核心模型為供應(yīng)商生產(chǎn)與供貨模型。該模型根據(jù)供應(yīng)商畫像構(gòu)建而成，根據(jù)所下達(dá)的訂單設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)，并模擬仿真供應(yīng)商的生產(chǎn)與供貨過程，為企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供各種配件。生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心模型為企業(yè)生產(chǎn)模型，該模型根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)工藝構(gòu)建而成，通過對(duì)供應(yīng)商所供部件的再加工、組裝、檢測(cè)、裝箱等環(huán)節(jié)，完成產(chǎn)品的最終生產(chǎn)，并齊套存儲(chǔ)。成品物流環(huán)的核心為倉儲(chǔ)與運(yùn)輸模型，該模型對(duì)生產(chǎn)的所有產(chǎn)品進(jìn)行記錄，并根據(jù)訂單信息發(fā)貨。客戶訂單環(huán)主要是對(duì)客戶所下達(dá)的信息進(jìn)行拆分，并生成各種采購訂單和生產(chǎn)計(jì)劃。供應(yīng)鏈計(jì)劃與生產(chǎn)計(jì)劃控制中心負(fù)責(zé)整合各類信息，并對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)加以控制，使得整個(gè)仿真模型能夠與真實(shí)供應(yīng)鏈運(yùn)作模式一致。

三、供應(yīng)鏈仿真推演流程

供應(yīng)鏈仿真是針對(duì)既定的采購計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃，基于歷史數(shù)據(jù)在虛擬時(shí)空中仿真推演計(jì)劃的執(zhí)行過程，對(duì)計(jì)劃做出科學(xué)評(píng)價(jià)。其中，采購計(jì)劃會(huì)涉及圖2的客戶需求環(huán)、生產(chǎn)計(jì)劃環(huán)和采購環(huán)，生產(chǎn)計(jì)劃會(huì)涉及客戶需求環(huán)、生產(chǎn)計(jì)劃環(huán)、生產(chǎn)環(huán)和成品物流環(huán)。采購計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)調(diào)是供應(yīng)鏈仿真的核心。供應(yīng)鏈仿真推演流程（如圖3所示），只需輸入客戶訂單以及采購計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃即可開始仿真，仿真運(yùn)行結(jié)束自動(dòng)生成仿真報(bào)告，對(duì)采購計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃集成評(píng)價(jià)。

圖3 供應(yīng)鏈仿真推演流程

1.生產(chǎn)計(jì)劃仿真推演流程

對(duì)于主機(jī)廠的生產(chǎn)計(jì)劃仿真，主要根據(jù)制定好的生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)線工人數(shù)量，仿真推演生產(chǎn)計(jì)劃的完工日期，如超出計(jì)劃節(jié)點(diǎn)，則將工人數(shù)量增至最大，以最大生產(chǎn)效率仿真推演，如符合完工日期要求則結(jié)束，否則證明生產(chǎn)計(jì)劃不可行，需前移采購計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)，增加生產(chǎn)時(shí)間。生產(chǎn)計(jì)劃的仿真推演流程，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)計(jì)劃仿真推演流程圖

2.采購計(jì)劃仿真推演流程

對(duì)于采購計(jì)劃仿真，主要根據(jù)已制定好的采購計(jì)劃模擬推演是否存在執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)。由于采購計(jì)劃制定時(shí)是以供應(yīng)商溝通結(jié)果來形成各供應(yīng)商的交付節(jié)點(diǎn)，但在實(shí)際采購過程中，供應(yīng)商能否在承諾的交付節(jié)點(diǎn)完成承諾，依然具有一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要基于不同供應(yīng)商的歷史供應(yīng)數(shù)據(jù)，評(píng)估供應(yīng)商按時(shí)交付的風(fēng)險(xiǎn)，并在整體供應(yīng)鏈予以模擬推演。如模擬推演的結(jié)果顯示所有供應(yīng)商都可按時(shí)完成，則表示采購計(jì)劃執(zhí)行的風(fēng)險(xiǎn)較低；如模擬推演的結(jié)果顯示部分供應(yīng)商難以按時(shí)完成，則需調(diào)整采購計(jì)劃；如采購計(jì)劃沒有再調(diào)整空間，可針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)最大的供應(yīng)異常，仿真供應(yīng)鏈整體狀態(tài)，并尋找解決方案，從而做到提前準(zhǔn)備，風(fēng)險(xiǎn)可控。采購計(jì)劃的仿真流程，如圖5所示。

圖5 采購計(jì)劃仿真推演流程圖

圖6 極限仿真推演流程

3.極限供應(yīng)仿真推演流程

極限仿真推演模塊流程如圖5，此模塊考慮訂單量無限大的情況，所有供應(yīng)商按最大產(chǎn)能供應(yīng)，設(shè)置仿真推演時(shí)間，在推演過程中，供應(yīng)商一直按最大產(chǎn)能備貨，由庫存狀況拉動(dòng)供應(yīng)商供應(yīng)，當(dāng)倉庫內(nèi)某產(chǎn)品需要補(bǔ)貨時(shí)，供應(yīng)商立即按當(dāng)前最大產(chǎn)能進(jìn)行供應(yīng)；分裝、聯(lián)調(diào)、裝箱模塊盡可能保持一直運(yùn)轉(zhuǎn)；仿真到達(dá)截止時(shí)間時(shí)，統(tǒng)計(jì)所完成的套裝數(shù)量，生成極限仿真推演報(bào)告。

