馬慧民, 葉健飛

(1.上海電機(jī)學(xué)院商學(xué)院,上海 201306;2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院,上海 200093)

企業(yè)生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃干擾管理研究

馬慧民1, 葉健飛2

(1.上海電機(jī)學(xué)院商學(xué)院,上海 201306;2.上海理工大學(xué)管理學(xué)院,上海 200093)

為了有效應(yīng)對(duì)生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃中的需求變化這一擾動(dòng),提出了擾動(dòng)度量方法,構(gòu)建了考慮生產(chǎn)與采購計(jì)劃偏離度和總成本最小化生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃干擾管理模型,設(shè)計(jì)了用于求解該問題的知識(shí)進(jìn)化算法方案,闡明了實(shí)現(xiàn)該算法的過程.當(dāng)干擾事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)能快速響應(yīng)需求量的變化,并調(diào)整生產(chǎn)與采購計(jì)劃.對(duì)實(shí)例進(jìn)行了仿真,并與重調(diào)度結(jié)果比較,驗(yàn)證了本干擾管理方案的可行性與有效性.結(jié)果表明干擾管理可以有效降低計(jì)劃偏離度,并合理控制成本.

生產(chǎn)計(jì)劃;采購計(jì)劃;協(xié)同計(jì)劃;干擾管理;知識(shí)進(jìn)化算法

在日益激烈的市場競爭環(huán)境下,企業(yè)執(zhí)行計(jì)劃的過程中,不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些干擾事件,比如需求的變化、產(chǎn)能的變動(dòng)等.面對(duì)突發(fā)的干擾事件,如何快速建立一個(gè)多方滿意的應(yīng)對(duì)方案,最大限度地減少干擾事件對(duì)企業(yè)協(xié)同計(jì)劃的影響,保證企業(yè)的順利經(jīng)營,是企業(yè)迫切需要解決的問題.

企業(yè)在運(yùn)營過程中,有兩個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),就是產(chǎn)品生產(chǎn)與原材料采購環(huán)節(jié).如何制定好這兩個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)劃是企業(yè)能否正常運(yùn)營的關(guān)鍵.企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃和采購計(jì)劃涉及到生產(chǎn)費(fèi)用、原材料采購費(fèi)用、產(chǎn)品和原材料庫存費(fèi)用、生產(chǎn)調(diào)整費(fèi)用和采購訂貨費(fèi)用,涵蓋面廣,必須協(xié)調(diào)統(tǒng)一考慮.如果在生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃執(zhí)行過程中,出現(xiàn)了干擾事件,比如顧客需求量變化等,使原計(jì)劃變得不可行,那么就必須及時(shí)制訂出新的計(jì)劃,一方面滿足原來的最優(yōu)化目標(biāo),另一方面要使新計(jì)劃對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)減小到最低.本文研究的重點(diǎn)就在于探索這樣一個(gè)處理干擾事件的辦法,以最小的擾動(dòng)盡快恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行.

1 文獻(xiàn)綜述

在生產(chǎn)計(jì)劃和干擾管理建模方面,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究.翟勇洪等[1]對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃問題進(jìn)行了研究;潘逢山等[2]闡述了生產(chǎn)調(diào)度問題干擾管理模型和算法研究;馬慧民等[3]提出了一種知識(shí)進(jìn)化算法解決生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃問題;胡祥培等[4]詳細(xì)介紹了干擾管理,并對(duì)模型構(gòu)建、算法研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述.以上幾篇文獻(xiàn)介紹了干擾管理理論,闡述了生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃問題,構(gòu)建了經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型,提出了優(yōu)秀的算法,為進(jìn)一步研究奠定了良好的基礎(chǔ).但是,現(xiàn)有模型算法大多是針對(duì)確定性環(huán)境提出的,問題所處環(huán)境一旦發(fā)生變化,模型與算法將不再適用,難以滿足干擾管理解決動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)問題的需要.

