基于戰略聯盟的軌道交通裝備制造業云倉系統模型研究

孫麗，段居財，石赫，張楊 ，景鳳斌

(1. 大連交通大學 機械工程學院 ，遼寧 大連 116208；2. 中車大連機車車輛有限公司 ，遼寧 大連 116022)

為了提高我國軌道交通裝備制造行業的競爭力和整合市場資源，國家戰略性地適時合并了南北車集團，成立了中國中車股份集團有限公司.中國中車承繼了中國北車股份有限公司、中國南車股份有限公司的全部業務和資產，是全球規模最大、品種最全、技術領先的軌道交通裝備供應商[1].集團公司下屬50多家企業和研發機構，分布在全國28個城市和地區.

目前，集團公司下屬的各個成員企業仍然保持著獨立運營，并非戰略伙伴聯盟關系，集團公司負責組織和調控.各公司的物資倉庫仍然是由自己的物流中心獨立運營，庫存信息也沒有同成員企業共享.該方式不可避免地沿襲了機械制造業固有的諸多弊端[2]：

(1)企業庫存水平高，資源利用不合理.大部分的流動資金被庫存所占用，有的企業這個比例甚至高達70%～80%，嚴重影響了企業的現金流，有的企業甚至被壓垮;

(2)物流配送效率低、成本高.目前，大多數企業仍然擁有一定數量的貨運車輛用于零部件和原材料的配送，或者采用供應商送貨的方式，但是車輛的使用率不是很高，貨車空載時有發生.即使部分企業將物流配送外包給專業的第三方物流，其配送效率也還是不高，或者為高效率要付出不相稱的高成本;

(3)企業生產和采購計劃不確定性高.由于軌道交通裝備制造企業大多采用訂單式生產模式，并且在設計和生產過程中變動因素很多，傳統的生產和采購計劃不能很好地滿足實際需求，物料控制不嚴謹，經常造成物資積壓或短缺的現象，所以更加迫切需要加強與戰略聯盟伙伴企業的合作與協同，成員企業之間共享庫存信息，互相補貨;

(4)沒有形成應有的原材料與通用件、標準件大批量采購，導致采購成本居高不下.各個成員企業盡管有很多材料的需求是一致的，但是仍然獨立采購，沒有形成規模，跟供應商談判時很難拿到抄底價格.同時在詢價、供應商選擇等程序上浪費了大量人力、物力和財力以及時間成本.

隨著物流領域全球化趨勢的日益明顯，軌道交通裝備制造業將面臨比以往更為復雜的跨國供應鏈，以動態聯盟為基礎的在全球范圍內配置物流資源將成為大勢所趨.而互聯網+制造和物聯網技術、云制造等技術的快速發展，使得遠程獲取信息并且調用物流資源的可能性大大增加.這表明，許多在地理位置上分散的系統可以被有效地組合起來，以實現更大的規模經濟效益.在這種情況下，以訂單生產為模式的軌道交通裝備制造業建立行業云倉系統逐步成為可能.

1 云倉系統概念的提出

1.1 虛擬庫存

我國對于虛擬庫存管理的概念并沒有權威的定義，參考中外文獻可知，虛擬庫存管理是在供應鏈環境下，運用通信技術和計算機信息網絡技術，共享企業物流資源與信息資源，將實物庫存信息化為虛擬庫存，分離物資的實物物流和信息流，以實現庫存的動態管理[3].虛擬庫存是在分布式庫存的概念上發展起來的，相關文獻較少，目前的文獻主要研究了虛擬庫存的理念和相關支撐技術.

參照金融系統的演變過程，庫存的實物形式就如同實體的金銀，而庫存信息就如同貨幣.在虛擬庫存管理中，企業需要做的是將實體庫存虛擬化為庫存信息，以減少不必要的庫存管理費用[4].

1.2 云倉系統的概念

本文定義的云倉系統結合了虛擬庫存和實體庫存的優點，借用軟件系統云平臺的概念，提出軌道交通裝備制造業行業云倉系統的概念.行業云倉系統運用遠程通信技術和計算機信息網絡技術，將分布式庫存管理集成到統一控制的云倉平臺上來.行業云倉系統的供應商是原材料市場，客戶是中車集團各成員企業.同虛擬倉庫不同，云倉系統既保存“必要的實物”，又保存“全部需求信息”，保證按時配送給各需求廠家，實現各成員企業真正的零庫存.云倉系統具備采購、存儲、保管、配送、借貸等功能，按照性質不同，可劃分為公有倉、私有倉、混合倉.公有倉用來存儲軌道交通裝備制造業通用原材料、易耗品、標準件等，經過科學計算選擇合適的位置；私有倉用來存儲某一成員企業專用的物資，就地存放，但信息由云倉系統統一管理；混合倉則兼顧二者的功能，按需就近存放必要物資.

