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基于系统动力学模型的核心制造企业库存控制系统仿真研究


机械

2010 年第 9 期 总第 37 卷

现代管理技术

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基于系统动力学模型的核心制造企业 库存控制系统仿真研究
王鹏飞,刘胜
(重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 400030) 摘要:变幻莫测的供应链竞争环境对制造企业的库存管理水平提出了更高的管理需求,为了揭示其库存控制的机理及提 供库存管理决策的实验空间及依据,通过运用系统动力学的理论及方法,对供应链环境下核心制造企业的库存控制系统 进行了研究。结合某润滑装备制造企业的库存控制的实例,构建了库存控制系统动力学(SD)模型。利用 Vensim 对该 模型进行仿真运行, 并对仿真结果进行了深入分析。 为制造企业库存控制提供了一种定量与定性相结合的管理决策方法。 关键词:核心制造企业;库存控制;系统动力学;仿真 中图分类号:F273 文献标识码:A 文章编号:1006-0316 (2010) 09-0039-06

Study on the simulation of core manufacturing inventory control system based on system dynamics model WANG Peng-fei,LIU Sheng
(The State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030, China) Abstract:It is necessary to reveal the mechanism of inventory control and provide space for simulation and scientific basis for inventory management decision-making, so as to accommodate the higher demands for the inventory management of manufacturing based on the unpredictable competition of supply chain. The paper analyzed the core manufacturing inventory control system of the supply chain environment, based on the principles and methods of system dynamics. The model of inventory management system which combines with the actual situation of a Lubrication equipment manufacturing enterprise is simulated on the platform Vensim, and analyzed the results comprehensively. The quantitative and qualitative method of manufacturing inventory management is provided. Key words:core manufacturing;inventory control;system dynamics;simulation

库存控制作为制造企业生产管理活动的重要环 节,其策略的恰当与否直接关乎到企业乃至其整个 供应链的竞争力,这也是企业界及学术界对库存控 制所关注的原因所在。随着市场竞争的日趋激烈、 需求的不确定及产品的多样化,使得制造企业库存 管理呈现出复杂系统的动态行为特征,加大了库存 管理的难度。仅仅注重企业微观的传统库存静态研 究理论,显然已无法满足现代企业管理需求。为此 本文将利用擅长处理高阶非线性动态复杂问题的系 统动力学原理和方法,对供应链竞争环境下的核心
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制造企业库存控制系统进行研究,旨在通过对控制 机理的内部、外部各影响因素及企业的业务流程分 析,为企业制定合理的库存管理,提供科学的决策 参考和依据。

1 系统动力学
系统动力学(System Dynamics,SD)是 20 世 纪 50 年代 Forrester 教授为解决动态复杂性问题而创 立的应用理论与方法,其综合了系统论、反馈控制 论、信息论、决策论、计算机仿真以及系统分析的

收稿日期:2010-03-31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(70601037);教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-07-0908) 作者简介:王鹏飞(1983-),男,山西临汾人,硕士研究生,主要研究方向为工业工程、供应链与物流管理;刘胜(1971-),男,四川遂 宁人,副教授,主要研究方向为企业信息化与网络化制造。

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考虑生产物质延迟;

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实验方法等发展而来。它利用系统思考的观点来界 定系统的组织边界、运作及信息传递流程,以因果 反馈关系描述系统的动态复杂性, 并建立量化模型, 利用计算机仿真方法模拟不同策略下现实系统的行 为模式[1,2]。 系统动力学建模及仿真过程如下[3]: (1)确定系统目标:主要包括预测系统的期望 状态、观测系统的特征,找出系统中的问题所在、 描述与问题有关的系统状态,划定问题的范围和边 界、选择适当的变量等。 (2)分析系统中的因果关系:描述问题的有关 因素、解释各因素间的内在关系、画出因果关系图 和分析反馈环路及它们的作用。 (3)建立系统动力学模型:在 Vensim 视窗界 面中构建流程图,并根据实际问题针对流图中的各 个变量建立结构方程式。 (4)计算机模拟:将方程式和原始数据及相关 数据(变量)在计算机上多方案模拟实验,得出结 果。绘制结果曲线图,修改程序(方程式),调整 数据(变量),进行反复模拟实验。 (5)分析结果:通过对结果的分析,不仅可发 现系统的构造错误和缺陷,而且还可找出错误和缺 陷的原因。根据结果分析情况,确定是否对模型进 行修正,然后再做仿真实验,直至得到满意的结果。