近幾年來,不確定性協(xié)同計(jì)劃的干擾管理研究逐漸成為研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題,該領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者作過一些有益的研究.Gill[5]介紹了不確定性條件下的碼頭裝卸生產(chǎn)配送設(shè)施的要求;Bidhandi等[6]介紹了在不確定的條件下,采用一種改進(jìn)的隨機(jī)方法規(guī)劃集成供應(yīng)鏈的方法.運(yùn)用干擾管理解決不確定企業(yè)協(xié)同計(jì)劃問題,大連理工大學(xué)的胡祥培、王旭坪教授研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列研究成果,該團(tuán)隊(duì)在干擾管理問題上頗有建樹.孫麗君等[7]針對(duì)需求變動(dòng)下的物流配送干擾管理問題,提出一種解決該問題的基于知識(shí)的求解方法;王旭坪等[8]研究了物流配送過程中顧客需求變動(dòng)所引發(fā)的干擾問題;蔣麗等[9]針對(duì)客戶需求變動(dòng)導(dǎo)致物流配送計(jì)劃無法實(shí)現(xiàn)的問題,設(shè)計(jì)了最小化客戶不滿意度、配送成本和路徑偏離程度的擾動(dòng)恢復(fù)模型;王雅楠[10]設(shè)計(jì)了一種新的混合啟發(fā)式算法解決物流配送過程中需求量變動(dòng)的干擾管理問題.解決不確定性因素,除了運(yùn)用干擾管理辦法,也可以采用重調(diào)度方法,比如喬非等[11]針對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)中設(shè)備故障引發(fā)的問題,研究了重調(diào)度的解決方案.基于已有研究成果,物流配送領(lǐng)域的干擾管理問題研究已有很多成果,但是企業(yè)協(xié)同計(jì)劃由于其復(fù)雜性和多變性,還鮮有研究,尚有許多問題需要解決.一方面需要研究在干擾發(fā)生時(shí),如何快速評(píng)價(jià)其對(duì)系統(tǒng)的影響,并量化對(duì)整個(gè)協(xié)同計(jì)劃的擾動(dòng);另一方面,需要研究如何快速制定對(duì)企業(yè)影響最小的調(diào)整方案.

本文在已有生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃求解方法的基礎(chǔ)上,融合干擾管理理論和建模方法,針對(duì)生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃過程中的顧客需求量變動(dòng)這一擾動(dòng)問題進(jìn)行研究,構(gòu)建兼顧計(jì)劃偏離度和成本最小化的擾動(dòng)恢復(fù)模型,并應(yīng)用知識(shí)進(jìn)化算法,求解上述干擾管理模型,以實(shí)時(shí)生成不確定環(huán)境下的干擾管理決策方案.

2 生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃的干擾管理模型

2.1 問題描述

在企業(yè)中,工廠生產(chǎn)產(chǎn)品,供應(yīng)商提供生產(chǎn)所需原材料.按生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃正常進(jìn)行時(shí),工廠為滿足顧客需求生產(chǎn)產(chǎn)品,同時(shí)為滿足生產(chǎn)需求采購原材料.在生產(chǎn)進(jìn)行到某一時(shí)刻,顧客需求量突然發(fā)生變化造成整個(gè)系統(tǒng)受到干擾,在不能改變干擾事件發(fā)生當(dāng)天及以前時(shí)刻的生產(chǎn)和采購計(jì)劃的同時(shí),要求制定對(duì)整個(gè)計(jì)劃影響最小和費(fèi)用最省的調(diào)整方案.

假設(shè)在生產(chǎn)過程中,企業(yè)已經(jīng)按照需求制定好了生產(chǎn)和采購協(xié)同計(jì)劃.在計(jì)劃執(zhí)行過程中,收到客戶需求變動(dòng)的信息,這時(shí)原計(jì)劃變得不可行,必須快速調(diào)整計(jì)劃.當(dāng)干擾發(fā)生時(shí),本文在不允許缺貨、不允許加班的情況下,對(duì)生產(chǎn)和采購計(jì)劃進(jìn)行局部調(diào)整,以滿足各時(shí)段的客戶需求.

