系統仿真在供應鏈運作領域的應用研究

馬 駿，孫國芳，趙 靜，郭孟軻

(北京電子科技職業學院，北京 100176)

1 引言

系統仿真是一種在計算機上模擬真實系統的過程，它可以幫助人們更好地理解和分析真實系統的工作原理，并對其進行優化和改進。系統仿真可以應用于各種領域，如交通運輸、制造業、經濟學、生物學等。

對供應鏈系統進行研究勢必需要科學有效方法的支持，可以將研究方法簡單劃分為定性研究法與定量研究法。其中，定性研究法主要依據一些供應鏈相關理論與概念，對現實世界中供應鏈現象進行定性解讀和說明；定量研究法，則會通過建立供應鏈系統模型來研究供應鏈系統的關鍵因素、相互作用及其之間的定量影響。

在供應鏈領域，系統仿真可以用來模擬和量化分析各種類型的供應鏈系統，包括生產、物流、分銷等。例如，通過系統仿真，可以預測不同的供應鏈策略對運營效率、成本和服務質量的影響，并制訂優化的供應鏈計劃。此外，系統仿真還可以幫助企業應對突發事件、風險和不確定性，更好地管理供應鏈風險。

文章在對相關文獻進行系統的梳理和分析基礎之上，進一步比較和分析系統仿真進行供應鏈規劃的幾種范式與方法，以為進一步探究系統仿真在供應鏈規劃領域的應用提供理論依據和實踐借鑒。

2 既有研究概述

供應鏈系統仿真是一個廣泛的研究領域，包括仿真技術和模型的發展以及在供應鏈管理、生產、物流、貿易、運輸等領域的應用。

在過去的幾年里，學術界對供應鏈系統仿真的研究有了很多進展。例如，有研究使用深度學習技術來改善供應鏈仿真模型的預測能力；有研究使用云計算技術來提高供應鏈仿真的計算效率；有研究使用多智能體技術來改進供應鏈仿真模型的決策方法。

此外，供應鏈系統仿真還被廣泛應用于解決實際問題，如庫存管理、運輸規劃、供應商選擇、設施布局等。研究人員還在探索如何將供應鏈系統仿真與其他工具和方法相結合，如大數據分析、計算機輔助設計、系統動態建模等，以提供更全面、更準確的決策支持。

總的來說，供應鏈系統仿真在學術界取得了很多進展，并在解決實際問題方面發揮了重要作用。

上述文獻中，主要研究的是使用系統仿真的方法來解決供應鏈規劃中的問題。具體來說，有以下四個主要觀點。

(1)系統仿真可以幫助研究人員更好地了解供應鏈規劃問題的復雜性，并為解決問題提供有效的方法。

(2)使用系統仿真可以為供應鏈規劃提供更多的可能性，并且可以幫助研究人員更好地比較不同方案之間的優劣。

(3)通過使用系統仿真的方法，可以更好地考慮供應鏈規劃中的不確定性和風險，并為決策者提供可靠的決策支持。

(4)系統仿真可以幫助研究人員更好地模擬供應鏈規劃問題中的各種情況，并提供有價值的見解和建議。

3 供應鏈系統仿真的建模范式比較

系統建模的本質是對現實世界的一種抽象。現代仿真建模中有三種范式，每個方法服務于一定的抽象級別。系統動力學建模的抽象程度最高，離散事件建模的抽象程度較低，而基于主體的建模則可以覆蓋從非常具體的物理對象建模，到以公司為主體的高度抽象的社會對象建模。

3.1 系統動態建模

系統動力學是麻省理工學院杰伊·弗雷斯特教授在20世紀50年代中期創立的一種方法，他最初的背景是科學和工程。弗雷斯特的想法是利用物理定律，特別是電路定律，來描述和研究經濟系統的動態，后來還包括社會系統。系統動力學的原理和建模語言形成于20世紀50年代和60年代早期，并一直保持至今。

系統動力學是研究動態系統的一種方法，它希望建模者從內生的角度來看問題，將系統建模成一個因果封閉結構，該結構本身將定義其行為。為此，建模者要力求發現系統中的反饋回路，也就是因果回路關系。可以說，反饋回路是系統動力學的核心。系統動態學將系統構成要素之間的反饋回路視為結構，而系統構成要素則被其量化處理為兩種主要變量：存量和流量。存量的變化，則被稱為系統動態理論的行為。因此，在系統動態學里有一個核心看待問題的視角：通常看到的是世界的現象，可以稱其為事件；而事件是由系統行為影響和決定的，而系統行為則是由系統結構影響和決定的。換而言之，結構決定行為，行為導致事件。

3.2 離散事件建模

在離散事件建模方法中，建模者將系統視為一個跨越不同實體執行的一系列操作構成的完整過程。這些操作包括延遲、由各種資源提供服務、選擇流程分支、拆分、組合以及其他一些操作。由于實體競爭資源并可能被導致延遲，因此隊列存在于任何離散事件模型中。

離散事件建模對系統的抽象程度明顯要比系統動力學建模方法低很多。一方面，離散事件建模反映了發生在物理系統中的順序步驟；另一方面，在系統動力學中，聚合了單個對象并討論其整體數量的動態。而在離散事件建模中，系統中的每個對象由代理或資源表示，并保持其獨立的個體性。

3.3 基于主體建模

相對于上面兩種建模方式，基于主體建模是一種較新的建模方式。在21世紀初，隨著計算機運算性能的提高以及計算機數據科學的進步，促使基于主體建模這一方式由學術研究領域進入了實際應用領域，并得以迅速發展。

