機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置研究
時(shí)間:2022-02-09 10:17:04
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摘要:當(dāng)前的供應(yīng)鏈資源配置方法使用靜態(tài)供應(yīng)鏈模型為基礎(chǔ),易導(dǎo)致資源配置不均的問(wèn)題,影響資源利用率。為此,文章針對(duì)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈,基于粒子群優(yōu)化過(guò)程設(shè)計(jì)了新的資源均衡配置方法。根據(jù)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈的資源種類劃分結(jié)果,計(jì)算供應(yīng)鏈均衡測(cè)度量。然后在構(gòu)建動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈模型的基礎(chǔ)上,確定供應(yīng)鏈資源配置的目標(biāo)函數(shù),再利用粒子群優(yōu)化算法,設(shè)計(jì)資源均衡配置優(yōu)化函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法能夠有效緩解資源配置不均的問(wèn)題,并提升資源利用率、控制資源配置成本。
關(guān)鍵詞:粒子群優(yōu)化算法;供應(yīng)鏈;機(jī)械產(chǎn)業(yè);資源均衡配置
機(jī)械制造業(yè)逐漸成為一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn),同時(shí)也代表了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。隨著全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、信息技術(shù)以及制造技術(shù)的逐步升級(jí),傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)已經(jīng)難以滿足當(dāng)今市場(chǎng)的需求,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與升級(jí)成為各國(guó)制造業(yè)的主要研究內(nèi)容。當(dāng)前,機(jī)械制造業(yè)逐漸走向集群化發(fā)展,將與之關(guān)系密切的企業(yè)與相關(guān)支撐產(chǎn)業(yè)在空間上進(jìn)行聚集,形成強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)[1]。雖然,此種產(chǎn)業(yè)集群已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今最受關(guān)注的經(jīng)濟(jì)模式,立足于資源角度可以發(fā)現(xiàn)集群中也存在一些問(wèn)題,嚴(yán)重地影響了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。隨著機(jī)械工業(yè)的集成化發(fā)展,機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源配置效果直接影響機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。在產(chǎn)業(yè)供應(yīng)過(guò)程中,其資源供應(yīng)鏈相對(duì)較長(zhǎng)。機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈多通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行自組織的形式完成優(yōu)化配置,但此種方式較多依賴市場(chǎng)調(diào)節(jié),具有一定的隨機(jī)性。為了更好實(shí)現(xiàn)資源的均衡分配,需要對(duì)其資源均衡分類過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)研究。在以往的研究中,相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者也提出了部分資源均衡配置方法,如低碳供應(yīng)鏈柔性資源配置方法[2]和智慧供應(yīng)鏈物流資源配置方法[3]等等,但其應(yīng)用效果相對(duì)較差。為此,在本次研究中對(duì)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)量相關(guān)理論進(jìn)行了梳理,構(gòu)建了一個(gè)帶有時(shí)間系數(shù)的動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈模型。同時(shí),使用粒子群優(yōu)化算法結(jié)合動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈模型對(duì)當(dāng)前資源均衡配置方法進(jìn)行優(yōu)化,構(gòu)建新型資源均衡配置方法,打破以往研究中資源配置方法的局限性。
1資源均衡配置方法
1.1機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源種類劃分