2.2 擾動(dòng)度量

由于生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃干擾管理的目標(biāo)是使擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響最小,同時(shí)保持成本盡量低,所以在構(gòu)建模型時(shí),要把擾動(dòng)和成本量化,并把二者最小化作為目標(biāo)函數(shù).因此在建立模型時(shí),要度量計(jì)劃偏離度和總成本,解釋如下:

a.計(jì)劃偏離度是度量新計(jì)劃與原計(jì)劃的偏差程度,比較新計(jì)劃與原計(jì)劃同一產(chǎn)品在同一時(shí)段的生產(chǎn)量的不同次數(shù).假設(shè)生產(chǎn)計(jì)劃變動(dòng)次數(shù)為K0it,采購計(jì)劃的變動(dòng)次數(shù)為K1it.變動(dòng)次數(shù)越多,表明干擾事件對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)越大.

b.總成本表示整個(gè)生產(chǎn)配送過程的總花費(fèi).包括生產(chǎn)費(fèi)用、生產(chǎn)調(diào)整費(fèi)用、產(chǎn)品庫存費(fèi)用、采購費(fèi)用、采購調(diào)整費(fèi)用和采購庫存費(fèi)用.在保持計(jì)劃偏離度最小的同時(shí),如果產(chǎn)生了過高的成本,也不是企業(yè)能承受的.因此在追求最小擾動(dòng)的同時(shí),還要控制成本.

2.3 干擾管理模型

以作者之前發(fā)表的文獻(xiàn)[3]中生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃問題模型為原型,構(gòu)建干擾管理模型.假設(shè)由一家工廠生產(chǎn)I種產(chǎn)品,生產(chǎn)總周期為T.生產(chǎn)所需的原材料由一家供應(yīng)商提供,原材料根據(jù)采購量的大小享有價(jià)格折扣.假設(shè)一單位產(chǎn)品需要一單位原材料,供貨提前期和生產(chǎn)提前期為0,產(chǎn)品和原材料的初始庫存和期末庫存都為0,不允許缺貨且不允許加班,則擾動(dòng)恢復(fù)模型如下:

模型中各符號(hào)的含義如表1所示.

表1 模型中各符號(hào)的定義Tab.1 Symbols definitions in the model

目標(biāo)函數(shù)式(1)表示新制定的計(jì)劃與原計(jì)劃相比變動(dòng)次數(shù)最小.目標(biāo)函數(shù)式(2)表示新制定的計(jì)劃總生產(chǎn)費(fèi)用、生產(chǎn)調(diào)整費(fèi)用、產(chǎn)品庫存費(fèi)用、原材料采購費(fèi)用、采購調(diào)整費(fèi)用、原材料庫存費(fèi)用之和最小.約束式(3)表示產(chǎn)品的當(dāng)期庫存等于上期庫存加上當(dāng)期生產(chǎn)量減去當(dāng)期需求量.約束式(4)表示原材料的當(dāng)期庫存等于上期庫存加上當(dāng)期采購量減去當(dāng)期生產(chǎn)量.約束式(5)表示每一期產(chǎn)品生產(chǎn)耗用工時(shí)要滿足生產(chǎn)能力限制.約束式(6)表示采購價(jià)格隨采購量的不同有不同的優(yōu)惠.約束式(7)表示只有當(dāng)生產(chǎn)調(diào)整變量大于0時(shí)才生產(chǎn).約束式(8)表示只有當(dāng)采購調(diào)整變量大于0時(shí)才采購.約束式(9)和式(10)分別表示只有當(dāng)各周期新制定的生產(chǎn)計(jì)劃和采購計(jì)劃與原來的生產(chǎn)計(jì)劃和采購計(jì)劃不同時(shí)才對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng).約束式(11)和式(12)分別表示生產(chǎn)調(diào)整變量和采購調(diào)整變量只能取0和1.約束式(13)和式(14)分別表示生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整變量、采購計(jì)劃調(diào)整變量只能取0和1.約束式(15)和式(16)分別表示生產(chǎn)量和采購量不能為負(fù).約束式(17)和式(18)分別表示產(chǎn)品和原材料的供貨不能中斷.約束式(19)和式(20)分別表示產(chǎn)品和原材料的初始和期末庫存均為0.

