供应链环境安全库存优化配置研究.docx
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供应链环境安全库存优化配置研究
供应链环境安全库存优化配置研究.txt54就让昨日成流水,就让往事随风飞,今日的杯中别再盛着昨日的残痕;唯有珍惜现在,才能收获明天。
供应链环境安全库存优化配置研究
库存控制是供应链管理研究的重要内容,自1915年..Harris首先提出经济订购批量模型(Eco—micOrderQuantity,EOQ)以来即受到广泛关
注E,取得了丰富的研究成果.供应链管理模式
下的库存管理目标是实现供应链企业的无缝连接,
消除供应链之间的高库存现象,乃至实现零库存.
但是在实践中,由于供应链中的库存存在的原因多
种多样,尤其是供应链中普遍存在着不确定性,所
以实现供应链的零库存并不现实.作为应对供应链
不确定性的一种重要方法,设置安全库存对于供应
链的成功运作具有举足轻重的作用.
本文试图从安全库存的概念出发,论述设置安
全库存的重要性;根据供应链级问服务时间(即补
货提前期)是否确定、供应链拓扑结构的不同、不确
定性来源的不同以及研究主题是否单一等情况,从
四个不同的角度对已有安全库存的研究成果进行
分类与归纳;并据此从研究目标、研究对象特征、优
化模型及其求解方法、研究局限性等方面对其国内
外研究现状进行分析与评述;最后,从研究主题、对
象和方法等方面指出安全库存优化配置的未来研
究方向.
1安全库存及其存在原因
供应链不确定性的存在不可完全避免,对此有
两种解决方法:
第一,信息集成,加大供应链上的信
息交流与共享的广度和深度,信息集成程度越高,
就越能有效地降低供应链上的库存成本,就越能在.
更大的程度上提高供应链的服务供给能力;第二,
在供应链上设置必要的安全库存,这样的安全库存
能够有效地弥补信息集成发展的阶段性和不能完
全消除供应链上不确定性的弱点.安全库存(Safe—..
tyStock),又称缓冲存储量(Buf
ffer),是指在给定
时期,为了满足顾客需求而保有的、超过预测数量
的库存量,它作为一种缓冲器用来预防由于自然界
或环境的随机干扰而造成的缺货..].
由于供应链中的企业是具有自主权的利己实
体,它们以最大化自己的利润为目标,信息集成必
然会受此限制,只能通过努力达到一定水平.因此,
安全库存作为应对供应链不确定性的一种有效手
段,不可或缺.在恰当的时问,恰当的地点,设置恰
当数量的安全库存,可以最大限度降低由于供应商
不确定性引起的供应数量短缺或时间延迟,由于生
产者不确定性导致的产量不足,由于顾客不确定性
发生的大量突然订货或需求预测偏差等因素的不
利影响,乃至消除这些不确定性因素的影响,因而
在满足应有客户服务水平的前提下降低成本,提高
效率.
与安全库存相对的是安全提前期(Safety
LeadTime),也称为安全时间(SafetyTime),是指
在一定环境下,为了应付需求的时间提前或供给的
时间延迟而比预测计划提前进行采购和生产的时
间提前量..].研究表明,只有在时间不确定(而不是
数量不确定)情形下,安全提前期策略优于安全库
存策略;在其他情况下,安全库存一般比安全提前
期更有效L3J.
2安全库存研究分类
对安全库存进行的专门研究可追溯到二十世
纪六十年代..],从内容上讲,安全库存研究包括以
下方面:
是否需要设置安全库存?
若需要安全库
存,应该在何时设置?
在何地存储?
存储多少?
从
研究对象和研究方法看,根据不同的标准,可以进
行不同的分类,如表1所示.
2.1供应链级间服务时间分类法
根据所讨论的供应链内部各级之间的服务时
间(补货提前期)是确定的还是随机的,可将安全库
存研究分为保证服务模型(GuaranteedService
Mode1)和随机服务模型(StochasticServiceMod—..
e1)l1.保证服务模型和随机服务模型都假设供应
链为分散控制,每个节点根据自己的供给和需求进
行安全库存配置,并没有一个中心协调和控制节
点,但这并不意味着是局部优化,而目的是使整个
供应链的安全库存成本最优.每个阶段均采用基本
库存策略(bs—tcoiy,
aesokplc)库存检查周期相同.
