零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型研究

薛軍等

摘要：

從系統(tǒng)工程的角度定量研究供應(yīng)鏈運作模式下多級庫存需求水平的預(yù)測問題。針對零售供應(yīng)鏈系統(tǒng)中事件具有時延和隨機并發(fā)性的特點，建立了一種基于著色時間Petri網(wǎng)和Agent的零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型。分析了零售供應(yīng)鏈中零售企業(yè)、分銷商和供應(yīng)商三者各自的實時庫存需求預(yù)測量及其相互關(guān)系。最后以某零售供應(yīng)鏈的相關(guān)數(shù)據(jù)對預(yù)測模型進行了驗證，仿真結(jié)果表明，該預(yù)測模型可以協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈中的各個系統(tǒng)要素，實現(xiàn)動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測和信息共享，從而能夠為連鎖零售供應(yīng)鏈多級庫存實時控制決策提供參考。

關(guān)鍵詞：

零售供應(yīng)鏈；動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測；著色時間Petri網(wǎng)；多Agent系統(tǒng)

中圖分類號：

F25

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2015）09003904

1引言

傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的實體之間各自為政，缺乏信息共享和溝通，增加了需求預(yù)測的難度，導致牛鞭效應(yīng)。目前，大部分的需求預(yù)測是針對單級供應(yīng)鏈的，而且需求預(yù)測的各種方法主要是針對歷史數(shù)據(jù)作以統(tǒng)計分析，不具有實時性和系統(tǒng)性。由于供應(yīng)鏈需求預(yù)測具有跨越組織和時空的特殊性，從系統(tǒng)工程的角度實現(xiàn)有效的動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測已經(jīng)成為供應(yīng)鏈管理的關(guān)鍵性問題。

本文以Agent為基本建模元素，采用Petri網(wǎng)描述Agent內(nèi)部的行為規(guī)則，構(gòu)建基于著色時間Petri網(wǎng)和Agent的零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型。利用Petri網(wǎng)的顏色參量描述零售供應(yīng)鏈不同業(yè)務(wù)的狀態(tài)，利用Petri網(wǎng)的時間參量描述配送和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的時延，從宏觀層面描述零售供應(yīng)鏈不同節(jié)點企業(yè)之間的交互作用，實現(xiàn)了具有時延和隨機并發(fā)性的零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測方法，為零售供應(yīng)鏈多級庫存實時控制決策提供理論支持。

2動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦

本文把連鎖零售供應(yīng)鏈的各個復雜組成單元抽象為智能主體，采用智能Agent模型進行描述，并建立了基于聯(lián)合意向的動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦，多個Agent的交互協(xié)同運作遵循一定的規(guī)則。Agent即具有個體思考理性，也具有團體思考理性，每一個Agent的行為決策都是在整個零售供應(yīng)鏈大環(huán)境規(guī)則的約束下做出的，都是以整合零售供應(yīng)鏈的全局資源，提升零售供應(yīng)鏈的競爭力，預(yù)測供應(yīng)鏈運作模式下多級庫存需求水平為目的的。

2.1Agent聯(lián)邦的角色劃分

在建立動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦系統(tǒng)時，需要劃分各個Agent角色，分配其不同的功能，分析Agent與各個業(yè)務(wù)模塊的關(guān)系，總結(jié)Agent承擔的不同工作和需要完成的任務(wù)。在整個零售供應(yīng)鏈中，按照不同的業(yè)務(wù)以及節(jié)點功能，可以分成兩類Agent角色：一類是在供應(yīng)鏈各個節(jié)點單位或是部門承擔管理工作的管理角色Agent，一類是在供應(yīng)鏈系統(tǒng)運行過程中承擔具體實施工作的執(zhí)行角色Agent。這兩類Agent通過交互和協(xié)同運作，共同完成零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測工作。

根據(jù)零售供應(yīng)鏈運作流程的特點，將動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦系統(tǒng)劃分為連鎖分店管理Agent、配送中心管理Agent、分銷物流中心管理Agent、供應(yīng)管理Agent四種管理Agent，以及訂單執(zhí)行Agent、配送執(zhí)行Agent、盤點庫存執(zhí)行Agent、生產(chǎn)執(zhí)行Agent四種執(zhí)行Agent。