3 干擾管理模型求解算法

3.1 編碼

3.2 適應(yīng)值計(jì)算

采用加權(quán)和法處理擾動(dòng)恢復(fù)模型中的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),采用罰函數(shù)法處理資源約束,每個(gè)群體空間中認(rèn)知個(gè)體在進(jìn)化的每一代對(duì)生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃擾動(dòng)問題假說的適應(yīng)值為

式中,M為一充分大的正數(shù);α,β分別為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù).

本文采用知識(shí)進(jìn)化算法的通用流程,具體可參見文獻(xiàn)[12].

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型和算法的有效性,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)例.選取文獻(xiàn)[3]中的生產(chǎn)相關(guān)系數(shù),構(gòu)成了本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù).生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)參見文獻(xiàn)[3]中的表2和表3;采購相關(guān)參數(shù)參見文獻(xiàn)[3]中的表4和表5.文獻(xiàn)[3]中的最優(yōu)初始方案如表2所示.

表2 原最優(yōu)計(jì)劃Tab.2 Original optimal plan

下面研究干擾事件下的最優(yōu)調(diào)整方案,設(shè)定兩種擾動(dòng)方式.

擾動(dòng)一:需求量增加.干擾發(fā)生在第一時(shí)刻,項(xiàng)目5第二時(shí)段需求增加50.

擾動(dòng)二:需求量減少.干擾發(fā)生在第二時(shí)刻,項(xiàng)目2第四時(shí)段需求減少10.

采用VB 6.0(Visual Basic 6.0)編寫程序,參數(shù)設(shè)置如下:群體空間數(shù)為5,每個(gè)群體空間的規(guī)模為5,最大進(jìn)化代數(shù)為50,認(rèn)知參數(shù)c1=0.8,c2=c3=0.05,c4=0.095.另外目標(biāo)函數(shù)中權(quán)重系數(shù)α= 0.995,β=0.005.該程序在Intel Core 2 2.2 GHz, 2G內(nèi)存的電腦上獨(dú)立運(yùn)行20次,得出最優(yōu)結(jié)果.兩種擾動(dòng)最優(yōu)結(jié)果在20次中分別出現(xiàn)了19次和18次,平均耗時(shí)1 s,平均最優(yōu)進(jìn)化代數(shù)分別為35.6代和19.3代.依據(jù)結(jié)果,制定了以上兩種擾動(dòng)下的新的生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃.為了驗(yàn)證干擾管理的有效性,采用重調(diào)度方法得出新的協(xié)同計(jì)劃,該方法的思想是:當(dāng)干擾事件發(fā)生后,對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行重新建模和調(diào)整,通過對(duì)原執(zhí)行方案的全局調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾事件的快速處理.將重調(diào)度結(jié)果與干擾管理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表3和表4所示.從結(jié)果可以看出,干擾管理方法可以有效降低計(jì)劃偏離度,并兼顧控制成本.

