基于Witness的“牛鞭效應(yīng)”仿真實(shí)踐教學(xué)研究

摘要：以一個(gè)簡(jiǎn)單的供應(yīng)鏈系統(tǒng)為仿真對(duì)象，運(yùn)用Witness仿真軟件來(lái)建立仿真模型，再根據(jù)模型的運(yùn)行結(jié)果，分析了供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，最后提出了供應(yīng)鏈模型優(yōu)化的改進(jìn)措施。基于Witness的仿真實(shí)踐教學(xué)可幫助學(xué)生獲得分析、解決問(wèn)題的能力，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)供應(yīng)鏈與物流職業(yè)的技能需求。

關(guān)鍵詞：供應(yīng)鏈；牛鞭效應(yīng)；實(shí)踐教學(xué)；Witness仿真

隨著世界技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球一體化的程度越來(lái)越高，跨國(guó)經(jīng)營(yíng)越來(lái)越普遍。就制造業(yè)而言，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可能在日本，而原材料的采購(gòu)可能在中國(guó)大陸或者巴西，零部件的生產(chǎn)可能在中國(guó)臺(tái)灣或印尼某地同時(shí)進(jìn)行，然后在中國(guó)大陸組裝，最后銷(xiāo)往世界各地。在這個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)之前，相當(dāng)多的公司事實(shí)上參與了產(chǎn)品的制造，而且由于不同的地理位置、生產(chǎn)水平、管理能力，形成了復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)。這樣的一個(gè)供應(yīng)鏈在面對(duì)市場(chǎng)需求波動(dòng)的時(shí)候，一旦缺乏有效的系統(tǒng)管理，“牛鞭效應(yīng)”便會(huì)在供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)中放大，從而嚴(yán)重影響整個(gè)供應(yīng)鏈的價(jià)值產(chǎn)出。

“牛鞭效應(yīng)”是供應(yīng)鏈上的一種需求變異放大現(xiàn)象，其原因是信息流從終端客戶(hù)向初始供應(yīng)商方向傳遞時(shí)，無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)信息的共享，使得信息扭曲且逐級(jí)放大，導(dǎo)致了需求信息出現(xiàn)越來(lái)越大的波動(dòng)。在供應(yīng)鏈上，這種效應(yīng)越往上游，變化就越大，距終端客戶(hù)越遠(yuǎn)，影響就越大?！芭１扌?yīng)”的存在，已經(jīng)成為削弱供應(yīng)鏈的增值能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的主要負(fù)面因素。

本文基于Witness仿真平臺(tái)，在對(duì)供應(yīng)鏈的仿真系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)模型的運(yùn)行結(jié)果分析出供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”因素和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，并通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)對(duì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型進(jìn)行改善優(yōu)化，以緩解“牛鞭效應(yīng)”，立體形象地向?qū)W生展示了供應(yīng)鏈與物流實(shí)踐教學(xué)仿真軟件的功能。同時(shí)，學(xué)生可通過(guò)類(lèi)似或者更加深入的訓(xùn)練，提高在使用Witness仿真軟件方面的實(shí)踐應(yīng)用技能。

一、Witness簡(jiǎn)介及仿真建模過(guò)程

由英國(guó)Lanner集團(tuán)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的Witness軟件作為一種先進(jìn)的運(yùn)作系統(tǒng)建模與仿真優(yōu)化平臺(tái)，在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、供應(yīng)鏈、物流、服務(wù)系統(tǒng)仿真優(yōu)化方面獲得了大量的應(yīng)用和研究成果。基于面向?qū)ο蠼＠砟铋_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的Witness軟件具有編程工作量少、可視化動(dòng)態(tài)模擬界面、方便的統(tǒng)計(jì)報(bào)表系統(tǒng)、智能優(yōu)化算法等特征，通過(guò)Witness開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仿真模型易于理解和控制，為加強(qiáng)物流及相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)期間深入理解實(shí)際供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)提供了直觀的、可行的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