各个时间段的需求相互独立,已知其均值和方差.
保证服务模型的关键假设是需求有界,或者是
供应链只愿意以安全库存来满足在某个范围内的
需求(超过该范围的需求将通过其他方法进行处
理).这种模型的关键是确定每个阶段的服务时间
以在满足最终客户需求的前提下使整个供应链的
库存成本最小.对外部客户的服务时间为模型的外
生输入量;供应链内部各节点之间的服务时问可以
作为模型的输入量(当用于评价供应链绩效时),也
可以作为决策变量(当用于优化成本时).当用于绩
效评价时,则在给定服务时间时,求得库存量或成
本;当用于成本优化时,则通过求得适当的服务时
间以使供应链总的库存成本最小...
SimpsonI4首先对流水型供应链的保证服务
模型进行了讨论,通过确定节点的服务时问来确定
安全库存位置,用枚举法求解.得到的结论是最优
策略是“—rntig策略,
al
llo—ohn”节点的出货服务时间
要么等于零,要么等于其进货服务时间与生产时间
的和,即节点要么具有充足的安全库存,要么不保
留安全库存...mb5研究了单阶段情形假设需
Kial
llll],
求随机但有界,得出基本库存水平是净补货时间..
(即进货补充时间生产时问一出货服务时间)内
的最大需求量.Inderfurthl7假设最终需求服从正
态分布,以安全库存持有成本最小为目标,首先对
流水型供应链问题建立动态规划模型,在得出最优
解的“al
llo—nohin”
—rtg特性的基础上用逆序法求解;
再以流水型供应链的求解结果为基础,对发散型供
应链情形同样用动态规划求解.Minnerl8假设需
求为正态分布且与时间无关。
所有缺货均延迟满
足,给定两种类别的服务水平,以库存平均持有成
本(近似为安全库存持有成本)最小为目标,对流水
型、发散型和会聚型情形均用动态规划求解.In—..
derfurth和..Minner_9讨论一般网络型供应链,主
要工作是:
第一,提出了净补充时间的概念;第二,
发现会聚型供应链的节点在两种不同服务水平下
的补充时间均是其上游节点服务时间和提前期的
第4期岳超源等:
供应链环境安全库存优化配置研究..525
某种组合.Graves和..wil
llems[1o]发现一般网络型
供应链的安全库存问题是一个多面体的上凹最小
化问题,对于生成树结构的网络给出了一个动态规
划解法,在伪多项式时间内求得结果.
随机服务模型的关键假设是各阶段对所有需
求情形的服务方式相同,即无论库存是否充足,每
个阶段都以一种既定的方式运作,库存是应对其供
应和需求不确定性的唯一手段.每个阶段的库存水
平依赖于它的补充时间.这种模型的关键是描述每
个阶段的补充时间,因为每个阶段依赖于多个具有
不确定性的供应者.对外部客户的目标服务水平为
模型的外生输入量,一般由市场情况决定.供应链
内部各节点之间的目标服务水平可以作为模型的
输入量(当用于评价供应链绩效时),也可以作为决
策变量(当用于优化成本时).当用于绩效评价时,
则在给定目标服务水平或安全因子时,求得库存量
或成本;当用于成本优化时,则通过求得适当的目
标服务水平或安全因子以使供应链总的库存成本
最小...
Lee和..Bil
llington_13_以惠普打印机供应链为
例,建立单阶段和多阶段随机服务模型.对于单阶
段情形,假设需求服从正态分布,给定目标服务水
平,得出基本库存水平为补货提前期(包括实际生
产时间、运输时间以及由于故障或缺货所引起的随
机延迟)的函数.将需求由最终节点简单地向上游
节点传递,便成为多阶段模型,最终节点的目标服
务水平为输入量,其他节点的服务水平或库存水平
为决策变量,通过启发式搜索算法求得各内部节点
的服务水平或库存水平以满足给定的最终节点的
目标客户服务水平.Glas
sserman和..Tayur在文
献[13]的基础上引入生产能力约束,因此要求节点
采用改进的基本库存控制策略,即采购量为使库存
达到基本库存水平的数量与最大生产能力两者之
间的最小值.他们基于无穷小扰动分析得到所需库
存量对基本库存水平的导数估计值,然后利用这些
估计值生成成本函数的梯度,再用基于梯度的搜索
方法得到最优基本库存水平.Et
ttl等人口对文献..