基于主體建模提供了另外一個建模思路，在這個思路中，建模者可能不知道系統作為一個整體是如何行為的，關鍵變量及其之間的相互關系是什么，或者也看不出有一個完整的過程，但是可能對系統中對象的單獨行為有一些了解。那么，就可以通過標識這些對象(稱為“主體”)并定義它們的行為，從下向上開始構建模型。繼而，建模者可以將主體與主體連接起來，并讓它們進行交互；然后，系統的全局行為從許多(數十、數百、數千，甚至數百萬)并發的個體行為中浮現出來。

供應鏈這類復雜組織系統的復雜性遠遠超過上述三種方法單一就能覆蓋的程度。供應鏈的戰略層、戰術層和操作層這三個層次分別對應實際供應鏈的三種不同層次的抽象模型。每個層次的模型適于采用不同的建模仿真方法。一般來說，離散事件建模較多適用于操作層和戰術層仿真，系統動態建模較多用于戰略層和戰術層仿真，而基于主體建模則適合三個層次仿真；系統動態建模大多處理連續過程，而離散事件建模和基于主題建模則大多處理離散過程。也就是說，全面、準確揭示供應鏈系統的行為和演化規律不是上述三種方法中任何一個單一的建模仿真方法所能夠完全勝任的。

4 供應鏈系統仿真的建模過程與步驟

供應鏈系統仿真的方法通常包括建模、仿真、驗證和評估四個步驟。

4.1 建模

建模是指建立一個數學模型來描述真實系統的工作機制，包括對系統的結構、過程、參數、決策等進行建模。建模可以使用各種方法和工具，如狀態轉移方程、隊列網絡模型、貝葉斯網絡模型、線性規劃模型等。

假設有一家公司生產并銷售電子產品，它的供應鏈包括生產、物流、分銷三個環節。公司想通過系統仿真來優化供應鏈管理，提高運營效率和客戶滿意度。在建模這個步驟，公司需要建立數學模型來描述供應鏈的結構、過程、參數等。建模時，可以考慮使用隊列網絡模型或貝葉斯網絡模型來表示生產、物流、分銷三個環節之間的相互作用和決策流程。

4.2 仿真

仿真是指在計算機上運行建模得到的數學模型，生成模擬結果。仿真可以幫助人們預測系統的行為，并分析不同的決策對系統的影響。

在仿真這個步驟，這家公司可以使用計算機運行建模得到的數學模型，生成模擬結果。仿真時，可以設定不同的輸入條件，如銷售預測、生產能力、物流成本等，并根據模擬結果分析供應鏈的運營效率、成本、庫存水平等。

4.3 驗證

驗證是指對模型的準確性進行評估，確保模型能夠反映真實系統的特征。在驗證步驟中，公司需要通過對比真實數據和模擬結果，評估模型的準確性。

4.4 評估

評估是指根據仿真結果，對系統的性能、效率、可靠性、安全性等進行評價，并為決策者提供決策支持。

在評估步驟，公司可以根據仿真結果，對供應鏈的性能、效率、可靠性、安全性等進行評價，并為決策者提供決策支持。例如，可以分析不同的供應鏈策略對運營效率、成本、服務質量的影響，并確定最優的供應鏈方案。此外，還可以根據仿真結果，預測突發事件、風險和不確定性的影響，并制定應對方案。

5 供應鏈系統仿真的實際功用

使用系統仿真進行供應鏈規劃可以幫助企業解決一些實際問題，大致包括模擬優化、模擬分析、模擬預測、模擬比較及模擬設計。

模擬優化：在模擬過程中，自動搜索最優解，并不斷更新模擬模型。例如，假設現在要設計一個供應鏈網絡，需要決策如何分配庫存和生產能力。可以建立一個模擬模型，并設定目標函數(比如最小化成本)，然后使用優化算法對模擬模型進行自動搜索，找到最優解。

模擬分析：對模擬結果進行分析，提取有價值的信息。例如，假設有一個供應鏈網絡，希望了解其運行情況。可以建立一個模擬模型，模擬供應鏈網絡的運行，然后對模擬結果進行分析，了解供應鏈網絡的運行狀況。

模擬預測：使用模擬模型對未來的情況進行預測。例如，假設現在有一個供應鏈網絡，希望預測未來一段時間內其運行情況。可以建立一個模擬模型，并設置未來的變量(比如需求量、運輸成本等)，然后進行模擬，預測未來供應鏈網絡的運行情況。

模擬比較：使用模擬模型對不同的方案進行比較，探討各方案的優劣。例如，假設現在有兩種供應鏈規劃方案，希望比較兩者的優劣。可以建立兩個模擬模型，分別模擬兩種方案的運行情況，然后對模擬結果進行比較，探討兩種方案的優劣。

模擬設計：使用模擬模型幫助設計供應鏈網絡、庫存政策等。假設現在希望設計一個供應鏈網絡，可以建立一個模擬模型，并設置各種變量(比如需求量、運輸成本等)，然后進行模擬，幫助設計供應鏈網絡的結構、庫存政策等。

6 結論

總的來說，供應鏈系統仿真是一種科學的有效方法，能夠全面支持研究供應鏈系統，幫助建模者建立供應鏈系統模型，研究供應鏈系統的關鍵因素、相互影響以及定量的效果。通過仿真，企業可以對不同方案進行優化、分析、預測和比較。然而，由于供應鏈系統復雜，建模者需要合理使用系統動態建模、離散事件建模和基于主體建模等不同的建模方法。

只有將建模與仿真、驗證和評估等環節靈活有效地結合，才能建立匹配供應鏈戰略層、戰術層和操作層的抽象模型。這樣，可以幫助企業預測不同供應鏈策略對運營效率、成本和服務質量的影響，制訂優化的供應鏈計劃，幫助企業應對突發事件、風險和不確定性，更好地管理供應鏈風險。