需求管理视角下天津电网计量装置需求分配研究

陈磊 徐杰 杨茜茹 张毅斌

摘 要：文章结合CPFR理论，对天津电网计量装置需求管理的全过程进行分析，提出目前其需求管理过程中存在的问题。通过构建天津电网计量装置需求管理的理论框架，提出基于需求管理视角下的需求分配优化思路。鉴于需求分配在天津电网计量装置需求管理优化中的重要性及可实施性，文章站在计量中心的角度，从最大限度满足客户需求出发，在既有的库存水平下，构建了一个多周期的两级网络需求分配优化模型，并运用算例求解验证了模型的有效性。研究不仅能为天津电网计量装置的需求管理体系建设提供理论和方法依据，也可为电网系统计量装置的需求管理提供可借鉴的参考。

关键词：计量装置；需求管理；CPFR；需求分配

中图分类号：F252.14 文献标识码：A

Abstract： Based on CPFR theory， this paper analyzes the whole process of the metering device requirements management of Tianjin power grid， and puts forward the existing problems in the process of demand management. By constructing the theoretical framework of the demand management of Tianjin power grid metering device， the optimization of demand distribution based on demand management is put forward. In view of the importance and the implementation of the demand distribution in the metering device demand management optimization of Tianjin power grid， from the point of view of the measurement center， the paper builds a multi-cycle two level network demand distribution optimization model from the maximum to meet customer needs with the existing inventory levels. The validity of the model is verified by a numerical example. The research of this paper can not only provide theory and method for the construction of metering device's demand management system of Tianjin power grid， but also can provide reference for the management of power grid system.

Key words： metering device； demand management； CPFR； demand distribution

0 引 言

天津电网担负着整个天津市的用电需求，随着天津市经济的发展，市场对电能的需求量越来越高，电网计量装置的需求量也随之增长。同时由于计量装置需求不确定性强，技术水平要求高，全生命周期都需要可视化管理，其供应链管理全过程涉及生产、检测、配送、安装等多个环节，因此计量装置物流管理在电网系统中具有特殊地位。根据天津电网“十三五”规划中关于全面深化现代配电网规划建设，提高配电网规划质量和精益化管理水平的要求，天津电网对计量装置的供应链管理水平直接影响“十三五”规划目标的实现。因此，需求管理作为供应链管理的重要环节，也成为天津电网计量装置管理的重要内容。

基于理论研究和实际问题分析，本文对天津电网计量装置的需求管理进行优化研究，运用供应链CPFR理论，提出天津电网需求管理应实现的预测模块、计划模块及补货模块协同优化思路。同时，文章从计量中心作为服务方的角度出发，考虑了需求管理中补货模块的重要性及可实施性，对需求分配问题进行了模型构建和算例分析。

1 需求管理的理论及相关研究

1.1 CPFR理论

CPFR（Collaborative Planning， Forecasting， and Replenishment）是由VICS[1]提出的协同式供应链库存管理，也叫协同规划、预测与补货，是一种协同式的供应链库存管理技术。它将原来属于各企业内部事务的计划工作，如生产计划、库存计划、配送计划、销售规划等由供应链各单元共同参与，利用互联网实现跨越供应链的成员合作，更好地预测、计划和执行货物流通。其核心目标是增强需求计划和补货计划的精度，降低供应链存货，实现高水准的服务。

CPFR理论适用于一般的生产供应链，运用的规则主要是基于消费者的需求和整个价值链的增值能力。同时，CPFR根据需求预测报告制定生产计划，由于需求的复杂性和不确定性，需要通过各方的信息共享和数据传递更加准确地把握市场需求，管理者根据市场需求做出更加科学、有效的需求管理决策。本文结合天津电网计量装置的需求不确定、计划不准确、补货不科学等实际情况，根据CPFR理论对天津电网计量装置的需求管理进行优化设计。

