（系统工程专业论文）基于系统动力学模型的供应链效率分析.pdf

基于系统动力学模型的供应链效率分析 研究生：刘媛媛 导师：王海燕( 教授)东南大学 摘要 随着人们对纵向一体化管理模式弊端的逐步认识，供应链管理模式被越来越 多的企业使用，但效果并不明显，供应链整体效率不高。因此提高我国供应链 的管理水平，提高供应链的效率，已成为目前经济发展的迫切需要。针对这一问 题，本文以供应链管理的基本思想作指导，将供应链看作是一个系统，采用系统 动力学的分析方法，研究影响供应链效率的主要因素，构建了供应链效率的系统 动力学模型。供应链管理涉及物流、资金流和信息流，论文介绍了研究中所需要 的系统动力学相关理论与方法，然后从供应链效率的定义入手，分析了信息共享 模式、库存控制方式和供应链总周期时间等影响供应链效率的主要因素，也分析 了牛鞭效应对供应链效率的影响。实现供应链节点企业间信息共享可以有效引导 物流的运作，库存优化可以降低供应链成本，缩短供应链总周期时间可以加快对 市场的响应速度，缓解牛鞭效应可以提高供应链的盈利能力，进而提高供应链效 率。在明确了要研究的问题和系统边界后，用系统动力学专用软件一v e n s i m p l e 建立供应链效率模型的因果关系图、流图，并对该模型进行有效性检验。通 过检验后，在5 种不同的市场需求环境下做仿真实验，根据实验结果分析3 种策 略( 缩短延迟时间、降低库存储备、信息共享) 及其组合策略( 缩短延迟时间的 同时降低库存储备、降低库存储备的同时实现信息共享) 对供应链的缺货率、库 存储存成本和牛鞭效应的影响。通过比较，得出了在5 种不同的市场需求环境下 可以选择的策略，来提高供应链效率。 关键词：系统动力学；供应链管理；供应链效率；系统仿真 a n a l y s i so ne f f i c i e n c yo ft h es u p p l yc h a i n b a s e do ns y s t e m d y n a m i c sm o d e l g r a d u a t e ：l i uy u a n - y u a n s u p e r v i s o r ：p r o w a n gh a l - y a h s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a s p e o p l e c o m et o r e c o g n i z e t h ew e a k n e s so ft h ev e r t i c a l i n t e g r a t i o n m a n a g e m e n tm o d e ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sc h o o s es u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t h o w e v e r , t h ee f f e c ti sn o ta l w a y sm a r k e da n dc l e a ra n dt h ew h o l es u p p l yc h a i n e f f i c i e n c yi sn o tv e r yw e l l t h e r e f o r e ，c h i n e s ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ti sp r e s s i n gf o r e n h a n c i n gt h el e v e lo fs u p p l yc h a i nm a n a g e m e n ta n di m p r o v i n gs u p p l yc h a i n e f f i c i c o c y a i m i n ga tt h i sp r o b l e m , t h i st h e s i si sg u i d e db yt h eb a s i ct h o u g h to f s u p p l y c h a i nm a n a g e m e n t , c o n s i d e r st h e s u p p l yc h a i na s as y s t e ma n da p p l i e ss y s t e m d y n a m i c st oa n a l y z es o m em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gs u p p l yc h a i ne f f i c i e n c y as y s t e m d y n a m i cm o d e lo fs u p p l yc h a i ne f f i c i e n c yi se s t a b l i s h e d s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t i n v o l v e sm a t e r i a lf l o w , c a p i t a lf l o wa n di n f o r m a t i o nf l o w t h i st h e s i sp r e s e n t sf i r s t l y t h er e l e v a n tt h e o r ya n dm e t h o da b o u ts y s t e md y n a m i c sn e e d e di nt h er e s e a g c l l b s e c o n d l yf r o mt h ed e f i n i t i o no fs u p p l yc h a i ne f f i c i e n c yt os t a r tw i t l la n a l y z e st h e m a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c ts u p p l yc h a i ne f f i c i e n c y , i n c l u d i n gi n f o r m a t i o ns h a r i n g p a t t e r n ，i n v e n t o r yc o n t r o lm e t h o d , t o t a lc y c l et i m eo f s u p p l yc h a i na n db u l l w h i pe f f e c t t h eo p e r a t i o no fl o g i s t i c sc a l lb ec o n d u c t e de f f e c t i v e l yb yi n f o r m a t i o ns h a r i n ga m o n g e n t e r p r i s e si nt h es u p p l yc h a i n i n v e n t o r yo p t i m i z a t i o nc a l lr e d u c et h et o t a lc o s tl e v e l o ft h es u p p l yc h a i n r e d u c i n gt h et o t a lc y c l et i m eo fs u p p l yc h a i nc a l li n c r e a s et h e s p e e do f r e s p o n d i n gt ot h em a r k e t p l a c e r e l i e v i n gt h eb u l l w h i pe f f e c tc a l lp r o m o t e t h e c a p a b i l i t yo fs u p p l yc h a i np r o f i t a b i l i t ya n dt h e ni m p r o v et h es u p p l yc h a i ne f f i c i e n c y a f t e rt h eb o u n d a r yo ft h es y s t e ma n dt h ep r o b l e mt ob es t u d i e di n t h i st h e s i sa 糟 i d e n t i f i e d ，n e x tu s et h es p e c i a ls o f t w a r eo fs y s t e md y n a m i c s - v e n s i mp l et oc r e a t e t h ec a u s a ll o o pd i a g r a ma n dt h es y s t e mf l o wd i a g r a mo ft h es u p p l yc h a i ne f f i c i e n c y m o d e l ，a n dv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l mm o d e lp a s s e sr e a l i t yt e s t s ，o nt h e b a s i so f w h i c ht h es i m u l a t e de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu n d e rf i v ed i f f e r e n td e m a n d s o fm a r k e t sc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so ft h e d i f f e r e n tp o l i c i e st h a ti n c l u d es h o r t i n gd e l a y - t i m e , r e d u c i n gi n v e n t o r ya n di n f o r m a t i o n s h a r i n go ns t o c k o u tq u a n t i