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基于Supply-hub的多部件库存协同策略

摘要

本文研究了Supply-hub运作模式下装配制造企业的二级供应链协调优化问题。由于所有供应商的全部部件都集中运送到Supply-hub，因此生产线所需的所有部件都经过分拣、包装，然后由Supply-hub运给制造商。采用排队论和基础库存策略对该系统进行建模，分别得到分布式库存决策和集中库存决策的优化解。通过比较分布式决策和集中决策，得到协调库存策略。由于Supply-hub运作模式下的库存风险从制造商转移到供应商，采用延迟交货和持有成本补助契约进行协调，从而促使供应商设置基础库存，有利于整体供应链运作成本的降低。并以三个供应商和一个制造商为算例，说明了协同策略的有效性以及协同策略下的整个供应链系统的帕累托改进条件。

第1章 绪论

装配制造企业将各种零件组装成成品。由于这些零件的供应商生产能力、所在地区不同等，导致他们进行配送货物也很困难。因此要得到所有满足装配工艺要求的一定数量比的零件是非常困难的，并且装配厂的生产和库存管理都将受到不利影响。如果没有协调好各个零部件供应商，由于部分零部件缺货导致停产和部分物料积累的现象将会变得严重。

因此，协调各零部件供应商的库存对于装配制造企业的供应链管理具有重要意义。为了提高不同供应商供应与存货效用的协调能力，不仅可以采用基于经济量化方法的库存优化，还可以改进供应链网络结构和运作模式。

近年来，为了进一步提高供应链的效率和效益，出现了以整合上游供应商为功能的Supply-hub。Supply-hub整合不同供应商的库存运作，根据实时生产状况实现对制造商的JIT供应。大量的学术文献表明，Supply-hub可以产生规模效益，优化装配制造企业的库存，协同物流运作。本文探讨了上游结构变化对供应链优化的影响。

作为零部件供应商和装配制造商之间的协调部分，Supply-hub的功能是集中和整合。Supply-hub运营商根据生产厂家生产计划的需要，选择所需的零部件进行打包，并按时交付生产线。通过Supply-hub，整合供应商、实现供应物流协同运作和零部件的同步供应。制造商根据滚动时间制定采购计划，然后供应商将向Supply-hub发货。Supply-hub运营商接收不同的零部件并集中控制到货部件的库存。

Peral等人，研究多供应商情况下二级供应链的协调问题。他们构建模型，将制造商看作是排队系统，并将供应商设置为n个不同的M/M/1备货型生产队列。但他们没有考虑Supply-hub模式。因此，我们应该在Supply-hub和补助契约的基础上对分布式供应链进行协调。

由于原材料供应严重积压，大多数制造企业无法按时交货。他们必须增加原材料的准备，提高库存水平。但成品的成本也会增加。因此如何在不增加库存的前提下保证物料的及时供应是管理者头疼的问题。

库存控制一直受到研究者的重视。大多数的库存研究是关于提前期、原材料成本和短缺等方面。

因此将要装配成成品的所有原材料或物品按时交付给制造企业是一个重要的影响因素。Timmer等人，研究了企业在重复盘点库存和面对泊松分布的需求时的协调方式。他们分析了联合成本中稳定成本的分配。如果任何一个公司集团的成本低于美国歌手公司，则一定存在成本分配，并将激励企业进行协调。他们设置了两个企业，以表明后者的联合成本最低。在第二种策略下，博弈理论Shapley值和分配规则a中企业分担采购成本、各自支付持有成本的成本分配被证明是稳定的成本分配。这些结果也适用于三家企业的情况

因此，可以使用两种协调策略。首先，如果库存水平的共同值等于预先设定的值，则企业会一起发出订单进行补货。第二，当企业的一个库存水平达到其再订货点时，企业进行再订货。

利用零件的可用性约束对调度决策进行显式建模，对于解决现实的供应链问题具有重要意义，考虑一类具有零件可用性约束的供应链调度问题。同时有两个生产设施和一个综合运输设施。Terekhov,D.等人提出了三个混合整数规划模型和一个约束规划模型，并在广泛的数值研究中对这些模型进行了比较。如果两个制造商之间没有共享零件，则基于时间指数变量的混合整数规划模型对于生产时间较短的问题是最好的证明，而约束规划模型对于处理时间范围较长的问题往往比其他模型表现更好。

基于多部件协调的ATO供应链系统。一个按订单装配（或ATO）供应链系统包括若干部件和若干产品。获得或生产零件的时间很长。一种产品的组装只能根据需求进行。ATO系统结合了集成和分散的要素，解决了协调和分配问题。这使得ATO系统难以分析、设计和管理。本章还讨论了单周期模型、多周期模型、离散时间模型和连续时间模型。ElHafsi,M研究了一个面向多类需求、属于复合Poisson分布客户订单的ATO系统。按照备货型生产的方式，不同的零件被组装成成品，每个零件的最优生产策决策是一个与库存状态策略相关的基本库存。而最优库存分配策略是一种多级状态依赖的库存配给决策。他们发现最优平均成本率对订单大小的变化比订单的大小更敏感。Zhang,X.,J.Ou,amp;S.M.Gilbert也研究了一个ATO系统。他们设计了一个按订单组装的环境，该环境涉及一个短生命周期产品，该产品以两种不同的配置销售，每种配置都需要一个必须提前备好库存的单独零件。产品的两种配置都装配在同一台容量有限的设备上。Reiman,M.I.和Q.Wang介绍了一个多阶段随机程序，该程序提供了一类一般ATO库存系统并给出了长期平均库存成本的下限。随机程序也激励了这些系统的补货策略。它们提供了一组充分条件，在这些条件下，补货决策与分配政策能够同时达到下限。Xiao，Y，J.Chen and Lee,C.Y.研究了一个具有不确定装配能力的单产品单周期ATO模型。为了降低风险成本，制造商可能需要提前装配。他们提出了一个可以达到最优的库存和生产决策的利润最大化模型。在分析最优解的结构性质后，最终确定了采用预先装配策略的充分必要条件。

