基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的軌道交通裝備制造業(yè)云倉系統(tǒng)模型研究

孫麗，段居財(cái)，石赫，張楊 ，景鳳斌

(1. 大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，遼寧 大連 116208；2. 中車大連機(jī)車車輛有限公司 ，遼寧 大連 116022)

為了提高我國軌道交通裝備制造行業(yè)的競爭力和整合市場資源，國家戰(zhàn)略性地適時(shí)合并了南北車集團(tuán)，成立了中國中車股份集團(tuán)有限公司.中國中車承繼了中國北車股份有限公司、中國南車股份有限公司的全部業(yè)務(wù)和資產(chǎn)，是全球規(guī)模最大、品種最全、技術(shù)領(lǐng)先的軌道交通裝備供應(yīng)商[1].集團(tuán)公司下屬50多家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)，分布在全國28個(gè)城市和地區(qū).

目前，集團(tuán)公司下屬的各個(gè)成員企業(yè)仍然保持著獨(dú)立運(yùn)營，并非戰(zhàn)略伙伴聯(lián)盟關(guān)系，集團(tuán)公司負(fù)責(zé)組織和調(diào)控.各公司的物資倉庫仍然是由自己的物流中心獨(dú)立運(yùn)營，庫存信息也沒有同成員企業(yè)共享.該方式不可避免地沿襲了機(jī)械制造業(yè)固有的諸多弊端[2]：

(1)企業(yè)庫存水平高，資源利用不合理.大部分的流動(dòng)資金被庫存所占用，有的企業(yè)這個(gè)比例甚至高達(dá)70%～80%，嚴(yán)重影響了企業(yè)的現(xiàn)金流，有的企業(yè)甚至被壓垮;

(2)物流配送效率低、成本高.目前，大多數(shù)企業(yè)仍然擁有一定數(shù)量的貨運(yùn)車輛用于零部件和原材料的配送，或者采用供應(yīng)商送貨的方式，但是車輛的使用率不是很高，貨車空載時(shí)有發(fā)生.即使部分企業(yè)將物流配送外包給專業(yè)的第三方物流，其配送效率也還是不高，或者為高效率要付出不相稱的高成本;

(3)企業(yè)生產(chǎn)和采購計(jì)劃不確定性高.由于軌道交通裝備制造企業(yè)大多采用訂單式生產(chǎn)模式，并且在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中變動(dòng)因素很多，傳統(tǒng)的生產(chǎn)和采購計(jì)劃不能很好地滿足實(shí)際需求，物料控制不嚴(yán)謹(jǐn)，經(jīng)常造成物資積壓或短缺的現(xiàn)象，所以更加迫切需要加強(qiáng)與戰(zhàn)略聯(lián)盟伙伴企業(yè)的合作與協(xié)同，成員企業(yè)之間共享庫存信息，互相補(bǔ)貨;

(4)沒有形成應(yīng)有的原材料與通用件、標(biāo)準(zhǔn)件大批量采購，導(dǎo)致采購成本居高不下.各個(gè)成員企業(yè)盡管有很多材料的需求是一致的，但是仍然獨(dú)立采購，沒有形成規(guī)模，跟供應(yīng)商談判時(shí)很難拿到抄底價(jià)格.同時(shí)在詢價(jià)、供應(yīng)商選擇等程序上浪費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力以及時(shí)間成本.

隨著物流領(lǐng)域全球化趨勢的日益明顯，軌道交通裝備制造業(yè)將面臨比以往更為復(fù)雜的跨國供應(yīng)鏈，以動(dòng)態(tài)聯(lián)盟為基礎(chǔ)的在全球范圍內(nèi)配置物流資源將成為大勢所趨.而互聯(lián)網(wǎng)+制造和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云制造等技術(shù)的快速發(fā)展，使得遠(yuǎn)程獲取信息并且調(diào)用物流資源的可能性大大增加.這表明，許多在地理位置上分散的系統(tǒng)可以被有效地組合起來，以實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益.在這種情況下，以訂單生產(chǎn)為模式的軌道交通裝備制造業(yè)建立行業(yè)云倉系統(tǒng)逐步成為可能.