t y , c o s to fi n v e n t o r ya n db u l l w h i pe f f e c ta r ea n a l y z e d b y c o m p a r i s o n ，s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e dt h a tw es h o u l dc h o o s e d i f f e r e n tp o l i c i e st oi m p r o v es u p p l yc h a i ne f f i c i e n c yu n d e rf i v ed i f f e r e n td e m a n d so f m a r k e t sc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s y s t e md y n a m i c s ；s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ；s u p p l yc h a i n e f f i c i e n c y ；s y s t e ms i m u l a t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：童! 】丝鱼日期：二丝， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名! 堕篁垒导师签名： 东南人学顾j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 供应链管理是近年来企业和学术界都很关注的研究问题，供应链作为一种新 型的生产组织管理模式受到了广泛关注，然而供应链管理对提高供应链上各节点 企业的效率和效益的重要作用和它在实际运作中表现出来的绩效并不成比例，因 此需要对供应链的效率进行分析，寻求供应链整体效率优化的策略。 1 1 本文研究背景和意义 随着科技进步推动经济全球化的发展，顾客消费水平不断提高，要求产品具 有更高的质量、更低的价格、更多的选择、更好的服务。这就要求企业必须不断 地创新产品、提高质量，降低成本和缩短交货期，才能保持企业竞争能力。要实 现这些目标，实践证明仅仅依靠单个企业自身的力量是远远不够的，必须以横向 管理的方式，把企业内部和外部的资源有效的整合在一起。英国著名供应链管理 专家马丁克里斯多夫在书中写道：“市场上只有供应链而没有企业，2 1 世纪的 竞争不是企业和企业之间的竞争，而是供应链和供应链之间的竞争”【l l 。供应链 ( s u p p l y c h a i n ) 的概念是在上世纪8 0 年代末提出，是从扩大的生产概念发展起 来的，它将企业的生产活动进行了前伸和后延，前伸是指将供应商的活动视为生 产活动的有机组成部分加以控制与协调；后延是指将生产活动延伸至产品的销售 和服务阶段【2 j 。所谓供应链，是指围绕核心企业，通过对信息流、物流、资金流 的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品，最后由销售网络把产 品送到消费者手中的将供应商、制造商、分销商、零售商直到最终用户连成一个 整体的功能网络结构模式，是以资源外用为特征的集成企业网络i 蓟。供应链是企 业适应市场环境变化而产生的一种运作模式，提高供应链整体效率是其中每个企 业获取竞争优势的关键。 供应链效率与供应链管理密不可分，因为供应链管理的本质就是为了更好地 满足客户需求，在从原材料到最终产品的整个过程中，对物流、信息流、资金流 以及工作流程进行计划、组织、协调与控制，将供应链中各节点企业所能运用的 全部资源进行最合理的配置，以最大程度地减少内耗，实现供应链整体效率的最 东南人学颂i 学位论文 第一市绪论 大化。一条供应链所创造的价值是最终产品对于顾客的价值与供应链为满足顾客 的需求所付出的成本之间的差额。对于任何一条供应链来说，惟一的收入来源就 是顾客。所有信息流、物流和资金流都将增加整条供应链的成本，因此，如何合 理地管理信息流、物流和资金流，是提高供应链效率的关键i 舢。只有在供应链各 节点企业充分合作的基础上，才能使供应链管理获得效率和速度的提升。在中国， 由于信任机制的不完善，缺乏监督、激励和惩罚措施，造成了合作双方不信任， 极大地阻碍了供应链整体效率的提高，供应链管理对提高企业竞争力的重要作用 和它在实际运作中表现出来的绩效不成比例。通过完善供应链绩效考核评价不断 促进供应链管理水平的提升，供应链效率对于供应链评价是一个非常重要的指 标。随着供应链管理的研究越发受到各方面的关注，如何在提高各节点企业效率 的基础上使供应链系统效率达到最优，成为广大理论及实践工作者关注的焦点。 目前从系统角度对供应链效率方面的研究尚未深入开展，供应链逐渐显现出 系统性、复杂性、动态性等特征，对涉及动态变化的供应链管理问题，传统静态 的、局部的研究方法很难奏效。2 0 世纪5 0 年代由麻省理工学院f o r r e s t e r 教授刨立 的系统动力学为研究动态复杂系统提供了一种动态的整体研究方法。