系統(tǒng)仿真在供應(yīng)鏈運(yùn)作領(lǐng)域的應(yīng)用研究

馬 駿，孫國(guó)芳，趙 靜，郭孟軻

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176)

1 引言

系統(tǒng)仿真是一種在計(jì)算機(jī)上模擬真實(shí)系統(tǒng)的過程，它可以幫助人們更好地理解和分析真實(shí)系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。系統(tǒng)仿真可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、制造業(yè)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生物學(xué)等。

對(duì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)進(jìn)行研究勢(shì)必需要科學(xué)有效方法的支持，可以將研究方法簡(jiǎn)單劃分為定性研究法與定量研究法。其中，定性研究法主要依據(jù)一些供應(yīng)鏈相關(guān)理論與概念，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中供應(yīng)鏈現(xiàn)象進(jìn)行定性解讀和說明；定量研究法，則會(huì)通過建立供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型來研究供應(yīng)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵因素、相互作用及其之間的定量影響。

在供應(yīng)鏈領(lǐng)域，系統(tǒng)仿真可以用來模擬和量化分析各種類型的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，包括生產(chǎn)、物流、分銷等。例如，通過系統(tǒng)仿真，可以預(yù)測(cè)不同的供應(yīng)鏈策略對(duì)運(yùn)營(yíng)效率、成本和服務(wù)質(zhì)量的影響，并制訂優(yōu)化的供應(yīng)鏈計(jì)劃。此外，系統(tǒng)仿真還可以幫助企業(yè)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，更好地管理供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。

文章在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步比較和分析系統(tǒng)仿真進(jìn)行供應(yīng)鏈規(guī)劃的幾種范式與方法，以為進(jìn)一步探究系統(tǒng)仿真在供應(yīng)鏈規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐借鑒。

2 既有研究概述

供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真是一個(gè)廣泛的研究領(lǐng)域，包括仿真技術(shù)和模型的發(fā)展以及在供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)、物流、貿(mào)易、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用。

在過去的幾年里，學(xué)術(shù)界對(duì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真的研究有了很多進(jìn)展。例如，有研究使用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來改善供應(yīng)鏈仿真模型的預(yù)測(cè)能力；有研究使用云計(jì)算技術(shù)來提高供應(yīng)鏈仿真的計(jì)算效率；有研究使用多智能體技術(shù)來改進(jìn)供應(yīng)鏈仿真模型的決策方法。

此外，供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真還被廣泛應(yīng)用于解決實(shí)際問題，如庫(kù)存管理、運(yùn)輸規(guī)劃、供應(yīng)商選擇、設(shè)施布局等。研究人員還在探索如何將供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真與其他工具和方法相結(jié)合，如大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模等，以提供更全面、更準(zhǔn)確的決策支持。

總的來說，供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真在學(xué)術(shù)界取得了很多進(jìn)展，并在解決實(shí)際問題方面發(fā)揮了重要作用。

上述文獻(xiàn)中，主要研究的是使用系統(tǒng)仿真的方法來解決供應(yīng)鏈規(guī)劃中的問題。具體來說，有以下四個(gè)主要觀點(diǎn)。

(1)系統(tǒng)仿真可以幫助研究人員更好地了解供應(yīng)鏈規(guī)劃問題的復(fù)雜性，并為解決問題提供有效的方法。

(2)使用系統(tǒng)仿真可以為供應(yīng)鏈規(guī)劃提供更多的可能性，并且可以幫助研究人員更好地比較不同方案之間的優(yōu)劣。

(3)通過使用系統(tǒng)仿真的方法，可以更好地考慮供應(yīng)鏈規(guī)劃中的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)，并為決策者提供可靠的決策支持。

(4)系統(tǒng)仿真可以幫助研究人員更好地模擬供應(yīng)鏈規(guī)劃問題中的各種情況，并提供有價(jià)值的見解和建議。

3 供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真的建模范式比較

系統(tǒng)建模的本質(zhì)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象。現(xiàn)代仿真建模中有三種范式，每個(gè)方法服務(wù)于一定的抽象級(jí)別。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的抽象程度最高，離散事件建模的抽象程度較低，而基于主體的建模則可以覆蓋從非常具體的物理對(duì)象建模，到以公司為主體的高度抽象的社會(huì)對(duì)象建模。

