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基于复杂网络的供应链建模与网络效率研究资料整理
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运输1101陈强3110405027
摘要:
随着供应链系统层次结构越来越复杂,所跨地域范围越来越广,不确定性大量出现;现代企业更多的强调精益制造、零库存等管理技术,也使得系统抵御不确定事件的能力受到极大的挑战,系统变得越来越脆弱,当突发事件降临时,供应链的正常业务受到严重影响。
因此,面对无法从根本上杜绝突发事件的根本事实,研究当供应链企业受到突发事件的干扰之后,如何最大限度地保证核心企业的正常运营,从而有效保护整个供应链,做到合理预防和有效避险,无疑具有重要的理论价值和现实意义。
首先,本文从供应链的角度出发,对供应链在突发情况下面临的问题,以及现有的供应链应急管理方法进行了分析和界定。
考虑到一般的供应链应急管理只强调在突发事件后通过实时地改变企业运营计划,但这往往具有很大的不可预测性。
因此,本文对不同结构的复杂网络模型和供应链网络模型进行了稳定性分析,结果证明网状网络模型具有最好的抵御风险能力。
据此,针对供应链中节点企业之间复杂的连接关系,建立一个典型的供应链网络模型,以期对供应链的网络运营效率进行研究分析。
其次,复杂网络理论在供应链的应用集中在研究网络的拓扑性质和仿真算法方面,对于供应链的实际存在状态探讨较少,因此,本文针对企业在突发情况下可能出现的运营效率降低问题,提出了新的网络效率计算方法,可以一定程度仁模拟出个别企业出现问题时,其对于整个网络的影响。
根据不同企业对于网络整体效率的影响不同,计算网络效率的变化值,作为衡量供应链中节点重要性指数的判断依据。
通过与网络中节点度分布的对比,发现两者并非一致,这也一定程度上证明了点度分布作为重要节点识别依据的局限性。
最后,对于长三角地区纺织服装供应链的实际存在情况,在有限的统计数据基础上,构建了一个纺织服装供应链的数学模型。
在对该网络的网络效率和节点重要性指数进行模拟计算后,对该地区的供应链发展和风险预防提出了一些建议,为政府和供应链管理者提供了一定的决策支持。
关键词:
供应链,复杂网络,网络效率,节点识别
目录
1.引言3
1.1.选题背景和研究意义3
1.1.1.选题背景分析3
1.1.2.研究目的和主要意义4
1.2.理论研究现状5
1.2.1.复杂网络理论国内外研究现状5
1.2.2.供应链应急管理研究现状7
1.2.3.基于复杂网络的供应链研究现状8
1.3.研究框架和主要内容9
1.4.论文的创新点10
2.供应链网络结构10
2.1.复杂网络的统计性质11
2.1.1.顶点度分布11
2.1.2.点强度分布13
2.1.3.平均路径长度13
2.1.4.网络弹性14
2.2.复杂网络模型14
2.2.1.复杂网络理论经典模型14
2.2.2.复杂网络模型稳定性分析16
2.3.供应链网络模型17
2.3.1.链状结构供应链模型17
2.3.2.网状供应链模型18
2.3.3.核心企业网状供应链18
2.4.本章小结19
3.供应链的网络效率研究19
3.1.网络效率的定义20
3.2.典型供应链网络及效率分析20
3.2.1.供应链网络结构20
3.2.2.网络效率的定义21
3.2.3.网络重要节点的定义22
3.3.网络效率计算与分析22
3.3.1.网络效率定义及模型构建22
4.网络效率计算与分析22
4.1.网络重要节点的识别与分析25
4.1.1.网络重要节点识别的定义25
4.1.2.网络节点重要性分析25
4.2.本章小结26
5.长三角地区纺织供应链建模与网络效率研究27
5.1.长三角地区纺织产业链分布现状27
5.2.纺织供应链网络的理论模型28
5.2.1.纺织供应链流程与模型构建28
5.2.2.模型计算结果与分析28