本文正是利 用这一方法，从供应链的系统性、动态性等特点出发，把供应链作为一个整体来 研究供应链效率问题。研究目的是通过建立供应链效率的系统动力学模型，分析 影响供应链效率的若干因素，如库存控制方式、信息共享模式、供应链的总周期 时间等，从理顺它们之间的因果关系入手，仿真分析在不同市场环境下有关变量 变动对供应链效率的影响，希望可以对供应链上的节点企业在面对市场需求变化 时，选择合适的策略提高供应链整体效率起到一定的启发、参考和借鉴作用。 1 2 本领域的相关问题研究现状 1 2 1 系统动力学在供应链管理的应用现状 系统动力学目前已被广泛应用于供应链管理领域，如物流预测、区域物流系 统研究、运输系统研究、库存控制研究等，其创始人f o r r e s t e r 教授最早将其用 于供应链动态行为模式的分析，解决工业中的需求放大、库存波动、产量与劳动 力雇佣之间的不稳定现象等管理问题。几十年来，它在供应链设计、物流、资金 东南人学钡l 学位论文第一帝绪论 流、信息流的协调与整合等方面的定性与定量分析研究中发挥了巨大的作用。现 阶段系统动力学应用于供应链的研究主要包括对供应链物流过程中不同生产模 式下的牛鞭效应、库存管理等供应链物流、资金流、信息流过程动态性闷题的研 究【”，利用系统动力学基于反馈的动态分析方法对供应链实施流程改进的研究 等。 系统动力学应用于牛鞭效应方面，1 9 5 8 年f o r r e s t e r 教授在其系统动力学奠 基之作中首先发现制造商接收的需求的方差通常远大于消费者实际需求的方差， 并且这种放大效应将随着需求向供应链上游的传播而变得更加剧烈，被认为是研 究牛鞭效应的开创之作 6 1 。其后有许多研究人员从不同角度，用不同的方法研究 牛鞭效应。麻省理工学院的s t e r m a n 将牛鞭效应归因于供应链中参与人的非理性 行为和对反馈信息的错误理解，他认为可以通过对供应链中各参与人进行培训， 提高理性决策来克服牛鞭效应四。有些学者则认为牛鞭效应正是由于系统参与人 为响应需求变化、避免缺货、降低生产成本，在追求利润最大化的条件下所做出 的理性行为【g l 。斯坦福大学的h a ul l e e 绘出了产生牛鞭效应的五个主要的原因： ( 1 ) 需求信号处理；( 2 ) 供应短缺；( 3 ) 批量订货；( 4 ) 价格变化；( 5 ) 交货 时间唧。李雪波建立了5 个零售商订货系统动力学模型和1 个销售波动系统动力 学模型，并对模型进行仿真运行和参数敏感性分析，得出结论：零售商订购系统 的振荡是由系统的固有特性所决定，而不是系统外部特征【i o 】。黄丽珍系统地研 究了一般情况和资金受限制情况下供应链动力学的行为模式，在此基础上分析牛 鞭效应的成因和对策，比较不同信息共享模式对牛鞭效应削弱的程度f l l 】。 系统动力学应用于库存管理方面，陆俊强、戴勇建立了配送中心与超市库存 系统动力学模型，通过模拟来确定配送中心仓库的订货量和库存量【1 2 】；桂寿平、 朱强等应用系统动力学的原理和方法分析了库存控制系统，建立了库存控制系统 模型，对物价率变化、库存调整时间变化、需求突然增大等情况下的库存进行了 模拟分析【l ；张昕、袁旭梅运用系统动力学建立了一个基于联合库存管理的供 应链系统，对其进行仿真，通过仿真结果输出，从瓶颈、牛鞭效应、成本等三方 面对模型进行分析和优化，使供应链向着更有效率的方向运行【14 】；陈虎等运用 系统动力学方法建立了传统模式下库存管理模型和供应商管理库存( v m i ) 模式 下库存管理模型，通过动态模拟，对比了随机需求下两种模式的运营绩效f 1 5 】。 东南人学颂i ：学位论文第一章绪论 系统动力学应用于选址方面，苗兴东研究了单设施选址问题，最优点与某个 已知点重合或者比较接近，多设施选址在满足配送中心数目的前提下，完全可以 计算比较各个已知点作为配送中心时的总运费来得到所需要的建设地点【1 6 1 。 此外，还有系统动力学与其他管理方法相结合的理论研究等，比如与运筹学、 约束理论、仿真技术、启发式算法、遗传算法、统计方法等结合的研究，都为供 应链系统的运作提供了优化方法【l 刀。 1 2 2 供应链绩效评价的研究现状 供应链绩效评价指标可以分为定性和定量两类，由于供应链运营过程中包含 有大量的模糊信息，这些信息很难用常规的方法进行度量和量化，这就使供应链 中的绩效评价带有一些如顾客满意度这样的定性指标。定量指标又可分为基于成 本的指标( 如成本、销售量、利润、库存投资率和投资回报率) 和基于顾客响应 的指标( 如满足率、产品交货延迟率、顾客响应时间、订货周期等) 。 b e a m o n 提出了供应链绩效评价的r o f 体系，从供应链的战略目标入手，通 过影响战略目标的几个关键因素建立供应链绩效评价指标体系框架。该体系由三 个一级指标构成，即资源测度( r e s o u r c e sm e a s u r e s ) 、输出测度( o u t p u tm e a s u r e s ) 、 柔性测度( f l e x i b i l i t ym e a s u r e m e n t ) 。其中，资源测度反映效率水平、输出测度 反映顾客服务水平、柔性测度反映对环境变化的响应能力，每一个一级指标又有 若干子指标构成f l s j 。 