分销模型——特别关注全球供应链模型.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632European Journal of Operational Research 98 (1997) 1-18战略生产-分销模型:特别关注全球供应链模型 Carlos J.Vidal & Marc Goetschalckx（牟德一编译）摘要 广泛综述了战略的生产-分销模型。分4部分：过去的评述、优化模型、建模的补充说明与案例研究和应用。重要部分是混合整数规划（MIP）模型，重点放在模型中相关因素的确定、解法特点与计算过程。同时，给出一简表描述了所述的各模型的主要特征。特别关注全球后勤系统模型，指出其不足以及今后研究的方向。关键词：分销；战略生产-分销模型；全球供应链建模；全球后勤系统。1引言 关于生产-分销系统的分析与设计，大多数仅涉及单个环节，如，采购、生产计划、库存、仓储或运输。很少见到将单个环节集成为完整供应链的研究。 另一类研究考虑系统的两种不同的功能的协调问题（Thomas and Griffin（1995）他们将协调问题分为三种类型：买与卖、生产与分销、库存与分销。Bhatnagar(1993)给出了类似的分类。 计划的三个水平可按时间长短予以区分为：战略、策略与运营，时间分别战略为一年以上、运营一天、策略介于之间。如运输问题的运输方式选择、车辆大小、运输计划。 最重要的战略问题是完整供应链的优化。一个供应链的战略设计需考虑确定：l 制造厂、仓库的数量、选址、能力与类型； l 供应商的选择；l 运输渠道；l 在供应商、工厂、仓库、用户之间的原料与产品的生产与装运数量；l 原料、中间产品、最终产品在库存计划中不同地点的存放。 许多模型已作了供应链的战略设计。我们称这些模型为“战略生产分销”模型。本文的目的之一是综述并将其分类，重点是MIP 模型。在经济日益全球化的今天以及伴随全球后勤管理作为一种新方法的出现，这些模型在全球后勤系统设计(GLS)中的作用举足轻重（见Vidal 1996）。图示。将讨论本地与国际（全球）模型的区别。 全球模型较之本地模型解决起来复杂与困难得多。如，不同的税收政策、汇率、贸易壁垒、退税等，以及一些不确定性，基础设施、政局稳定等。2文献的评述 本节分4部分，可能有遗漏但包括了在构造供应链过程中的主要方面，特别强调全球供应链，最重要的部分是MIP模型的主要特点，包括目标函数的确定、约束条件、解法特点与计算过程。不同于MIP的模型，如Burns (1985)、Cohen (1988)，作为对比，也介绍了它们的假设、计算过程以及在国际供应链系统中的应用。21过去的评述 Aikens (1985) 主要设施选址模型的评述。从简单到复杂。在分销模型中较少考虑随机需求。Aikens称这并非是一个严重的缺陷，因为用一个确定性模型预测需求价格在多数情况下是正确的。此外，作者指出，动态多产品问题与边界约束条件的考虑是今后最看好的课题。 Bhatnagar (1993) 对多工厂协调的模型的评述。定义了两个水平，“一般协调”和“多工厂协调”。 “一般协调”问题的三种类型：供应与生产活动、生产与分销以及库存与分销之间的协调。“多工厂协调”主要涉及生产计划、“灵敏性”(nervousness)、规模划分(lotsizing)与库存安全的满足等问题。 Geoffrion & Powers (1995) 讨论了20年来战略分销系统的演变。涉及起团队作用的后勤、计算机通讯技术、算法、数据采集与管理的工具、模型特征、软件性能以及公司如何利用软件设计分销系统。指出了若干与数据有关的理论课题，如 ，产品与用户的归并（aggregation）、库存函数的线性化、运输比例中的差错的影响等将是今后的研究方向。涉及算法，Benders分解法、因子分解法，并作了比较。涉及国际模型，作者强调，需涉及专门的金融及有形的数量在模型中，税收、退税在国际分销模型中起重要作用。