石化企業內部供應鏈業務流程分析及建模仿真

王 雯，任立鵬，2，鐘潔西，傅衛平，華 金

1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048

2.中國石油蘭州石化公司，蘭州 730000

石化企業內部供應鏈業務流程分析及建模仿真

王 雯1，任立鵬1，2，鐘潔西1，傅衛平1，華 金1

1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048

2.中國石油蘭州石化公司，蘭州 730000

1 引言

石化企業是典型的連續型流程制造企業，具有資金密集、技術密集、過程連續、工藝復雜、產品眾多等特點，提高其供應鏈管理水平是石化企業面臨的重要課題。石化企業是石化供應鏈的核心企業，其內部業務流程管理對整個石化供應鏈運作性能具有決定性作用。

Sear[1]最早將供應鏈管理研究引入石油行業，為下游石油工業的物流計劃建立了一個線性規劃網絡模型。Neiro等[2]在此基礎上，論述了石油供應鏈建模的一般框架，并為石油供應鏈建立了一個MINLP綜合模型。王繼帥[3]提出了一種通用的集成魯棒優化方法，對其在石化企業供應鏈設計、計劃優化、調度優化等多方面的應用做了深入研究。劉長劍[4]運用供應商管理庫存（VMI）理論，對VMI在石化企業實施前后的成本效益進行了對比分析。靳萬民[5]定性探討了石化企業采購、庫存、供應商選擇等物資供應業務流程的改進問題。劉曉等建立了基于多Agent的石化企業庫存協調與控制模型[6]和多目標采購優化數學模型[7]。趙丹妮等[8]采用多種視圖概念模型綜合描述了石化企業供應鏈中原油采購管理系統的組織、功能、信息和產品視圖模型。與離散型企業相比，流程型企業供應鏈管理研究相對薄弱得多，主要研究集中在供應鏈設計、規劃、調度等戰略層和戰術層的優化等問題，大多采用定性分析或數學規劃等方法[9]，無法對供應鏈流程進行定量分析，而對于供應鏈過程的理解和改進則多采用系統動力學、離散事件和基于Agent建模等仿真方法[10]，但對石化企業內部供應鏈流程進行仿真的研究鮮見報道。

近年來，供應鏈運作參考模型（Supply Chain Operation Reference model，SCOR）[11]作為供應鏈流程改進、提高供應鏈競爭力的有效途徑開始引入我國制造業供應鏈管理[12]，并在許多行業得到應用，但目前這方面的研究多限于定性的建模分析和績效評價，很少有基于SCOR模型改進的仿真研究[13-16]。此外，到目前為止幾乎沒有有關在石化企業應用SCOR模型并進行仿真分析的研究文獻報道。

本文在對典型石化企業原有內部供應鏈業務流程分析的基礎上，引入SCOR模型對石化企業原有流程進行改進優化，采用Anylogic仿真軟件建立石化企業進行SCOR改進前后主要流程的仿真模型，并對模型仿真結果進行分析對比。

2 石化企業內部供應鏈業務流程建模

2.1 石化企業基本概況

本文研究背景為我國一家大型石化公司。該企業原油一次加工能力達到1 050萬噸/年，乙烯生產能力達70萬噸/年，化肥、合成樹脂、合成橡膠、煉油催化裂化催化劑產能分別達到52萬噸/年、124.5萬噸/年、17.5萬噸/年和5萬噸/年。現有煉化生產裝置90套，加工7種原油，能生產汽、煤、柴油、潤滑油基礎油、化肥、合成樹脂、合成橡膠、煉油催化劑、精細化工、有機助劑等多品種、多牌號、多系列石化產品。該企業原有內部供應鏈基本運作過程是：首先，企業根據中石油整體批量分配任務，接收原油，并依據現有產品的庫存制定生產計劃和采購計劃；接下來，采購部門執行采購，完成原油、輔料的進貨過程；然后，生產部門運用這些生產資料進行生產加工；繼而，市場中的銷售商就會評估產品，向企業發出需求訂單，企業經過篩選，把所有的訂單進行整理匯總并排序，將最終產品按訂單配送給客戶或供應回石化總銷售公司。

2.2 原有企業內部供應鏈業務流程概念模型

由上述基本運作過程可知，該企業內部供應鏈業務流程主要由計劃、采購、生產、配送及退貨五個流程組成。計劃流程將預期的資源合理組合以平衡能力與需求，同時通過協調全局的計劃來平衡總體需求。采購、生產、配送和退貨流程又統稱為實施流程。實施流程由計劃或實際的需求為驅動，在實施過程中改變產品的狀態，包括日程安排，原材料的轉化以及服務和產品的運輸。此外，還有管理內部供應鏈的支持流程，包括規則的建立和管理、績效評估、信息系統與數據管理、庫存管理、資產管理、運輸管理、供應鏈配置管理、遵守法規管理等。根據企業內部供應鏈基本運作過程，將上述流程功能分配至該企業內部的相關業務部門，可以得到圖1所示原有企業內部供應鏈業務流程的概念模型。