霍佳震总结了集成化供应链绩效评价的概念和方法，给出了层次分析法、改 进的灰关联法和模糊综合评价法的应用步骤和实例分析。马秀波分结果层、运作 层和支持层对绩效指标量化，构建了一个基于供应链流程的绩效评价体系。朱琳 婕分析了供应商、销售商和核心企业在集成化供应链中的地位，运用供应链的生 命周期原理，分别建立了在供应链组建期、运行期、解体期的供应商绩效评价体 系、销售商绩效评价体系、核心企业绩效评价体系f 1 9 1 。 王大淼把系统动力学方法应用于供应链绩效评价，分别从平衡计分卡的财务 角度、顾客角度、内部流程角度、学习与成长角度出发，建立了供应链绩效的动 态评价模型，弥补了平衡计分卡方法缺乏仿真性的不足【2 0 】。 从目前国内外关于供应链绩效评价的文献可以看出，很多学者提出的评价指 4 东南人学倾j ：学位论文第一章绪论 标只是理论框架层次上的，对具体可操作性的指标的算法研究还十分有限。本文 认为，可以把供应链效率作为供应链绩效评价的一个重要指标。 1 2 3 供应链效率研究现状 国内有关供应链效率问题的研究文献、专著不多见，研究主要集中在供应链 的信息和决策结构等对供应链效率的影响，采用定性与定量相结合的研究方法。 国外的相关文献主要是单独考虑一种影响因素，从供应链结构、合作伙伴的选择、 合作模型的建立及企业内部库存管理等方面，提出了各种效率设计方案，进行供 应链效率研究。 郑绍濂等从供应链的信息和决策结构出发，分别研究在供应链内部信息对称 与不对称情形下，不同的决策结构对供应链效率的影响，探讨非合作决策结构下 供应链效率损失的内生性【2 ”。 黄国华等根据博弈理论建立模型，推导出零售商间的n a s h 均衡，探讨了制 造商是否能协调整个供应链及不同供应链的效率问题，研究了当供应链中存在不 同数量的零售商时供应链的效率问题【2 2 1 。 杨德权等研究了供应链的效率与协调问题，从供应链契约理论相反的方向出 发，由供应链效率的定义开始，逐步推导出供应链协调的等效率原则【2 ”。 肖振伟对供应链效率问题做出比较全面的研究，分析顾客满意与供应链效率 的关系，提出了顾客满意度评价指标体系。研究了供应链结构对供应链效率的影 响，运用改进的d e a 模型进行评估。此外还研究了供应链企业库存管理和信息 共享对供应链效率的影响】。 陈京华研究了供应链合作伙伴集成的合作博弈，构造了合作伙伴竞合一协同 的集成模型，并运用熵理论，用系统有序度定义各个子系统的组织化程度，通过 评价其平均综合指数，来讨论系统的整体有序度，以此来评价系统的效率，构建 了供应链合作伙伴集成系统的运作效率模型和管理效率模型【2 5 1 。 综合国内外研究现状，建立系统动力学模型来分析供应链效率问题的研究还 不多见。 东南人学坝l ：学位论义第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容和框架图 本文致力于供应链效率问题的研究，主要运用系统动力学的理论和方法，通 过建立系统动力学模型，仿真分析影响供应链效率的若干因素，提出适合不同市 场需求的优化供应链整体效率的策略。研究的内容主要包括以下几个方面。 1 、应用系统动力学模型研究供应链效率问题的可行性 供应链系统是一个多目标系统，它由若干相对独立的自主企业节点构成。供 应链之间会相互交叉，不同供应链可能包含同一企业。各企业在制定决策时，由 于信息不能完全共享，都以自身收益最大化作为目标函数，从而造成了整个供应 链系统效率不高。系统动力学善于处理高阶、非线性、多环的动态问题，因此非 常适合用于具有动态性、复杂性的供应链研究。供应链组成整体的复杂性及其交 互的动态性特征十分符合系统动力学强调结构关系、时间延迟，信息放大对系统 行为的影响，利用系统动力学的方法研究供应链效率问题是行之有效的。本文第 二章对系统动力学的理论和方法及其专用软件v e n s i mp l e 进行了简要介绍。 2 、供应链效率问题的研究边界 第三章以制造商、分销商、零售商组成的供应链系统为研究对象，从效率概 念出发，根据经济学的效率定义给出了供应链效率的定义，即供应链效率是指一 条供应链上在单位时间内所有节点企业的用货币表示的总产出与所有节点企业 的用货币表示的有效总投入之比，即由投入、产出和单位时间决定。接下来分析 了信息共享模式、库存控制方式和供应链总周期时间会从投入、产出和单位时间 方面影响供应链效率，同时分析了牛鞭效应对供应链效率的负面影响，据此建立 了供应链系统动力学模型，明确建模目的、确定模型的边界，并设计了模型中的 有关决策变量，分析各变量问的因果反馈关系，建立系统的因果关系图。 3 、构建供应链效率问题的系统动力学模型 在明确了要研究的问题和系统边界后，本文第四章用系统动力学专用软件 v e n s i mp l e 分析系统的结构，构造系统流图和系统动力学方程式，建立供应 链效率的系统动力学模型。然后逐步对模型进行运行调试，对模型进行有效性检 验。系统动力学模型是一种侧重于系统要素关联结构与反馈机制的结构型模型， 采用单位一致性检验和结构验证测试来检验模型的有效性。若检验不能通过，则 模型将无法运行。 