機(jī)械工業(yè)制造資源是維持機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ),同時(shí)也是機(jī)械制造體系最基本的組成單元。資源種類劃分的科學(xué)性、準(zhǔn)確性都直接影響著資源均衡配置的優(yōu)劣性以及資源管理的難易程度。隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展,其涉及資源的種類也越來(lái)越復(fù)雜,資源應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。因此,對(duì)制造資源進(jìn)行合理的劃分,是實(shí)現(xiàn)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置的首要條件。本研究基于機(jī)械制造過(guò)程,對(duì)供應(yīng)鏈資源類別進(jìn)行劃分,劃分結(jié)果如圖1所示。通過(guò)分析圖1可以確定生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的資源種類,并將其作為本次研究的基礎(chǔ)。在實(shí)際的制造業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈中,一般存在兩種運(yùn)行模式,分別為:分散式運(yùn)行模式以及集中運(yùn)行模式[4]。兩種運(yùn)行模式涉及資源總量有所不同,但均需要保證供應(yīng)鏈之間的均衡性。為此,在對(duì)資源種類劃分結(jié)束后,根據(jù)均衡供應(yīng)度原理,在供應(yīng)鏈運(yùn)行模式不確定的情況下,計(jì)算供應(yīng)鏈均衡測(cè)度量,(1)其中,w0表示制造生產(chǎn)目標(biāo);w1表示制造過(guò)程中實(shí)際生產(chǎn)量;C表示產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量;D表示該產(chǎn)品的市場(chǎng)需求;k表示資源對(duì)產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比。式(1)為一般測(cè)度模型。對(duì)于部分精密制造業(yè),假設(shè)機(jī)械車間生產(chǎn)工藝較為穩(wěn)定,如果只根據(jù)訂單進(jìn)行生產(chǎn)的話,其產(chǎn)出量為固定數(shù)值,則其測(cè)度模型應(yīng)優(yōu)化為下述形式:(2)其中,h表示生產(chǎn)過(guò)程中車間需要的能源。利用上述公式,結(jié)合設(shè)計(jì)情況,確定供應(yīng)鏈的均衡供應(yīng)度,并將其與資源類型劃分結(jié)果同期導(dǎo)入到計(jì)算軟件中,為后續(xù)的計(jì)算提供基礎(chǔ)。
1.2構(gòu)建動(dòng)態(tài)供應(yīng)鏈模型
根據(jù)以往研究結(jié)果結(jié)合基礎(chǔ)生產(chǎn)供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu),本研究構(gòu)建了一個(gè)帶有資源約束的動(dòng)態(tài)閉環(huán)機(jī)械生產(chǎn)供應(yīng)鏈模型,如圖2所示。該動(dòng)態(tài)閉環(huán)供應(yīng)鏈模型中含有原料供應(yīng)商、相關(guān)制造產(chǎn)業(yè)、接卸制造業(yè)支撐產(chǎn)業(yè)以及物流產(chǎn)業(yè)、用戶等多個(gè)部分[5],將其有序連接后,得到動(dòng)態(tài)供應(yīng)模型。將此模型作為本次資源規(guī)劃的載體,結(jié)合機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源種類劃分結(jié)果,實(shí)現(xiàn)本次研究目標(biāo)。在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)供應(yīng)鏈閉環(huán)模型中,任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生變化都會(huì)影響機(jī)械生產(chǎn)供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性。圖2中的箭頭表示生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)間周期,具體計(jì)算公式如下:(3)其中,Δt表示機(jī)械生產(chǎn)的固定間隔時(shí)間??紤]到生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜性,本次研究中作出下述假設(shè):1)資源運(yùn)輸過(guò)程中,在供應(yīng)商處進(jìn)行的原料檢測(cè)等活動(dòng),均不計(jì)入供應(yīng)鏈時(shí)間內(nèi),以便于后續(xù)的計(jì)算;2)動(dòng)態(tài)閉環(huán)供應(yīng)鏈中涉及的外部資源,但機(jī)械制造企業(yè)優(yōu)先采用回收的資源進(jìn)行再制造。在資源均衡配置過(guò)程中,各供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)之間存在非競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,需要保證各環(huán)節(jié)之間利潤(rùn)最大化,則t時(shí)刻時(shí)供應(yīng)鏈的資源配置目標(biāo)函數(shù)可表示為:(4)其中,fsi表示t時(shí)刻中制造車間所需原料量;fvi示t時(shí)刻中制造車間可回收原料量;osij表示制造車間產(chǎn)出產(chǎn)品量;ovij表示制造車間產(chǎn)品的用戶購(gòu)買(mǎi)量;Mi(t)表示t時(shí)刻中制造車間剩余原料;LMi,t表示制造過(guò)程中的庫(kù)存成本。