仓储与库存
库存系统仿真技术及应用
www.jctrans.com 2004-11-27 10:26:37
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作者：赵 斌， 石 伟，张晓萍，陈昌祥
［摘 要］ 对库存仿真系统的理论和应用进行研究，介绍了我们开发的专用于库存系统仿真的软件ＩＳｉｍ（Ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐａｃｋａｇｅ），举例说明了仿真系统在库存控制中的应用。
［关键词］ 系统仿真仿真软件库存策略库存结构
１ 引言
分析库存问题建立合理的库存水平，一直是广受关注的课题。研究者们在库存系统模型、订货策略、库存优化等领域进行了大量工作。常用的库存系统分析方法可以分为解析方法和仿真方法两类。解析方法是根据设定的目标函数和约束条件，采用数学规划或者启发式算法来对系统进行分析的。由于实际库存系统的模型结构复杂，并存在众多不确定性因素，采用解析方法分析有一定的困难。而系统仿真方法可以在不同的层次上，分析不同约束条件和输入下系统的动态响应，并符合人们的思维习惯，有助于系统分析，有利于解决随机因素的影响，因此我们在进行库存系统分析时选择了系统仿真方法。
应用系统仿真技术，主要可以在以下几个方面对库存系统进行研究：
（１）库存系统的规划设计与可靠性分析：在系统规划设计后，通过对规划设计的系统模型进行仿真分析，对规划方案的优劣做出评价，及时进行调整和修改，减少系统实施的风险。
（２）物料库存的控制：通过对物流系统各个环节的库存系统状态进行仿真，动态地模拟出入库、出库及库存水平的实际状况，有利于实现库存系统的合理控制，科学地掌握入库和出库的时机和数量。
（３）库存成本的评估：库存系统的流程是一个复杂的动态过程，系统仿真技术通过对整个库存过程的模拟，准确便捷地计算出库存系统的成本，同时也可以建立起库存成本控制与物流规划、库存管理与运输策略之间的联系。
我们通过对国内著名企业的调研与分析，针对目前制造企业库存控制存在的主要问题制定了库存系统仿真的目标，设计了库存系统仿真软件的总体方案与模块结构，开发研制了库存系统仿真软件的基本模块，运用设计开发的仿真软件分别对库存结构优化和库存策略优化两个实际案例进行仿真，得到了较满意的结果。
２ 国外先进仿真软件应用概况
从２０世纪６０年代开始，国外就已着手研制仿真语言，比较著名的仿真语言有ＧＰＳＳ、ＧＡＳＰ、ＳＬＡＭ和ＳＩＭＡＮ等２。近２０年来，由于建模方法、可视化编程和虚拟现实技术的长足进展，开发出了一些功能强大、建模直观方便的仿真软件。我国的仿真研究和应用开始于２０世纪５０年代，近年来在供应链管理、企业生产作业控制、物流系统分析等方面得到了成功应用。在表１中，比较了一些仿真软件的特点和应用实例。
比较分析现有的仿真软件，总结仿真软件基本功能如下：
（１）良好的人机界面，提供基本的程序管理功能和输入功能；
（２）系统模型的建立，单元属性参数和逻辑定义，并保存为模型文件；
（３）随机变量的输入存储、产生和调用；
（４）仿真算法核心，包括仿真钟推进和子事件处理；
（５）模型的图形显示，建模过程即建即所得；
（６）数据分析和统计；
（７）仿真结果输出。
近期，仿真软件（包括仿真语言）充分吸收了仿真方法学、计算机、系统工程、自动控制、人工智能等技术的新成果，从而得到很大的发展。在运行速度、存储容量、面向对象的设计（ＯＯＤ）、可视化（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）与图形界面、开放数据结构（ＯＤＢＣ）以及对象连接与嵌入（ＯＬＥ）等方面皆取得了巨大进展，对系统仿真技术亦相应地产生了广泛与深刻的影响，旨在解决模块可重用性、计算机辅助建模、可视化仿真、图形界面以及与其它系统的集成性等问题的面向对象的可视化仿真技术与系统便随之产生。