1 云倉系統(tǒng)概念的提出

1.1 虛擬庫存

我國對于虛擬庫存管理的概念并沒有權(quán)威的定義，參考中外文獻(xiàn)可知，虛擬庫存管理是在供應(yīng)鏈環(huán)境下，運(yùn)用通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，共享企業(yè)物流資源與信息資源，將實(shí)物庫存信息化為虛擬庫存，分離物資的實(shí)物物流和信息流，以實(shí)現(xiàn)庫存的動(dòng)態(tài)管理[3].虛擬庫存是在分布式庫存的概念上發(fā)展起來的，相關(guān)文獻(xiàn)較少，目前的文獻(xiàn)主要研究了虛擬庫存的理念和相關(guān)支撐技術(shù).

參照金融系統(tǒng)的演變過程，庫存的實(shí)物形式就如同實(shí)體的金銀，而庫存信息就如同貨幣.在虛擬庫存管理中，企業(yè)需要做的是將實(shí)體庫存虛擬化為庫存信息，以減少不必要的庫存管理費(fèi)用[4].

1.2 云倉系統(tǒng)的概念

本文定義的云倉系統(tǒng)結(jié)合了虛擬庫存和實(shí)體庫存的優(yōu)點(diǎn)，借用軟件系統(tǒng)云平臺(tái)的概念，提出軌道交通裝備制造業(yè)行業(yè)云倉系統(tǒng)的概念.行業(yè)云倉系統(tǒng)運(yùn)用遠(yuǎn)程通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將分布式庫存管理集成到統(tǒng)一控制的云倉平臺(tái)上來.行業(yè)云倉系統(tǒng)的供應(yīng)商是原材料市場，客戶是中車集團(tuán)各成員企業(yè).同虛擬倉庫不同，云倉系統(tǒng)既保存“必要的實(shí)物”，又保存“全部需求信息”，保證按時(shí)配送給各需求廠家，實(shí)現(xiàn)各成員企業(yè)真正的零庫存.云倉系統(tǒng)具備采購、存儲(chǔ)、保管、配送、借貸等功能，按照性質(zhì)不同，可劃分為公有倉、私有倉、混合倉.公有倉用來存儲(chǔ)軌道交通裝備制造業(yè)通用原材料、易耗品、標(biāo)準(zhǔn)件等，經(jīng)過科學(xué)計(jì)算選擇合適的位置；私有倉用來存儲(chǔ)某一成員企業(yè)專用的物資，就地存放，但信息由云倉系統(tǒng)統(tǒng)一管理；混合倉則兼顧二者的功能，按需就近存放必要物資.

1.3 云倉系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的云倉系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.各個(gè)成員企業(yè)根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃和月生產(chǎn)計(jì)劃，每個(gè)月上報(bào)給云倉采購系統(tǒng)5周的物料需求預(yù)測.當(dāng)發(fā)生缺貨時(shí)，成員企業(yè)之間可以互相借貸.供應(yīng)商按照云倉系統(tǒng)采購部的訂單為各個(gè)實(shí)體倉進(jìn)行物流配送.各個(gè)成員企業(yè)也可以訂購自己專屬的特殊物料.

圖1 基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的云倉系統(tǒng)原理圖

狹義的云倉系統(tǒng)由計(jì)劃、采購、收貨、調(diào)度、存儲(chǔ)、配送等模塊組成，系統(tǒng)軟硬件設(shè)施完善，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)對物資進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)與控制；廣義的云倉系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要由三大部分構(gòu)成：供應(yīng)商、云倉系統(tǒng)和軌道交通裝備制造廠家.M個(gè)供應(yīng)商根據(jù)云倉系統(tǒng)的采購指令分別向云倉系統(tǒng)進(jìn)行供貨并實(shí)時(shí)更新產(chǎn)品信息.云倉系統(tǒng)匯總N個(gè)廠家的需求，適時(shí)制定采購計(jì)劃，確定合適的經(jīng)濟(jì)批量，向M個(gè)供應(yīng)商進(jìn)行詢貨和采購.