應(yīng)用Witness仿真軟件建模的一般步驟為：（1）分析系統(tǒng)仿真流程，根據(jù)系統(tǒng)元素之間關(guān)系將有關(guān)聯(lián)的實(shí)體進(jìn)行連接；（2）模型布局，即將仿真所需要的元素從元素模板中拖拽到仿真視圖窗口中的適當(dāng)位置；（3）元素定義及可視化設(shè)置，在定義了元素的基礎(chǔ)上，將被仿真系統(tǒng)的可視實(shí)體以二維或三維的圖形顯示出來(lái)；（4）細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，詳細(xì)定義模型基本元素工作參數(shù)以及各元素之間的邏輯關(guān)系；（5）仿真運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定時(shí)間范圍內(nèi)的運(yùn)行，并在屏幕上動(dòng)畫(huà)顯示系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程；（6）分析仿真結(jié)果，通過(guò)報(bào)告工具欄顯示系統(tǒng)中選中元素的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，可以分析系統(tǒng)中可能存在的各種問(wèn)題；或通過(guò)某項(xiàng)指標(biāo)來(lái)比較可選方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

二、供應(yīng)鏈系統(tǒng)的仿真模型的建立

下面以某產(chǎn)品原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷(xiāo)商以及零售商組成一個(gè)簡(jiǎn)單的供應(yīng)鏈系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真分析。為了簡(jiǎn)化模型，假定原材料從原材料供應(yīng)商到生產(chǎn)商再經(jīng)過(guò)分銷(xiāo)商和零售商，供應(yīng)鏈上游企業(yè)根據(jù)下游企業(yè)的庫(kù)存水平來(lái)決定是否供貨，該供應(yīng)鏈系統(tǒng)的仿真流程圖如圖1所示。根據(jù)仿真流程圖，運(yùn)用Witness仿真軟件，從用戶(hù)自定義模板中拖入相關(guān)元素建立供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中P為原材料，M1、M2、M3、M4分別為原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷(xiāo)商、零售商，B1為生產(chǎn)商庫(kù)存，B2為分銷(xiāo)商庫(kù)存，C1為從原料供應(yīng)商到生產(chǎn)商的路徑，C2為從生產(chǎn)商到分銷(xiāo)商的路徑，C31、C32、C33、C34分別為從分銷(xiāo)商到零售商的緩存，用時(shí)間序列圖的變化來(lái)表現(xiàn)供應(yīng)鏈系統(tǒng)庫(kù)存的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

三、仿真模型各元素的細(xì)節(jié)設(shè)置

仿真模型各元素可視化設(shè)置后，需要編輯各元素的參數(shù)。當(dāng)生產(chǎn)商的原料庫(kù)存小于15單位時(shí)原材料供應(yīng)商開(kāi)始生產(chǎn)，每生產(chǎn)一批原材料需要的時(shí)間服從1～3小時(shí)的均勻分布。當(dāng)分銷(xiāo)商的庫(kù)存小于6單位時(shí)，生產(chǎn)商開(kāi)始配貨，每配一批貨需要的時(shí)間服從0.5～1小時(shí)的均勻分布。當(dāng)零售商中最小庫(kù)存量小于3個(gè)單位時(shí)，分銷(xiāo)商開(kāi)始組織供貨，每提供單位商品需要的時(shí)間服從2～6小時(shí)的均勻分布。零售商每銷(xiāo)售1單位商品需要4小時(shí)，供應(yīng)鏈每?jī)蓚€(gè)環(huán)節(jié)之間的路程需要5小時(shí)。

在完成對(duì)模型元素的細(xì)節(jié)和詳細(xì)參數(shù)設(shè)置后，運(yùn)行仿真模型即可以在Witness軟件中看到供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)的庫(kù)存變化情況。

四、仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化

模型仿真鐘取系統(tǒng)默認(rèn)的1的時(shí)間單位為1小時(shí)，運(yùn)行365×24=8760仿真時(shí)間單位，得到供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)庫(kù)存量的二維圖標(biāo)，如圖3所示。庫(kù)存統(tǒng)計(jì)二維圖中六條波動(dòng)曲線分別模擬生產(chǎn)商庫(kù)存（紅色）、分銷(xiāo)商庫(kù)存（淺綠色）、分銷(xiāo)商到零售商1的在線庫(kù)存（藍(lán)色）、分銷(xiāo)商到零售商2的在線庫(kù)存（淺藍(lán)色）、分銷(xiāo)商到零售商3的在線庫(kù)存（黃色）、分銷(xiāo)商到零售商4的在線庫(kù)存（紫色）的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化情況。通過(guò)二維圖看出，生產(chǎn)商與分銷(xiāo)商的庫(kù)存量波動(dòng)劇烈，呈現(xiàn)“牛鞭效應(yīng)”。

