石化企业内部供应链业务流程分析及建模仿真

王 雯，任立鹏，2，钟洁西，傅卫平，华 金

1.西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048

2.中国石油兰州石化公司，兰州 730000

石化企业内部供应链业务流程分析及建模仿真

王 雯1，任立鹏1，2，钟洁西1，傅卫平1，华 金1

1.西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048

2.中国石油兰州石化公司，兰州 730000

1 引言

石化企业是典型的连续型流程制造企业，具有资金密集、技术密集、过程连续、工艺复杂、产品众多等特点，提高其供应链管理水平是石化企业面临的重要课题。石化企业是石化供应链的核心企业，其内部业务流程管理对整个石化供应链运作性能具有决定性作用。

Sear[1]最早将供应链管理研究引入石油行业，为下游石油工业的物流计划建立了一个线性规划网络模型。Neiro等[2]在此基础上，论述了石油供应链建模的一般框架，并为石油供应链建立了一个MINLP综合模型。王继帅[3]提出了一种通用的集成鲁棒优化方法，对其在石化企业供应链设计、计划优化、调度优化等多方面的应用做了深入研究。刘长剑[4]运用供应商管理库存（VMI）理论，对VMI在石化企业实施前后的成本效益进行了对比分析。靳万民[5]定性探讨了石化企业采购、库存、供应商选择等物资供应业务流程的改进问题。刘晓等建立了基于多Agent的石化企业库存协调与控制模型[6]和多目标采购优化数学模型[7]。赵丹妮等[8]采用多种视图概念模型综合描述了石化企业供应链中原油采购管理系统的组织、功能、信息和产品视图模型。与离散型企业相比，流程型企业供应链管理研究相对薄弱得多，主要研究集中在供应链设计、规划、调度等战略层和战术层的优化等问题，大多采用定性分析或数学规划等方法[9]，无法对供应链流程进行定量分析，而对于供应链过程的理解和改进则多采用系统动力学、离散事件和基于Agent建模等仿真方法[10]，但对石化企业内部供应链流程进行仿真的研究鲜见报道。

近年来，供应链运作参考模型（Supply Chain Operation Reference model，SCOR）[11]作为供应链流程改进、提高供应链竞争力的有效途径开始引入我国制造业供应链管理[12]，并在许多行业得到应用，但目前这方面的研究多限于定性的建模分析和绩效评价，很少有基于SCOR模型改进的仿真研究[13-16]。此外，到目前为止几乎没有有关在石化企业应用SCOR模型并进行仿真分析的研究文献报道。

本文在对典型石化企业原有内部供应链业务流程分析的基础上，引入SCOR模型对石化企业原有流程进行改进优化，采用Anylogic仿真软件建立石化企业进行SCOR改进前后主要流程的仿真模型，并对模型仿真结果进行分析对比。

2 石化企业内部供应链业务流程建模

2.1 石化企业基本概况

本文研究背景为我国一家大型石化公司。该企业原油一次加工能力达到1 050万吨/年，乙烯生产能力达70万吨/年，化肥、合成树脂、合成橡胶、炼油催化裂化催化剂产能分别达到52万吨/年、124.5万吨/年、17.5万吨/年和5万吨/年。现有炼化生产装置90套，加工7种原油，能生产汽、煤、柴油、润滑油基础油、化肥、合成树脂、合成橡胶、炼油催化剂、精细化工、有机助剂等多品种、多牌号、多系列石化产品。该企业原有内部供应链基本运作过程是：首先，企业根据中石油整体批量分配任务，接收原油，并依据现有产品的库存制定生产计划和采购计划；接下来，采购部门执行采购，完成原油、辅料的进货过程；然后，生产部门运用这些生产资料进行生产加工；继而，市场中的销售商就会评估产品，向企业发出需求订单，企业经过筛选，把所有的订单进行整理汇总并排序，将最终产品按订单配送给客户或供应回石化总销售公司。

2.2 原有企业内部供应链业务流程概念模型

由上述基本运作过程可知，该企业内部供应链业务流程主要由计划、采购、生产、配送及退货五个流程组成。计划流程将预期的资源合理组合以平衡能力与需求，同时通过协调全局的计划来平衡总体需求。采购、生产、配送和退货流程又统称为实施流程。实施流程由计划或实际的需求为驱动，在实施过程中改变产品的状态，包括日程安排，原材料的转化以及服务和产品的运输。此外，还有管理内部供应链的支持流程，包括规则的建立和管理、绩效评估、信息系统与数据管理、库存管理、资产管理、运输管理、供应链配置管理、遵守法规管理等。根据企业内部供应链基本运作过程，将上述流程功能分配至该企业内部的相关业务部门，可以得到图1所示原有企业内部供应链业务流程的概念模型。