涉及数据管理，包括数据的采集、换算及其有效性的确定。其方法的选择是战略国际后勤模型的成功应用的关键。主要问题是“applicationspecific details”。基于数据库的SQL对于数据采集呈现出很多优点。Thomas and Griffin (1995) 对涉及协调的文献作了广泛的评述。今后研究课题：非线性运输成本的建模、生命周期约束、一般国际供应项目、国际问题中的第三方以及供应链内部的分界点的确定等。Slats (1995) 对后勤链的特征进行了描述，重点最新技术发展上，如，EDI、PDI 。这些技术可改进对供应链中的信息流的控制。OR、MS 技术，如，数学规划、启发式算法和模拟等。应用分析模型的缺点，如为使问题易于求解而作了不切实际的假设与忽视了不确定性。为克服之，有必要建立一个试验环境“后勤实验室”。Verter and Dincer (1995) 讨论了多国机构的设施选址问题。“制造战略”与其他战略及其交互作用构成了确定一个公司的全球框架的核心部分。而生产分销网络是构建全球供应链框架的有效工具。多数模型重点在选址与分配决策的优化，而忽视了重要的结构方面，如性能和制造设备的技术含量。未涉及全球市场的不确定性，如汇率与价格的变化。提及了选址与资金决策之间的交互作用的模型。 结论，关于国际的战略生产分销模型的研究文献十分有限。现有的模型的结构方面的可行性问题值得研究。都未提及全球环境的动态性质，作者指出特别需要研究的是：l 包括一个公司的核心能力，如质量、柔性和交货状态；l 在全球供应链结构决策中考虑全球协调；l 包括竞争对手的作用与政府的政策、法规；l 研制更有效的算法，以结构决策变量的方式得到最优结构。22、优化模型221、 MIP模型 Geoffrion & Graves (1974), 在一个多产品单时段的生产分销问题中，最早用MIP解决这类问题，基于Benders分解算法求解。之后，一直用 Benders分解算法求解这类模型。但如今正在被其他方法取代，如因子分解法（Brown & Olson 1994）。 由Geoffrion & Graves 建立的模型描述了一个涉及几个已知性能的工厂、分销中心和消费群的生产分销系统。目标函数中包括固定的和可变的（线性）成本，DC、生产成本和线性的运输成本。约束条件包括工厂的性能、用户的满意率、用户区域的单个来源、DC中产量的范围和线性结构约束（二进制变量，逻辑变量）。 主要贡献是解法。简言之，一些二进制变量用解“主问题”法暂时固定，接着，余下的问题可以化为一系列传统的运输问题，每次针对一个商品，这一过程是迭代的并且在完整问题的最大、最小边界之间发展，当最大、最小边界的差距小于或等于指定值时，终止。 Geoffrion (1978) ，对基于分解算法技术的战略生产分销系统计划提出了一个现状报告，1982年给出了修改稿。 Cohen & Lee (1985) ，PILOT 生产分销模型。确定最小成本的数学规划，非线性目标函数，Geoffrion(1974)模型的推广。进一步包括了工厂的开设与关闭、伴随的生产计划决策和原料与中间产品的物流。其解法是嵌入在一个大型电脑化的制造计划支持系统（MPSS）的一个启发式算法。 Hodder & Dincer (1986) ，含资金内容的国际工厂选址模型。考虑到了汇率的变化、市场价格、国际利润率和在随机环境下的固定成本。生产成本、运输成本、进口关税、出口税隐含在净值的税收计算中。目标函数为税后利润的期望值与随利润变化具风险因素的结果之间的差异。约束条件包括工厂的性能、市场需求的上限、资金上的限制和决策变量的限制。大规模的非线性MIP，求解近乎不可能。设计了近似算法，1,600个连续变量、20个整数变量 。DEC上CPU时间7分钟。未考虑多产品、运输渠道、供应商、多级DC、内部转运和库存成本。 Brown (1987) 给出了多商品的MIP模型，用以确定工厂的开/闭，每个工厂生产的商品和递送给每一用户，设备分配NABISCO。 