5.3.该网络模型效率及节点重要性分析28
5.3.1.网络模型效率计算结果28
5.4.长三角地区纺织供应链发展建议29
5.4.1.加强区域供应链稳定性29
5.4.2.提高区域供应链网络效率30
5.4.3.整合产业链,强化合作关系30
5.5.本章小结31
6.总结和展望31
6.1.全文总结31
6.2.研究展望32
1.引言
本章主要阐述论文背景、研究意义以及相关理论的国内外研究现状。
随着供应链网络的日益复杂化,传统的供应链研究方法在面对不确定性问题时逐渐显现出不足。
本章通过对复杂网络理论和供应链应急管理理论相关文献的大量阅读,总结了近年来相关理论的发展路径和内容演进,及国内外基于复杂网络理论对供应链开展研究的情况。
在此基础上,介绍了论文的研究框架和主要内容,以及论文的主要创新点。
1.1.选题背景和研究意义
1.1.1.选题背景分析
随着经济全球化和知识经济时代的来临,市场竞争日益激烈,用户需求的不确定性日益增加,产品周期缩短而产品结构越来越复杂。
如何准确把握市场机遇,快速、有效地满足消费者个性化需求,提高满意度水平,这些都己成为传统企业管理模式面对的重要挑战。
20世纪80年代初应运而生的供应链以其敏捷度高、生产成本低、生产周期短等特点,近年来得到全球生产企业的广泛重视和运用,供应链管理已经成为关乎企业生存和发展的重要因素。
随着经济全球化和知识经济时代的来临,市场竞争日益激烈,用户需求的不确定性日益增加,产品周期缩短而产品结构越来越复杂。
如何准确把握市场机遇,快速、有效地满足消费者个性化需求,提高满意度水平,这些都己成为传统企业管理模式面对的重要挑战。
20世纪80年代初应运而生的供应链以其敏捷度高、生产成本低、生产周期短等特点,近年来得到全球生产企业的广泛重视和运用,供应链管理已经成为关乎企业生存和发展的重要因素。
供应链(Supplychain,SC)是一种新的组织结构模式。
供应链的概念是从扩大生产(ExtendedProduction)的概念发展而来,它将企业的生产活动进行了前申和后延[1-3]。
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,将产品生产和流通中涉及的原材料供应商、制造商、分销商、零售商以及最终用户连成一体的功能性网链结构。
它既是一条从供应商的供应商到用户的用户物流链,又是一条价值增值链。
因为供应链上各种物料的移动,是一个不断增加其市场价值或附加价值的增值过程。
供应链的概念着重于围绕核心企业的网链式关系,每一个企业在供应链中都被看作一个节点,节点企业之间存在需求与供应关系。
每个节点企业既是其客户的供应商,又是其供应商的客户。
对于核心企业来说,供应链就是连接其供应商、供应商的供应商以及用户、用户的用户等相关节点的网链。
近年来供应链管理问题引起了国内外学者的广泛关注,出现了大量的研究成果,而主要研究则集中在库存管理、物流系统规划、信息共享、战略伙伴关系管理和效率评估五个方面[1-5]。
但是,经济全球化环境下的市场存在大量的不确定性,除了一般意义上的供应与需求关系,还表现为供应链复杂性程度高、渠道不确定性增大、外部性影响增大等因素。
另外现实中各种突发事件、中断风险的顺时扰动也会使企业在抵御不确定性事件时受到极大的挑战。
不确定性已经成为许多经济和管理决策问题中普遍存在的内在现象,比如系统原定的最优计划或运作受到干扰后不能平稳地执行。
因此,在计划出现扰动的情况下,如何维护供应链系统的整体稳定,保证供应链网络的整体连接效率,预防供应链的运行出现大的损失成为供应链网络研究中巫需关注的重要问题。
1.1.2.研究目的和主要意义
在供应链理论的发展过程中,供应链应急管理方向占据了重要地位。
供应链是一个由供应商、制造商、分销商和零售商共同组成的实现从原材料到成品并最终满足顾客需求的复杂网络,相对于单个企业,它本身就是一种高风险、高波动的管理模式[2]。