(5)企业内部各库存的仓储能力不限制。

2.1 制造企业库存控制因果反馈关系构建
根据对制造企业的库存控制系统的特征及运作 机理研究,得出系统各个部分的影响因素,并据各 因素之间的关联性,利用系统动力学 Vensim PLE 5.9 绘制制造企业库存控制系统的因果关系图[4,5], 如图 1 所示。

2.2 制造企业库存控制 SD 模型流图
由于因果关系图只描述了库存控制反馈结构的 基本方面,对于系统中状态、速率、辅助变量信息 流、物质流及源汇等各因素变量的不同性质无法区 别,因此本文进一步构造出 SD 模型流图,如图 2 所示,以便更确切地描述出反馈系统的动态性能。

2.3 变量参数定义及动力学方程说明
通过分析以上 SD 模型流图中各个参数变量的 相互关系,可以写出该库存控制模型的系统动力学 基本方程如下: (1)销售率=9+step(8,30),单位:台/天。 产成品市场需求为阶跃函数, 其表示 30 天前的市场 销售率为 9 台/天,从第 30 天开始销售量增加 8 台, 跃升为 17 台/天。 (2)产成品产量=中间产品库存/生产延迟, 单位:台/天。产成品产量为速率变量,它表示在生 产延迟时间内中间产品生产加工为成品的速率。 (3)成品库存=INTEG(产成品产量-销售率, 产成品库存初始量),单位:台。成品库存量是一个 状态变量,它是产成品产量和市场销售率的积分。 (4)成品库存调节率=(期望产成品库存-成 品库存)/成品库存调节时间,单位:台/天。 (5)期望生产能力=成品库存调节率+销售 率,单位:台/天。 (6)目标劳动力=期望生产能力/劳动力生产 率,单位:人。 (7)劳动力调整率=(目标劳动力-劳动力)/ 劳动力调整时间,单位:人/天。

2 核心制造企业库存控制系统 SD 模型 构建
本文所构建的模型是基于市场需求不确定,以 供应链环境下“订单式”生产模式为指导的核心制 造企业库存控制系统为研究对象。 模型具体的条件假设如下: (1)制造企业采取订单驱动式的生产模式,即 企业生产、原材料采购以销售订单来驱动的“拉动 式策略”; (2) 模型中仅考虑某代表性产成品及与之匹配 的一种中间产品、原材料; (3)产成品为独立需求产品,产成品及中间产 品对原材料的相关需求系数相同; (4)企业内部各节点职能部门无信息延迟,仅

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(8)劳动力=INTEG(劳动力调整率,期初劳 动力数量),单位:人。 (9)中间产品产量=劳动生产率×劳动力,单 位:台/天。 (10)中间产品库存=INTEG(中间产品产量- 产成品产量,中间产品库存初始量),单位:台。 (11)原材料需求量=原材料需求系数×期望 生产能力,单位:件/天。最终产成品是独立需求的 产品,而原材料与成品之间存在相关需求关系,为 相关需求物资。 (12)原材料库存=INTEG(原材料入库率-原

材料出库率,原材料初始库存量),单位:件。 (13)原材料采购率=(期望原材料库存-原材 料库存)/原材料采购调整时间+原材料出库率,单 位:件/天。 (14)原材料入库率=Delay1(原材料采购率, 原材料采购延迟时间),单位:件/天。由于存在运 输延迟时间的存在,企业当天收到的入库原材料是 延迟时间之前向上游供应商所采购的原材料,故采 用一阶延迟方程 Delay1(*,采购延迟时间)表示。 (15) 原材料出库率=SMOOTH(原材料材料需 求量,原材料出库平滑时间),单位:件/天。

