楊曉英,程攀攀

(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和生產(chǎn)集約化的推進,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域在加快推進“機器換人”,促進農(nóng)機行業(yè)向全程化、大型化、智能化轉(zhuǎn)變,這對農(nóng)業(yè)機械化供給側(cè)的能力、質(zhì)量和效率提出了新的更高要求.如何順應(yīng)新形勢、新需求,以創(chuàng)新發(fā)展為驅(qū)動,快速響應(yīng)市場需求,提供客戶滿意的產(chǎn)品與服務(wù),在市場中取得競爭優(yōu)勢,成為我國農(nóng)機制造企業(yè)生存和發(fā)展面臨的重要問題.供應(yīng)商是企業(yè)獲得競爭力的重要資源,供應(yīng)商物料配送的準(zhǔn)時化和標(biāo)準(zhǔn)化不足問題，一直是制約農(nóng)機企業(yè)生產(chǎn)的瓶頸,供應(yīng)商物料配送如何與制造企業(yè)生產(chǎn)協(xié)同成為企業(yè)快速響應(yīng)市場需求的關(guān)鍵.因此,研究面向農(nóng)機制造的供應(yīng)商協(xié)同物料配送策略,對提升農(nóng)業(yè)供給側(cè)能力具有重要意義.

關(guān)于供應(yīng)商物料配送問題的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點.當(dāng)前具有代表性的研究成果有:李毅鵬等[1]從多供應(yīng)商的視角來研究如何通過供應(yīng)商之間形成零部件橫向協(xié)同,向制造商齊套供應(yīng)零部件,從而降低制造商的期望總庫存成本;戢守峰等[2]研究了由供應(yīng)商、分銷商和零售商組成的多級供應(yīng)鏈中基于協(xié)同計劃、預(yù)測與補貨(Collaborative Planning Forecasting and Replenishment,CPFR)的協(xié)同補貨問題;于渝飛等[3-4]建立了面向訂單裝配(Assemble to Order,ATO)系統(tǒng)中多供應(yīng)商-單制造商的零部件協(xié)同供貨模型;方忠民等[5-6]建立了以供應(yīng)鏈中核心生產(chǎn)企業(yè)為主方,供應(yīng)商為從方的Stackelberg博弈-協(xié)同模型,有效降低供應(yīng)鏈系統(tǒng)成本.為了減少庫存成本并提高服務(wù)水平,制造商不斷以準(zhǔn)時制原則組織供應(yīng)商物料配送[7-8].Zhang等[9-10]研究了需求隨機條件下供應(yīng)商訂貨量分配問題,確定了供應(yīng)商的最優(yōu)供貨時間決策和制造商最優(yōu)的庫存責(zé)任期設(shè)置;Low等[11-12]提出以最小化運輸成本為目標(biāo)的非線性數(shù)學(xué)模型確定供應(yīng)商最優(yōu)配送批量;馬士華等[13-14]研究了在supply-hub運作模式下供應(yīng)商協(xié)同補貨策略,確定了供應(yīng)商的最佳配送批量以及補貨次數(shù)等.

以上研究對供應(yīng)商供貨策略、物料配送期量等方面做出了很大貢獻,對于研究供應(yīng)商協(xié)同物料配送具有重要借鑒意義,但是針對農(nóng)機制造多供應(yīng)商配送多物料至核心制造商的“M-N-1”物料配送模式下,協(xié)同產(chǎn)品生產(chǎn)計劃的供應(yīng)商動態(tài)物料配送期量模型研究較少.因此,本文針對農(nóng)機制造生產(chǎn)特征,以拖拉機生產(chǎn)為研究對象,從降低供應(yīng)商、制造商總成本的視角,采用精益化與協(xié)同化理念提出多供應(yīng)商協(xié)同物料配送策略,建立供應(yīng)商協(xié)同物料配送期量優(yōu)化模型,為供應(yīng)商物料配送標(biāo)準(zhǔn)化、準(zhǔn)時化、快速響應(yīng)生產(chǎn)需求提供理論依據(jù).

1 問題提出

1.1 現(xiàn)狀分析

供應(yīng)商物料配送問題可以看作是由一個核心制造商、多個供應(yīng)商所組成的供應(yīng)鏈系統(tǒng).精準(zhǔn)化的供應(yīng)鏈?zhǔn)枪?yīng)商必須按照生產(chǎn)順序計劃需求,準(zhǔn)時準(zhǔn)量配送物料至制造商,避免高庫存和缺貨停線.農(nóng)機企業(yè)為了滿足不同地域、環(huán)境、作業(yè)需求生產(chǎn)選配不同的機型,導(dǎo)致農(nóng)機裝備機型多、物料品種多.以拖拉機為例,物料品種繁多,同種物料通常由多家供應(yīng)商按比例供應(yīng),每家供應(yīng)商同時供應(yīng)多種物料,屬于“M-N-1”物料配送模式,如圖1所示.當(dāng)前供應(yīng)商與制造商生產(chǎn)之間的協(xié)同度較低,供應(yīng)商通常采取大批量少頻次方式進行物料配送,導(dǎo)致物料配送準(zhǔn)時率、準(zhǔn)確率降低,增加了制造商庫存成本與物料管理難度,影響了企業(yè)的效率和效益.