３ ＩＳｉｍ的特点
ＩＳｉｍ是我们专门研制开发的用于供应量的库存系统仿真软件。ＩＳｉｍ具有以下特点。
３．１采用三种基本单元描述库存系统
在供应量的库存系统中，库存量的变化是由客户的需求和订货两个方面因素引起的，由于客户的需求，库存量不断减少，为了保证供应，就需要订货来补充库存量。由于需求和订货的不断发生，库存量呈现动态分布。库存系统基本的系统单元划分可以如图１所示，分为供应方、仓库、需求方三种基本单元。
供应链上的库存系统虽然很复杂，但是都可以拆分成如上三个基本单元。三个基本单元组成了单阶库存系统。多个单阶库存系统又可以组成多阶的库存系统，从而可以描述任意复杂的供应链上的库存系统。在ＩＳｉｍ中通过基本建模单元和属性定义可以将实际的复杂库存系统模型结构和逻辑关系保存在计算机模型中。
在ＩＳｉｍ中，采用图形化建模和菜单输入参数结合的方式进行系统建模，以满足复杂的库存系统建模要求：
（１）新建仓库、供应方、需求方三类基本实体单元；
（２）设置单元属性，如点击仓库单元，则出现对话框①，定义与仓库有关属性；
（３）通过图形连接工具单元，连接模型中各个基本单元之间的逻辑，同一逻辑关系与起始单元和相关货物单元有关，如从Ｓｉｎｔｅｒ到Ｗｃｏｍｐｕｔｅｒ的逻辑关系只与货物Ｆｉｎｔｅｒ相关，而从Ｗｃｏｍｐｕｔｅｒ到Ｒｂｅｉｊｉｎｇ的逻辑关系则与Ｆｉｎｔｅｒ和Ｆｈｐ有关；
（４）从对话框②选择货物，则此时选择的逻辑关系唯一，点击会弹出相应的逻辑关系属性对话框③，输入参数即可。
图形化建模方法可以使用户摆脱大量的编程工作，使建模过程更直观，方便用户使用。
３．２采用事件调度法作为仿真算法
在一个较为复杂的离散事件系统中，一般都存在诸多的实体，这些实体之间相互联系，相互影响，然而其活动的发生却统一在同一时间基上，仿真策略就是研究采用何种方法推进仿真钟，建立起各类实体之间的逻辑联系。目前常用的仿真策略是事件调度法（Ｅｖｅｎｔ Ｓｈｅｄｕｌｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ）和进程交互法。事件调度法用事件的观点来描述系统，进程交互法采用进程描述系统，两种方法各有优劣。
仿真策略决定仿真模型的结构。事件调度法建模灵活，应用范围广，适用于成分相关性小的系统，但是事件处理子程序和建模工作量大。进程交互法建模直观，模型接近实际系统，但是其流程控制复杂，建模灵活性不如事件调度法。使用事件调度法来仿真库存系统，基本事件分类清楚，流程控制简单，所以首先考虑采用事件调度法作为ＩＳｉｍ仿真算法基础，并借鉴进程交互法扩展以下处理功能以满足实际库存系统仿真的需要：
（１）综合优先级设定，多个不同事件同时发生的解
结规则；
（２）不同ＦＷ类事件的仿真运行过程状态量存储和费用计算；
（３）库存系统控制策略的实现。
３．３库存系统控制策略的实现
实际的库存系统一般都十分复杂，为了保证系统的正常运行，需要根据物资需求及订购的特点，采取不同的方法来控制系统。具体的库存策略有以下几种：
（１）订货策略。系统应经常监视仓库内的库存数量是否达到订货点，并及时提出订货要求。所提出的订货要求，通常称为订货方式。订货方式与供应方和仓库两方面均有关，因此在研究仓库的需求和库存数量的基础上，还要对确定订货点和订货量的各种策略进行研究。
（２）出库策略。当仓库货物需要出库的时候，选用不同的出库策略如先入先出、先入后出等，可以对库存货物进行调整管理。
（３）补货策略。当订货到达后，仓库有多个需求方处于缺货状态，则此时需要根据补货策略决定补货顺序。此外补货策略还被应用在如下情况，当同时到达多个需求而仓库存货不能完全满足所有需求的时候，确定缺货状态的策略。
