基于工程供應(yīng)鏈環(huán)境下的進(jìn)度與庫(kù)存優(yōu)化研究

王帥 楊耀紅 梁敏潔 宋一鳴

摘要：工程管理的大量實(shí)踐表明，實(shí)施供應(yīng)鏈管理能夠給企業(yè)帶來(lái)巨大的利潤(rùn)。施工方的進(jìn)度優(yōu)化及調(diào)度問(wèn)題，施工方與材料供應(yīng)商之間的訂貨及自身的庫(kù)存優(yōu)化問(wèn)題，聯(lián)合起來(lái)考慮即為工程進(jìn)度和庫(kù)存優(yōu)化的研究，它無(wú)論在實(shí)際運(yùn)用中或者理論研究中都有著非常重要的意義。一方面，它是工程調(diào)度理論方法的重要內(nèi)容;另一方面，在實(shí)際工程中，通常要消耗大量的材料，如果能夠基于項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行采購(gòu)，保持最優(yōu)的庫(kù)存量，減少的總成本是相當(dāng)可觀的。本文將施工進(jìn)度優(yōu)化，得出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，再根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃求出最合理的庫(kù)存模型，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行仿真，模擬，分析所得數(shù)據(jù)，從而通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際工程起到指導(dǎo)作用。 ? ?

Abstract： The practice of engineering management shows that implementing supply chain management can bring huge profits to enterprises. The scheduling problems of the construction side， the ordering between the construction side and the material supplier， and the inventory optimization problems of the construction side are jointly considered as the research of the project schedule and inventory optimization， which are of great significance in both theoretical research and practical application. On the one hand， it is an important content of engineering scheduling theory. On the other hand， in actual projects， a lot of materials are usually consumed. If the procurement can be conducted based on the project schedule to maintain the optimal inventory， the reduced total cost will be considerable.In this paper， the construction schedule is optimized， the optimal network plan is obtained， and the most reasonable inventory model is obtained according to the network plan. The simulation， simulation and analysis of the obtained data are carried out by genetic algorithm， so that the simulation results can guide the actual engineering.

關(guān)鍵詞：工程供應(yīng)鏈;資源受限;進(jìn)度優(yōu)化;庫(kù)存優(yōu)化

Key words： engineering supply chain;resource constrained;scheduling optimizatiom;inventory optimization

中圖分類號(hào)：F274 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）08-0103-04

0 ?引言

供應(yīng)商在建筑項(xiàng)目中的地位舉足輕重，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在由產(chǎn)品和服務(wù)構(gòu)成的建筑項(xiàng)目總成本中，來(lái)源于供應(yīng)商所占的比重為80%以上，為了滿足客戶的需求，對(duì)供應(yīng)商的選擇以及其提供的產(chǎn)品和服務(wù)能否滿足需求、如何交付這些問(wèn)題顯得尤為重要。工程供應(yīng)鏈管理目前應(yīng)用比較廣泛，在降低成本的同時(shí)提高了利潤(rùn)。

目前供應(yīng)鏈管理思想已經(jīng)應(yīng)用到了眾多產(chǎn)業(yè)，比如航空業(yè)、零售業(yè)和制造業(yè)，尤其是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)影響顯著，通過(guò)大量研究，發(fā)現(xiàn)企業(yè)運(yùn)用供應(yīng)鏈管理，可以節(jié)約大量物流成本，每年節(jié)約量達(dá)到5%-15%[2]，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的利潤(rùn)。目前供應(yīng)鏈思想還涵蓋了敏捷供應(yīng)思想和精益供應(yīng)思想，成功的應(yīng)用到了制造業(yè)思想，而工程供應(yīng)鏈的研究及應(yīng)用較少，1992年，在建筑行業(yè)中運(yùn)用精益思想由斯坦福大學(xué)的Lauri Koskela首次提出[2]。OBrien在他的論文中首次正式提出了工程供應(yīng)鏈的概念[3]。工程建設(shè)中，承包商和業(yè)主的合作伙伴關(guān)系是供應(yīng)鏈管理關(guān)注的重點(diǎn)，在2001年Dainty等人通過(guò)調(diào)查分析，提出了不合理性，供應(yīng)商和分包商中的中小型企業(yè)同樣應(yīng)是供應(yīng)鏈管理的重點(diǎn)問(wèn)題，此外還分析了在該種思想下存在的障礙[4]。在國(guó)內(nèi)，李艷青詳細(xì)地做出了工程進(jìn)度計(jì)劃優(yōu)化管理研究[5]，古曉敏對(duì)工程項(xiàng)目物流系統(tǒng)物料資源優(yōu)化與可靠性進(jìn)行了分析[6]，劉振元在工程調(diào)度中存在的資源受限問(wèn)題以及其在工程供應(yīng)鏈中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，做出了以活動(dòng)成本為研究目標(biāo)的多模式資源受限工程調(diào)度的算法[7]。而后吳芬做出了集成工程進(jìn)度計(jì)劃與原材料訂貨方針研究[8]，李小申也研究了價(jià)格折扣在庫(kù)存控制中的應(yīng)用[9]。