3.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是麻省理工學(xué)院杰伊·弗雷斯特教授在20世紀(jì)50年代中期創(chuàng)立的一種方法，他最初的背景是科學(xué)和工程。弗雷斯特的想法是利用物理定律，特別是電路定律，來描述和研究經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，后來還包括社會(huì)系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理和建模語言形成于20世紀(jì)50年代和60年代早期，并一直保持至今。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一種方法，它希望建模者從內(nèi)生的角度來看問題，將系統(tǒng)建模成一個(gè)因果封閉結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本身將定義其行為。為此，建模者要力求發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的反饋回路，也就是因果回路關(guān)系?？梢哉f，反饋回路是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)將系統(tǒng)構(gòu)成要素之間的反饋回路視為結(jié)構(gòu)，而系統(tǒng)構(gòu)成要素則被其量化處理為兩種主要變量：存量和流量。存量的變化，則被稱為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)理論的行為。因此，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)里有一個(gè)核心看待問題的視角：通?？吹降氖鞘澜绲默F(xiàn)象，可以稱其為事件；而事件是由系統(tǒng)行為影響和決定的，而系統(tǒng)行為則是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響和決定的。換而言之，結(jié)構(gòu)決定行為，行為導(dǎo)致事件。

3.2 離散事件建模

在離散事件建模方法中，建模者將系統(tǒng)視為一個(gè)跨越不同實(shí)體執(zhí)行的一系列操作構(gòu)成的完整過程。這些操作包括延遲、由各種資源提供服務(wù)、選擇流程分支、拆分、組合以及其他一些操作。由于實(shí)體競(jìng)爭(zhēng)資源并可能被導(dǎo)致延遲，因此隊(duì)列存在于任何離散事件模型中。

離散事件建模對(duì)系統(tǒng)的抽象程度明顯要比系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法低很多。一方面，離散事件建模反映了發(fā)生在物理系統(tǒng)中的順序步驟；另一方面，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，聚合了單個(gè)對(duì)象并討論其整體數(shù)量的動(dòng)態(tài)。而在離散事件建模中，系統(tǒng)中的每個(gè)對(duì)象由代理或資源表示，并保持其獨(dú)立的個(gè)體性。

3.3 基于主體建模

相對(duì)于上面兩種建模方式，基于主體建模是一種較新的建模方式。在21世紀(jì)初，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的提高以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)科學(xué)的進(jìn)步，促使基于主體建模這一方式由學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，并得以迅速發(fā)展。

基于主體建模提供了另外一個(gè)建模思路，在這個(gè)思路中，建模者可能不知道系統(tǒng)作為一個(gè)整體是如何行為的，關(guān)鍵變量及其之間的相互關(guān)系是什么，或者也看不出有一個(gè)完整的過程，但是可能對(duì)系統(tǒng)中對(duì)象的單獨(dú)行為有一些了解。那么，就可以通過標(biāo)識(shí)這些對(duì)象(稱為“主體”)并定義它們的行為，從下向上開始構(gòu)建模型。繼而，建模者可以將主體與主體連接起來，并讓它們進(jìn)行交互；然后，系統(tǒng)的全局行為從許多(數(shù)十、數(shù)百、數(shù)千，甚至數(shù)百萬)并發(fā)的個(gè)體行為中浮現(xiàn)出來。

供應(yīng)鏈這類復(fù)雜組織系統(tǒng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述三種方法單一就能覆蓋的程度。供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層和操作層這三個(gè)層次分別對(duì)應(yīng)實(shí)際供應(yīng)鏈的三種不同層次的抽象模型。每個(gè)層次的模型適于采用不同的建模仿真方法。一般來說，離散事件建模較多適用于操作層和戰(zhàn)術(shù)層仿真，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模較多用于戰(zhàn)略層和戰(zhàn)術(shù)層仿真，而基于主體建模則適合三個(gè)層次仿真；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模大多處理連續(xù)過程，而離散事件建模和基于主題建模則大多處理離散過程。也就是說，全面、準(zhǔn)確揭示供應(yīng)鏈系統(tǒng)的行為和演化規(guī)律不是上述三種方法中任何一個(gè)單一的建模仿真方法所能夠完全勝任的。

4 供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真的建模過程與步驟

供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真的方法通常包括建模、仿真、驗(yàn)證和評(píng)估四個(gè)步驟。

4.1 建模

建模是指建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述真實(shí)系統(tǒng)的工作機(jī)制，包括對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、參數(shù)、決策等進(jìn)行建模。建?？梢允褂酶鞣N方法和工具，如狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程、隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、線性規(guī)劃模型等。

假設(shè)有一家公司生產(chǎn)并銷售電子產(chǎn)品，它的供應(yīng)鏈包括生產(chǎn)、物流、分銷三個(gè)環(huán)節(jié)。公司想通過系統(tǒng)仿真來優(yōu)化供應(yīng)鏈管理，提高運(yùn)營(yíng)效率和客戶滿意度。在建模這個(gè)步驟，公司需要建立數(shù)學(xué)模型來描述供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)、過程、參數(shù)等。建模時(shí)，可以考慮使用隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)模型或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來表示生產(chǎn)、物流、分銷三個(gè)環(huán)節(jié)之間的相互作用和決策流程。