將式(4)作為資源均衡規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)。由于此目標(biāo)函數(shù)在計(jì)算過(guò)程中涵蓋大量的隨機(jī)變量,為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,對(duì)此公式的模糊信息熵展開(kāi)計(jì)算,具體計(jì)算過(guò)程如下:(5)其中,Ki(η)表示獲取到的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中采集到的模糊子集的集合。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù),此公式還需進(jìn)行細(xì)化,則有:(6)其中,zi表示數(shù)據(jù)集中存在模糊信息熵的概率;ω(·)表示數(shù)據(jù)集的隸屬函數(shù)。使用此式(5)與式(6)作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件,保證其與生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置環(huán)節(jié)的適配度。
1.3設(shè)計(jì)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置優(yōu)化函數(shù)
以上文中內(nèi)容為基礎(chǔ),使用粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置優(yōu)化函數(shù)。假設(shè)在資源供應(yīng)的過(guò)程中,n種資源可組成的資源族群為P(P1,P2,...,Pn),第i種資源在供應(yīng)鏈中的位置表示為Pi=(P1,P2,...,Pi),資源供應(yīng)速度表示為Vi=(V1,V2,...,Vi),整體供應(yīng)鏈資源使用極值表示為Pζ=(Pζ1,Pζ2,...,Pζj)。將處理后的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算軟件中,對(duì)其進(jìn)行迭代處理,每進(jìn)行一次迭代處理,需要對(duì)資源的傳輸位置進(jìn)行更新,則資源更新速度Vi+1與位置Pi+1可表示為:(8)其中,上角標(biāo)κ表示迭代次數(shù);ℑ表示迭代過(guò)程中的慣性權(quán)重計(jì)算次數(shù);αV、αP表示計(jì)算中的加速因子。將此公式與目標(biāo)函數(shù)相結(jié)合,以此平衡資源全局檢索能力,并確定資源在供應(yīng)鏈中的位置,然后在保證制造成本的前提下控制資源分配過(guò)程,過(guò)程如下:(9)其中,Ui表示各環(huán)節(jié)可得到資源量;Ui表示各環(huán)節(jié)可得到資源量的平均值;J表示資源供應(yīng)需求量;ℵ表示資源利用率;ρ表示資源需求率。通過(guò)上述計(jì)算內(nèi)容,對(duì)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的資源供應(yīng)進(jìn)行均衡配置。
2實(shí)驗(yàn)與分析
為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于粒子群優(yōu)化的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈資源均衡配置方法的實(shí)際應(yīng)用性能,將其應(yīng)用于實(shí)際機(jī)械工業(yè)制造中,對(duì)其應(yīng)用性能加以分析。
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
將實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)定為某機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)車間,此車間周圍涵蓋4個(gè)生產(chǎn)車間,相關(guān)資源供應(yīng)企業(yè)6家。此機(jī)械制造企業(yè)需要在某年的4月份中完成500臺(tái)機(jī)械零件的生產(chǎn)工作,為保證生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性,要求此生產(chǎn)工作的周期控制在21天左右,所需生產(chǎn)資源約為1000T。針對(duì)上述要求對(duì)資源供應(yīng)企業(yè)的資質(zhì)進(jìn)行分析,確定其均為一級(jí)資源供應(yīng)商,可保證車間的生產(chǎn)要求。供應(yīng)企業(yè)物流貨站與生產(chǎn)車間之間的運(yùn)輸成本分別為500元、480元、300元、600元、400元、550元。為提升資源供應(yīng)速度,首先完成資源的種類劃分,并根據(jù)需求對(duì)資源進(jìn)行等級(jí)劃分,針對(duì)不同等級(jí)的資源采用不同的運(yùn)輸速度。從資源供應(yīng)點(diǎn)到生產(chǎn)車間的運(yùn)輸時(shí)間如表1所示。以表1中的內(nèi)容為本次實(shí)驗(yàn)中的主要參考數(shù)據(jù),將此部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件中進(jìn)行編寫(xiě),構(gòu)建算例實(shí)施環(huán)境。