[13]进行了扩展:
对于单阶段区分了名义提前期和
实际提前期,当发生缺货时,实际提前期会超过名
义提前期.在假设任意时刻最多只有一个供应商发
生缺货的基础上,基于所给定的每个供应商的目标
服务水平给出缺货概率的近似表达式.然后用..M/
M/oo模型得到由于缺货所产生的时间延迟的范
围,进而对实际提前期进行描述,由此得出基本库
存水平.同样地,他们也讨论了多阶段情形,以供应
链总库存成本(包括安全库存和循环库存)最小为
目标,每个节点的安全因子(或服务水平)为决策变
量,通过求成本函数对安全因子的偏微分,采用共
轭梯度法求解所生成的非线性规划问题...
2.2供应链拓扑结构分类法
根据所讨论的供应链拓扑结构的不同,可分为
流水型(sra1)发散型(diegn)会聚型(cn
ei、vret、o—..
vergent)和网络型(networked)四种.流水型是指
供应链的中间节点只有一个相邻上级节点和一个
相邻下级节点;发散型是指供应链的中间节点有一
个相邻上级节点和多个相邻下级节点;会聚型和发
散型相反;网络型是前三种的组合.网络结构越复
杂,问题建模及求解难度越大.
除文献[4,7,8]外,Inderfurthr1]也研究了流
水型多阶段制造系统中最终产品需求互相关以及
各时间段需求自相关情形下的安全库存优化配置
问题,采用保证服务模型,发现需求的相关性对安
全库存配置的影响很大;他对发散型情形也进行了
类似讨论.余祖德等口针对供应商生产能力受限
的多级流水型供应链,对订单处理采用先到先服务
和占优服务策略两种情形,用排队论和概率论方法
计算提前期,从而确定安全库存量.Grubbstr6mI】
对内部结构为会聚型的多级有限时间段..MRP系
统,假设不同级按不同的批量生产,累积产量服从
阶梯分布,外部需求服从更新过程,不考虑生产能
力约束,利用拉普拉斯变换确定产品的生产时间及
数量以最大化现金流的净现值.Graves和..Lesna—..
iar2对一般网络型供应链,利用保证服务模型,
假设需求上界为凹函数,先得出最优解的必要条
件,再用分枝定界法求得级间服务时间以使供应链
安全库存持有成本最小...
2.3供应链不确定性来源分类法
根据所讨论的供应链不确定性来源的不同,可
将安全库存研究分为:
供应不确定、生产不确定、需
求不确定以及同时存在两种以上不确定性的情形.
保证服务模型及其他大部分研究属于需求不确定
模型;随机服务模型同时考虑供应和需求不确定
性;对生产不确定性主要集中在对不可靠生产系统
的研究,其中有的还将安全库存与维修决策同时
考虑...
Tal
llon[2]对提前期与需求均随机的情形,讨
论了需求的聚集效应,发现将库存聚集可以减少安
全库存量.Chopral2对于提前期服从伽玛分布的
两级供应链,讨论了安全库存与提前期之间的关
系,发现当周期服务水平在50和某个数值之间
华中师范大学学报(自然科学版)第..42卷
时,减少提前期不确定性反而会增加安全库存水
平,因此在此范围内应该减少提前期而不是降低提
前期不确定性;Wang和..Hil
llEZ4~在此基础上发现当周期服务水平在..60%和..7O之间时,减少提前期
不确定性首先会增加安全库存水平,到一定程度时
将使安全库存不变或减少.谭满益等l2对需求和
提前期均为模糊变量的两级供应链,在给定补给周
期服务水平时求得了安全库存量.Cheung和Hausmanl2讨论了不可靠生产系统的预防性维修
与安全库存的联合优化问题,考虑维修时间确定及
服从指数分布两种情形,对于前者给出了使成本最
小的最优策略,对于后者给出了确定两次维修时间
间隔的一阶最优条件,并由此确定最优安全库存.Hung和..Changr2针对制造系统的流程时间和生
产合格率不确定情形,通过流程时间的历史数据的
平均值估计流程时间标准差,从而确定安全库存水
平.Gharbi等..]对需求确定的生产单种产品的不
可靠生产系统进行研究,其目标函数是最小化系统
预防性维修费用、修复性维修费用与安全库存持有
费用的总和,决策变量是维修时间及安全库存量,
未给出闭合形式的解.Eppen和..Martin口。
。
对需求
和提前期均为随机变量的情形进行研究,考虑了他
们的分布参数完全已知和完全未知两种情况,对于
前者通过求提前期内的需求的均值和方差计算安
全库存;对于后者用指数平滑方法估计每个时间段
需求,根据历史数据进行估计提前期的离散分布,
对于两种特殊的需求模式根据提前期预测误差确
定安全库存...