圖2給出了實(shí)踐中云倉系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施層主要是計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)施，同時(shí)伴有實(shí)體倉庫的存在，這也是云倉系統(tǒng)區(qū)別于虛擬倉庫的重要特點(diǎn).

圖2 實(shí)踐中云倉系統(tǒng)的層級(jí)架構(gòu)

1.4 云倉系統(tǒng)的選址

云倉系統(tǒng)的調(diào)度指揮中心應(yīng)設(shè)在集團(tuán)公司總部北京，以便于統(tǒng)籌指揮，運(yùn)籌帷幄.云倉的實(shí)體倉分為公有倉、私有倉和混合倉.公有倉用于存儲(chǔ)通用物資和標(biāo)準(zhǔn)件，選址應(yīng)距離配送地點(diǎn)不超過1 000公里范圍，以便前一天下單，第二日送達(dá)；私有倉仍然設(shè)置在各成員企業(yè)原有實(shí)體倉庫位置，用于保存安全庫存物資，但是全部物料信息必須上傳至云倉系統(tǒng)共享；混合倉用于存放成員企業(yè)作為半成品或者零部件提供給其他成員企業(yè)的成品或者半成品[5-7].

根據(jù)圖3公司成員企業(yè)分布情況采用模糊聚類分析模型對云倉系統(tǒng)進(jìn)行選址規(guī)劃.

圖3 云倉系統(tǒng)實(shí)體倉選址規(guī)劃

(1)數(shù)學(xué)模型

模糊目標(biāo)函數(shù)是以極小化類別方法為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行聚類分析的.如可供選擇的位置節(jié)點(diǎn)有n個(gè)，按照p個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行劃分，即，將其分為c個(gè)子集(c)，則建立模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)模型求解

(5)

對式(2)求關(guān)于λ、μik和vi的偏導(dǎo)數(shù)，可以得到局部最優(yōu)點(diǎn)的必要條件為

(6)

(7)

(3)決策機(jī)制

對于決策而言，需要加上約束條件，使數(shù)學(xué)求解的結(jié)果與實(shí)際問題聯(lián)系起來，也就是使云倉的選址更加符合實(shí)際需求.本問題中節(jié)點(diǎn)n的值為28，云倉的個(gè)數(shù)c擬在2～6之間取值，當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)之間距離不大于1 000公里時(shí)，c值越小越好.

從初始值c=2開始進(jìn)行聚類，得到兩個(gè)聚類中心分別為唐山和西安，但是距離閾值有6個(gè)節(jié)點(diǎn)超過了1 000；當(dāng)c=3時(shí)，得到沈陽、大同、株洲三個(gè)聚類中心，仍然有2個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離閾值超過了1 000公里；當(dāng)c=4時(shí)，得到沈陽、青島、太原、武漢四個(gè)聚類中心，全部節(jié)點(diǎn)距離在1 000公里以內(nèi).

規(guī)劃四個(gè)分布式實(shí)體公有云倉，分別為1號(hào)公有倉沈陽(輻射齊齊哈爾、長春和大連三個(gè)成員企業(yè))，2號(hào)公有倉青島(輻射南京、常州、上海、濟(jì)南、天津、唐山六個(gè)成員企業(yè))，3號(hào)公有倉太原(輻射北京、大同、石家莊、永濟(jì)、西安、蘭州、洛陽七個(gè)成員企業(yè))和4號(hào)公有倉武漢(輻射成都、眉山、資陽、貴陽、株洲、廣州、深圳七個(gè)成員企業(yè))，鑒于香港地區(qū)的特殊性，暫時(shí)先不考慮納入云倉系統(tǒng)統(tǒng)一管理，待時(shí)機(jī)成熟可納入武漢公有倉.

2 采購計(jì)劃模塊

采購計(jì)劃模塊的技術(shù)支撐是中車集團(tuán)公司物料清單及其編碼系統(tǒng)，沒有完善的物料分類編碼系，行業(yè)云倉就失去了存在的根基，根本無法運(yùn)行.采購子系統(tǒng)包括供應(yīng)商管理、物料采購需求、采購訂單管理模塊.