工程進(jìn)度計(jì)劃和庫(kù)存的優(yōu)化問(wèn)題在工程供應(yīng)鏈研究中是一個(gè)比較重要的方面。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于建筑工程中材料的損耗問(wèn)題比較嚴(yán)重，所以項(xiàng)目管理需要加強(qiáng)對(duì)庫(kù)存方面的材料管理，在這種模式下，企業(yè)可以根據(jù)工程項(xiàng)目的進(jìn)度對(duì)材料進(jìn)行采購(gòu)，可以減少大量的采購(gòu)成本。所以結(jié)合工程進(jìn)度優(yōu)化與庫(kù)存優(yōu)化去節(jié)約成本是工程調(diào)度理論的重要內(nèi)容，合理的制定結(jié)合工程進(jìn)度優(yōu)化與庫(kù)存優(yōu)化問(wèn)題的解決方案具有重要意義。對(duì)于市場(chǎng)環(huán)境的限制，比如說(shuō)資源約束能力是研究工程供應(yīng)量和仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該充分考慮的因素。本文是從進(jìn)度優(yōu)化從而影響到庫(kù)存優(yōu)化問(wèn)題的研究，然后對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行建模，并對(duì)其運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行模型求解。

1 ?資源受限的需求非平穩(wěn)訂貨理論

工程的實(shí)施過(guò)程中，調(diào)度方案是非常重要的因素，決定了實(shí)施的各個(gè)階段的資源量，通過(guò)計(jì)算這些資源的需求量和原材料在資源中的配合比，可以得出原材料的需求量，即在一個(gè)給定的可行調(diào)度計(jì)劃的前提下，就可以將工程的進(jìn)度計(jì)劃和原材料訂貨以及庫(kù)存優(yōu)化的問(wèn)題簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化為一個(gè)需求確定的訂貨問(wèn)題，這個(gè)可行調(diào)度方案和問(wèn)題的最優(yōu)解就構(gòu)成了集成問(wèn)題的一個(gè)可行解。由此可見(jiàn)，這個(gè)問(wèn)題可以解分為資源受限的庫(kù)存優(yōu)化和活動(dòng)成本目標(biāo)單模式的資源受限工程調(diào)度兩個(gè)問(wèn)題。

經(jīng)濟(jì)批量模型（EOQ）在物資訂貨的問(wèn)題中是解決訂貨批量的有效方法。這個(gè)方法有一個(gè)前提條件，即假設(shè)需求量是一個(gè)常數(shù)，也就是說(shuō)需求量是一個(gè)定值，它不隨時(shí)間的變化而變化。但是在實(shí)際中，經(jīng)常存在一些商品和物資，它們的需求量不是一個(gè)定值，而是隨著時(shí)間變化，這是一種非平穩(wěn)的需求，是指在一個(gè)有限的時(shí)間范圍內(nèi)，存在各個(gè)階段，在每個(gè)階段的需求量是一個(gè)不平衡的狀態(tài)[10]。

在上述這種需求非平穩(wěn)的情況下，相對(duì)于經(jīng)濟(jì)訂貨量（EOQ），由于庫(kù)存水平是相對(duì)于時(shí)間的變化，所以需要增加新的分析。當(dāng)確定現(xiàn)今的訂貨量時(shí)，我們就要利用有限時(shí)間內(nèi)的需求量信息，這段時(shí)間稱為計(jì)劃期（planning horizon）。這里我們所討論的需求非平穩(wěn)，指的是在一段時(shí)期內(nèi)需求量是常量，但在不同的時(shí)期間需求量是不同的。

在已有的關(guān)于訂貨問(wèn)題的研究，它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是在保證供給充足的前提下，沒(méi)有缺貨這種問(wèn)題的發(fā)生，換言之，就是在一個(gè)訂貨點(diǎn)，這里的供應(yīng)商的貨源是非常充足的，而在實(shí)際中，供應(yīng)商會(huì)被生產(chǎn)能力等因素所限制，所以他的貨源是由一定限度的，不能充分滿足物品和資源的需求，這就是“資源受限”。