2.2實(shí)驗(yàn)計(jì)算過(guò)程設(shè)定
以上文中設(shè)定的算例作為實(shí)驗(yàn)背景,將計(jì)算過(guò)程中涉及的資源種群數(shù)據(jù)設(shè)定為50,交叉概率設(shè)定為0.5,計(jì)算變異概率設(shè)定為0.2。同時(shí),將此資源供應(yīng)鏈設(shè)定為閉環(huán)形式。此閉環(huán)中共劃分為5個(gè)階段,每個(gè)階段都具有固定的資源需求量。實(shí)驗(yàn)中,將首先使用本文方法對(duì)此五個(gè)環(huán)節(jié)的資源配置量進(jìn)行分析,在確定本文方法具有可行性后,選取傳統(tǒng)的低碳供應(yīng)鏈柔性資源配置方法(傳統(tǒng)方法1)、智慧供應(yīng)鏈物流資源配置方法(傳統(tǒng)方法2)與本文方法進(jìn)行對(duì)比分析,根據(jù)此分析結(jié)果確定本文方法的使用效果。
2.3粒子群優(yōu)化均衡分配方法驗(yàn)證
在本次研究中,使用生產(chǎn)資源利用率對(duì)本文方法的使用效果加以分析,此指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程如下所示。(10)其中,X表示資源利用率;D'表示生產(chǎn)單元得到的資源量;DI表示應(yīng)分配到的資源量;DJ表示生產(chǎn)單元使用的資源量。根據(jù)式(10)對(duì)資源配置效果加以分析,所得結(jié)果如圖3所示。通過(guò)分析圖3中數(shù)據(jù)可以看出,在應(yīng)用本文方法后,各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)資源利用率相對(duì)穩(wěn)定且趨近于100%,說(shuō)明此方法在使用后各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所得資源量較為均衡,可以在保證生產(chǎn)要求的前提下提升資源的利用率,避免資源分配的不均衡,說(shuō)明本文方法具有一定的可行性。
2.4對(duì)照分析
為進(jìn)一步確定本文方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),對(duì)其進(jìn)行對(duì)照分析,除生產(chǎn)資源利用率此指標(biāo)外,對(duì)資源配置成本進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算不同配置方法的資源配置成本,確定不同方法的經(jīng)濟(jì)性。資源配置成本主要以表1中數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。通過(guò)分析圖4中數(shù)據(jù)可以看出,實(shí)驗(yàn)中使用的2種傳統(tǒng)方法在多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中均出現(xiàn)失衡的情況。其中,草圖方法1的失衡情況已經(jīng)超出了資源分配的要求。將圖4中數(shù)據(jù)與圖3所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出,本文方法的使用效果優(yōu)于當(dāng)前兩種方法。在完成此分析過(guò)程后,對(duì)不同方法的配置成本進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算函數(shù)如下:L'=(load×c')+(t×c')(11)其中,load表示配置路徑長(zhǎng)度;c'表示此工作運(yùn)行成本;t表示資源運(yùn)輸時(shí)間。應(yīng)用式(11)對(duì)不同方法的運(yùn)行成本加以分析。其中,本文方法的配置成本為1.54萬(wàn),傳統(tǒng)方法1的配置成本為2.67萬(wàn),傳統(tǒng)方法2的運(yùn)行成本為2.06萬(wàn)。對(duì)此部分方法進(jìn)行對(duì)比可以看出,本文方法相較于其他兩種方法更具經(jīng)濟(jì)性,在日后的研究中可使用本文方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工中的合理化資源分配。
3結(jié)語(yǔ)
隨著機(jī)械產(chǎn)業(yè)的集成化發(fā)展,資源合理分配成為影響機(jī)械生產(chǎn)的主要因素。在以往的研究中,資源配置方法使用后難以達(dá)到人們的預(yù)期。為此,在本次研究中構(gòu)建了新型資源配置方法,此方法在一定程度上緩解了當(dāng)前方法的不足。隨著機(jī)械制造供應(yīng)鏈信息化程度的逐漸深化發(fā)展,此方法可實(shí)現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。但由于本次研究受到技術(shù)與時(shí)間上的限制,導(dǎo)致其在部分環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱,在日后的研究中還需要對(duì)其進(jìn)行完善與優(yōu)化。
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作者:錢(qián)藍(lán) 單位:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院