随着科学技术的不断发展和经济领域的不断融合,社会分工日益精细,依附于供应链的企业越来越多,且地域分布更加宽泛,供应链网络逐步演化成为一个全球分布的包括供应商、供应商的供应商、契约制造商、分销商、物流提供商、OEM厂商、批发商和零售商等众多环节的复杂网络系统。
众多的网络参与者和彼此之间相互依赖的关系使得网络更加复杂。
供应链的全球化和复杂化趋势进一步加剧了供应链运行环境的不确定性。
供应链上的企业普遍具有祸合作用,一旦突发事件对网络中某个节点企业产生干扰,这种危险性因素会通过一定程度的正反馈作用而迅速波及到供应链上的其它企业,进而可能对整个供应链的正常运营产生严重影响,使供应链运行成本急剧升高,甚至会引起供应链的断裂。
其中的典型案例如2005年初我国的“苏丹红,,事件,除了以“苏丹红”为食品添加剂的食品生产商损失惨重外,以其为纽带的相关原料供应商、产品分销商、零售商都遭受到不同程度的损失,如肯德基在中国的1200家门店因为这次突发事件在4天内至少损失1460多万元,用于缴纳行政罚没款、利润损失、产品损失、处理费用等额外费用,湖南辣椒类产品销售额也因此一度下跌了四成左右[3]。
因此,对一于某个节点企业或地区来说是“小概率”的突发干扰,对于整条供应链而言,其发生概率与危害性会大大提高。
其次,地域范围的扩散也会给供应链的一协调带来很多困难,以致突发事件产生后难以做出迅速的反应。
最近儿年兴起的供应链应急管理研究的主要方向是如何设计和管理供应链,使得在危机情况(如供应商失效、市场需求变化等)下迅速恢复到正常状态,减少损失。
笔者认为应急管理研究必须从传统经济管理理论重视微观层面的决策转到宏观层面重视网络整体特性的决策上来。
针对突发事件不可能完全避免这一实际情况,着重研究一如何降低干扰对于供应链整体功能的影响。
然而现有理论对于由突发事件引起的二1卜正常状态的研究还是比较缺乏,行业中也几乎没有相应的理论去指导实践。
鉴于此,本文运用基于复杂网络理论的数学建模方法,从衡量供应链的网络效率和重要节点的识别两个方面来研究分析供应链整体的运行情况,帮助分析网络中的重要节点企业,预防突发情况下供应链网络的连接效率可能出现的显著下降问题。
1.2.理论研究现状
复杂网络理论从1999年无尺度网络的发现开始,已迅速发展成为国际上炙手可热的前沿研究领域,相关理论研究成果的数量和质量逐年攀升。
由于现代供应链网络越来越具有复杂性和不稳定性特点,复杂网络理论在供应链方向上的应用也逐渐成为研究热点。
1.2.1.复杂网络理论国内外研究现状
复杂网络的无标度特性被发现以后,复杂网络理论因其能够揭示经济社会网络中大规模复杂系统的隐藏规律而成为各学科研究人员的得力研究工具。
研究者广泛来自图论、统计物理学、社会学、和经济学的不同领域。
才旧关成果主要发表在PhysRev。
Lett。
,PhysicaA,PNAS等物理学期刊,Nature,Science等综合期刊,以及EcologyLetter,ACM等专业期刊土。
复杂网络理论近几年得到较快发展,一方面是因为计·算机技术的快速提高,使研究人员有可能对大规模的网络进行实证研究;另一方面,现有理论己经很难描述和解释许多实际网络具有的相同的定性性质,也难以用传统方法来绘制超大规模的网络;与此同时,小世界网络(Small一worldNetwork)、无尺度网络(Scale一freeNetwork)等研究理沦的发展以及统计物理学研究手段的应用均在一定程度上推动了复杂网络理论的研究。
总体而言,目前复杂网络理论分为三大块研究内容:
一、用统计学方法研究网络的拓扑结构一一静态几何量及其统计性质,包括点度、聚集系数、最短路径、点强度、相关性等,以及网络上的聚类分析;二、研究网络的动态形成过程、网络的演化性质和机制模型,包括时间演化性质、偏好性的检验等等,并通过建立模型,分析枢纽节点形成的关键因素;三、研究网络结构与功能,包括网络的容错能力与抗攻击能力,网络的动力学性质,如信息、、疾病、病毒等在网络上的传播规律以及如何控制等。