图1 企业内部业务流程概念模型

2.3 基于SCOR的石化企业内部供应链业务流程模型

供应链运作参考模型（SCOR）是国际供应链协会提供的一种帮助企业在供应链流程绩效方面进行对比、评估和改进的方法，是一种用于描述与满足客户需求相联系的所有阶段业务活动的供应链语言，是设计、配置与重新配置任何类型供应链的一种整体框架和运作流程[11]。SCOR模型融合了业务流程再造、最佳实践和标杆等先进的管理方法来对供应链的实施管理进行指导，适用于不同的工业领域。SCOR模型由五个基本的管理流程构成，分别为计划P（Plan）、采购S（Source）、生产M（Make）、配送D（Deliver）和退货R（Return）。SCOR标准模型按流程定义一般可分为三个等级：第一层（顶层）、第二层（配置层）以及第三层（流程元素层）。

石化生产企业宏观上一般具有上述第一层中P、S、M、D和R五个流程。根据SCOR配置工具箱[11]，结合企业内部供应链采购部门、生产部门和储运部门各自的流程实际情况，可以建立和配置该企业的第二、第三层SCOR标准模型。SCOR标准模型是国际供应链协会在总结各类企业运行流程基础上得到的，其有效性和正确性被普遍认可的通用模型，可以为改进企业实际流程模型提供优化改进方向和途径。对企业实际流程模型和SCOR标准流程模型进行仿真，通过对比仿真结果，可以为改进企业实际流程提供依据。

该企业的SCOR标准模型第二层结构如图2所示。图中，Pl表示计划供应链，表示在特定时间周期内，为了满足供应链资源需求，预计供应链资源配置的一系列行动的开发和建立；P2是计划采购，表示在特定时间周期内，为了满足供应链的要求，预计物料资源配置的一系列行动的开发和建立，与其相联系的物资和原油采购执行流程分别为S3→D2和S2→D1，S3为按工程定制采购，D2为订单生产产品配送，S2为计划生产产品采购，D1为库存产品配送；P3是计划生产，表示在特定时间周期内，为了满足生产的需求，预计生产资源配置的一系列行动的开发和建立，与其相联系的生产执行流程为S2→M2→D2，M2为按订单生产；P4为计划配送，贯穿于整个企业流程运作之中，其下的执行流程SR1和DR1分别表示采购和配送缺陷产品退货。

图2 石化企业SCOR第二层模型结构

企业采购部门、生产部门、储运部门的第三层SCOR标准模型分别如图3～图7所示，其中SCOR流程代码释义参见文献[11]。

图3 物资采购的第三层SCOR模型详细流程

图4 原油采购的第三层SCOR模型详细流程

图5 生产部门的第三层SCOR模型详细流程

图6 按库存配送的第三层SCOR模型详细流程

图7 按订单配送的第三层SCOR模型详细流程

3 石化企业仿真模型的建立

3.1 Anylogic仿真软件

Anylogic[17]是基于Java开发的仿真软件，提供多种建模方法，包括基于UML语言的面向对象的建模方法、基于方图的流程图建模方法、状态图、微分和代数方程。该仿真工具利用活动对象类来对现实世界的不同事物进行模拟。

上面建立的石化企业SCOR标准模型并不能直接进行仿真，需要运用仿真软件将其转化为仿真模型。本文主要应用Anylogic软件中的离散事件仿真（DES）、系统动力学仿真（SD）和多Agent系统仿真（MAS）的功能对石化企业进行SCOR仿真建模分析。

3.2 基于MAS/SD/DES的SCOR仿真模型框架

由于研究的是石化企业的内部运作供应链流程，它的逻辑设定是以生产部门为核心企业，采购部门为供应商，而储运部门为最终客户。因此，作为核心企业即生产部门是供应链的核心驱动模块，它通过内部业务流程的运作实现其自身功能，并同时与采购部门、储运部门进行信息交互以及控制协调。它们彼此之间相互影响、相互制约，共同组成协调运行的内部供应链整体。

根据SCOR体系的层次特性，建立基于MAS/SD/DES的企业内部供应链系统仿真逻辑模型，其整体建模框架如图8所示。在SCOR顶层，将与供应链资源配置相关部门（采购、生产、储运）采用MAS建模，用Agent表示采购S、生产M以及配送D；在SCOR配置层，针对采购、生产和配送三者之间的相互关系，以及彼此之间物料流、信息流的相互影响，采用SD建模；在SCOR流程元素层，采用DES描述S、M、D内部细化的底层流程。

图8 基于MAS/SD/DES的SCOR仿真模型框架

图9 SCOR顶层与配置层仿真模型

3.3 供应链顶层与配置层仿真模型建立

对于SCOR顶层，供应链计划P选用能够驱动模型整体运作的函数supplyPlan来表达。对于SCOR配置层，采用3个存量元素以及4个参数变量，3个主要变量OrderCome、Stock、Demand分别代表采购订单到达、库存量以及需求量的反馈值。SCOR顶层和配置层仿真模型如图9所示。