2 ?問(wèn)題描述及數(shù)學(xué)模型

以工程工期為目標(biāo)，資源受限過(guò)程中的工程調(diào)度問(wèn)題可以描述如下：在一個(gè)包含著J項(xiàng)活動(dòng)的工程中，有些活動(dòng)在一定的技術(shù)或者組織的要求下，經(jīng)常存在緊前關(guān)系，例如活動(dòng)j在它的任一緊前活動(dòng)i，i∈Pj（Pj為活動(dòng)j的緊前活動(dòng)集）完成之前不能開(kāi)始。不失一般性，各活動(dòng)順序編號(hào)應(yīng)保證Pj中的活動(dòng)編號(hào)小于j，活動(dòng)1是唯一最早開(kāi)始的活動(dòng)，活動(dòng)J是唯一最晚完成的活動(dòng)均為虛活動(dòng)（不消耗資源且執(zhí)行時(shí)間為0），且分別代表整個(gè)工程的開(kāi)始和結(jié)束。一個(gè)可行計(jì)劃是指各項(xiàng)活動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間都已經(jīng)確定，且滿足緊前關(guān)系及資源約束。

活動(dòng)J={1，2，…，j}，其工期為Fj，活動(dòng)J第k種資源可得量Qk，時(shí)間dj（執(zhí)行時(shí)間），單價(jià)為Ck，工程工期底線H，引入決策變量Xjt，如果活動(dòng)j于第t階段完成，則第t階段對(duì)應(yīng)的Xjt為1，在其它的階段Xjt為0，j工作一旦開(kāi)始不允許被強(qiáng)占?；顒?dòng)完成時(shí)間FTj。第k種資源的單位周期庫(kù)存成本為λk，一次訂貨成本為φk、截至第t周期末時(shí)的第k種資源的庫(kù)存量為sqt，單位時(shí)間材料的需求量為rkt。引入兩個(gè)關(guān)于原材料訂貨的決策變量：qtk和Zt，其中前者表示在第t周期第k種資源的訂貨量，而后者為二元變量，表示在第t周期是否針對(duì)第k種資源進(jìn)行訂貨，Zt為1時(shí)表示訂貨，為0表示不訂貨。

訂貨有折扣，設(shè)價(jià)格折扣為增量折扣。我們根據(jù)訂貨量的不同，給出n+1種不同的折扣：當(dāng)訂貨量滿足0

（1）表示最小化的施工工期。（2）表示活動(dòng)緊前約束關(guān)系。（3）表示工期底線約束，實(shí)際完工量不小于合同工期。（4）表示每個(gè)階段的使用量小于其可用量。（5）工程活動(dòng)成本TV最小，工程執(zhí)行過(guò)程中的總成本，包括活動(dòng)成本和原材料庫(kù)存及訂貨成本。（6）上一周期末的原材料庫(kù)存加上本周期內(nèi)原材料的到貨，然后減去本周期內(nèi)對(duì)于原材料的消耗為本周期末原材料的庫(kù)存。

3 ?模型求解

與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相比較，考慮到遺傳算法在優(yōu)化方面具有強(qiáng)大的功能，選擇遺傳算法對(duì)進(jìn)度優(yōu)化模型和庫(kù)存模型進(jìn)行求解可以取得較為理想的結(jié)果。根據(jù)本文研究?jī)?yōu)化模型決策變量的數(shù)值特點(diǎn)，本文應(yīng)用實(shí)數(shù)編碼方法可以取得更好的效果。在遺傳算法工具箱中，調(diào)用Crtrp函數(shù)來(lái)創(chuàng)建實(shí)值初始種群，選取輪盤(pán)賭方法來(lái)選擇概率，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行編程求解，得出最優(yōu)的進(jìn)度計(jì)劃和最小庫(kù)存成本。

4 ?案例求解與分析

某一建設(shè)工程項(xiàng)目，合同工期是45天，在施工期間，施工承包商要采購(gòu)所需的r1、r2、r3三種工程材料，給出各活動(dòng)所需要的資源，資源約束r1、r2、r3分別為12、12、10，以工期為目標(biāo)的調(diào)度問(wèn)題采用最小最早開(kāi)始時(shí)間為優(yōu)先規(guī)則，r1、r2、r3的價(jià)格C分別為4100元/件、3800元/件、5300元/件。