图 1 核心制造企业库存控制系统因果关系图

出库平滑时间 原材料 出库率 原材料 库存

中间产品产量 原材料需求系数 原材料 需求量

中间产品 库存

成品库存 产成品产量 生产延迟 成品库存调节率 销售率 阶跃 函数 期望生产能力

原材料 采购率

劳动生产率

产成品库存 调节时间 期望产成品 库存

目标劳动力 劳动力 劳动力调整率 劳动力调整时间

原材料采购 原材料 调整时间 原材料 入库率 期望库存 原材料采购延迟时间

图 2 核心制造企业库存控制系统流图

3 SD 模型实例仿真及结果分析
3.1 SD 模型实例仿真
以国内某润滑装备企业(简称 Y)为例。由于 润滑装备的产品特性以及生产成本较高、市场需求 不确定, 使得作为核心制造企业的 Y 亦实行订单 “拉

动式”生产策略,库存管理模式也与本文所构建的 库存控制模式基本一致。进一步选取 Y 企业具代表 性的某型号高压稀油站产成品及其相关需求的原材 料部件壁式水冷器为研究对象,结合 Y 企业相关数 据,输入该库存控制 SD 模型进行仿真分析。 现对模型运行环境参数及主要变量参数进行赋

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值如下:

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(14)原材料采购延迟时间=2 天; (15)原材料出库平滑时间=5 天。

(1)INITIAL TIME=0;TIME=300;STEP TIME=0.25; (2)产成品库存调节时间=2.5 天;(3)成品 库存初始值=24 台; (4)期望产成品库存=30 台; (5)生产延迟=2 天; (6)中间产品库存初始量=19 台; (7)原材料需求系数=4; (8)劳动力调整时间=3 天; (9)劳动力初始量=89 人; (10)劳动生产率=0.15 台/天·人; (11)原材料库存初始量=18 件; (12)原材料期望库存量=20 件; (13)原材料采购调整时间=2.5 天;

3.2 SD 模型仿真及结果分析
(1)产成品销售率阶跃变化的仿真分析 在市场需求发生突变,销售率呈阶跃增长时, 制造企业库存控制 SD 模型仿真结果如图 3 所示。 可以看出:在第 30 天销售率突然增加后,产成品库 存、中间产品库存及原材料库存,前 100 天均出现 较大幅度的波动,其中,产成品库存及原材料库存 急剧下降、中间产品库存量增加。库存控制系统在 综合销售、生产、库存等因素后,进行反馈调整生 产,各库存波动逐渐收敛,150 天后各库存量趋于 稳定。综合以上分析可知,本文构建的制造企业库 存控制 SD 模型与真实系统的动态行为模式相符。

图 3 库存控制 S.D 模型仿真结果

(2)改变劳动力调整时间的仿真分析 制造企业生产能力受原材料供应、劳动力、技 术进步、机器设备等多种因素影响,结合 Y 企业实 际情况,所构模型仅将劳动力的增减作为调整生产 能力的主要途径,以便于模型的建立。其它影响生 产力的因素,也可以参照分析劳动力因素的方法来 进行研究。 为了更好地对所建模型的结构进行合理检测, 在其它变量参数及基本假设均不变的情况下,现对 模型中的可控决策变量进行调整并仿真,以研究其 对产成品库存和中间产品库存的影响。当劳动力调 整时间为 2 天时,其成品库存、中间产品及原材料 库存仿真结果如图 4、图 5 所示。可知:在缩短劳