6 东南人学顾i 学位论文第一章绪论 4 、仿真结果分析 第五章对所构建的供应链效率模型进行系统仿真，通过调节系统参数值，得 到模拟时期内不同市场环境下及使用不同策略下的供应链整体及各节点企业的 具体执行数据，观察系统变量输出值的变化，对比改进效果，从中找出较优的方 案，希望可以为决策者在面对市场需求变化时，选择合适的策略使供应链向着更 有效率的方向运行提供参考。 最后总结了全文的工作，并指出本文的创新之处和尚需要继续深入研究的地 方。本文总体研究框架如图1 i 所示。 第三章供应链效率系统分析 分析影响供应链效率的主要因素一确定模型边 界一因果关系图 li 弋夕 第 二 第四章供应链效率的系统动力学模型章 第 基 基 系 础 系统流图一主要方程和参数一模型有效性检验础统 动 n 力 学 理 童 v 法 绪 论 第五章模型仿真结果分析 模型仿真一试验结果比较一供应链效率分析 u 结 论 图1 1 总体研究框架图 东南人学颂 二学位论文 第一二章系统动力学理论方法 第二章系统动力学理论方法 本章主要介绍本文采用的主要理论方法系统动力学，简单介绍系统动力 学的基本概念和主要特点、用系统动力学建模的原则和建模过程、以及系统动力 学应用的主要仿真软件和本文将采用的v e n s i mp l e 版软件的基本特征，为后 面的仿真研究做好理论基础准备。 2 1 系统动力学概述 2 1 1 系统动力学简介 供应链与外部环境之间的相互作用过程中产生了大量的模糊信息，这些信息 很难用常规的方法进行度量和量化，面对如此复杂多变的供应链系统，定性评价 供应链效率己不够用，供应链系统仿真是研究供应链效率等问题的定量方法之 一。钱学森提出了研究开放复杂系统的方法，就是从定性至定量综合集成方法 ( m e t a s y n t h e s i s ) 。该方法内涵是将科学理论、经验知识和专家判断力相结合， 提出经验性假设，再根据经验性数据等对其进行检验，在理解的基础上建立参数 模型，经过计算机仿真和计算，通过反复对比，最后形成结论。可见，要实现综 合集成方法，必须解决两个问题：( 1 ) 定性认识系统，建立系统结构模型；( 2 ) 进行仿真计算，反复对比，实现由定性到定量的转化。本文采用的系统动力学方 法具备了解决这两个问题的基本条件，它提出了因果关系及流位流率的反馈结构 建模方法，具有专用的便于参数调试的系统动力学仿真语言【矧。供应链的高效 取决于物流与信息流的协调，系统动力学中的物质流、信息流的概念非常有利于 描述供应链问题，因此供应链效率分析可以采用系统动力学方法。 系统动力学是美国麻省理工学院的福瑞斯特( j a yf o r r e s t e rw ) 教授带领的 系统动力学小组在2 0 世纪5 0 年代创立和发展起来的- f 2 学科。在发展的初期称 为“工业动力学”，随后又出现了研究城市发展、人口变迁以及环境污染的“城 市动力学”和研究全球社会和经济问题的“世界动力学”。1 9 7 2 年，正式提出了 “系统动力学”( s y s t e md y n a m i c s ) 的名称，简称s d 【2 7 】。系统动力学是- i 1 分 析研究信息反馈系统，认识系统问题和解决系统问题的学科，它通过研究系统的 东南人学f i 甄r l 。学位论文第二章系统动力学理论方法 结构模型，分析系统内部各因素之间的因果关系，并借助计算机仿真技术，对信 息反馈系统结构、功能和行为之间的动态关系进行分析、推理和综合，是一种定 性一定量一定性、螺旋上升、逐渐深化推进地去认识和解决问题的方法【2 8 1 。 系统动力学以系统论为基础，吸收控制论与信息论的精髓，以数值仿真为手 段，用回路描述系统结构框架，用因果关系描述系统要素之间的联系，用流图描 述系统要素的性质及本质规律，用差分方程对系统进行数学描述，可以较好地处 理物质延迟和信息延迟现象，使模型最大限度地反映现实系统，更有效地解决社 会经济系统中的实际问题2 9 1 。 系统动力学的基本概念主要包括【3 0 1 ： ( 1 ) 因果反馈。如果事件a ( 原因) 引起事件b ( 结果) ，a b 间便形成因 果关系。若a 增加引起b 增加，称a b 构成正因果关系；若a 增加引起b 减少， 则构成负因果关系。两个以上因果关系链首尾相连构成反馈回路，亦分正、负反 馈回路，由回路中负因果关系数目决定，为奇数时构成负反馈回路，反之是正反 馈回路。 ( 2 ) 流位( l e v e l ) ，可称为水平变量、积累等，用以描述系统状态，系统 输入输出流量之差为积累增量。 ( 3 ) 流率( r a t e ) ，可称为决策函数、速率等，“流率”表述流的活动状态， “流位”则是流的结果。任何决策过程均可用流的反馈回路描述。 ( 4 ) 流图。流图由“流位”、“流率”、“物质流”、“信息流”等符号构成， 直观形象地反映系统结构和动态特征。 ( 5 ) 延迟。任何决策实施均需一定时间，此现象即为延迟。 ( 6 ) 仿真语言。为使用方便，设计了d y n a m o 专用语言，备有2 0 多种函数， 只需输入系统动力学方程和必要参数，即可向用户提供结果。 2 1 2 系统动力学的特点 系统动力学具有以下特点： ( 1 ) 系统动力学是把事物看作一个整体来研究，不像有些方法那样把问题 分割成一块块来研究，核心概念就是系统中事物之间是如何相互影响的【3 l 】。 ( 2 ) 适用于对数据不足的问题进行研究。