當(dāng)r1的訂貨量<9時(shí)，按照原價(jià)供給;當(dāng)訂貨量為10時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給;當(dāng)訂貨量為11時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給，第11件按照原價(jià)的90%供給;當(dāng)訂貨量為12時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給，第11件按照原價(jià)的90%供給，第12件按原價(jià)的85%供給。

當(dāng)r2的訂貨量<9時(shí)，按照原價(jià)供給;當(dāng)訂貨量為10時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給;當(dāng)訂貨量為11時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給，第11件按照原價(jià)的90%供給;當(dāng)訂貨量為12時(shí)，前9件按照原價(jià)供給，第10件按照原價(jià)的95%供給，第11件按照原價(jià)的90%供給，第12件按原價(jià)的85%供給。

當(dāng)r3的訂貨量<7時(shí)，按照原價(jià)供給;當(dāng)訂貨量為8時(shí)，前7件按照原價(jià)供給，第8件按照原價(jià)的95%供給;當(dāng)訂貨量為9時(shí)，前7件按照原價(jià)供給，第8件按照原價(jià)的95%供給，第9件按照原價(jià)的90%供給;當(dāng)訂貨量為10時(shí)，前7件按照原價(jià)供給，第8件按照原價(jià)的95%供給，第9件按照原價(jià)的90%供給，第10件按原價(jià)的85%供給。

庫(kù)存成本λk為原價(jià)的4%。r1、r2、r3的一次訂貨成本φk為205元、190元、265元。該工程的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示，該工程緊前關(guān)系、工作持續(xù)時(shí)間及資源需求如表1所示。

求解結(jié)果分析：

本文是以Matlab為基礎(chǔ)程序，對(duì)項(xiàng)目參數(shù)是通過(guò)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。前文已經(jīng)給出了設(shè)計(jì)好的遺傳算法，并對(duì)上述模型和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)度問(wèn)題的計(jì)算，對(duì)算法參數(shù)的設(shè)置如下：個(gè)體維數(shù)：N=120，種群規(guī)模為10，迭代次數(shù)為200，交叉概率為pc=0.8，變異概率為pm=0.2。

每個(gè)資源的需求量如圖2所示。

從圖2中可以看出該項(xiàng)工程的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的分布，根據(jù)每項(xiàng)工作的起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和持續(xù)時(shí)間可以算出r1、r2、r3每項(xiàng)資源每個(gè)時(shí)間段的資源需求量，如圖3、圖4、圖5所示。

通過(guò)運(yùn)算求解，我們可以確定目標(biāo)函數(shù)，即r1訂貨次數(shù)31次，總成本為1259520元;r2訂貨次數(shù)24次，總成本982034元;r3訂貨次數(shù)22次，總成本為990146元，最終在進(jìn)度優(yōu)化后的總成本最優(yōu)解為3231700元。相對(duì)于一般的進(jìn)度優(yōu)化和庫(kù)存優(yōu)化模型，本文考慮了在資源受限的條件下的進(jìn)度優(yōu)化，再根據(jù)優(yōu)化后的需求量進(jìn)行庫(kù)存優(yōu)化，從而求出最優(yōu)的成本，期間還加入了材料購(gòu)買(mǎi)時(shí)的價(jià)格折扣策略，最終求出的最優(yōu)成本，它對(duì)工程實(shí)際情況也有更好的實(shí)用性。

5 ?結(jié)論

本文以供應(yīng)鏈基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ)，將進(jìn)度優(yōu)化和庫(kù)存優(yōu)化結(jié)合進(jìn)行研究，并建立了上述進(jìn)度與庫(kù)存模型，最后通過(guò)介紹相關(guān)案例并進(jìn)行求解驗(yàn)證。供應(yīng)鏈管理思想在實(shí)踐中起到了重要的作用，對(duì)工程管理績(jī)效和項(xiàng)目的實(shí)施效率都有較大的影響。本文只是對(duì)模型進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的分析和討論，存在一定的缺陷和不足，仍有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究，如下所示：

①本文的進(jìn)度優(yōu)化模型只進(jìn)行了工期和資源約束，以工期最小為目標(biāo)，沒(méi)有把資源均衡為目標(biāo)考慮在內(nèi)。

②本文考慮的價(jià)格折扣為增量折扣，但材料的價(jià)格沒(méi)有隨季節(jié)的變化而變化，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境更弱。

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