圖1 企業內部業務流程概念模型

2.3 基于SCOR的石化企業內部供應鏈業務流程模型

供應鏈運作參考模型（SCOR）是國際供應鏈協會提供的一種幫助企業在供應鏈流程績效方面進行對比、評估和改進的方法，是一種用于描述與滿足客戶需求相聯系的所有階段業務活動的供應鏈語言，是設計、配置與重新配置任何類型供應鏈的一種整體框架和運作流程[11]。SCOR模型融合了業務流程再造、最佳實踐和標桿等先進的管理方法來對供應鏈的實施管理進行指導，適用于不同的工業領域。SCOR模型由五個基本的管理流程構成，分別為計劃P（Plan）、采購S（Source）、生產M（Make）、配送D（Deliver）和退貨R（Return）。SCOR標準模型按流程定義一般可分為三個等級：第一層（頂層）、第二層（配置層）以及第三層（流程元素層）。

石化生產企業宏觀上一般具有上述第一層中P、S、M、D和R五個流程。根據SCOR配置工具箱[11]，結合企業內部供應鏈采購部門、生產部門和儲運部門各自的流程實際情況，可以建立和配置該企業的第二、第三層SCOR標準模型。SCOR標準模型是國際供應鏈協會在總結各類企業運行流程基礎上得到的，其有效性和正確性被普遍認可的通用模型，可以為改進企業實際流程模型提供優化改進方向和途徑。對企業實際流程模型和SCOR標準流程模型進行仿真，通過對比仿真結果，可以為改進企業實際流程提供依據。

該企業的SCOR標準模型第二層結構如圖2所示。圖中，Pl表示計劃供應鏈，表示在特定時間周期內，為了滿足供應鏈資源需求，預計供應鏈資源配置的一系列行動的開發和建立；P2是計劃采購，表示在特定時間周期內，為了滿足供應鏈的要求，預計物料資源配置的一系列行動的開發和建立，與其相聯系的物資和原油采購執行流程分別為S3→D2和S2→D1，S3為按工程定制采購，D2為訂單生產產品配送，S2為計劃生產產品采購，D1為庫存產品配送；P3是計劃生產，表示在特定時間周期內，為了滿足生產的需求，預計生產資源配置的一系列行動的開發和建立，與其相聯系的生產執行流程為S2→M2→D2，M2為按訂單生產；P4為計劃配送，貫穿于整個企業流程運作之中，其下的執行流程SR1和DR1分別表示采購和配送缺陷產品退貨。

圖2 石化企業SCOR第二層模型結構

企業采購部門、生產部門、儲運部門的第三層SCOR標準模型分別如圖3～圖7所示，其中SCOR流程代碼釋義參見文獻[11]。

圖3 物資采購的第三層SCOR模型詳細流程

圖4 原油采購的第三層SCOR模型詳細流程

圖5 生產部門的第三層SCOR模型詳細流程

圖6 按庫存配送的第三層SCOR模型詳細流程

圖7 按訂單配送的第三層SCOR模型詳細流程

3 石化企業仿真模型的建立

3.1 Anylogic仿真軟件

Anylogic[17]是基于Java開發的仿真軟件，提供多種建模方法，包括基于UML語言的面向對象的建模方法、基于方圖的流程圖建模方法、狀態圖、微分和代數方程。該仿真工具利用活動對象類來對現實世界的不同事物進行模擬。

上面建立的石化企業SCOR標準模型并不能直接進行仿真，需要運用仿真軟件將其轉化為仿真模型。本文主要應用Anylogic軟件中的離散事件仿真（DES）、系統動力學仿真（SD）和多Agent系統仿真（MAS）的功能對石化企業進行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業的內部運作供應鏈流程，它的邏輯設定是以生產部門為核心企業，采購部門為供應商，而儲運部門為最終客戶。因此，作為核心企業即生產部門是供應鏈的核心驅動模塊，它通過內部業務流程的運作實現其自身功能，并同時與采購部門、儲運部門進行信息交互以及控制協調。它們彼此之間相互影響、相互制約，共同組成協調運行的內部供應鏈整體。

根據SCOR體系的層次特性，建立基于MAS/SD/DES的企業內部供應鏈系統仿真邏輯模型，其整體建模框架如圖8所示。在SCOR頂層，將與供應鏈資源配置相關部門（采購、生產、儲運）采用MAS建模，用Agent表示采購S、生產M以及配送D；在SCOR配置層，針對采購、生產和配送三者之間的相互關系，以及彼此之間物料流、信息流的相互影響，采用SD建模；在SCOR流程元素層，采用DES描述S、M、D內部細化的底層流程。