通過極限仿真推演，可以推演出整個(gè)供應(yīng)鏈的極限產(chǎn)能；同時(shí)，在供應(yīng)商與裝箱線都以極限能力運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過仿真觀測(cè)出供應(yīng)鏈瓶頸，為供應(yīng)鏈優(yōu)化提供方向。

四、供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前供應(yīng)鏈運(yùn)營中所面臨的實(shí)際問題，開展企業(yè)級(jí)供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)采購、庫存及物流等各個(gè)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)集成與協(xié)同，打通數(shù)據(jù)壁壘，打造一個(gè)數(shù)據(jù)流程通暢、仿真準(zhǔn)確率高的供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)，真正企業(yè)供應(yīng)鏈管理中遇到的問題。

如圖7所示，企業(yè)供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)總體架構(gòu)包括如下幾部分組成：（1）供應(yīng)鏈仿真系統(tǒng)：包括仿真評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建、生產(chǎn)計(jì)劃仿真模型的構(gòu)建、采購計(jì)劃仿真模型的構(gòu)建、供應(yīng)商歷史供應(yīng)數(shù)據(jù)庫、供應(yīng)商畫像等內(nèi)容；（2）數(shù)字化應(yīng)用：基于供應(yīng)鏈實(shí)際需求構(gòu)建數(shù)字化創(chuàng)新應(yīng)用，提供“生產(chǎn)計(jì)劃仿真”“采購計(jì)劃仿真”“極限供應(yīng)仿真”等特色場(chǎng)景化應(yīng)用；（3）用戶端口：利用主流的駕駛艙展現(xiàn)形式，從生產(chǎn)管理、采購、試制等用戶類型的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，綜合呈現(xiàn)數(shù)字化應(yīng)用管控效果。（4）支撐體系：從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全保障兩個(gè)方面，支撐供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)的建設(shè)與運(yùn)營工作。

圖7 供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)總體架構(gòu)

2.供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)應(yīng)用方法

供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)應(yīng)用流程的入口是用戶的需求訂單，應(yīng)用步驟如下（流程見圖8）：

圖8 供應(yīng)鏈仿真平臺(tái)應(yīng)用流程示意圖

（1）將用戶訂單通過訂單管理模塊進(jìn)入系統(tǒng)；

（2）基于訂單制定生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)計(jì)劃的制定可以采用基于案例推理的方式完成；

（3）對(duì)訂單的物料BOM進(jìn)行分解與合并，形成采購計(jì)劃；

（4）將采購計(jì)劃下達(dá)給供應(yīng)商，進(jìn)行物料采購；

（5）綜合采購計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃、供應(yīng)商保供數(shù)據(jù)庫、供應(yīng)商畫像等各種信息，進(jìn)行供應(yīng)鏈仿真，檢驗(yàn)整個(gè)供應(yīng)過程的合理性；

（6）將物料到貨情況與裝箱計(jì)劃進(jìn)行比對(duì)，判斷物料的齊套性，如果滿足，則進(jìn)行裝箱生產(chǎn)；否則繼續(xù)根據(jù)實(shí)際情況在供應(yīng)商之間進(jìn)行調(diào)度，盡快達(dá)到齊套要求。

3.仿真作用

當(dāng)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃仿真時(shí)，若模擬推演出的生產(chǎn)所需時(shí)間大于正常工作時(shí)間，需要調(diào)整工作安排，增加工人數(shù)量或增長工作時(shí)間；若模擬推演出的生產(chǎn)所需時(shí)間小于正常工作時(shí)間時(shí)，可適當(dāng)優(yōu)化人員等工作安排，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)任務(wù)即可。當(dāng)進(jìn)行采購計(jì)劃仿真，若模擬推演的結(jié)果顯示所有供應(yīng)商都可按時(shí)完成，則表示采購計(jì)劃執(zhí)行的風(fēng)險(xiǎn)較低。若模擬推演的結(jié)果顯示部分供應(yīng)商難以按時(shí)完成，則需調(diào)整采購計(jì)劃。

五、結(jié)束語

供應(yīng)鏈仿真可以解決傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中因信息掌握不及時(shí)或無法靜態(tài)計(jì)算而導(dǎo)致的決策失誤，但不同行業(yè)供應(yīng)鏈復(fù)雜而多變，本文只考慮了一般供應(yīng)鏈中生產(chǎn)計(jì)劃、采購計(jì)劃以及極限供應(yīng)仿真的推演流程，后續(xù)將研究借助數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)一步將供應(yīng)鏈的采購和生產(chǎn)過程透明化，建立更準(zhǔn)確的仿真模型，以期為提供應(yīng)鏈快速響應(yīng)能力提供更多的參考依據(jù)。