可变的生产和装运成本，固定的设备分配成本，固定的工厂运营成本包括在目标函数中。约束条件，用户需求满意率，平衡约束，多产品能力约束，分配工厂的设备最大量以及每一设备在每一工厂的生产产品数量的上界。模型的求解，用到了类似于Geoffrion(1974)的一个分解算法，将生产目标约束加入主问题。这些约束以一个小的线性惩罚费用加入，依作者称，使用目标对分解算法的性能有十分严重的影响。Cole(1995)的主要工作，考虑正常需求和基于安全库存随机用户服务与仓库选址，用户分配、运输渠道选择，在Cole的模型中当安全库存用很大时，其作用明显。 Cohen (1989) 区别于单一国家的国际供应链模型。考虑了税收、关税、不同的税率、货币汇率的随机波动和地方法规。动态的、非线性MIP模型。该模型的主要贡献是明显包含了卖方供应合约，即固定的卖方成本与订合约，以及地方限制。汇率的随机波动虽被提及但未包含在模型中，这是因为一旦加进去，模型会变得难以求解。见Hodder(1986)。使用启发式算法求解，先固定交换成本与分配经营开支变量，使得模型转换为易处理的线性MIP模型。求解之后，资金变量的最优值便得已确定，过程重复进行直至获得可接受的解。此模型的某些变形已有很成功的应用结果。Cohen & Lee(1989) 单一时段的多商品模型，为一个国际公司分析了资源配置决策问题。是上述模型Cohen(1989)的简化。考虑了税后利润 的最大化，包括可变的生产、采购成本、运输成本、固定的组织与仓储成本和固定的卖方成本。约束条件：工厂的生产性能、每个工厂（主要部门和辅装配线）的物料需求、工厂与DC之间的平衡约束、需求限制、可行流约束（系统结构约束）、供应商的性能和交易要求。顾及公司的国际间的相互作用，后者表示一些国家之间的协议。该模型在特定时段相继运行以反映不同时段的特点。不同组的二进制变量的值确定以分析多种情况，进而，LP问题得以解决。1,500个连续变量，3,000个约束条件，计算过程与时间未提及。Cohen & Moon(1991) 混合整数多产品模型。寻求内地的原材料流、生产线的分配、生产规模以及在生产分销系统中销往外地（国）的最终产品流的确定。主要贡献：针对求解带有分段线性凹生产成本函数的一些生产分销系统提出了一种算法。也有局限。作者称，除非是一个特殊结构，全球优化算法是不可能得到的。求解用到了常见的Benders分解技术的一个变形。求解了一个带60个二进制变量和204个连续变量的小问题CPU49秒。Cohen & Kleindorfer(1993) 全球公司运营的一个标准模型框架，Cohen 等（1989）的工作的推广。选址、性能、产品混合、物流和资金流方面的特征作为决策变量。其结构：一个主问题、一个单时段随机规划的子问题与一组子模型组成。其中主问题是一个多时段的随机规划。一组子问题是两个规划之间的相互作用，如，随机供应链网络模型，资金流模型，随机交换率模型，价格/需求模型。作者称，模型的几个版本已获得成功或正在试验中，如上述的Cohen & Lee(1989)。该模型在不同场合的应用研究正在进行，然而，文中没有数学的推导与信息。Brown & Olson(1994) 新的数学结构，动态的行因子分解法，用于LP的基的特殊结构的确定。应用于两个模型，1、OPS，类似于Geoffrion & Graves(1974) 的问题。多商品单时段模型。2、DEC. Arntzen(1995)下面讨论。对这些模型，因子分解法的应用显示出很好的前景。Goetschalckx (1994,1995) 战略生产分销系统的通用模型。他们试图打破用户设计模型、解法技术与通用模型生成器（如，GAMS & AMPL）之间的一种平衡（僵局）。算例显示，时间较之一个商业的标准MIP解法较少。Arntzen (1995) 全球供应链的多时段、多商品的混合整数模型的优化。目标函数：可变的生产、库存、装运成本，固定的生产、生产方式（风格）的成本与为重新出口的产品赚取的信用贷款的节余。