圖8 基于MAS/SD/DES的SCOR仿真模型框架

圖9 SCOR頂層與配置層仿真模型

3.3 供應鏈頂層與配置層仿真模型建立

對于SCOR頂層，供應鏈計劃P選用能夠驅動模型整體運作的函數supplyPlan來表達。對于SCOR配置層，采用3個存量元素以及4個參數變量，3個主要變量OrderCome、Stock、Demand分別代表采購訂單到達、庫存量以及需求量的反饋值。SCOR頂層和配置層仿真模型如圖9所示。

在SCOR頂層建模中，事件orderCome是啟動模型的核心鑰匙，負責計劃的啟動、反饋以及實時更新。由于石化企業為典型流程型企業，因此除了采購部門在上午整點上班（擬定上班時間為上午8：00），開始審核需求訂單以外，生產部門以及配送部門的工作均不分晝夜并且連續不斷，因此設定該事件為連續觸發行為。

配置層模型運行時，首先要平衡采購量以及庫存量，以此確定需求。確定采購計劃時，需考慮到產品的生產周期ProductLT與訂單積壓率DiscardRate。而庫存量的確定則要綜合中轉品配送率Point，庫存狀態AdEfficient，以及運輸模式Connect這些因素，得出最終的庫存可用率UseRate。其中，模型中主要變量的計算公式如下：

3.4 流程元素層仿真模型建立

本文由于篇幅所限，僅對采購部門仿真模型的建立進行詳細的介紹。生產部門以及儲運部門不再做重復的闡述。

首先，在采購Agent內部，運用函數checkDemand進行驅動，并同時綜合儲運部門的原材料庫存量，運用最大最小庫存法(s，S)來激發采購訂單的到達以及審核。之所以選取最大最小庫存控制法，是因為該方法是比較簡單且有效的一種，同時也是應用最為廣泛的方法之一。創建java類Demand，使其作為采購部門節點與SCOR配置層傳遞數據的連接信息驅動點。

進行具體離散建模時，分為兩個模塊。分別是原有企業流程所包含的物資采購流程、原油采購流程，以及經SCOR優化后的物資、原油采購流程。對于物資采購部門運作流程仿真，設定兩個資源庫即人力資源庫laborPool和設備資源庫equipPool，當模型運行時，分別從這兩個資源庫中提取資源進行業務處理。模型中的流程節點則是分別根據物資采購部門的運作流程圖，依次將需求計劃到達、確定采購計劃、簽訂合同、入原材料庫以及出庫這幾個步驟根據AnyLogic軟件的離散事件表達方式建立出來。同理，可以建立經SCOR優化后的物資采購部門運作流程仿真模型。圖10所示為物資采購部門實際流程仿真模型（上圖）和標準SCOR仿真模型（下圖）。類似地，可以建立企業原油采購部門的SCOR仿真模型。

圖10 物資采購部門SCOR流程元素層仿真模型

其次，對于生產部門Agent，其內部流程建模與上述采購部門采取類似方式，但運作流程卻與采購部門大相徑庭。因為生產部門的運作過程除非設備檢修或出現事故，否則實行的是24 h輪班不停歇的工作狀態，與采購部門的訂單驅動模式相異。因此，在該模型建立時，定義集合orders來協調監測內部供應鏈所有組成節點的庫存水平，表征著物理意義上各節點當前的產品持有量，而定義動態事件Delivery將主觀信息和當事件發生時所應執行的行為相結合，是鏈接生產部門與儲運部門的紐帶，并同時定義java類Trans，建立目的端口。其余離散事件模型與采購部門類似，不再詳述。

最后，針對具有一定特殊性的儲運部門Agent，它不僅有自己的運作流程，更是銜接整個企業內部運作的紐帶。所以，雖然其作為獨立的部門在企業中運作，但是卻貫穿之前的采購以及生產中所有物料流的流程。因此，在建模中，該部門的運作流程選取了運用函數之間交互串接數據的方式來建立表達，并非普通的離散事件建模。

4 仿真結果及其分析

設定仿真模型運行時間為180天。假設訂單需求量Demand按逐月遞增方式。物資采購部門和生產部門人力資源庫laborPool容量分別為50個和30個；最大庫存S=4 000 t，最小庫存200 t；物資采購部門設備資源庫equipPool容量30臺，生產部門緩沖區容量30。此處其他參數設置省略。仿真參數根據企業調研結果設定，并考慮企業保密因素進行技術處理。通過對實際SCOR模型和標準SCOR模型進行仿真，分析采用SCOR標準模型優化石化企業內部供應鏈流程的效果。