建模中常遇到数据不足或某些数 堡堕兰堡! ：堂些丝兰 第一章系统动儿学理论方法 据难于量化的问题，系统动力学建模对历史数据的依赖和要求较低，在数据缺乏 的条件下系统动力学仍可以进行一些研究工作，这是因为系统动力学模型的结构 是以反馈回路为基础的，多重反馈回路的存在使得系统行为模式对大多数参数不 是特别敏感的，这样，虽然数据缺乏对参数估计带来困难，但是只要估计的参数 在其宽容度内，系统行为仍显示出相同的模式【2 8 1 。 ( 3 ) 模型的支持系统不是数据，而是结构。传统的定量模型是依靠数据支 撑的，可是数据信息滞后的现象又无法排除，因此便严重地限制了这些方法的应 用速度和应用范围。尤其是对于像供应链这类高阶系统，一般方法因数据匮缺而 不得不放弃。系统动力学却可从因果反馈回路中得出系统行为的基本结构，从而 得出定量或准定量的结论。 ( 4 ) 系统动力学运用计算机及仿真技术适用于处理精度要求不高的复杂的 社会经济问题，模型的状态变量是时变的，因而模型既可回测系统的历史行为， 又可预测系统的未来行为。 ( 5 ) 模型在构造上比较容易引入状态变量的期望值和反馈控制的调节原理， 许多不便于做破坏实验和风险实验的社会经济问题，可以通过系统动力学模型做 政策性实验【3 2 j 。 2 2 系统动力学建模 从供应链系统建模方法的发展历程来看，经历了从简单到复杂，从单阶段模 型到多阶段模型，从单产品模型到多产品模型，从加工中心模型、车间模型、企 业模型、国家模型到国际模型，从确定性( 变量己知而且确定) 模型到随机型( 变 量未知但假设服从某一分布) 模型的发展过程。虽然目前不同文献中使用的模型 各异，但就常用的建模方法而言，基本上可以分为基于控制论的建模、基于运筹 学的建模和基于系统仿真的建模。其中基于系统仿真的建模方法主要包括：基于 方程的方法、基于离散事件仿真的方法、基于多智能主体的建模仿真的方法等。 基于方程的方法主要是采用系统动力学的方法【2 7 i 。 2 2 1 系统动力学的建模原则 系统动力学应按照以下基本原则进行建模： o 东南人学坝i j 学位论文第一二章系统动力学理论方法 ( 1 ) 一个“明确”三个“面向”：即明确目的、面向问题、面向过程与面向 应用。首先应明确建模目的与任务，面向所要解决的矛盾与问题，要重视模型的 应用与所得出的政策实施的可行性。 ( 2 ) 模型只是对真实系统突出本质、简化的描述，只能反映真实世界的本 质和某些断面或侧面。建模时必须根据系统的类似性找出系统的主导结构，精心 加以提炼，而不是对实际系统进行简单的复制，应防止所谓原原本本、完全一一 对应按实际系统去建立模型的错误倾向。 ( 3 ) 建模人员必须紧密联系实际、深入调查研究，最大限度地收集与运用 有关该系统及其问题的资料和统计数据；必须做到与决策人员和熟悉该系统专家 人员密切结合，唯此才能使系统动力学成为进行科学决策的有力手段。 ( 4 ) 检验模型的有效性的最终标准是客观实践。要重视历史数据的检验和 专家群体、模型使用入员对模型有效性的评估。人对客观事物的认识是一个螺旋 上升的过程，因此，没有十全十美的模型，只有阶段性的达到预定目标和满足预 定要求的相对有效的模型【3 3 】。 2 2 2 系统动力学的建模过程 系统动力学建模过程如下： ( 1 ) 问题描述，明确建模的目的、系统的结构及其边界。s d 问题描述的主 要任务是描述出与系统有关的系统状况，估计问题产生的范围及边界，选择适当 的变量等。 ( 2 ) 明确了研究问题的目的与边界后，接下来的任务就是研究系统及其组 成部分之间的关系，研究系统的反馈结构，分析系统整体与局部之间关系，进而 搞清系统中的因果关系与回路结构。系统动力学建模采用的反馈回路( f e e d b a c k l o o p ) 是按业务流程顺序连接了系统策略、系统状态和系统信息，最后又再回 到决策并对决策产生反作用的封闭回路。 ( 3 ) 建立系统流图与构造方程式。s d 模型包括流图和d y n a m o 方程，其中 流图以因果关系图为基础，加之专门的符号以描述系统变量之间相互影响的过程 3 4 1 ，d y n a m o 方程是在流图基础上建立的定量方程，使用d y n a m o 语言把系统流 图模型送入计算机并计算出数字结果。d y n a m o 语言的名字是由d y n a m i c ( s j 态) 东南人学顾j 擘位论文第二章系统动力学理论方法 和m o d e l 两词的词头合并而成，含义是模拟真实世界系统，使得它们随时间变化 的动态行为能用计算机来跟踪、模拟。它引入差分方程来描述系统行为，规定了 3 个时间点，即过去( j ) 、现在( k ) 和未来( l ) 。以d t 表示仿真步长，用 流位( l e v e l ) 方程、流率( r a t e ) 方程，辅助方程、补充方程、常量方程与算 法方程等共同组成了d y n a m o 方程。其求解运用d y n a m o 语言，得到系统随时闻 ( i - 述3 种时间点) 而变化的数值和动态曲线。 图2 1 是一个简单的反馈系统。 图2 1简单的反馈回路图 所有的系统都由流位和流率组成，流位是一个累积量，流率是改变流位的流； 流位仅仅因为流的速率改变，不会直接受其它流位影响；流的速率也仅受流位控 制，不会直接受到其它流的速率影响。 ( 4 ) 对模型进行有效性检验，运行模型并分析模拟结果，通过对结果的讨 论，可以发现系统结构的缺陷与不足，确定是否对模型进行必要的修正，然后再 做仿真测试，直至得到理想的结果【1 5 1 。s d 模型也被称为政策实验室，在模型中 可以分析政策或策略。传统上，人们通过试凑法去发现合适的政策，s d 模型的 优化问题是政策优化问题”】。 2 3 系统动力学仿真软件 系统仿真( 也称计算机仿真或计算机模拟) 是通过建立仿真模型，在计算机 上再现真实系统，并模拟真实系统的运行过程而得到系统解的研究方法。作为分 东南人学顾i ：学位论文第二二章系统动力学理论方法 析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，它通 过运行具体仿真模型和对计算机输出信息的分析，实现对实际系统运行状态和变 化规律的综合评估与预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化卸。 由早期单一的d y n a m o 仿真语言发展至今，目前国际上基于f o r e s t e r 提出的 s d 因果关系图与流图进行开发的s d 仿真软件主要有：s t e l l a & i t h i n k , p o w e r s i m ， v e n s i m 掣3 0 】。s t e l l a & i t h i n k 是h i 曲p e r f o r m a n c es y s t e m s 的产品，添加了队列 ( q u e u e ) 、箱( o v e n ) 和传送器( c o n v e y o r ) 三种特殊的原料来建立离散事件 系统建模【3 6 l ，可处理高阶次、非线性、多重反馈复杂时变系统的仿真等【3 7 1 。 p o w e r s i m 是挪威m o d e l ld a m a s 公司的产品，包含1 6 种共1 5 0 多个财务、数学、 统计、控制和图形等方面的函数，支持多用户的并发访问，它的数组处理能力和 工作组支持能力使得它成为连续系统的强大仿真工具。 本文采用的系统动力学专用仿真软件v e n s i m 是美国v e n t a n a 公司推出的基 于w i n d o w s 操作平台的一个可视化建模工具，主要用于商业、科学、环境和社 会系统的建模，在h t t p ：w w w v e n s i m c o m 可下载免费版本，通过使用该软件进 行系统动力学建模、仿真、分析和优化，同时可以形成文档。v e n s i mp l e 版 软件可以辅助完成系统流图，并进一步给出仿真结果，主要有以下特点： ( 1 ) 利用图示化方法进行建模，v e n s i mp l e 版软件是一个基于视窗界面 的系统动力学建模工具，提供了图形编辑环境，通过图形化的系统模拟过程，可 以很方便地仿真研究系统的动态行为。启动v e n s i m p l e 软件后，在主窗口中， 先通过相应的操作按钮画出系统流图，再通过“方程编辑”功能输入方程和参数， 只要模型结构正确，就可以直接模拟得到试验结果。 ( 2 ) 对模型提供多种分析方法。v e n s i mp l e 提供了分析工具对模型进行 结构分析和数据集分析。其中结构分析包括原因树分析“c a u s e st r e e ”( 逐层列 举作用于指定变量的变量) 、结果树分析“u s e st r e e ”( 逐层列举该变量对于其它 变量的作用) 和反馈回路列表分析“l o o p s ”。数据集分析包括变量随时闻变化的 数据值及曲线图分析。 ( 3 ) 有效性检验。v e n s i mp l e 的“a u t o m a t i c a l l ys i m u l a t eo nc h a n g e s y n t h e s i m ”和“r u nr e a l i t yc h e c k s ”功能可以检验模型是否有效。“s y n t h e s i m ” 可以对模型进行敏感性分析，通过图形浏览敏感模块，改变条板的刻数可以改变 东南人学顾l 。学位论文第- 二章系统动力学理论方法 对应的数值。“r u nr e a l i t yc h e c k s ”可以对模型进行真实性检查，允许使用者建 立对于模块有用的语句，系统提供自动测试与确认那些语句是否适当的功能。 ( 4 运行于w i n d o w s 操作系统下，使得v e n s i mp l e 的输出结果比较直 观，便于分析比较。输出兼容性强，一般的模拟结果可以选择保存或复制至剪贴 板等方法输出。 4 东南人学硕二l 岸位论文 第三帝供心链效率系统分析 第三章供应链效率系统分析 在供应链管理的有关文章中经常会提到供应链效率，但至今还没有一个统一 的定义，本章从效率概念出发，根据经济学的效率定义给出了供应链效率的定义。 分析了信息共享模式、库存控制方式和供应链总周期时间会从投入、产出和单位 时间方面影响供应链效率。由于牛鞭效应在大多数供应链中普遍存在，本章还分 析了牛鞭效应对供应链效率的影响和减轻牛鞭效应的主要对策。最后根据建模目 的，确定供应链效率问题的研究边界，设计了模型中的有关