目标函数中的所有成本加以权因子，而生产、运输时间加以权因子1。成本与时间的单位度量不同，如何处理文中未讲。约束条件：用户需求满意率、物料平衡、全球物料清单(BOM)、设施的产量、性能、系统结构限制、决策变量限制、汇率、地方法规、退税、税收信誉。主要贡献，包括了汇率、地方性内容、全球税收、BOM约束。作者称，已解决了一些模型，从2,000到6,000个约束，5,000到20,000个变量，其中数百个二进制变量。他们称，用“非传统”方法，如弹性约束、行因子分解、分级法、约束分支枚举，可以得到给人印象深刻的结果，并且总能得到最优解。Cole(1995) 战略库存选址、分配系统（SILAS），多商品、多级、单时段混合整数模型，求最优的战略生产分销系统。主要贡献：CPLEX、模拟。 目标函数：约束条件：三个算例，最大的有2297个约束条件，2907个变量（其中887个二进制），用CPLEX 593秒。Vidal & Goetschalckx(1996) 在战略生产分销模型中，第一个试图包括供应商的可靠性。最小的例子，450个变量、510个约束，展示了在GLS框架中的不确定性的影响。用到了商业建模语言和解法。IBM RS6000用时15秒。222、其他优化的研究思路未用到MIP的其他一些优化模型。Burns(1985) 从一个供应商货运至多个用户的货物分销优化问题。比较了两种模型。Cohen & Lee (1988) 一组随机子模型，包括物料控制运营、一系列生产过程、最终产品库存、一个分销过程。这些子模型用一组变量彼此联接。在一些假设下，子模型可以相互独立地得到优化。然而，最终的优化问题难以求解，因此，作者用了一个启发式算法得到好的运营策略。未考虑设施选址、性能计划、技术选择。虽然这种方法在GLS的设计中有局限，但它似乎是Cohen & Kleindorfer(1993)的标准模型框架中的一部分。在以上MIP模型中，Cole（1995）唯一明确包含了随机安全库存作为服务因素，在单一国家的环境中似乎是最好的模型。Arntzen（1995）模型是国际供应链方面最好的。23建模的补充说明许多研究虽未给出模型，但描述了构建过程中的重要方面。在全球模型设计中，严格要求将供应商与用户归并到某种“域”（zones）中、将产品归并为一组。Geoffrion(1977) 给出了，当分析人员想将项目的子集组织在一个后勤设计模型中时，如何得到供应商归并的合适方法。Geoffrion & Powers(1980) 解决综合的分销计划问题时，对优化能力的需要的主要理由。模型的柔性，各种“what if”问题。Lee & Billington (1992) 介绍了供应链管理中的14种缺陷及其案例，并提出了改进的方向。Ballou (1994) 在选址问题上的用户归并时，分析人员采用手段的重要性。列举了两个错误的原因。24案例研究与应用许多报告将战略生产分销模型用于实际的后勤设计案例中。对了解问题的规模、计算时间方面非常有用。然而一般没有比上述更新的特点，或所述模型没完全描述出来。如，。大量文献涉及全球供应链设计与协调的管理上的方法。一些侧重特殊的课题，如，战略联盟、全球资源或汇率波动。另一些对国际供应链情形的决策作了集成分析，给出了简要范例。Kogut(1985) 作为对汇率的波动、政府政策的波动与竞争趋势的复杂性的反应，讨论了一个全球公司的柔性的重要性。Lessard & Lightstone (1986) 和 Carter & Vickery(1989) 关于汇率波动的更详细的分析。描述了多国公司的运营exposure风险以及包围和管理这些exposure 的可能的方法。Ohmae(1989) 讨论了作为在激烈竞争的国际市场获胜的基本手段，战略联盟的基本特征。Fagan(1991) & Monczka & Trent (1991)给出了全球公司的资源的有利方面，相反，Davis (1992)讨论了不便利和可能的负面效果。