1.3 云倉系統原理及結構

基于戰略聯盟的云倉系統的工作原理如圖1所示.各個成員企業根據主生產計劃和月生產計劃，每個月上報給云倉采購系統5周的物料需求預測.當發生缺貨時，成員企業之間可以互相借貸.供應商按照云倉系統采購部的訂單為各個實體倉進行物流配送.各個成員企業也可以訂購自己專屬的特殊物料.

圖1 基于動態聯盟的云倉系統原理圖

狹義的云倉系統由計劃、采購、收貨、調度、存儲、配送等模塊組成，系統軟硬件設施完善，通過計算機技術和通信技術對物資進行動態協調與控制；廣義的云倉系統功能結構主要由三大部分構成：供應商、云倉系統和軌道交通裝備制造廠家.M個供應商根據云倉系統的采購指令分別向云倉系統進行供貨并實時更新產品信息.云倉系統匯總N個廠家的需求，適時制定采購計劃，確定合適的經濟批量，向M個供應商進行詢貨和采購.

圖2給出了實踐中云倉系統的層級架構，基礎設施層主要是計算機軟硬件系統和網絡服務設施，同時伴有實體倉庫的存在，這也是云倉系統區別于虛擬倉庫的重要特點.

圖2 實踐中云倉系統的層級架構

1.4 云倉系統的選址

云倉系統的調度指揮中心應設在集團公司總部北京，以便于統籌指揮，運籌帷幄.云倉的實體倉分為公有倉、私有倉和混合倉.公有倉用于存儲通用物資和標準件，選址應距離配送地點不超過1 000公里范圍，以便前一天下單，第二日送達；私有倉仍然設置在各成員企業原有實體倉庫位置，用于保存安全庫存物資，但是全部物料信息必須上傳至云倉系統共享；混合倉用于存放成員企業作為半成品或者零部件提供給其他成員企業的成品或者半成品[5-7].

根據圖3公司成員企業分布情況采用模糊聚類分析模型對云倉系統進行選址規劃.

圖3 云倉系統實體倉選址規劃

(1)數學模型

模糊目標函數是以極小化類別方法為目標函數進行聚類分析的.如可供選擇的位置節點有n個，按照p個指標來進行劃分，即，將其分為c個子集(c)，則建立模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)模型求解

(5)

對式(2)求關于λ、μik和vi的偏導數，可以得到局部最優點的必要條件為

(6)

(7)

(3)決策機制

對于決策而言，需要加上約束條件，使數學求解的結果與實際問題聯系起來，也就是使云倉的選址更加符合實際需求.本問題中節點n的值為28，云倉的個數c擬在2～6之間取值，當任一節點之間距離不大于1 000公里時，c值越小越好.

從初始值c=2開始進行聚類，得到兩個聚類中心分別為唐山和西安，但是距離閾值有6個節點超過了1 000；當c=3時，得到沈陽、大同、株洲三個聚類中心，仍然有2個節點的距離閾值超過了1 000公里；當c=4時，得到沈陽、青島、太原、武漢四個聚類中心，全部節點距離在1 000公里以內.

規劃四個分布式實體公有云倉，分別為1號公有倉沈陽(輻射齊齊哈爾、長春和大連三個成員企業)，2號公有倉青島(輻射南京、常州、上海、濟南、天津、唐山六個成員企業)，3號公有倉太原(輻射北京、大同、石家莊、永濟、西安、蘭州、洛陽七個成員企業)和4號公有倉武漢(輻射成都、眉山、資陽、貴陽、株洲、廣州、深圳七個成員企業)，鑒于香港地區的特殊性，暫時先不考慮納入云倉系統統一管理，待時機成熟可納入武漢公有倉.

2 采購計劃模塊

采購計劃模塊的技術支撐是中車集團公司物料清單及其編碼系統，沒有完善的物料分類編碼系，行業云倉就失去了存在的根基，根本無法運行.采購子系統包括供應商管理、物料采購需求、采購訂單管理模塊.

(1)供應商信息管理包括供應商名稱、地理位置、供應能力、參考價格、技術能力、成本優勢、產品質量、企業信譽等，并可分階段對供應商進行等級評價(IRIS認證);

(2)物料采購需求信息管理包括各成員企業物料需求計劃、質量要求、重要性等，并能對相似需求進行分類匯總，使得采購批量盡量最大化、經濟化;

當供貨市場穩定、材料價格實時波動情況下，云倉系統根據物料需求進行多周期動態補貨.假設需求是隨機變量，在不同的時段具有不同的概率密度函數，平均需求量隨時間變化且各周期需求相互獨立[4];

(3)采購訂單管理模塊主要是根據需求信息執行采購任務并進行跟蹤管理.包括供應商名稱、訂購物料代碼、訂貨時間、訂貨數量、訂貨價格等.