2.2Agent聯(lián)邦的角色Agent模型

根據(jù)動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測Agent聯(lián)邦系統(tǒng)中管理Agent和執(zhí)行Agent完成的功能設(shè)計角色Agent模型，本文以配送中心管理Agent模型設(shè)計為例。

配送中心是在零售供應(yīng)鏈中接受并處理位于物流鏈末端的運營活動，包括多品種貨物的分揀、包裝、裝卸、流通加工等最后配送的一系列活動。配送中心可以看作一個相當大的倉庫加貨運站的場所，不過位于供應(yīng)鏈的末端位置，收到并存儲大量的貨物，但發(fā)出配送的貨物卻是小批量、多品種、多批次的。在傳統(tǒng)物流系統(tǒng)中，處理這樣的貨物是難以保證效率的，但是配送中心的效率對整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)的效率有著決定性的影響。雖然配送中心也有相關(guān)的信息交流、交易活動等等，但是配送卻是主要功能的核心業(yè)務(wù)，其他都是輔助完成配送的業(yè)務(wù)，配送中心管理Agent模型如圖1所示。

由圖1可以看出，在配送中心管理Agent的職能中涉及到了管理、預(yù)測、決策和配送等一些運營管理的規(guī)則。Agent的傳感模塊會收到來自連鎖分店的訂貨信息，這時配送中心管理Agent第一時間是處理配送業(yè)務(wù)，因此在知識模塊中對于這一部分的處理是比其他Agent更迅速，而且配送中心所處理的業(yè)務(wù)是大批量進貨，小批量、多批次送貨，因此在知識模塊中的訂貨規(guī)則也會體現(xiàn)出與眾不同之處。

在感知模塊中，Agent會提取一些區(qū)域庫存信息，以便知識模塊可以根據(jù)這些信息和傳感信息進行合理的判斷、預(yù)測并且決策。傳感模塊也與系統(tǒng)中一些其他功能Agent相連，可以向分銷物流中心管理Agent發(fā)布訂貨請求信息，向連鎖分店管理Agent發(fā)布配送請求信息。

3Agent聯(lián)邦著色時間Petri網(wǎng)模型

零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)是通過多個Agent一系列的動作和狀態(tài)改變來完成系統(tǒng)功能的。而Petri網(wǎng)系統(tǒng)的運行是通過激發(fā)變遷元素實現(xiàn)狀態(tài)改變，變遷元素的激發(fā)導致其前置元素和后置元素條件變化。Petri網(wǎng)理論適合描述實時分布式系統(tǒng)中的并發(fā)、同步、異步、資源競爭與協(xié)調(diào)等過程。因此，本文采用著色時間Petri網(wǎng)來描述零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)中Agent的內(nèi)部行為規(guī)則，實現(xiàn)實時環(huán)境下多Agent系統(tǒng)的動態(tài)分析。

3.1Agent聯(lián)邦著色時間Petri網(wǎng)理論

定義（著色時間Petri網(wǎng)系統(tǒng)）一個八元組Petri網(wǎng)系統(tǒng)=（P，T，F(xiàn)，C，I-，I+，M0，TF）為著色時間Petri網(wǎng)系統(tǒng)，其充分必要條件是：endprint

（1）PN=（P，T，F(xiàn)）為有向網(wǎng)，稱為的基網(wǎng)。

（2）C：P∪T→ρ（D），顏色集C的冪集合為ρ（D），當且僅當p∈P、t∈T時，C（p）為所有庫所托肯顏色集，C（t）為所有變遷發(fā)生顏色集。

（3）變遷輸入函數(shù)I-和輸出函數(shù)I+，用以確定變遷觸發(fā)后托肯的流向，則存在任意（p，t）∈P×T，當且僅當（p，t）F時，I-（p，t）∈[C（t）MS→C（p）MS]L，且I-（p，t）=0，當且僅當（t，p）F時，I+（p，t）∈[C（t）MS→C（p）MS]L，且I+（p，t）=0。