这三大块研究内容目前都拥有丰富的研究成果,并在继续发展中。
其中网络顶点与边的度值、权值等微观性质,网络的儿何性质、效率与稳定性等宏观性质之间的关系成为复杂网络研究的核心内容[4]。
就网络的静态拓扑性质而言,复杂网络被发现具有很多与规则网络不同的统计特征,其中最为突出的便是小一世界效应(small一worldEffect)[5、6、7、8]和无尺度特性(Seale一freeProperty)[5、6、8]。
小世界效应最初被描述为“六度分离现象”,StanleyMilgram(1967)通过实验发现人与人之间存在集群现象,把一封信送到邻市的一个“目标人”,平均只需经过六个人中转。
而之后的研究则表明,规则网络中节点之间及其与边的关系是固定的,每个节点具有相同的度数,规则网络具有大的聚集系数和平均距离,而随机网络中节点之间及其与边的关系是则不确定的,具有小的聚集系数和平均距离。
为了描述和解释从一个局部有序网络到一个随机网络的变化过程,Watts和Strogatz(1998)提出一个新模型,通过以某个很小的概率p切断规则网络中原有的边,并随机选择新的节点进行重新连接,构造出一种介于规则网络和随机网络之间的网络(WS网络),它同时具有大的聚集系数和小的平均距离四。
随后Newman和Watts(1999)给出了一个新的网络构造方法,构成NW网络。
后来物理学家把大的聚集系数和小的平均路径两个统计特征合在一起称为小世界效应,而具有这种效应的网络就是小世界网络[5]。
从图1。
1中可以看出,小世界网络是在规则网络基础上进行边的重连而得到的。
当p=0时,该网络为规则网络。
此时节点间的平均距离随着网络中节点总数的增长而线性增长,聚集系数较大。
而当p=1时,该网络为随机网络,节点间平均距离随着网络中节点总数的增长而出现对数增长,且聚集系数随节点总数的减少而减少。
当p为(0,1)区间中的任意值时,模型便表现出小一世界效应,其节点间的平均距离约等于随机图的值,网络具有高度集聚性,同时具有较小的平均路径。
因此,这种网络上信息或传染疾病等的传播速度将大大超过其在另外两种网络上的传播速度。
大量研究表明,真实网络几乎都具有小世界效应[5、6、9]。
图1-2小世界网络模型图
1998年科学家研究发现,互联网网络并不是一个随机网络,它的节点分布近似服从幂率分布(Power一lawDistribution)。
这科,网络门,节点的度服从幂率分布的特性被称为网络的无尺度特性,而该类型网络山于缺乏描述自身问题的特征尺度则被称为无尺度网络[5]。
无尺度网络演化模型由Albert一laszlo。
、Barabasi和RekaAlbert(1999)首先提出[10],他们把真实系统进行自组织演化生成为无尺度网络,并指出两个主要因素一一增长(Growth)和偏好附加(PreferentialAttachment),而他们提出的网络模型(BA网络)正是模拟这两个关键因素而设计完成的。
目前偏好附加机制被普遍认为是一个很好的无尺度网络形成机制,即通过增加新节点而连续扩张,新节点则偏好连接到具有大量连接的节点上[6]。
因此BA模型成为复杂网络演化机制中的经典模型。
随后,生物网络、计算机网络、交通运输网络、社会人际交往网络等各种真实网络都被发现为无尺度网络[7]。
无尺度网络同时具有稳健性和脆弱性特点,它具有一类少量的中心枢纽节点,网络中的其它节点通过枢纽节点互相影响、互相作用[6,8]。
枢纽节点在网络中居于特殊地位,拥有很多重要性质。
在BA无标度网络模型基础上,研究者就复杂网络的演化机制展开了研究。
通过改变不同的影响因素,提出了各种加权网络的演化模型,试图通过模拟实际网络的形成机理,使其更为贴近真实情况。
AnialT。
和KrapivskyP.L。
(1999)提出的AK模型改变了BA模型中以度值为核心的偏好连接机制,改为偏好连接点强度较大的点[川。