动力调整时间后,成品、中间产品及原材料库存的 调整衰减震荡周期缩短,振幅减小,在第 120 天各 库存调整基本结束,并进入稳定状态。 (3) 改变成品库存调整时间及原材料采购调整 时间的仿真分析 当模型中成品库存调整时间分别更改为 2 天、 4 天时分别进行仿真运行模拟,并与原模型中成品调 整时间为 3 天的成品库存仿真结果进行比较,见图 6 所示。可知:随着库存调整时间的缩短,库存调 节的震荡幅度,震荡调节频率反而加大,总的库存 调节时间延长,故作为制造企业管理者过快的调整 库存易引起较大的波动。

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图 4 成品库存仿真结果对比图

图 5 中间产品及原材料库存仿真结果对比图

图 6 成品库存仿真结果对比图

图 7 成品库存及原材料库存仿真结果对比图

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图 8 原材料采购率仿真结果对比图

当模型中其它条件不变,原材料采购调整时间 分别替换为 2 天、4 天时,通过对其各自仿真结果 中成品库存、原材料库存进行对比,如图 7 所示, 可知:原材料采购调整时间的变化对成品库存的影 响不大,而调整时间越短,原材料库存调整的波动 幅度越小。从图 8 中可以看出,原材料的采购调整 时间对原材料的采购率无太大影响。

能较好地反映实际系统,企业管理者可通过尝试各 种不同的现实模拟策略,来寻求控制库存波动的优 化参数、系统结构及有效策略,为生产企业管理者 的决策提供了实验空间及可靠依据。

参考文献:
[1]王其藩. 系统动力学 (修订版) [M]. 北京: 清华大学出版社, 1994. [2]苏愗康. 系统动力学原理及应用[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1988. [3]桂寿平,朱强,等. 基于系统动力学模型的库存控制机理研究[J]. 物流技术,2003,(6):17-19. [4]陈虎,韩玉启,王斌. 基于系统动力学的库存管理研究[J]. 管理工 程学报,2005,19(3):132-140. [5]于洋,杜文. 基于系统动力学的供应链库存管理研究[J]. 商业研 究,2008,(375):78-80.

4 结论
本文运用系统动力学理论方法,并结合某润滑 装备制造企业的库存控制实际情况,对供应链环境 下的核心制造企业的库存控制系统进行研究,建立 了库存控制系统 SD 模型, 运用 Vensim 软件进行了 仿真模拟及结果分析。由仿真结果可知该 SD 模型

高科技产品:空中键入界面
计算机图形学年度会议 Siggraph 于 8 月底落下帷幕,此次 Siggraph 盛会新技术单元共有 23 件展品,空中键入界面便是其 中之一。 虽然并不是每一个人都会注意到它们,但在手机触摸屏上 不断堆积的指印确实令人非常讨厌。 一种让触摸屏保持清洁的方 式就是随身携带一块清洁布,随脏随擦。另一种更为理想的方式 便是在敲击键盘的时候不触摸屏幕。 借助于一种新型用户界面——空中键入界面,用户可以在 键盘上方完成输入过程,无需直接触碰键盘。这个系统装有一个 微型摄像头,镜头采用广角镜头,同时借助软件精确锁定指尖在 空中的位置。 空中键入界面需要手机安装额外的硬件——安装在 手机底部一个大约 2 英寸(约合 5 厘米)宽的扩展内。 Siggraph 2010 新技术单元负责人史密斯说: “你只要把手指 放在手机上方,手机立即就能探测到指尖的位置,同时对这个设 备进行校准。此时,你便可以在键盘上方选择自己需要的字母, 完成输入过程。” 考虑到触觉反馈在快速输入过程中的重要性, 研究人员在显 示屏背部安装了一个马达。这个马达会在用户“敲击”一个按键 时短暂振动, 给用户反馈。 目前, 这一系统还只能识别一根手指, 因此对习惯于“一指禅”的用户再合适不过。史密斯对这项研究 成果的未来应用前景非常乐观。他说:这只是第一步。多年来, 我看到太多的‘第一步’准备在 5 年内走向市场。类似这样的事 情很多,这项技术将成为其中之一。
(信息来源:http://tech.qq.com 下载时间:2010-09-14)


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