（４）订货方管理策略。当一个仓库中的同种货物有多个订货方的时候，在确定订货时候会有多种选择，此时就应该根据订货方管理策略决定最终订货方。一般采用的管理策略是优先级评价、供应水平如订货到达时间最短、订货费用最少等。
在ＩＳｉｍ实现中，将库存系统控制策略分成以上四类并综合考虑。库存系统首先根据出库策略确定库存量的变更，然后根据当前库存量和订货策略确定是否需要订货和订货量，如果需要订货则根据订货方管理策略确定供应方，当订货到达时有多个缺货记录则根据补货策略进行补货。
４ ＩＳｉｍ的案例应用
企业的类型和特点不一样，库存管理的目标也不一样。研究库存系统的目的一般是要确定或者比较各种库存策略和库存结构，如在不同的需求情况下，何时订货、订多少货为宜、库存安全量如何确定等。库存系统的优劣常采用“费用（效益）”高低来衡量，库存系统主要的费用有订货费用、仓储费用和缺货损失费。库存系统仿真就是利用仿真方法对库存系统进行建模，通过仿真运行结果中的费用指标来对库存策略和库存结构进行评价。
下面分别举例说明ＩＳｉｍ对库存结构优化和库存策略优化两个实际案例的仿真应用。
４．１ 应用一：优化库存策略的仿真
不同库存系统策略会产生不同的库存系统运行结果。本案例中，研究一个单一产品库存系统的订货策略，采用定点订货方式。
仿真案例中选择９种订货策略，如表３所示（略）。用ＩＳｉｍ对该库存系统建立仿真模型，然后在不同策略控制下进行仿真并保存系统费用，最终根据９种策略控制下的仿真结果优化库存策略。优化目标选为总费用最低。
通过仿真运行，得出如表４所示的结果。从上述仿真结果表明，当ｓ＝２０，Ｓ＝８０时，库存平均总费用最低，因此宜采用这种库存策略。
仿真分析提供了最佳的库存控制策略。
本案例是选择定点订货策略下的（ｓ，Ｓ）确定订货量的库存模型进行库存策略优化仿真的。用户也可以利用ＩＳｉｍ针对其他的库存模型进行不同库存策略优化仿真。
４．２ 应用二、：优化库存结构的仿真
案例是某合资塑料管制造企业。该企业作为汽车企业的配件供应方处于汽车生产供应链的上游。企业现行的库存系统结构如图３左边所示。在市场竞争相当激烈的形势下，企业不得不为下游用户设立众多库房网点如Ｗ－ＲＱ、Ｗ－ＸＦ、Ｗ－ＬＺ作为汽车企业的厂外仓库，分散在驻外库房中的产成品库存居高不下是企业库存控制的最大问题。企业希望能对现行库存系统进行改进，如图３右边所示，将目前的驻外仓库合并为一个物流配送中心。
究竟改进后的方案效果如何，我们对其进行了仿真分析。
首先对企业进行调研，收集相应的数据，进而建立系统模型，然后利用ＩＳｉｍ对现行库存系统和改进后的库存系统进行仿真。企业本身的产品数量类型很多（１０００种左右），表５中的数据只选取一类产品的费用结果。现行系统和改进后的系统中的供应方、仓库、需求方属性和库存策略控制是相同的，仿真结果数据如表５所示。
从数据结果可以看到，改进后的库存系统费用远远低于现行系统，而在分类属性中可以明显发现，改进后保管费用的降低是总费用降低的主要原因。分析模型结构和比较仿真数据结果可以发现，现行系统的三个仓库改进后合并成为一个仓库，会很大程度的减少积压库存，因此会带来保管费用的降低。因此库存系统的改进效果是很明显的。
以上两个案例分别说明了库存系统仿真技术在库存结构优化和库存策略优化中的应用效果。目前ＩＳｉｍ系统已通过了实验室测试和实际案例仿真运行。结果表明ＩＳｉｍ已经初步具备完整的仿真功能，可以对库存系统进行仿真。 我们还将进一步对其功能进行扩展，使其能够对供应链多种复杂库存系统进行模拟与分析，为供应链管理提供有效的分析工具。
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