(1)供應(yīng)商信息管理包括供應(yīng)商名稱、地理位置、供應(yīng)能力、參考價(jià)格、技術(shù)能力、成本優(yōu)勢、產(chǎn)品質(zhì)量、企業(yè)信譽(yù)等，并可分階段對供應(yīng)商進(jìn)行等級(jí)評價(jià)(IRIS認(rèn)證);

(2)物料采購需求信息管理包括各成員企業(yè)物料需求計(jì)劃、質(zhì)量要求、重要性等，并能對相似需求進(jìn)行分類匯總，使得采購批量盡量最大化、經(jīng)濟(jì)化;

當(dāng)供貨市場穩(wěn)定、材料價(jià)格實(shí)時(shí)波動(dòng)情況下，云倉系統(tǒng)根據(jù)物料需求進(jìn)行多周期動(dòng)態(tài)補(bǔ)貨.假設(shè)需求是隨機(jī)變量，在不同的時(shí)段具有不同的概率密度函數(shù)，平均需求量隨時(shí)間變化且各周期需求相互獨(dú)立[4];

(3)采購訂單管理模塊主要是根據(jù)需求信息執(zhí)行采購任務(wù)并進(jìn)行跟蹤管理.包括供應(yīng)商名稱、訂購物料代碼、訂貨時(shí)間、訂貨數(shù)量、訂貨價(jià)格等.

3 庫存管理模塊

庫存管理是任何一個(gè)制造企業(yè)生產(chǎn)、計(jì)劃和控制的基礎(chǔ).根據(jù)我們的調(diào)研，軌道交通裝備制造業(yè)的庫存往往占據(jù)了企業(yè)20%～30%的總資產(chǎn)，有個(gè)別企業(yè)被庫存積壓導(dǎo)致現(xiàn)金流難以周轉(zhuǎn)的窘境時(shí)有發(fā)生.

隨著供應(yīng)鏈和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)程獲取信息并且調(diào)用物流資源的可能性大大增加.這些在地理位置上分散的成員企業(yè)庫存系統(tǒng)則可以有效地組合起來，以實(shí)現(xiàn)更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益.

在傳統(tǒng)庫存管理模式下(圖4(a))，企業(yè)除了周轉(zhuǎn)庫存以外，會(huì)設(shè)置相當(dāng)大的一部分安全庫存(一般占到單品總庫存的30%左右)，而在基于戰(zhàn)略聯(lián)盟的云倉管理模式下(圖4(b))，每個(gè)成員企業(yè)實(shí)體庫存會(huì)至少降低20%，物資周轉(zhuǎn)率也會(huì)顯著提高，緩解企業(yè)資金流轉(zhuǎn)壓力.而云倉系統(tǒng)也不必存儲(chǔ)全部成員企業(yè)所需實(shí)體庫存的20%云倉系統(tǒng)單品實(shí)體庫存量計(jì)算公式可由虛擬庫存管理的一般成本模型求得[8].

(a) 傳統(tǒng)模式

(b) 云倉模式圖4 兩種模式下成員企業(yè)庫存構(gòu)成

4 配送子系統(tǒng)

云倉系統(tǒng)根據(jù)各成員企業(yè)物料需求進(jìn)行按時(shí)、按需配送.根據(jù)精益生產(chǎn)JIT的理念，供應(yīng)商應(yīng)直接將物料配送到工位，云倉系統(tǒng)的實(shí)體倉庫存儲(chǔ)的僅是該實(shí)體倉庫所輻射企業(yè)的等比例安全庫存，僅在供應(yīng)鏈出現(xiàn)短缺時(shí)方可啟動(dòng)安全庫存，對成員企業(yè)安全庫存進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)成員企業(yè)零庫存，降低成員企業(yè)運(yùn)營成本.為了提高配送效率、降低配送成本，必須在云倉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行多地協(xié)同配送.云倉系統(tǒng)的協(xié)同配送涉及以下幾方面的協(xié)同[2]：