在SCOR顶层建模中，事件orderCome是启动模型的核心钥匙，负责计划的启动、反馈以及实时更新。由于石化企业为典型流程型企业，因此除了采购部门在上午整点上班（拟定上班时间为上午8：00），开始审核需求订单以外，生产部门以及配送部门的工作均不分昼夜并且连续不断，因此设定该事件为连续触发行为。

配置层模型运行时，首先要平衡采购量以及库存量，以此确定需求。确定采购计划时，需考虑到产品的生产周期ProductLT与订单积压率DiscardRate。而库存量的确定则要综合中转品配送率Point，库存状态AdEfficient，以及运输模式Connect这些因素，得出最终的库存可用率UseRate。其中，模型中主要变量的计算公式如下：

3.4 流程元素层仿真模型建立

本文由于篇幅所限，仅对采购部门仿真模型的建立进行详细的介绍。生产部门以及储运部门不再做重复的阐述。

首先，在采购Agent内部，运用函数checkDemand进行驱动，并同时综合储运部门的原材料库存量，运用最大最小库存法(s，S)来激发采购订单的到达以及审核。之所以选取最大最小库存控制法，是因为该方法是比较简单且有效的一种，同时也是应用最为广泛的方法之一。创建java类Demand，使其作为采购部门节点与SCOR配置层传递数据的连接信息驱动点。

进行具体离散建模时，分为两个模块。分别是原有企业流程所包含的物资采购流程、原油采购流程，以及经SCOR优化后的物资、原油采购流程。对于物资采购部门运作流程仿真，设定两个资源库即人力资源库laborPool和设备资源库equipPool，当模型运行时，分别从这两个资源库中提取资源进行业务处理。模型中的流程节点则是分别根据物资采购部门的运作流程图，依次将需求计划到达、确定采购计划、签订合同、入原材料库以及出库这几个步骤根据AnyLogic软件的离散事件表达方式建立出来。同理，可以建立经SCOR优化后的物资采购部门运作流程仿真模型。图10所示为物资采购部门实际流程仿真模型（上图）和标准SCOR仿真模型（下图）。类似地，可以建立企业原油采购部门的SCOR仿真模型。

图10 物资采购部门SCOR流程元素层仿真模型

其次，对于生产部门Agent，其内部流程建模与上述采购部门采取类似方式，但运作流程却与采购部门大相径庭。因为生产部门的运作过程除非设备检修或出现事故，否则实行的是24 h轮班不停歇的工作状态，与采购部门的订单驱动模式相异。因此，在该模型建立时，定义集合orders来协调监测内部供应链所有组成节点的库存水平，表征着物理意义上各节点当前的产品持有量，而定义动态事件Delivery将主观信息和当事件发生时所应执行的行为相结合，是链接生产部门与储运部门的纽带，并同时定义java类Trans，建立目的端口。其余离散事件模型与采购部门类似，不再详述。

最后，针对具有一定特殊性的储运部门Agent，它不仅有自己的运作流程，更是衔接整个企业内部运作的纽带。所以，虽然其作为独立的部门在企业中运作，但是却贯穿之前的采购以及生产中所有物料流的流程。因此，在建模中，该部门的运作流程选取了运用函数之间交互串接数据的方式来建立表达，并非普通的离散事件建模。

4 仿真结果及其分析

设定仿真模型运行时间为180天。假设订单需求量Demand按逐月递增方式。物资采购部门和生产部门人力资源库laborPool容量分别为50个和30个；最大库存S=4 000 t，最小库存200 t；物资采购部门设备资源库equipPool容量30台，生产部门缓冲区容量30。此处其他参数设置省略。仿真参数根据企业调研结果设定，并考虑企业保密因素进行技术处理。通过对实际SCOR模型和标准SCOR模型进行仿真，分析采用SCOR标准模型优化石化企业内部供应链流程的效果。

图11为采购部门流程优化前后订单积压量仿真结果对比，其中，SCOR-G和SCOR-O分别代表优化后的物资采购和原油采购订单积压，NORMAL-G和NORMAL-O分别代表优化前物资采购和原油采购订单积压。由图可以看出，随着订单数量的逐月线性上升，经SCOR优化后的物资和原油采购订单积压在0～10之内上下浮动，而原有流程的订单积压数量则随着订单量的线性上升而开始大幅度增加。可以看出，在60天即模型运行两个月之前，原有流程与优化后的流程作业水平差距不大，但是随着订单量的持续增加，两个月之后原有流程的运作效率已明显跟不上订单量的增加量，订单处理时间冗余，积压量上升，导致了企业整体运营效率低下。