在布局窗口中框選所有的模型元素，通過(guò)報(bào)告工具欄可按元素類(lèi)型分類(lèi)顯示供應(yīng)鏈系統(tǒng)各元素的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表，如表1和表2所示。

從表1中的供應(yīng)鏈模型設(shè)備利用率統(tǒng)計(jì)可以看出：在仿真運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，上游的生產(chǎn)商的繁忙時(shí)間只占28%，其余時(shí)間都處于空閑狀態(tài)，而分銷(xiāo)商基本上處于繁忙狀態(tài)，這就在供應(yīng)鏈中形成了所謂的“瓶頸”。同時(shí)，從表2中的供應(yīng)鏈模型各環(huán)節(jié)的運(yùn)輸情況統(tǒng)計(jì)也可以看出，由于生產(chǎn)商的訂貨提前期比較長(zhǎng)，分銷(xiāo)商在缺貨時(shí)大量生產(chǎn)，商品從分銷(xiāo)商到零售商的運(yùn)輸中造成了一定的時(shí)間等待，出現(xiàn)了排隊(duì)現(xiàn)象，從而降低了供應(yīng)鏈的工作效率。

根據(jù)以上的仿真運(yùn)行結(jié)果分析我們可以看到，導(dǎo)致供應(yīng)鏈需求變動(dòng)程度增大的主要因素在于供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)企業(yè)間的信息不對(duì)稱(chēng)和不完全。各節(jié)點(diǎn)企業(yè)只根據(jù)其相鄰的下游企業(yè)的需求信息進(jìn)行生產(chǎn)、庫(kù)存和供應(yīng)，不真實(shí)的需求信息沿供應(yīng)鏈逆向而上，產(chǎn)生需求逐級(jí)放大現(xiàn)象，訂貨量越來(lái)越脫離實(shí)際需求量，達(dá)到最源頭供應(yīng)商時(shí)，需求信息與終端客戶(hù)的實(shí)際需要量之間往往有很大的偏差。這種信息的扭曲若和企業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的不確定因素疊加在一起，將會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和效率低下。

從上述造成“牛鞭效應(yīng)”的主要因素分析，我們可以通過(guò)調(diào)整供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型中的參數(shù)設(shè)置來(lái)改進(jìn)優(yōu)化：（1）提高相鄰環(huán)節(jié)之間的傳輸速度，如將供應(yīng)鏈每?jī)蓚€(gè)環(huán)節(jié)之間的路徑從5小時(shí)縮短到2.5小時(shí)；（2）縮短生產(chǎn)商的訂貨提前期，如當(dāng)分銷(xiāo)商的庫(kù)存小于8單位時(shí)，生產(chǎn)商開(kāi)始配貨。然后，再次運(yùn)行模型8760仿真單位時(shí)間，得到改善后的供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)庫(kù)存量的二維圖標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)商與分銷(xiāo)商的庫(kù)存量波動(dòng)情況明顯減弱，這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化，如圖4所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用仿真模型模擬了某產(chǎn)品原料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、分銷(xiāo)商以及零售商，上游環(huán)節(jié)根據(jù)下一環(huán)節(jié)的庫(kù)存供貨的供應(yīng)鏈過(guò)程。通過(guò)模型的運(yùn)行，分析了供應(yīng)鏈系統(tǒng)中的“瓶頸”因素和導(dǎo)致“牛鞭效應(yīng)”出現(xiàn)的原因，并對(duì)模型中的各種參數(shù)進(jìn)行更改，從而達(dá)到緩解“牛鞭效應(yīng)”的目的。盡管模型運(yùn)行結(jié)果的數(shù)據(jù)只是在給定的條件下所得的結(jié)果，對(duì)參數(shù)的修改還需要建立在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)之上，但提供了一種通過(guò)Witness仿真軟件分析供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)的方法和思想。在實(shí)際的供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)中，此種仿真實(shí)踐方法可以方便地應(yīng)用到同類(lèi)問(wèn)題的分析和研究中，提高學(xué)生分析、解決供應(yīng)鏈與物流系統(tǒng)問(wèn)題的能力，鍛煉學(xué)生的職業(yè)綜合技能，為更好適應(yīng)企業(yè)的需求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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