(1)物流配送網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同：如需求節(jié)點(diǎn)、供應(yīng)節(jié)點(diǎn)、配送中心節(jié)點(diǎn)之間物流配送活動(dòng)的協(xié)調(diào);

(2)物流配送過程中各環(huán)節(jié)的協(xié)同：如庫存、分配、運(yùn)輸環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)以及各環(huán)節(jié)內(nèi)部各要素的協(xié)調(diào)(如考慮不同地點(diǎn)和不同型號(hào)車輛的協(xié)同、取貨與發(fā)貨活動(dòng)的協(xié)同、各取發(fā)貨節(jié)點(diǎn)時(shí)間窗的協(xié)同等);

(3)物流配送系統(tǒng)的諸目標(biāo)之間的協(xié)同：如成本和效率之間的協(xié)同、成本與物流質(zhì)量之間的協(xié)同等.

假設(shè)中車集團(tuán)共有M個(gè)供應(yīng)商(各成員企業(yè)之間有時(shí)又互為半成品或零部件供應(yīng)商，比如沈陽公司生產(chǎn)的交叉桿組成，將供應(yīng)給齊齊哈爾、石家莊、太原、西安、貴陽、眉山等多家成員公司)，則在物流配送網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于有M個(gè)供應(yīng)節(jié)點(diǎn)，N個(gè)生產(chǎn)基地，P個(gè)實(shí)體倉庫，Q個(gè)半成品加工基地.在已知各供應(yīng)節(jié)點(diǎn)的固定成本、可變成本和生產(chǎn)能力，各實(shí)體倉庫的固定成本、庫存量和容量，各半成品加工基地和生產(chǎn)基地的固定成本、可變成本和生產(chǎn)能力，以及各節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)輸成本，應(yīng)完成的產(chǎn)品產(chǎn)量情況下，可以通過如下目標(biāo)函數(shù)求解運(yùn)輸計(jì)劃，包括大型原材料、中小型原材料和半成品的加工數(shù)量與產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量[9].

(8)

該模型的輸入?yún)?shù)分為三大類：

(1)能力：生產(chǎn)能力、加工能力、倉庫的存儲(chǔ)容量、供應(yīng)點(diǎn)提供原材料的需求能力;

(2)需求：單位半成品和單位成品所需的原材料數(shù)量，半成品需求量，產(chǎn)品需求量;

(3)成本：單位原材料成本，公有倉以及成員企業(yè)的固定成本，單位產(chǎn)品與單位半成品的可變成本，單位原材料與半成品的運(yùn)輸成本，單位原材料、單位半成品與單位產(chǎn)品的存儲(chǔ)成本，單位原材料與單位半成品的裝卸成本.

模型的輸出變量如下：

(1)節(jié)點(diǎn)的選擇：包括公有倉的選擇、半成品加工基地的選擇、生產(chǎn)基地的選擇;

(2)生產(chǎn)計(jì)劃：半成品加工基地的加工數(shù)量、生產(chǎn)基地的半成品加工數(shù)量與產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量;

(3)運(yùn)輸計(jì)劃：大型原材料、中小型原材料和半成品的運(yùn)輸路徑與運(yùn)輸量.

5 結(jié)論

(1)本文提出了軌道交通裝備制造業(yè)云倉系統(tǒng)的概念，構(gòu)建了云倉系統(tǒng)的模型，確定了云倉系統(tǒng)的功能模塊和層級(jí)架構(gòu).建立了云倉系統(tǒng)的選址模型、供應(yīng)商選擇模型、采購模型、庫存控制模型和配送模型的框架，對云倉系統(tǒng)的實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義;

(2)通過行業(yè)云倉系統(tǒng)的開發(fā)，軌道交通裝備制造企業(yè)可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)批量采購，獲得最低采購成本；各個(gè)成員企業(yè)本地庫存量可大大降低，減少資金積壓，降低庫存成本；各成員企業(yè)計(jì)劃和采購人員可大大減少，降低人力資源成本；成員企業(yè)之間可共享庫存，大大降低停工待料現(xiàn)象，縮短產(chǎn)品上市周期，提高市場競爭力[10].