圖1 供應(yīng)商物料配送模式Fig.1 Mode of supplier material delivery

1.2 問題分析

當(dāng)前多供應(yīng)商配送多物料至核心制造商的“M-N-1”物料配送模式,缺乏協(xié)同物料配送的期量標(biāo)準(zhǔn),即規(guī)范每個供應(yīng)商配送物料的時間和數(shù)量,該期量與制造商生產(chǎn)計劃協(xié)同,且與農(nóng)機企業(yè)淡旺季明顯的生產(chǎn)特征相適應(yīng).因此,制訂多供應(yīng)商與制造商生產(chǎn)計劃協(xié)同的物料配送策略D(T,Q)是關(guān)鍵,其中配送期量(T,Q)的優(yōu)化模型是核心,為供應(yīng)商與制造商實現(xiàn)物料配送智能決策、信息實時和物流協(xié)同奠定理論基礎(chǔ).

為此,考慮影響供應(yīng)商物料配送效率的影響因素,以降低制造商、供應(yīng)商總成本為目標(biāo),建立基于模糊軟時間窗的供應(yīng)商協(xié)同物料配送期量優(yōu)化模型,運用仿真優(yōu)化確定物料配送期量,保證供應(yīng)商物料配送的準(zhǔn)時率和準(zhǔn)確率.

2 供應(yīng)商協(xié)同物料配送期量模型

2.1 模糊軟時間窗

式中：Tij為供應(yīng)商i配送物料j的實際到達時間.

2.2 配送期量優(yōu)化模型

(1) 優(yōu)化目標(biāo).供應(yīng)商物料配送期量同時影響供應(yīng)商配送成本與制造商庫存維持成本,物料到貨時間又是制約配送期量的關(guān)鍵因素.因此,該模型的優(yōu)化目標(biāo)包括3個部分:供應(yīng)商配送成本、供應(yīng)商時間懲罰成本、制造商庫存維持成本,通過保證3種成本最小化,確定供應(yīng)商物料配送期量.

(2) 約束條件.① 供應(yīng)商單次配送量不大于運輸車輛的最大運載量與制造商的最大庫存量;② 根據(jù)制造商的物料需求,供應(yīng)商按供貨比例將物料分為批次配送,配送總量必須滿足生產(chǎn)需求;③ 各供應(yīng)商批次到達時間根據(jù)生產(chǎn)計劃順序確定,車輛配送一次結(jié)束后返回供應(yīng)商等待下次配送,每家供應(yīng)商至少一輛運輸車輛;④ 制造商生產(chǎn)所需的每種物料至少保證由一家供應(yīng)商配送,且每家供應(yīng)商至少配送一種物料.

目標(biāo)函數(shù)為

該模型中式(1)為目標(biāo)函數(shù),包括供應(yīng)商配送成本、制造商庫存維持成本和供應(yīng)商時間懲罰成本;式(2)表示供應(yīng)商單次配送量滿足車輛、庫存約束;式(3)和式(4)表示各供應(yīng)商總配送量滿足生產(chǎn)需求;式(5)保證每種物料到貨時間滿足生產(chǎn)需求;式(6)和式(7)保證每種物料至少有一家供應(yīng)商,每家供應(yīng)商至少配送一種物料.

3 模型求解

基于模糊軟時間窗的供應(yīng)商協(xié)同物料配送模型是一類不確定條件下(包括隨機和模糊)的多項式數(shù)學(xué)規(guī)劃問題,制造商的生產(chǎn)計劃具有動態(tài)不確定性,供應(yīng)商協(xié)同制造商需求快速確定物料配送計劃.運用算法求解需要將問題簡化為可重復(fù)迭代的遞歸過程便于求解,但是過程過于復(fù)雜，且求解結(jié)果的實際可操作性差,為了保證求解結(jié)果的實際應(yīng)用性強,本文運用仿真進行求解.

供應(yīng)商物料配送問題主要由單次配送量和配送時間兩個部分組成,關(guān)鍵是將數(shù)學(xué)模型參數(shù)嵌入仿真模型,供應(yīng)商物料配送的仿真處理流程如圖2所示.

圖2 仿真流程Fig.2 Simulation flow

(1) 需求信息整合.需求信息來源于制造商生產(chǎn)計劃,作為該模型的輸入?yún)?shù)對需求信息進行整合用矩陣M表示,矩陣M作為仿真系統(tǒng)的順序控制表指揮各模塊按照需求序列運行.其中，集合x={1,2,…,m}表示物料集合,集合y={1,2,…,n}表示供應(yīng)商點集合,集合z={Q11,Q12,…,Qij}表示物料需求量集合,集合t={t11,t12,…,tij}表示物料需求時間集合.

(3) 變量優(yōu)化.供應(yīng)商物料配送量、配送時間作為變量需要在仿真模型中進行初始定義,仿真模型中變量作為Program的輸入是確定優(yōu)化方案的決策因素.供應(yīng)商物料配送方案的產(chǎn)生、篩選與變量密切相關(guān),采用“二分法”與輪盤賭算法優(yōu)化配送方案,具體步驟如下.