第2章 Supply-Hub运作模型

作为零部件供应商和装配制造商之间的协调部分，Supply-hub的功能是集中和整合。Supply-hub运营商根据生产厂家生产计划的需要，选择所需的零部件进行打包，并按时交付生产线。通过Supply-hub，整合供应商、实现供应物流协同运作和零部件的同步供应。制造商根据滚动时间制定采购计划，然后供应商将向Supply-hub发货。Supply-hub运营商接收不同的零部件并集中控制到货部件的库存。Supply-hub的操作流程如图1所示。

第3章 Supply-hub的基本库存策略

二级供应链可以看做一个闭环网状系统，如图2所示。这个系统中有一个Supply-hub和一个制造商。供应链系统运行方式如下所述，制造商从Supply-hub处（而非供应商）采购和获取零件。Supply-hub拥有n种零部件库存，同时采用基本库存管理策略对Supply-hub的库存进行管理。设S_i表示第i部分的基础库存水平，i=1,2hellip;n。

在假设的系统中，最终客户需求按照参数为lambda;的泊松分布以单一单位的形式到达，其中lambda;=1。 Sipply-hub的处理过程如图3所示。n个仓库的服务时间独立且同分布，服从变量为（i.i.d.），参数为mu;_i指数分布，i=1,2hellip;n。制造商的服务时间也服从变量为i.i.d，参数为mu;_M的指数分布。设rho;_i，rho;_M分别为第i部分和制造商的服务强度，其中服务强度可定义为到达率与服务率的比值。为保证系统的稳定性，假设0＜rho;_i＜1，i=1,2hellip;n且0＜rho;_M＜1。

第4章 集中与分散模型

4.1 集中模型

Supply-hub N个零件的基本库存水平是决策变量。设B_i为单位时间内Supply-hub第i部分每单位的缺货成本；B_M为单位时间内制造商每单位的缺货成本；h_i为Supply-hub第i部分单位时间内每单位库存的持有成本。h_M为制造商单位时间内每单位在制品库存的持有成本。除上述符号外，用C_si表示供应商i单位时间的平均成本，其中i=1,2hellip;n，C_M表示制造商单位时间的平均成本。然后C_si和C_M可以表示为

其中

最后，用T_C表示为整个系统的平均总缺货订单和单位时间持有成本，目标是使T_C最小化。

根据[13][14]，式（5）给出了集中模型的唯一全局最优解。

4.2 分散模型

在分散决策模型中，供应链中的每个成员都是以单位时间成本最小化为目标的。在大多数情况下，基本库存水平由相应的零部件供应商决定。所以决策者是供应商。否则，供应商i和制造商之间应重新寻找协调机制。

4.3 供应链协调

比较式（5）给出的集中解和式（8）给出的分散解，如果=适用于所有零部件，则供应链是协调的。如果＜，对于第i部分，协调契约必须降低供应商i的基本库存水平。另一方面，如果＞，对于第i部分，制造商应设计一份合同，鼓励供应商选择比分散库存决策更高的基本库存水平。

因此，在供应链协作中，对于分散解决方案不等同于集中解决方案的供应商，制造商应补偿其库存和部分缺货成本。即为了协调供应链，设置了缺货和持有成本补贴合同。

在缺货成本补贴合同中，制造商按每b_i缺货单位向i供应商alpha;_Bi付款，其中

0＜alpha;_Bi＜1，iisin;{1，hellip;，n}。在补贴合同后，将供应商i单位时间的平均成本函数修改为等式（9）

同样，在持有成本补贴合同中，制造商按第i个供应商单位时间内每h_i库存单位向供应商alpha;_Hi付款。其中0＜alpha;_Hi＜1，iisin;{1，hellip;，n}。在转换支付之后，供应商i的单位时间平均成本函数为式（10）

经计算，alpha;_Bi和alpha;_Hi的值为

第5章 算例分析

在算例中，供应链由三个供应商和一个制造商组成。有5组参数，参数部分取自[13]，见表1。对于供应商1、2、3，分散解和集中解如表2和图4所示。表示集中解决方案，表示分散解决方案。从表2和图4可以看出，集中式系统的单位时间平均总成本总是低于分散式系统。可以发现，供应商的成本会降低，而制造商不会总是在缺货和持有成本补贴合同之后。

表3列出了延期交货和持有成本补贴合同后的结果。CP（%）是指根据单位时间平均总成本，分散系统相对于缺货订单和持有成本补贴政策系统按照百分比增加的竞争惩罚。协调后的帕累托改进能否实现根据最后一栏中的“是”或“否”表示。

可以发现，供应商的成本会降低，而制造商不会总是在缺货和持有成本补贴合同之后。当CP_M%为负值时，制造商利益受损，没有进行系统帕累托改进。在本仿真实例中，第三方供应商对改善效果最好。

表1 数据集（输入参数）

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