1.2 需求管理相关研究综述

在需求管理方面，国内外已有一定的相关研究成果。Croxton，Keely等[2]提出需求管理是供应链管理的重要一环，目的是平衡供应链能力与客户的需求。当管理流程正确时，需求管理可以使供需达到平衡，以最小的损失执行计划。需求管理不只限于预测，它还包括协调供给和需求，提高灵活性，减少可变性。张李义、成飞[3]提出了基于CPFR的需求管理理论，文章从客户的需求出发，分析影响需求管理的可控因素和不可控因素，提出以准确的需求预测推动企业的供应链协同发展。庞海云[4]研究了应急物资分配的决策特性、应急物资的需求预测和应急物资的最优分配模式。文章根据改进的粒子群算法，在三级物资运输网络基础上分析得出应急物资的最佳配送方式。张伟忠[5]以天津市电力公司电能计量中心为研究对象，结合现代物流管理理论，提出对天津电力公司的计量表进行准确的需求预测，科学的库存管理以及有效的物流配送等。范志文[6]研究了云制造环境下的订单分配及订货决策，文章通过构建运输费用最小的目标函数，将订单配送问题转化为运输问题。王海军、黎卜豪等[7]研究了应急救援下的需求分配问题。在建立总配送时间最小目标函数下，通过对比不同的需求配送机制，研究表明基于距离阻抗的需求分配机制要优于基于时间阻抗的分配机制。

综上所述，当前对需求管理的研究主要集中在需求预测和库存管理两个方面。对于需求分配的研究，其研究对象大多是应急物资。本文根据计量装置的专业特性和需求特点，在对天津电网计量装置的需求管理进行整体分析的基础上，重点进行天津电网计量装置的需求分配优化。

2 天津电网计量装置的需求管理现状分析

2.1 天津电网计量装置三级管理体系及需求管理流程

天津电网计量装置包括单相表、三相表、互感器、集中器等，限于篇幅，本文主要针对单相表的需求进行分析。目前天津电网对计量装置的管理分三个层级，第一层是计量中心，计量中心又包括中心库和检测中心；第二层是各分库（区域库）；第三层就是各站所（供电分公司）。具体的管理层级如图1所示。

计量中心负责计量装置的检测并对各个分库进行配送。站所则负责进行计量装置的需求预测、计划申报等，分库则负责汇总各站所的需求并上报到计量中心，计量中心在收到各个分库的需求申请后，实行以分库为主，中心库为辅的原则进行需求分配。当分库和中心库的电表存储量无法满足站所需求时，计量中心检测新的电能表满足站所的需求。

计量中心对需求的分配主要是根据站所的需求预测进行的，而站所为了保证供应，经常会人为调整需求时间和需求数量，因此计量中心收到各站所上报的需求后首先要对各站所的需求进行审核。当需求审核通过后，计量中心则进一步决策实际分配给各站所的需求量，天津电网计量装置具体的需求申请和分配流程如图2所示。

计量中心审核需求订单后，执行出库配送任务，安排车辆先从分库调运，若分库无法满足需求则从中心库调运；若中心库库存无法满足则安排检测中心进行生产。当电表送达各站所的存放点后，进行新品入库并确认。

2.2 天津电网计量装置需求管理问题分析

通过对其现状进行分析，发现天津电网计量装置在需求管理过程中存在的一些问题。主要表现为：当站所对顾客需求进行预测时，其人为干扰因素较为明显，各站所为了达到更好的考核结果，其预测结果和申请数量往往偏高。其次，计量中心主要是根据主观经验对需求进行分配决策，缺乏一定的科学依据。最后，站所和计量中心作为供应链上的组成成员，缺乏有效的协同计划。为此，本文从计量中心的角度出发，重点研究计量中心和分库的需求分配策略，降低需求预测不准确所带来的影响，从而促进供应链整体协调和优化目标的实现。

3 基于需求管理视角的天津电网计量装置的需求分配分析

3.1 基于CPFR理论的天津电网计量装置需求管理体系设计

天津电网计量装置需求管理的目标是对需求进行准确识别和预测，减少人为干扰因素，实现分库库存最低，中心库库存趋于零的目标。结合CPFR理论，本文为天津电网的计量装置建立了一套科学的需求管理体系，以对需求进行协同计划、预测及补货，具体的流程如图3所示。