步驟2采用輪盤賭方法產(chǎn)生初始方案,φ11=u1,u1∈[0,ωij],采用二分法方案產(chǎn)生區(qū)間變?yōu)閇0,u1]∪[u1,ωij].不同的區(qū)間分別采用輪盤賭反復(fù)迭代產(chǎn)生新的配送方案φij,并不斷根據(jù)新方案利用二分法劃分區(qū)間,直到區(qū)間不可再分停止迭代.

步驟3為了加快最優(yōu)方案的收斂速度,對方案進行初步篩選.為了降低供應(yīng)商的配送成本,運輸車輛的裝載率η=[0.7,1.0],每家供應(yīng)商每天配送次數(shù)λij={3,8},當(dāng)配送次數(shù)λij相等時,φij=min{φk},篩選后的配送方案fij={f1,f2,…,fk}.

步驟4輸出設(shè)置.為了便于分析輸入?yún)?shù)對仿真結(jié)果的影響,將目標(biāo)函數(shù)通過優(yōu)化設(shè)置響應(yīng)變量.目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化為C=C1+C2+C3,其中,C1為供應(yīng)商配送成本,C2為制造商庫存維持成本,C3為供應(yīng)商時間懲罰成本.通過仿真運行對比不同配送方案fij的總成本,輸出總成本最小的方案為最優(yōu)方案.

4 實例應(yīng)用

本文以某拖拉機制造的供應(yīng)商物料配送為例,根據(jù)按照基于模糊軟時間窗的供應(yīng)商協(xié)同物料配送模型,對供應(yīng)商的物料配送期量標(biāo)準(zhǔn)進行仿真優(yōu)化.通過仿真運行不同供應(yīng)商物料配送方案,對仿真結(jié)果進行對比分析,在保證供應(yīng)鏈總成本最低的條件下,逐步確定供應(yīng)商最優(yōu)配送方案.

4.1 案例背景

在拖拉機某日生產(chǎn)需求中選取5家供應(yīng)商配送6種物料為例,各供應(yīng)商與物料的需求信息如表1所示.

表1 供應(yīng)商和物料需求信息Tab.1 Supplier and material requirement information

系統(tǒng)仿真的目標(biāo)是在保證供應(yīng)商準(zhǔn)時化物料配送的前提下,保證供應(yīng)商、制造商的總成本最低,以多供應(yīng)商物料配送為對象,建立仿真模型如圖3所示,建立5個資源對象作為供應(yīng)商,每個資源存放訂單及物料需求時間,建立6個實體作為6種不同物料,建立1個儲存器和1個消耗器分別表示制造商倉庫和生產(chǎn)裝配線,規(guī)定資源對象和實體同時滿足且與儲存器需求序列一致時訂單完成.

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真每次運行8 h,通過仿真運行產(chǎn)生16種可行方案,每種方案的平均車輛滿載率為0.83～0.92,方案中包括各供應(yīng)商的配送量、車輛平均滿載率、方案總成本,運行結(jié)果如表2所示.對仿真結(jié)果進行對比分析,逐步確定供應(yīng)商物料配送的最優(yōu)方案.

圖3 案例仿真模型Fig.3 Simulation model

4.3 效果評價

由上述分析可知,方案11為最優(yōu)方案,總成本最低為5 997.5元,車輛平均滿載率為83%.根據(jù)最佳配送量可知各供應(yīng)商的配送頻次、車輛滿載率,最優(yōu)配送方案如表3所示.

表2 仿真運行結(jié)果Tab.2 Simulation results

表3 最優(yōu)配送方案Tab.3 Optimal result

供應(yīng)商物料配送期量在保證車輛滿載率的前提下有效避免供應(yīng)商大批量配送現(xiàn)象,簡化了供應(yīng)商物料配送流程,降低了供應(yīng)商、制造商的總成本,提高了供應(yīng)商物料配送的準(zhǔn)時率與準(zhǔn)確率,對農(nóng)機制造業(yè)實現(xiàn)供應(yīng)商物料配送精準(zhǔn)化具有重要意義.

5 結(jié)語

本文針對多供應(yīng)商配送多物料至核心制造商的“M-N-1”物料配送模式,結(jié)合農(nóng)機制造農(nóng)機企業(yè)淡旺季明顯的生產(chǎn)特征及物料需求的動態(tài)性,提出了一種多供應(yīng)商協(xié)同制造商生產(chǎn)計劃的物料配送策略,可有效避免制造商的缺貨停線損失,提高了物料配送的精準(zhǔn)率,降低供應(yīng)商、制造商總成本,建立了基于模糊軟時間窗的供應(yīng)商協(xié)同物料配送期量優(yōu)化模型,增強了供應(yīng)商與制造商的協(xié)同性.以某拖拉機為例,運用仿真優(yōu)化逐步尋優(yōu),確定了物料配送期量,驗證了該方法的有效性和可行性.