2.4研究主题分类法
根据讨论的主题是否单一,可将安全库存研究
分为:
只讨论安全库存问题和将安全库存与其他主
题结合两种情形.前者一般是在给定目标服务水平
的前提下,对安全库存配置的地点和数量进行优
化.后者将安全库存和其他问题结合起来一起考
虑,如考虑目标服务水平和安全库存,讨论不可靠
生产系统的维修决策与安全库存,研究产品生产顺
序和安全库存的联合优化等.
3安全库存研究评析
由于上述分类依据的标准不同,所以一些文献
可同时归属到上述多个类别中.为了更加系统地对
安全库存研究成果进行总结,将从以下方面进行
分析:
..
3.1研究目标
一
方面,安全库存配置研究文献的绝大多数研
究目标是在满足一定条件的前提下优化成本,如优
化安全库存持有成本、库存成本与缺货成本的和
等;Graves和..WiIlemsr1提到保证服务模型和随
机服务模型都可以用于供应链绩效评价,只需要将
供应链内部级间服务时问作为模型的输入变量来
考虑.另一方面,绝大多数文献只考虑确定安全库
存的地点和数量这样的目标;只有少数研究将安全
库存配置和其他目标结合起来讨论,如探讨产品的
生产顺序或差异化延迟对安全库存的影响,将
安全库存与安全时间进行比较[3,
]考虑订购批量和
安全库存的关系[3
33],分析生产批量和安全库存的
联合优化,不可靠生产系统的预防性维修与安
全库存的联合优化[2,配送结构与安全库存的
关系。
...
3.2研究对象特征
研究对象特征包括供应链的拓扑结构和不确
定性来源情况.
从拓扑结构来看,对单一结构的供应链研究较
多,而对一般网络型供应链探讨很少,且不够深人.
只有..Graves和..Wil
llems_1。
。
发现一般网络型供应链
的安全库存问题是一个多面体上的凹最小化问题,
对于生成树结构的网络给出了一个动态规划解法,
在伪多项式时间内求得结果;Lsaa2
enil钆应用保
证服务模型,对生成树(spanningtree)结构的网络
型供应链的安全库存优化问题,提出了分枝定
界法.
从供应链不确定性来源看,大多数假设提前期
确定,只考虑需求不确定性对安全库存的影响,保
证服务模型的绝大多数属于这种情况,其中一些还
考虑了需求的相关性影响[2引.对于供应不确定的
情形,一般假设提前期服从正态分布,Chopra}2,..
Wang和..Hil
ll]对于非正态分布情形进行了有意
义的讨论,得出了安全库存和周期服务水平之间的
一
些特殊关系.对于生产不确定因素的探讨很少,..
Cheung和..Hausman_2讨论了不可靠生产系统的
预防性维修与安全库存的联合优化问题;Hung和..
Chang[2针对制造系统的流程时间和生产合格率
不确定情形,通过流程时间的历史数据的平均值估
计流程时间标准差,从而确定安全库存水平;..
Gharbi等口。
对需求确定的生产单种产品的不可靠
生产系统进行研究,未给出闭合形式的解.随机服
务模型属于同时考虑供应和需求不确定情形,但大
多假设提前期和需求服从正态分布.由于问题的复
杂性,还未见有同时考虑三种不确定性的研究
成果.
第4期岳超源等:
供应链环境安全库存优化配置研究..
3.3优化模型及求解方法
保证服务模型和随机服务模型都用网络来描
述供应链,其节点代表一个供应链阶段,即库存和
安全库存的存放点,粒度可粗可细,如可以是原材
料的采购、零部件的制造、产品的测试或装配、或者
产品的运输;有向弧代表节点之间的供需关系,由
供应者指向需求者.从已有文献对安全库存问题建
立的模型来看,绝大多数是非线性规划模型,包括
混合整数非线性规划,也有一些其他模型:
如投入
产出模型口。
、神经网络模型口、组合优化模
型..]、串联排队模型[]、系统动力学模型等.