表3 干擾管理和重調(diào)度處理結(jié)果比較(擾動(dòng)一)Tab.3 Results comparison between disruption management and rescheduling(disruption 1)

表4 干擾管理和重調(diào)度處理結(jié)果比較(擾動(dòng)二)Tab.4 Results comparison between disruption management and rescheduling(disruption 2)

5 結(jié)束語

在已有研究的基礎(chǔ)上,研究企業(yè)生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃中的干擾管理問題,構(gòu)建了基于計(jì)劃變動(dòng)次數(shù)和成本最小化的數(shù)學(xué)模型,采用知識(shí)進(jìn)化算法,得出了擾動(dòng)影響下新的生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃,并與重調(diào)度方案進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明,本文提出的干擾管理方案能有效減少計(jì)劃偏離度,并且不至于使成本增加過多.實(shí)驗(yàn)證明了干擾管理的有效性和可行性,為進(jìn)一步解決不確定環(huán)境下企業(yè)協(xié)同計(jì)劃領(lǐng)域的干擾管理問題提供了思路.

[1] 翟勇洪,梁玲,劉宇熹,等.面向大規(guī)模定制的再制造集約生產(chǎn)計(jì)劃模型[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36 (6):603-613.

[2] 潘逢山,葉春明.生產(chǎn)調(diào)度干擾管理模型構(gòu)建及智能算法研究[J].工業(yè)工程與管理,2012,17(3):85-89.

[3] 馬慧民,葉春明,張爽,等.基于知識(shí)進(jìn)化算法的生產(chǎn)采購協(xié)同計(jì)劃問題研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009, 26(12):4621-4623.

[4] 胡祥培,張漪,丁秋雷,等.干擾管理模型及其算法的研究進(jìn)展[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2008,28(10): 40-46.

[5] Gill A.Determining loading dock requirements inproduction distribution facilities under uncertainty[J]. Computers&Industrial Engineering,2009,57(1): 161-168.

[6] Bidhandi H M,Yusuff R M.Integrated supply chain planning under uncertainty using an improved stochastic approach[J].Applied Mathematical Modelling,2011,35(6):2618-2630.

[7] 孫麗君,胡祥培,于楠,等.需求變動(dòng)下的物流配送干擾管理模型的知識(shí)表示與求解[J].管理科學(xué),2008, 21(6):112-120.

[8] 王旭坪,楊德禮,許傳磊.有顧客需求變動(dòng)的車輛調(diào)度干擾管理研究[J].運(yùn)籌與管理,2009,18(4):16-24.

[9] 蔣麗,丁斌.多集散點(diǎn)VRP客戶需求擾動(dòng)的恢復(fù)模型[J].系統(tǒng)工程,2010(12):12-17.

[10] 王雅楠.物流配送系統(tǒng)需求量變動(dòng)的干擾管理模型研究[D].大連:大連理工大學(xué),2008.

[11] 喬非,,李莉,馬玉敏,等.基于模糊推理的半導(dǎo)體生產(chǎn)重調(diào)度策略研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2009,15 (1):102-108.

[12] 馬慧民,葉春明,張爽.知識(shí)進(jìn)化算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009,26(9):3282-3284.

(編輯:丁紅藝)

Disruption Management for Enterprise Coordinated Production-purchase Planning

MAHuimin1, YEJianfei2
(1.Business School,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China;
2.Business School,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In order to effectively deal with the disturbance of demand changes in the coordinated production-purchase planning,a method of measuring disturbance was put forward,and a disruption management model of the coordinated production-purchase planning problem,considering the production-purchase plan deviation and the minimum cost was constructed.The problem was solved by designing a method based on the knowledge evolution algorithm.The realization process of the algorithm was illustrated.When disruptions occur,the system can respond quickly to the changes in consumers’demand,and readjust the production plan at once.The disturbance case was simulated, and the results were compared with those of a plan rescheduling to verify the feasibility and effectiveness of the disruption management project.It is found that the disruption management can remarkably reduce the deviation of plan and control the cost.

production planning;purchase planning;coordinated planning;disruption management;knowledge evolution algorithm

F 406;TP 29

A

1007-6735(2015)03-0301-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.03.018

2014-10-19

上海市教委科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(13YZ138)

馬慧民(1981-),男,副教授.研究方向:管理科學(xué)與工程、智能優(yōu)化算法.E-mail:mahm81@163.com