该需求管理体系由预测模块、计划模块和补货模块三个部分组成。首先是预测模块，站所根据往期计量装置的需求规律以及新增需求对计量装置的需求进行预测。在预测过程中，站所应该运用科学的预测方法对需求进行准确的预测。其次是计划模块，计量中心在收到分库上报的需求时，需要结合分库、中心库的实际库存量安排配送和生产。计量中心在安排生产计划过程中，应该与站所随时沟通，对需求随时反馈调整。如在遇到应急需求等例外事件时，站所应及早告知计量中心，给计量中心留有足够的生产调整时间。最后是补货模块，计量中心一般根据分库上报的需求计划随时调整生产计划，实现适时补货的目标，最大限度地满足补货需要。通常分库无法一次性满足站所的计划期内的总需求，因此，分库也需要对各个站所进行随时补货。

由于在需求管理过程中，预测模块是由站所决定的，计划模块是根据预测模块进行的。对于计量中心而言，补货模块的优化具有主导性、可行性。因此，本文对天津电网计量装置需求管理的研究重点是图3中的虚线内的部分。补货模块实际上是一个需求分配过程，即计量中心根据分库申报的需求决策计量中心对分库，分库对站所的需求分配策略。同时，科学的需求分配策略将有助于通过信息反馈指导需求预测和计划。因此，计量中心通过更加有效的需求分配策略可以实现更加科学的需求管理目标。

3.2 天津电网计量装置需求分配优化思路

天津电网凭借自身管辖范围小、业务覆盖面全、计量仓储体系管理方式相对集中的优势，在需求管理方面，实行以分库为主，中心库为辅，检测中心为支撑的需求分配模式。通常各个站所向分库上报的需求预测是月度总需求，故中心库和分库一般不能一次性满足各个站所的全部需求，因此计量中心作为需求分配的主体，需要根据现有的生产能力、计划期初的库存水平对各站所分批次的实际配送量进行科学的决策。本文的目标旨在提高客户的服务水平，通过有效的需求分配指导合理的需求预测，在计量中心和站所协同计划的前提下，进一步实现需求管理全过程的优化。

4 天津电网计量装置需求分配优化模型构建

本文在考虑了中心库和分库的库存情况、计量中心的检测能力和一次申请多次配送等约束条件，通过构建计量中心到分库、分库到站所的两级网络多周期需求分配模型，在最大程度满足客户需求的情况下，实现计量中心对各分库，分库对各站所的最优需求分配决策。

4.1 参数设计及假设

通过上述对需求分配问题的描述，进行以下假设：（1）需求分配中，一个分库对应多个站所，每个站所的需求只能由其对应的分库完成；（2）计量中心的运力足以满足所有的需求配送，即不考虑运力限制；（3）一次订单周期分为各时间段实施送货；（4）不考虑中心库和分库的库存负荷。

以下对模型中一些重要的参数进行说明：

d：计划期第j个站所向第i个分库提报的总需求，i=1，2，…，m， j=1，2，…，n；

q： 第k个周期第i个分库的库存量；k=1，2，3，4；

S：第k个周期第i个分库给第j个站所的实际配送量；

S：第k个周期中心库给第i个分库的实际配送量；

q：第i个分库在第k个周期时的库存量，已知q为初始状态，且q=q；

q：第k个周期期初中心库的库存量；已知q为初始状态，且q=q；

M：第k个周期中心库的实际发货量；

r：第k个周期检测中心的产出率；

I：第i个分库所负责的站所的集合；

T： 为发货前的生产备货期。

4.2 模型的建立

其中，目标函数（1）表示从计量中心到分库以及从分库到站所的两级网点缺货水平最低，即最大程度满足各站所和分库的配送需求，该式由两部分组成，第一部分代表分库对站所需求的满足率，第二部分代表中心库对分库需求的满足率。约束条件（2）表示第k+1期中心库的库存量，该变量存在两种情况，当第k个周期中心库给分库的实际供货量小于该周期中心库库存量时，第k+1期计量中心不需要生产补货；当第k个周期中心库给分库的实际供货量大于该周期库存量时，第k+1期检测中心需要以r的生产率进行生产和补货。约束条件（3）代表第k+1个周期分库的库存量。约束条件（4）表示T个周期内，分库给站所实际供货总量小于等于站所的实际需求总量。约束条件（5）表示T个周期内，中心库给分库的总供给量小于等于各站所的总需求量。约束条件（6）表示中心库给分库的实际供货量小于该周期中心库库存量及生产补货量之和。约束条件（7）表示的是每一个周期分库向站所配送的数量应当符合实际情况，其最大配送量不能超过各个站所的实际接货能力，各站所每期的接货能力为总需求的β，其最低配送量应当满足分库向站所的最低需求满足率，其满足率可由分库的每一期的服务水平β决定。