（4）M0稱為∑的初始標識，M0：P→DMS，滿足條件為p∈P：M0（p）∈C（p）MS，即M0（p）是p的托肯顏色集合上的多重集。

（5）TF為時間函數(shù)，TF：T→N0且t∈T，TF（t）是變遷t發(fā)生（觸發(fā)）的延遲時間。

3.2角色Agent著色時間Petri網(wǎng)模型

對多Agent系統(tǒng)進行準確的描述和分析是保證多Agent系統(tǒng)順利運行的關(guān)鍵。將Agent動作分為內(nèi)部動作和外部動作，Agent內(nèi)部動作通過Petri網(wǎng)模型進行描述。多Agent系統(tǒng)運行伴隨著系統(tǒng)狀態(tài)的不斷改變，通過多Agent系統(tǒng)中動作的改變來實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，這是利用Petri網(wǎng)對多Agent系統(tǒng)進行描述和分析的主要原因。根據(jù)零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)的特點，建立Agent聯(lián)邦著色時間Petri網(wǎng)模型，利用Petri網(wǎng)的顏色參量描述不同業(yè)務(wù)的狀態(tài)等，利用Petri網(wǎng)的時間參量描述配送和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的時延。

本文以配送中心管理Agent著色時間Petri網(wǎng)模型設(shè)計為例，分析角色Agent著色時間Petri網(wǎng)模型的構(gòu)建原理。

位于連鎖分店上級的配送中心隨時等待接收訂單，當收到連鎖分店下達的訂貨信息時，會第一時間查看現(xiàn)有庫存是否能夠滿足訂單需求，如果滿足就可以立即履行訂單，開始發(fā)貨配送；如果現(xiàn)有庫存不能立即滿足訂單需要，就需要向供應(yīng)鏈上一級單位下訂單，并等待上級的配送，因此除供應(yīng)鏈兩端的節(jié)點單位外，處于供應(yīng)鏈中游的節(jié)點單位都會涉及到兩種配送業(yè)務(wù)。配送中心管理Agent著色時間Petri網(wǎng)模型，以及模型中用到的參數(shù)符號定義和說明如圖2與表1所示。

