供应链仿真技术的应用研究

文/ 李坤徐锦希赵宁

一、引言

在传统供应链管理模式中，经常因信息掌握不及时而导致决策失误，供应链管理效率低、响应速度慢，存在不可预测的风险。面对供应链中信息流、物流、资金流产生的海量数据，及其不可控的动态性，目前国内企业技术储备不足以收集多元化的供应过程数据，缺乏有效的沟通平台将供应商、分销商、零售商有机联系起来[1]，且管理企业的供应链需要每天做大量的决策，并在企业的物流成本和客户灵活需求之间寻找平衡点，在此过程中存在很多不可避免的不确定因素和随机性因素，供应链流程过长，特别是实际控制过程中遇到障碍需要调整时，往往会造成决策不及时而造成企业损失[2]。尽管一些企业已经通过信息化等新技术手段提升企业供应链管理的能力，但传统方法难以应对存在的问题和挑战，对于供应链管理人员来说，每天仍然面临着供应链网络无法可视化等问题的挑战。此外，如何基于可掌握的供应链数据，预判供应链未来状态，成为一个难题。在数字化时代，如何使用仿真技术对供应链进行建模、分析并实现高效管理已经成为提高生产企业效率的关键问题之一[3]。

供应链仿真技术是基于计算机仿真技术发展出的对于供应链研究的新方法，相比于传统的数学方法，计算机仿真技术能够更加直观和全面的反映问题，并能一定程度上解决系统的动态性问题。常用的仿真软件包括Flexsim、Anylogic、Plant Simulation等，仿真建模可以帮助企业应对挑战、降低成本以及改善服务，并可以快速清晰地分析供应链中相互关联、动态和随机的事件，进而帮助企业完善决策[4]。Flexsim是美国的三维物流仿真软件，能够对系统中所有基本存在的实物对象（如传送带、仓库、集装箱等）构建模型、仿真，实现业务流程可视化，其对象具有开放性，建模速度快。有学者通过Flexsim仿真技术对供应链运作流程仿真建模，采取制造商延迟策略，降低整体的库存水平，提高规模经济效益[5]，也有学者通过Flexsim仿真技术模拟仓储系统作业过程，结果表明供应链信息共享对仓储作业起着重要的作用[6]。Multi-Agent系统解决的问题更复杂，多个Agent之间可共享问题与方法等信息，从而协调并实现共同目标，这一仿真方法相比其他仿真技术成本更低、效率更高，可重复使用，能有效解决供应链协调问题。Multi-Agent仿真技术可仿真模拟具有复杂自适应特征的制造业供应链系统，较好地反映供应链内部的运行状况[7]。供应链企业为了选择评价合作伙伴建立模型，不同的Agent之间可充分沟通协调，使得评估工作快速有效，且能较好反映合作伙伴之间关系的动态变化[8]。Anylogic是一款应用广泛的，对离散事件、多智能体和混合系统建模和仿真的工具，也是唯一允许将系统动力学模型组件、基于多智能体和离散事件开发的模型组件相结合的工具。有学者在Anylogic平台上进行建模，用于研究闭环供应链库存和牛鞭效应[9]。Plant Simulation是一款面向对象、图形式集成的建模仿真软件，由Teconmatix公司负责开发，现为西门子旗下产品，主要用于生产系统建模和仿真，其提供了包括物料、信息、统计分析、优化求解等在内的诸多仿真单元模块，极大简化了模型的构建过程，SimTalk语言更为建模过程中的人机交互提供了可行途径[10]。很多学者利用Plant Simulation 仿真软件对离散生产系统进行优化，分别从生产系统布局、生产线平衡、物料配送、作业排序与调度等方面开展研究，优化的对象有车间、厂房、流水线、装配线以及生产系统等。德国专家Rainer Schemauter使用Plant Simulation仿真软件，将整个供应链的客户、制造商和供应商都考虑在仿真模型当中，并通过客户订单驱动整个模型，根据供应商位置、原材料库存状态等信息，寻找出最高效经济的生产调度方案，并对企业所需的工作人员数量进行优化，降低企业成本。

二、供应链仿真模型

供应链仿真模型可用采购环、生产环、成品物流环、客户需求环和生产计划环5个模块表达，如图1所示。在订单到达到订单交付的整个过程中，从客户需求环，到生产计划环，到采购环，再到生产环，一直到成品物流环，不同工厂对其要求和需求不同。其中各个环各自具备独立功能，同时互相约束，共同表达了企业生产和供应特征。依据不同企业的具体情况，可选择上述5个环的重点部分进行重点描述，对非重点则采用简化方式表达。

图1 供应链仿真模型

供应链仿真模型是一个由客户需求订单驱动、供应链与生产计划中心控制的，包括供应商生产能力与供货能力模型、企业生产工艺模型和运输仓储模型的多层次的仿真模型（如图2所示）。

图2 供应链仿真模型结构示意图

采购环节的核心模型为供应商生产与供货模型。该模型根据供应商画像构建而成，根据所下达的订单设置模型的各项参数，并模拟仿真供应商的生产与供货过程，为企业生产环节提供各种配件。生产环节的核心模型为企业生产模型，该模型根据企业的生产工艺构建而成，通过对供应商所供部件的再加工、组装、检测、装箱等环节，完成产品的最终生产，并齐套存储。成品物流环的核心为仓储与运输模型，该模型对生产的所有产品进行记录，并根据订单信息发货。客户订单环主要是对客户所下达的信息进行拆分，并生成各种采购订单和生产计划。供应链计划与生产计划控制中心负责整合各类信息，并对各个环节加以控制，使得整个仿真模型能够与真实供应链运作模式一致。