3 庫存管理模塊

庫存管理是任何一個制造企業生產、計劃和控制的基礎.根據我們的調研，軌道交通裝備制造業的庫存往往占據了企業20%～30%的總資產，有個別企業被庫存積壓導致現金流難以周轉的窘境時有發生.

隨著供應鏈和互聯網技術的廣泛應用，遠程獲取信息并且調用物流資源的可能性大大增加.這些在地理位置上分散的成員企業庫存系統則可以有效地組合起來，以實現更大的規模經濟效益.

在傳統庫存管理模式下(圖4(a))，企業除了周轉庫存以外，會設置相當大的一部分安全庫存(一般占到單品總庫存的30%左右)，而在基于戰略聯盟的云倉管理模式下(圖4(b))，每個成員企業實體庫存會至少降低20%，物資周轉率也會顯著提高，緩解企業資金流轉壓力.而云倉系統也不必存儲全部成員企業所需實體庫存的20%云倉系統單品實體庫存量計算公式可由虛擬庫存管理的一般成本模型求得[8].

(a) 傳統模式

(b) 云倉模式圖4 兩種模式下成員企業庫存構成

4 配送子系統

云倉系統根據各成員企業物料需求進行按時、按需配送.根據精益生產JIT的理念，供應商應直接將物料配送到工位，云倉系統的實體倉庫存儲的僅是該實體倉庫所輻射企業的等比例安全庫存，僅在供應鏈出現短缺時方可啟動安全庫存，對成員企業安全庫存進行及時補充，以實現成員企業零庫存，降低成員企業運營成本.為了提高配送效率、降低配送成本，必須在云倉系統網絡內部進行多地協同配送.云倉系統的協同配送涉及以下幾方面的協同[2]：

(1)物流配送網絡中各個節點的協同：如需求節點、供應節點、配送中心節點之間物流配送活動的協調;

(2)物流配送過程中各環節的協同：如庫存、分配、運輸環節之間的協調以及各環節內部各要素的協調(如考慮不同地點和不同型號車輛的協同、取貨與發貨活動的協同、各取發貨節點時間窗的協同等);

(3)物流配送系統的諸目標之間的協同：如成本和效率之間的協同、成本與物流質量之間的協同等.

假設中車集團共有M個供應商(各成員企業之間有時又互為半成品或零部件供應商，比如沈陽公司生產的交叉桿組成，將供應給齊齊哈爾、石家莊、太原、西安、貴陽、眉山等多家成員公司)，則在物流配送網絡中相當于有M個供應節點，N個生產基地，P個實體倉庫，Q個半成品加工基地.在已知各供應節點的固定成本、可變成本和生產能力，各實體倉庫的固定成本、庫存量和容量，各半成品加工基地和生產基地的固定成本、可變成本和生產能力，以及各節點之間的運輸成本，應完成的產品產量情況下，可以通過如下目標函數求解運輸計劃，包括大型原材料、中小型原材料和半成品的加工數量與產品生產數量[9].

(8)

該模型的輸入參數分為三大類：

(1)能力：生產能力、加工能力、倉庫的存儲容量、供應點提供原材料的需求能力;

(2)需求：單位半成品和單位成品所需的原材料數量，半成品需求量，產品需求量;

(3)成本：單位原材料成本，公有倉以及成員企業的固定成本，單位產品與單位半成品的可變成本，單位原材料與半成品的運輸成本，單位原材料、單位半成品與單位產品的存儲成本，單位原材料與單位半成品的裝卸成本.

模型的輸出變量如下：

(1)節點的選擇：包括公有倉的選擇、半成品加工基地的選擇、生產基地的選擇;

(2)生產計劃：半成品加工基地的加工數量、生產基地的半成品加工數量與產品生產數量;

(3)運輸計劃：大型原材料、中小型原材料和半成品的運輸路徑與運輸量.

5 結論

(1)本文提出了軌道交通裝備制造業云倉系統的概念，構建了云倉系統的模型，確定了云倉系統的功能模塊和層級架構.建立了云倉系統的選址模型、供應商選擇模型、采購模型、庫存控制模型和配送模型的框架，對云倉系統的實踐具有重要的指導意義;

(2)通過行業云倉系統的開發，軌道交通裝備制造企業可實現經濟批量采購，獲得最低采購成本；各個成員企業本地庫存量可大大降低，減少資金積壓，降低庫存成本；各成員企業計劃和采購人員可大大減少，降低人力資源成本；成員企業之間可共享庫存，大大降低停工待料現象，縮短產品上市周期，提高市場競爭力[10].