圖11為采購部門流程優化前后訂單積壓量仿真結果對比，其中，SCOR-G和SCOR-O分別代表優化后的物資采購和原油采購訂單積壓，NORMAL-G和NORMAL-O分別代表優化前物資采購和原油采購訂單積壓。由圖可以看出，隨著訂單數量的逐月線性上升，經SCOR優化后的物資和原油采購訂單積壓在0～10之內上下浮動，而原有流程的訂單積壓數量則隨著訂單量的線性上升而開始大幅度增加。可以看出，在60天即模型運行兩個月之前，原有流程與優化后的流程作業水平差距不大，但是隨著訂單量的持續增加，兩個月之后原有流程的運作效率已明顯跟不上訂單量的增加量，訂單處理時間冗余，積壓量上升，導致了企業整體運營效率低下。

圖11 采購部門優化前后訂單積壓仿真對比

圖12為生產部門流程優化前后生產能力仿真結果對比，其中，NORMAL-M和SCOR-M分別表示優化前后的生產能力。可以看出，由于企業是以保證生產連續不停頓為原則的流程型企業，因此，原有流程NORMAL-M力求以保證最小訂單處理量為基礎來調度生產節奏，隨著訂單量增加而加快生產運作的頻率。而經SCOR優化后的生產部門SCOR-M則選取了相反的指標，不僅維系了生產的連續運行，并且使總體生產能力平均上升了500個單位值。

圖12 生產部門優化前后生產能力對比

圖13為儲運部門流程優化前后物料儲運量仿真結果對比。NORMAL-D和SCOR-D分別表示優化前后儲運部門物料儲運量（t）。可以看出，經SCOR優化后，原有的配送流程經標準化分解為針對不同配送環境條件的D1和D2兩套流程，大大提高了儲運能力。

圖13 儲運部門優化前后物料儲運量對比

運行仿真模型，選用堆疊分析圖對SCOR優化前后的供應鏈管理成本（萬元，下同）進行對比分析。通過仿真，不僅能夠更加清楚明確地看出各個成本所占總成本的比率，更能有效地測算出企業業務流程經SCOR改造前后的成本差異。仿真表明，優化后的供應鏈成本低于優化前的成本，而且隨著運行時間的延續，二者之間的差距逐月增大。圖14為運行到第三個月時SCOR優化前后企業內部供應鏈管理成本對比，其中左圖為經SCOR改造后的供應鏈業務流程運作成本，S-fix代表固定成本，S-process代表作業成本，S-short則代表變化成本，而右圖為原有企業流程的運作成本，N-fix、N-process、N-short分別代表原有企業流程運作的固定成本、作業成本以及變化成本。

圖14 SCOR優化前后第三個月供應鏈管理成本對比

5 結束語

本文在調研并構建石化企業內部供應鏈流程框架的基礎上，利用AnyLogic軟件建立了企業的SCOR頂層模型、配置層模型以及流程元素層仿真模型，并且運用混合建模的方法，建立了內部供應鏈的采購、生產、儲運等各個部門節點之間的物料交互以及信息傳遞關系，通過運行仿真模型，對各部門及供應鏈總體的性能指標進行比較，分析了內部供應鏈流程優化前后的差異。研究表明，在給定條件下，石化企業內部供應鏈流程經過SCOR優化后減少了訂單處理積壓，提升了生產和儲運系統作業強度，增強了配送的可靠性。

本文的研究重點落在石化企業內部的供應鏈上，進一步的研究準備將企業的內部與外部供應鏈整合研究，以全面提升企業的競爭力。

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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

石化企業是典型的流程型企業，是石化供應鏈的核心企業，其內部業務流程管理對整個石化供應鏈運作性能具有決定性作用。以某石化公司為研究對象，分析其內部供應鏈原有業務流程，建立相應的概念模型；為了優化原有企業內部供應鏈業務流程，引入SCOR建模框架；采用AnyLogic仿真平臺，分別建立采用SCOR框架前后企業內部供應鏈的仿真模型。仿真分析表明，采用SCOR框架改進業務流程，可以有效改善企業內部供應鏈性能。

石化企業；供應鏈運作參考模型（SCOR）；AnyLogic仿真；內部供應鏈；業務流程

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.

國家自然科學基金（No.11072192）。

王雯（1966—），女，博士，教授，研究方向為供應鏈系統動力學、現代物流系統工程與技術；傅衛平（1957—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為非線性動力學、現代物流系統工程與技術。E-mail：wangwen@xaut.edu.cn

2013-01-28

2013-08-02

1002-8331（2014）24-0236-08

CNKI網絡優先出版：2013-10-29，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20131029.1133.025.html