5 算例分析

本文通过研究天津电网计量装置的实际需求情况，进行算例分析，验证模型的有效性。本文所建立的是非线性整数规划模型，考虑Lingo软件数据录入和数据输出方便，求解强大的优势，本文的算例求解选用Lingo11.0软件进行。

为了验证模型的有效性，本文首先构建一个简化的计量装置配送网络。选取1个中心库、2个分库、6个站所作为研究对象。其中分库1负责向2号、3号、4号站所进行配送，分库2负责向1号、5号和6号站所进行配送。具体的网络配送关系如图4所示。计量中心由中心库和检测中心组成，中心库一般保有少量库存，检测中心在整个网络的库存不足时进行生产补货。

结合天津电网计量中心的实际状况，本文根据模型求解需要，设定模型中的相关参数初始值如表1所示。

为了使模型的求解更符合实际，通过对天津电网计量中心实地调研，在此次的求解过程中，预设系统的最低服务水平为γ，每个周期都必须满足一定的服务水平即β=γ/4。考虑到在实际的配送过程中，站所的实际接货能力即φ是有限的，因此，计量中心对站所每期的分配量不可超过总需求的β=φ/4。在此次模型的求解当中，初次设定γ=70%，φ=120%。

根据表1的数据，经Lingo11.0求解，得出缺货率最低时各个周期的实际配送量最优值如表2所示、各周期的可发货量和期末库存状态如表3所示。

从计算结果可以看出：中心库对分库1的满足率为90.3%，对分库2的满足率为89.3%，当分库库存的需求量过大时，中心库一般无法完全满足分库的需求。分库1对站所2、站所3、站所4的平均满足率分别为：89.7%、100%、100%；分库2对站所1、站所5、站所6的平均满足率分别为：70.3%、100%、78.9%。表3表示各个周期中心库和分库的可发货量及库存动态。从表3的数据可以看出，通过对天津电网计量装置的需求进行合理的分配，中心库和分库的库存基本可以达到趋于零的目标。

当系统预设的最低服务水平γ发生改变时，通过求解得到各分库和站所的实际满足率结果如图5所示：

对图5的结果进行分析，发现当系统预设的最低服务水平发生改变时，计量中心和分库的需求分配决策均会发生变化。当服务水平从60%提升至65%再至70%时，各个站所的实际需求满足率更为均衡。结合上述分析，在既定最低服务水平下影响客户满意度的主要因素是计量中心和分库的补货能力。对于天津电网来说，从需求管理的角度出发，通过对站所上报需求的审核和对生产能力的科学运用，确定合理的客户满意度，可以达到更好的需求分配决策目标。

6 结论和展望

本文考虑了计量中心的生产能力，站所的实际接货能力，为实现在较低库存水平下，最大限度地满足站所需求的目标，建立了从计量中心到分库、分库到站所的多周期的两级网络需求分配优化模型。通过模型求解，可以计算出在满足站所既定服务水平和接货能力条件下，每一配送周期的实际配送量的最优值，既能保证各站所的需求得到一定程度的满足，又尽可能降低供应链各环节的整体库存水平，有效避免主观判断带来的不良影响。企业在实际应用时，可以根据实际情况调整计量中心的生产能力、系统最低服务水平、站所接货能力等参数，使模型的计算结果更接近实际情况。

本文在建立模型和求解的过程中，只考虑了一种计量装置，目标函数也只考虑了客户服务水平，是单品种、单目标需求分配优化模型。在以后的研究中，我们将在考虑成本因素下的计量中心多产品的需求分配模型，使得需求分配决策更为合理，实现天津电网对计量装置更加科学、高效的管理目标。

参考文献：

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