三、供应链仿真推演流程

供应链仿真是针对既定的采购计划和生产计划，基于历史数据在虚拟时空中仿真推演计划的执行过程，对计划做出科学评价。其中，采购计划会涉及图2的客户需求环、生产计划环和采购环，生产计划会涉及客户需求环、生产计划环、生产环和成品物流环。采购计划和生产计划的协调是供应链仿真的核心。供应链仿真推演流程（如图3所示），只需输入客户订单以及采购计划和生产计划即可开始仿真，仿真运行结束自动生成仿真报告，对采购计划和生产计划集成评价。

图3 供应链仿真推演流程

1.生产计划仿真推演流程

对于主机厂的生产计划仿真，主要根据制定好的生产计划和生产线工人数量，仿真推演生产计划的完工日期，如超出计划节点，则将工人数量增至最大，以最大生产效率仿真推演，如符合完工日期要求则结束，否则证明生产计划不可行，需前移采购计划时间节点，增加生产时间。生产计划的仿真推演流程，如图4所示。

图4 生产计划仿真推演流程图

2.采购计划仿真推演流程

对于采购计划仿真，主要根据已制定好的采购计划模拟推演是否存在执行风险。由于采购计划制定时是以供应商沟通结果来形成各供应商的交付节点，但在实际采购过程中，供应商能否在承诺的交付节点完成承诺，依然具有一定风险。因此，需要基于不同供应商的历史供应数据，评估供应商按时交付的风险，并在整体供应链予以模拟推演。如模拟推演的结果显示所有供应商都可按时完成，则表示采购计划执行的风险较低；如模拟推演的结果显示部分供应商难以按时完成，则需调整采购计划；如采购计划没有再调整空间，可针对风险最大的供应异常，仿真供应链整体状态，并寻找解决方案，从而做到提前准备，风险可控。采购计划的仿真流程，如图5所示。

图5 采购计划仿真推演流程图

图6 极限仿真推演流程

3.极限供应仿真推演流程

极限仿真推演模块流程如图5，此模块考虑订单量无限大的情况，所有供应商按最大产能供应，设置仿真推演时间，在推演过程中，供应商一直按最大产能备货，由库存状况拉动供应商供应，当仓库内某产品需要补货时，供应商立即按当前最大产能进行供应；分装、联调、装箱模块尽可能保持一直运转；仿真到达截止时间时，统计所完成的套装数量，生成极限仿真推演报告。

通过极限仿真推演，可以推演出整个供应链的极限产能；同时，在供应商与装箱线都以极限能力运转时，可以通过仿真观测出供应链瓶颈，为供应链优化提供方向。

四、供应链仿真平台设计与应用

1.供应链仿真平台设计

针对目前供应链运营中所面临的实际问题，开展企业级供应链仿真平台的建设，实现与企业采购、库存及物流等各个供应链环节集成与协同，打通数据壁垒，打造一个数据流程通畅、仿真准确率高的供应链仿真平台，真正企业供应链管理中遇到的问题。

如图7所示，企业供应链仿真平台总体架构包括如下几部分组成：（1）供应链仿真系统：包括仿真评价体系的构建、生产计划仿真模型的构建、采购计划仿真模型的构建、供应商历史供应数据库、供应商画像等内容；（2）数字化应用：基于供应链实际需求构建数字化创新应用，提供“生产计划仿真”“采购计划仿真”“极限供应仿真”等特色场景化应用；（3）用户端口：利用主流的驾驶舱展现形式，从生产管理、采购、试制等用户类型的业务需求出发，综合呈现数字化应用管控效果。（4）支撑体系：从标准规范与安全保障两个方面，支撑供应链仿真平台的建设与运营工作。

图7 供应链仿真平台总体架构

2.供应链仿真平台应用方法

供应链仿真平台应用流程的入口是用户的需求订单，应用步骤如下（流程见图8）：

图8 供应链仿真平台应用流程示意图

（1）将用户订单通过订单管理模块进入系统；

（2）基于订单制定生产计划，生产计划的制定可以采用基于案例推理的方式完成；

（3）对订单的物料BOM进行分解与合并，形成采购计划；

（4）将采购计划下达给供应商，进行物料采购；

（5）综合采购计划、生产计划、供应商保供数据库、供应商画像等各种信息，进行供应链仿真，检验整个供应过程的合理性；

（6）将物料到货情况与装箱计划进行比对，判断物料的齐套性，如果满足，则进行装箱生产；否则继续根据实际情况在供应商之间进行调度，尽快达到齐套要求。

3.仿真作用

当进行生产计划仿真时，若模拟推演出的生产所需时间大于正常工作时间，需要调整工作安排，增加工人数量或增长工作时间；若模拟推演出的生产所需时间小于正常工作时间时，可适当优化人员等工作安排，在规定时间内完成生产任务即可。当进行采购计划仿真，若模拟推演的结果显示所有供应商都可按时完成，则表示采购计划执行的风险较低。若模拟推演的结果显示部分供应商难以按时完成，则需调整采购计划。

五、结束语

供应链仿真可以解决传统供应链中因信息掌握不及时或无法静态计算而导致的决策失误，但不同行业供应链复杂而多变，本文只考虑了一般供应链中生产计划、采购计划以及极限供应仿真的推演流程，后续将研究借助数字孪生技术，进一步将供应链的采购和生产过程透明化，建立更准确的仿真模型，以期为提供应链快速响应能力提供更多的参考依据。