BarthelemyM。
和vespignaniA。
(2004)提出的BBV模型在网络拓扑结构增长的基础上加入权重演化,该网络演化模型基于点强度驱动和边权逐渐加强机制建立['2·”]。
DorogovtsevS.N和MendesJ.F.F。
(2004)提出的DM模型中则以边权大小为吸引新连接的偏好基础。
中科大小组(2005)提出了山交通流量驱动的网络形成机制,包含点强度吸引和全局权重变化的机制汇'习。
除了以上的i寅化模型,针对不同传染病在潜伏期和爆发期的特点,还提出了其相应的传播模型。
目前数学家和物理学家对基于复杂网络理论的搜索算法、动力系统、信号传播等研究方向都提出了各种新的见解。
1.2.2.供应链应急管理研究现状
按照风险发生的概率和事后危害性两个维度,供应链风险通常可分为如下两类:
一类是日常运营风险,其特点是发生概率大、事后危害性不大、易于控制;另一类是突发事件,其特点是发生概率小、事后危害大、不易控制。
特别地,对于公共突发事件,一旦发生,供应链上企业的控制权更小。
因此,如何降低风险带来的损失,如何使供应链快速恢复到正常运营状态成为供应链管理研究的关键问题。
1)应急管理
自JensVlausen等人在2001年的OR/MSToday上首先提出应急管理这一术语之后,该术语已被研究人员广泛接受,这使得应急管理研究更加系统和专业化。
应急管理是基于运筹方法所建立起来的计划或针对运营过程中的危机或扰动进行实时处理的管理方法。
应急管理的研究是假设预先存在一个最优或次优的运作计划,其主要目标是克服扰动而且使得对计划的偏离尽可能少。
在前期阶段,应急管理研究主要集中在航空公司的管理上,并在解决航空公司面对突发事件的过程中得到了充分应用,这是因为航空业比较容易受到外界干扰,并且在管理上的些许改善就能节约大量的资金[17-20]。
在该领域中,较有代表性的学者是于刚和Clausen。
于刚等人起初称这种运筹管理方法为“实时运作控制和修复”(Real一timeoperationscontrolandRecovery),认为应急管理主要包括预案管理、鲁棒优化、随机模型和实时应急运作这四个部分[21],Clausen等人是丹麦科技大学的一个研究小组,他们提出的应急管理思想与于刚等人的研究虽有所不同,但总体思想基本一致[22,23]。
2)供应链应急管理
供应链理论的发展历史并不长,应急管理理论在供应链环境中的研究也刚刚起步。
近五年来,应急管理的研究扩展到了航空工业以外的其它领域,并且取得一定的进展。
诸如,XuM。
和YuG(2006)研究了生产成本发生扰动时的情形,针对线性和非线性的价格需求关系分别得出扰动发生后的集成化最优策略和分散式决策时新的供应链协调策略[24]。
BretthaueKM。
(1996)研究了突发事件对一个包含多个__E厂、生产多种产品的制造系统所造成的影响,分析了如何改变工厂的生产能力来有效应对突发事件干扰,提出了最优应对策略。
当供应链系统在突发事件的}一扰下丧失部分能力时,可通过对现存能力进行应急调度来降低系统的损失[2,l。
个t4对生产型企业角度,sehmidtG(2000)[26]和QiXT工(2006)[27]利用最短路径法研究生产企业现有设备的应急排程问题;xiaY.S(2004)[28]和MohebbiE(2000)[29]利用“生产/库存”系统对此进行研究。
针对服务性企业角度,现有的研究主要集中在紧急情况下飞机航班的路径选择问题[30]。
除了上述针对具体扰动的供应链应急管理的研究,也有许多学者从整体的层面对供应链应急管理进行了探讨。
诸如,雷臻和徐玖平(2004)提出了供应链应急管理的机制建设,从制定应急管理策略,建立应急管理机构到应急管理流程都作了详尽分析[31]。
丁玲(2006)提出了供应链突发事件发生之前该如何做好防御工作,使应急管理能够抓住主脉,控制全局[32]。