图11 采购部门优化前后订单积压仿真对比

图12为生产部门流程优化前后生产能力仿真结果对比，其中，NORMAL-M和SCOR-M分别表示优化前后的生产能力。可以看出，由于企业是以保证生产连续不停顿为原则的流程型企业，因此，原有流程NORMAL-M力求以保证最小订单处理量为基础来调度生产节奏，随着订单量增加而加快生产运作的频率。而经SCOR优化后的生产部门SCOR-M则选取了相反的指标，不仅维系了生产的连续运行，并且使总体生产能力平均上升了500个单位值。

图12 生产部门优化前后生产能力对比

图13为储运部门流程优化前后物料储运量仿真结果对比。NORMAL-D和SCOR-D分别表示优化前后储运部门物料储运量（t）。可以看出，经SCOR优化后，原有的配送流程经标准化分解为针对不同配送环境条件的D1和D2两套流程，大大提高了储运能力。

图13 储运部门优化前后物料储运量对比

运行仿真模型，选用堆叠分析图对SCOR优化前后的供应链管理成本（万元，下同）进行对比分析。通过仿真，不仅能够更加清楚明确地看出各个成本所占总成本的比率，更能有效地测算出企业业务流程经SCOR改造前后的成本差异。仿真表明，优化后的供应链成本低于优化前的成本，而且随着运行时间的延续，二者之间的差距逐月增大。图14为运行到第三个月时SCOR优化前后企业内部供应链管理成本对比，其中左图为经SCOR改造后的供应链业务流程运作成本，S-fix代表固定成本，S-process代表作业成本，S-short则代表变化成本，而右图为原有企业流程的运作成本，N-fix、N-process、N-short分别代表原有企业流程运作的固定成本、作业成本以及变化成本。

图14 SCOR优化前后第三个月供应链管理成本对比

5 结束语

本文在调研并构建石化企业内部供应链流程框架的基础上，利用AnyLogic软件建立了企业的SCOR顶层模型、配置层模型以及流程元素层仿真模型，并且运用混合建模的方法，建立了内部供应链的采购、生产、储运等各个部门节点之间的物料交互以及信息传递关系，通过运行仿真模型，对各部门及供应链总体的性能指标进行比较，分析了内部供应链流程优化前后的差异。研究表明，在给定条件下，石化企业内部供应链流程经过SCOR优化后减少了订单处理积压，提升了生产和储运系统作业强度，增强了配送的可靠性。

本文的研究重点落在石化企业内部的供应链上，进一步的研究准备将企业的内部与外部供应链整合研究，以全面提升企业的竞争力。

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WANG Wen1,REN Lipeng1，2,ZHONG Jiexi1,FU Weiping1,HUA Jin1

1.School of Mechanical and Instrumental Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China
2.CNPC Lanzhou Chemical Company,Lanzhou 730000,China

Petrochemical enterprises are of typical features of process industry,and core enterprises of petrochemical supply chain,whose inner business process management is crucial to the operational performances of the whole petrochemical supply chain.Taking a petrochemical company as the research object,this paper builds a conceptual model of the original business processes in the interior supply chain,introduces SCOR modelling framework to optimize the business processes. Using the AnyLogic platform,it establishes the simulation models for the interior supply chain of pre and post SCOR optimization.The simulation analysis shows that using SCOR can improve the performance of the petrochemical enterprise interior supply chain.

petrochemical enterprises;Supply Chain Operation Reference model（SCOR）;AnyLogic simulation;interior supply chain;business process

石化企业是典型的流程型企业，是石化供应链的核心企业，其内部业务流程管理对整个石化供应链运作性能具有决定性作用。以某石化公司为研究对象，分析其内部供应链原有业务流程，建立相应的概念模型；为了优化原有企业内部供应链业务流程，引入SCOR建模框架；采用AnyLogic仿真平台，分别建立采用SCOR框架前后企业内部供应链的仿真模型。仿真分析表明，采用SCOR框架改进业务流程，可以有效改善企业内部供应链性能。

石化企业；供应链运作参考模型（SCOR）；AnyLogic仿真；内部供应链；业务流程

A

TP18

10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0324

WANG Wen,REN Lipeng,ZHONG Jiexi,et al.Modeling and simulation for business processes of interior supply chain in petrochemical enterprise.Computer Engineering and Applications,2014,50（24）：236-243.

国家自然科学基金（No.11072192）。

王雯（1966—），女，博士，教授，研究方向为供应链系统动力学、现代物流系统工程与技术；傅卫平（1957—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为非线性动力学、现代物流系统工程与技术。E-mail：wangwen@xaut.edu.cn

2013-01-28

2013-08-02

1002-8331（2014）24-0236-08

CNKI网络优先出版：2013-10-29，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20131029.1133.025.html