由于在一定的假设前提下,安全库存配置问题
可分解为一个多阶段安全库存位置确定问题和多
个单阶段安全库存数量确定问题l4’,所以对于
单一结构的供应链的安全库存优化问题大多采用
动态规划方法求解【8。
“.
’]仿真方法也得到了较多
的应用l=3。
.对于某些特殊结构的网络型供应链,..
sa_l1将目
Lenial2提出了一种分枝定界法.Et
tt等[
标函数对安全因子求偏微分,然后转换化为非线性
规划,用共轭梯度法求解.Magnantia等..]对保证
服务模型用连续分段线性近似法,但是求得的最优
解是近似解.Ghri2
ab_。
对所建立的模型给出了一
个迭代式数字搜索方法,却未给出闭合形式的解.
谭满益和唐小我对模糊需求下的安全库存问题
基于可信性理论求解.余祖德口则利用排队论和
概率论方法通过求制造商的订购提前期,确定安全
库存量._。
在确定安全库存水平时考虑了
吴风平l3
决策者的风险偏好,利用效用值法.张慧颖分别
用单变量线性回归方程、多变量线性回归方程和
BP神经网络计算安全库存因子,但是需要大量
样本...
3.4已有研究局限性分析
从上述讨论可以看出,无论是对于哪种拓扑结
构,具有哪种不确定性的供应链的安全库存配置问
题,都取得了一定水平的研究成果,为更进一步的
深入研究提供了必要基础,但是这些研究也存在一
些不足,主要表现在以下方面:
..
1)假设条件过于苛刻,和实际情况相差较大
无论是保证服务模型还是随机服务模型,都假
设备节点均采用周期检查基本库存策略,且检查周
期相同,而实际中节点可能采用非基本库存策略、
连续检查策略,即使都采用周期检查基本库存策略
也很难保证检查周期相同.对于不确定性的考虑,
绝大多数假设随机提前期和随机需求服从正态分
布,且各时间段需求独立,经典的安全库存计算公
式也是基于这一假设_2],实际上它们不一定服从正
态分布.值得指出的是,当不服从正态分布时会出
现一些反直觉的结果_
__4。
_;而且各时段需求之间、不
同顾客对同一产品的需求之间、不同产品的需求之
间往往存在相关性,而这些相关性会对安全库存有
较大的影响.另外,一般假设提前期和需求随机变
量的分布结构和参数已知,而实际上往往只有其历
史和预测数据,并不知道其真实的分布函数...
2)研究范围有待扩展
虽然对于流水型、发散型、会聚型和网络型供
应链的安全库存问题均有研究,但由于一般网络型
供应链特有的复杂性使对之进行的探讨非常少.分
别考虑需求不确定和供应不确定的成果较丰富,对
于生产不确定性的关注较少,同时考虑三种不确定
性的研究非常鲜见.已有研究绝大多数集中在单时
间段内进行优化,当计划周期较长(如大型水电工
程项目)时,资金的时间价值是一个必须考虑的因
素.现有研究集中在只有一种产品的情形,若有多
种产品,且产品之间的需求具有相关性时,问题将
更加复杂.几乎所有的研究都基于历史数据进行估
计,没有充分考虑公司和客户将来的战略,运作相
关风险等因素对安全库存水平的影响...
3)研究目标比较单一
已有文献绝大多数假设在订购批量、生产批
量、客户服务水平已经给定的基础上求得安全库存
量.实际上,物资的订购、生产计划与安全库存之间
具有直接联系,比如,在货物交货期和产品供给水
平相同的情况下,周期性检查的补货策略比连续性
检查策略要求的安全库存少l2.如果将订购、
_]因此,
生产计划与安全库存进行联合优化,或者考虑特定
供应链契约下的安全库存配置问题,应该能更大程
度提高整个供应链效益.更重要的是,在客户服务
水平和安全库存量之间寻求某种平衡,才是供应链
安全库存优化配置的根本目标,对此应该深入
研究...
4)问题计算复杂性分析非常缺乏
现有文献对安全库存优化配置问题的计算复
杂性探讨很少.----------------------------
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