傅克俊、胡样培和王旭坪(2007)分析了供应链系统中风险的类型、供应链系统应对风险的过程,并在此墓础上提出了构建以“弹性策略”和“鲁棒性策略”为核心的供应链系统应急策略及模型[33]。
由以上综述和分析可知,目前供应链应急管理研究己经起步,但还有很多问题需要深入探讨。
主要包括:
(l)虽然从不同的角度分析了供应链如何协调应对突发事件,但对供应链应急管理所针对的突发事件还缺少明确的定义和系统的分析。
(2)一般的供应链应急管理只强调在突发事件发生后针对具体的情况,这往往会带来成本的巨大提高。
(3)对于供应链应急管理的研究,侧重于分析具体的供应链应急策略,对于供应和生产系统等出现扰动的情况还缺乏研究,缺少从整体和宏观的层面去讨论和构建完善的供应链应急策略体系。
1.2.3.基于复杂网络的供应链研究现状
复杂网络理论己经广泛用于多种领域的现实网络研究之中,例如航空网络、生物网、社会网、电力网、交通网、科学家合作网等等。
对于大型复杂供应链的研究一直倍受学者关注,但由于其具有很高的复杂性,目前相关成果较少。
研究发现,大型供应链呈现的网状结构(王召波等,2007年),反映了现实世界中产品的复杂供求关系[34j。
国内现有的研究方法主要有以下儿种:
基于多Agent的供应链系统模拟方法(潘永刚,2007年),其缺点是仿真程度仍然不高[35];复杂网络方法(胡一站、朱冰心,2007年),即采用复杂网络理论研究供应链管理,这是一种新兴的研究方法,相关研究还在探索,尤其缺乏实证研究[36]。
复杂网络理论在供应链方向的应用与研究相对较少,且均为理论研究,主要分为两类,一类是研究供应链上具有交易关系的企业间稳定性问题,DirkHelbing[37]的研究发现好的供应链结构增加网络的稳定性和抗攻击性。
在供应链网络,任何一个环节上的细微变化都可能在另外的环节上带来变化。
Mal'coLaumanns[38]等把供应链网络看成一个物料在其中动态流动的过程,用一阶微分方程模拟然后用最优控制方法实现供应链效率的最优化目标。
Latota。
v[3”]研究了供应链在突发情况下如何改善网络最短路径的问题,从而保证网络的最大程度连通。
另外一类研究,从复杂适应系统角度进行,这方面的研究由ThomasS.Y[40]等人(2001)首次提出,探讨了将供应链网络视作复杂适应系统(Complexadaptivesystem)的必要性,并指出虽然供应链管理研究曾强调了逆向反馈对供应链控制的重要性(negativefeedback),但其研究发现供应链中所出现的情况能够通过正面反馈(positive化edbaek)更好地进行控制:
eheneL[4]等人(2005)将供应链网络的协调战略部署问题看作复杂适应系统(CAs)进行研究;s。
DPathak[42]等人(2007)对该方法在供应链网络研究中应用进行了总结,再次指出在供应链管理研究加入复杂网络理论进行研究的有用性。
总的来说,最近几年兴起的供应链应急管理主要研究的便是如何设计和管理供应链,使得危机情况下能快速恢复到正常状态、减少损失。
作者认为供应链应急管理必须从传统经济管理重视围观层面的决策转向宏观层面重视网络整体特性的决策,而目前国际上最前沿的复杂网络理论能为之提供强有力J理论支持。
但是以DirkHelbing为代表的研究偏重复杂网络理论,角度比较窄,对供应链本身的研究和思考较少,。
复杂网络理论中往往以节点度或者点强度作为衡量枢纽节点的方法也存在很大的局限性。
本文主要阐述和探讨如何立足供应链本身,结合复杂网络思想,从一个新的角度进行供应链应急管理研究。
1.3.研究框架和主要内容
本文运用复杂网络理论的观点和方法来研究供应链网络,从模型设计到证研究,旨在分析供应链网络的复杂拓扑性质,研究供应链网络复杂云系甘规律和机理,为未来通过网络结构及有效预防以实现整个供应链网络系统的优化、整体性能的
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