名稱說明顏色集/時間集

DC_receive接受連鎖分店訂單信息狀態(tài)DCR={有訂單，無訂單}={非空，空}

DC_inventoryDC庫存當前情況DCI={滿足，不滿足}

DC_supplyingDC進行補貨的狀態(tài){1，0}，1表示使能

DC_takingDC等待收貨的狀態(tài)DCT={貨到，未到}={非空，空}

DC_completeDC完成訂單的狀態(tài)DCC={完成，未完成}={非空，空}

DC_inf.proDC信息處理/判斷庫存是否滿足D={（S1，S2，S3，S4）|S1∈DCR，S2∈DCI，S3∈DCT，S4∈DCC}

DC_ungratifiedDC決策/不滿足觸發(fā)DCu={S2|S2∈DCI}

DC_orderingDC訂貨DCor={1，0}

LC_deliver

LC發(fā)貨/送貨時延

LCd={t2，0}

其中，f21：D→DCI，根據(jù)顏色集（S1，S2，S3，S4）得到配送中心庫存當前情況，定義：

f21=完成；顏色集（s∈DCR，滿足，未到，非空）

或者（s∈DCR，不滿足，到貨，非空）

未完成；顏色集（s∈DCR，不滿足，未到，空）

（1）

f22：DCd→DCT，根據(jù)變遷顏色得到配送中心等待收貨的狀態(tài)，定義：

f22=

t2（配送延時）；顏色取1

不發(fā)生；顏色取0

（2）

3.3管理Agent系統(tǒng)著色時間Petri網(wǎng)模型

分析零售供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)流程，并采用多Agent系

統(tǒng)的開放式建模模式，建立零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求

預(yù)測管理Agent系統(tǒng)的著色時間Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

4仿真研究

4.1動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真模型

本文采用著色時間Petri網(wǎng)對多Agent的交互協(xié)同機制進行描述。從微觀角度描述Agent的行為方式，Agent在協(xié)同交互過程中的每個通信序列和通信的處理行為都是由著色時間Petri網(wǎng)進行描述的。從宏觀角度由著色時間Petri網(wǎng)描述零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)中多Agent的會話過程，即系統(tǒng)中管理Agent和執(zhí)行Agent間進行通信與協(xié)同運作的過程。當系統(tǒng)收到來自市場的顧客需求信息時，系統(tǒng)將信息發(fā)送到管理Agent處，接收到新信息的管理Agent啟動會話，開始分析和執(zhí)行信息。管理Agent按照收到的不同信息做出不同的決策行為，并且向相應(yīng)的執(zhí)行Agent發(fā)送執(zhí)行任務(wù)信息，執(zhí)行Agent完成任務(wù)并通知管理Agent執(zhí)行結(jié)果。零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)利用著色時間Petri網(wǎng)描述Agent的不同狀態(tài)，并且以不同的顏色來區(qū)分，變遷則表示狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程，對消息的處理過程，還有個別情況時會用一段時間來表示生產(chǎn)和配送的執(zhí)行時延。一個交互會話行為可能會出現(xiàn)，由一個管理Agent發(fā)起，多個參與者協(xié)同處理的情況。但管理Agent會按一定優(yōu)先順序依次發(fā)出通信信息，因此在多Agent環(huán)境下著色時間Petri網(wǎng)模型不會出現(xiàn)沖突或死鎖的情況。

基于著色時間Petri網(wǎng)和Agent的零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真模型如圖4所示。

圖4中每一個小圈都是一個Agent，零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真模型是由多個Agent組合而成的，藍色圈內(nèi)是四個管理Agent，而橙色圈中是四個執(zhí)行Agent。這些Agent以特定的協(xié)同機制和固定的交互模式，完成零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真任務(wù)。endprint

4.2實驗結(jié)果與分析

本文設(shè)定了某零售供應(yīng)鏈從連鎖分店到工廠的初始狀態(tài)進行模型驗證，設(shè)定訂貨周期與盤庫周期不同的情況下進行仿真實驗，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真實驗結(jié)果圖

圖5（a）中是零售供應(yīng)鏈各級庫存和實時庫存需求預(yù)測值狀態(tài)的變化情況，深藍色的實線表示連鎖分店庫存變化，綠色實線表示配送中心庫存變化，紅色實線表示分銷物流中心庫存變化，藍綠色實線表示工廠庫存變化，相應(yīng)顏色的虛線表示各Agent的實時庫存需求預(yù)測值變化。圖5（b）-（e）將圖5（a）分解，分別表示連鎖分店、配送中心、分銷物流中心和工廠的庫存與實時庫存需求預(yù)測值變化情況。在圖5（b）中，可以看到連鎖分店的庫存變化情況，紅色虛線表示實時庫存需求預(yù)測值變化，在設(shè)有盤庫檢測、時時補充庫存情況下，連鎖分店會根據(jù)預(yù)測的需求信息和庫存量立即訂貨，并且將這種需求逐漸向上游傳遞。在第一次需求到來時，連鎖分店自身可以滿足，在第二次需求到來時，配送中心可以滿足，第三次需求到來時，是由分銷物流中心配貨滿足的，在第四次需求到來時，將這種需求傳遞到了工廠，由工廠啟動生產(chǎn)商品和庫存來滿足。這是極端的例子，只是用于說明零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測仿真模型是如何模擬運行的，并且各個Agent是如何應(yīng)對系統(tǒng)變化的。

5結(jié)語

本文針對零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測的實時性和系統(tǒng)性特殊要求，利用Agent技術(shù)和形式化建模工具Petri網(wǎng)對零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)進行建模。把零售供應(yīng)鏈動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測系統(tǒng)抽象定義為多Agent系統(tǒng)，通過對基本Petri網(wǎng)進行時間和顏色集的擴展，實現(xiàn)了對Agent聯(lián)邦系統(tǒng)中Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)描述，以及對管理Agent和執(zhí)行Agent之間協(xié)同交互的動態(tài)描述。結(jié)合某零售供應(yīng)鏈的相關(guān)數(shù)據(jù)進行建模與仿真實驗，仿真實驗結(jié)果表明該動態(tài)協(xié)同需求預(yù)測模型能夠精確地計算出零售供應(yīng)鏈多主體的庫存狀態(tài)變化規(guī)則和庫存需求預(yù)測值的變化規(guī)則，以及相互之間的關(guān)系，從而為具有時延和隨機并發(fā)性的供應(yīng)鏈運作模式下多級庫存管理和實時控制策略制定提供參考和借鑒。

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