Fawcett(1992) 讨论了集成，提出了具有协调结构的战略后勤对于全球制造战略的有效管理的重要性。Min(1994)在国际采购情形下基于多项标准的供应商的选择，给出了一种通用的分步方案。Klassen & Whybark(1994) 在国际环境下如何对制造运营的有效管理的主要障碍的确定和分等。Goldsborough(1992)关于全球后勤管理的完整的分析，比较了本地与国际后勤，描述了全球信息系统和决策支持系统（DSS）的基本的因素。Bartmess and Cerny(1993)说明了基于传统方法（强调直接劳动力成本）与基于公司核心资产的选址决策的根本区别。与此类似，Mac Cormach (1994)强调了基于关键数量因素的国际选址决策的重要性，如基本设施与管理项目取代了仅依据成本因素。作者给出了对选址决策的四种状态的决策过程。这篇文章说明了管理决策与MIP模型合作的重要性。经理列举出基于数量与质量标准的一个可行选择范围，MIP用来在各种选择中选出最好的结构。2-5、已有全球供应链MIP的评注根据上述评述与我们的了解，关于全球供应链系统的战略设计的MIP模型非常缺乏，事实上，在最新的一篇评述（Vetter and Dincer(1995)）文章中，涉及国际环境的战略生产与分销模型的文章十分有限。Fawceff(1995)具有同样的观点。表2给出。3特征不全与研究机会通过分析两张表可得出结论：很少考虑重要的随机因素，如用户服务水平和交货时间。另外，多数未包括单一来源、库存成本和BOM约束，而后一种特征对装配系统是基本的，尤其是当不同部件不自几个不同的国家装配成产品的情形。虽然Cohen and Kleindorfer(1993)的唯一模型涉及了多数方面，但作者未给出数学上的推导。他们模型的专门应用通过假设而转换成更易控制的但缺少一般性的模型。Srntzen(1995)的模型，虽也涉及国际项目，然而，是一个完全确定模型，在目标函数中两个不同的性能指标不清楚。最有意义的模型之一Cole(1995)但未包含国际特征并且忽视BOM约束。基于以上考虑，我们宣称，研制更广泛的全球供应链模型存在着许多机会，包括BOM约束，更多随机因素，在全球环境中很重要的数量方面。特别的研究方向如下：l 明确包含更多随机特征；l 在卖主与运输渠道选择中，考虑卖主与运输的可靠性；l 用户服务水平列入约束集；l 在国际供应链中潜在的规模经济的建模；l 定性因素的模拟，如一个国家的基本设施；l 按国家对产品区别；l 对不同国家的恰当的过剩能力的确定；l 商品流、资金流和信息流的协调；l 联盟与多公司网络结构的建模；l 专门的解法的研制。 构造一通用、单个模型集成所有方面几乎是不可能的。从表1、表2、可看出，被某种模型考虑到的因素而被其它的模型所忽视，反之亦然。由此，对于GLS的设计，我们需要一组相互关联的子模型作为通用DSS的一部分，这些子模型必须具有一致性。每个子模型重点代表几个因素，但它必须足够灵活以便于与其它子模型相关联。这一概念在Slats(1995)文中以“后勤实验室”的术语作了基本的陈述。其中包括优化工具、启发式算法、模拟性能。按这一观点，Cohen and Kleindn(1995)的模型框架代表了为GLS设计获得有效战略模型的未来的方向。很明显，在这部分，优化模型的角色对于为管理决策提供有效的支持手段是关键的。然而，我们也发现文献中冲突的观点。一种观点，Cleares and Mesch(1996)传统优化技术在不确定性与多目标的设计中的重要性，指出OR起作重要的作用。另一种观点，现今的数学模型对支持改进是非常局限的。 与此相反，Slats(1995)，OR在支持再工程过程中是不可缺少的，并且分析了集成结果和新技术的使用。他们称对OR的挑战是要求研究出有效的能被管理上接受的决策支持工具。举例，其它作者，称OR/MS技术在商业再工程（重组）中起关键作用（Cypress(1994)）。进一步Slats称，信息技术，通信信息学的最新进展，使得OR模型更乐观地应用于商业过程的实时控制中。