4.2 仿真

仿真是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行建模得到的數(shù)學(xué)模型，生成模擬結(jié)果。仿真可以幫助人們預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為，并分析不同的決策對(duì)系統(tǒng)的影響。

在仿真這個(gè)步驟，這家公司可以使用計(jì)算機(jī)運(yùn)行建模得到的數(shù)學(xué)模型，生成模擬結(jié)果。仿真時(shí)，可以設(shè)定不同的輸入條件，如銷售預(yù)測(cè)、生產(chǎn)能力、物流成本等，并根據(jù)模擬結(jié)果分析供應(yīng)鏈的運(yùn)營(yíng)效率、成本、庫(kù)存水平等。

4.3 驗(yàn)證

驗(yàn)證是指對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，確保模型能夠反映真實(shí)系統(tǒng)的特征。在驗(yàn)證步驟中，公司需要通過對(duì)比真實(shí)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。

4.4 評(píng)估

評(píng)估是指根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的性能、效率、可靠性、安全性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為決策者提供決策支持。

在評(píng)估步驟，公司可以根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)供應(yīng)鏈的性能、效率、可靠性、安全性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為決策者提供決策支持。例如，可以分析不同的供應(yīng)鏈策略對(duì)運(yùn)營(yíng)效率、成本、服務(wù)質(zhì)量的影響，并確定最優(yōu)的供應(yīng)鏈方案。此外，還可以根據(jù)仿真結(jié)果，預(yù)測(cè)突發(fā)事件、風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的影響，并制定應(yīng)對(duì)方案。

5 供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真的實(shí)際功用

使用系統(tǒng)仿真進(jìn)行供應(yīng)鏈規(guī)劃可以幫助企業(yè)解決一些實(shí)際問題，大致包括模擬優(yōu)化、模擬分析、模擬預(yù)測(cè)、模擬比較及模擬設(shè)計(jì)。

模擬優(yōu)化：在模擬過程中，自動(dòng)搜索最優(yōu)解，并不斷更新模擬模型。例如，假設(shè)現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，需要決策如何分配庫(kù)存和生產(chǎn)能力?？梢越⒁粋€(gè)模擬模型，并設(shè)定目標(biāo)函數(shù)(比如最小化成本)，然后使用優(yōu)化算法對(duì)模擬模型進(jìn)行自動(dòng)搜索，找到最優(yōu)解。

模擬分析：對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，提取有價(jià)值的信息。例如，假設(shè)有一個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，希望了解其運(yùn)行情況?？梢越⒁粋€(gè)模擬模型，模擬供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，然后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，了解供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。

模擬預(yù)測(cè)：使用模擬模型對(duì)未來的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如，假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，希望預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)其運(yùn)行情況?？梢越⒁粋€(gè)模擬模型，并設(shè)置未來的變量(比如需求量、運(yùn)輸成本等)，然后進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)未來供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。

模擬比較：使用模擬模型對(duì)不同的方案進(jìn)行比較，探討各方案的優(yōu)劣。例如，假設(shè)現(xiàn)在有兩種供應(yīng)鏈規(guī)劃方案，希望比較兩者的優(yōu)劣。可以建立兩個(gè)模擬模型，分別模擬兩種方案的運(yùn)行情況，然后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較，探討兩種方案的優(yōu)劣。

模擬設(shè)計(jì)：使用模擬模型幫助設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)、庫(kù)存政策等。假設(shè)現(xiàn)在希望設(shè)計(jì)一個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，可以建立一個(gè)模擬模型，并設(shè)置各種變量(比如需求量、運(yùn)輸成本等)，然后進(jìn)行模擬，幫助設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、庫(kù)存政策等。

6 結(jié)論

總的來說，供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真是一種科學(xué)的有效方法，能夠全面支持研究供應(yīng)鏈系統(tǒng)，幫助建模者建立供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，研究供應(yīng)鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵因素、相互影響以及定量的效果。通過仿真，企業(yè)可以對(duì)不同方案進(jìn)行優(yōu)化、分析、預(yù)測(cè)和比較。然而，由于供應(yīng)鏈系統(tǒng)復(fù)雜，建模者需要合理使用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模、離散事件建模和基于主體建模等不同的建模方法。

只有將建模與仿真、驗(yàn)證和評(píng)估等環(huán)節(jié)靈活有效地結(jié)合，才能建立匹配供應(yīng)鏈戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層和操作層的抽象模型。這樣，可以幫助企業(yè)預(yù)測(cè)不同供應(yīng)鏈策略對(duì)運(yùn)營(yíng)效率、成本和服務(wù)質(zhì)量的影響，制訂優(yōu)化的供應(yīng)鏈計(jì)劃，幫助企業(yè)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，更好地管理供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。