基于战略联盟的轨道交通装备制造业云仓系统模型研究

孙丽，段居财，石赫，张杨 ，景凤斌

(1. 大连交通大学 机械工程学院 ，辽宁 大连 116208；2. 中车大连机车车辆有限公司 ，辽宁 大连 116022)

为了提高我国轨道交通装备制造行业的竞争力和整合市场资源，国家战略性地适时合并了南北车集团，成立了中国中车股份集团有限公司.中国中车承继了中国北车股份有限公司、中国南车股份有限公司的全部业务和资产，是全球规模最大、品种最全、技术领先的轨道交通装备供应商[1].集团公司下属50多家企业和研发机构，分布在全国28个城市和地区.

目前，集团公司下属的各个成员企业仍然保持着独立运营，并非战略伙伴联盟关系，集团公司负责组织和调控.各公司的物资仓库仍然是由自己的物流中心独立运营，库存信息也没有同成员企业共享.该方式不可避免地沿袭了机械制造业固有的诸多弊端[2]：

(1)企业库存水平高，资源利用不合理.大部分的流动资金被库存所占用，有的企业这个比例甚至高达70%～80%，严重影响了企业的现金流，有的企业甚至被压垮;

(2)物流配送效率低、成本高.目前，大多数企业仍然拥有一定数量的货运车辆用于零部件和原材料的配送，或者采用供应商送货的方式，但是车辆的使用率不是很高，货车空载时有发生.即使部分企业将物流配送外包给专业的第三方物流，其配送效率也还是不高，或者为高效率要付出不相称的高成本;

(3)企业生产和采购计划不确定性高.由于轨道交通装备制造企业大多采用订单式生产模式，并且在设计和生产过程中变动因素很多，传统的生产和采购计划不能很好地满足实际需求，物料控制不严谨，经常造成物资积压或短缺的现象，所以更加迫切需要加强与战略联盟伙伴企业的合作与协同，成员企业之间共享库存信息，互相补货;

(4)没有形成应有的原材料与通用件、标准件大批量采购，导致采购成本居高不下.各个成员企业尽管有很多材料的需求是一致的，但是仍然独立采购，没有形成规模，跟供应商谈判时很难拿到抄底价格.同时在询价、供应商选择等程序上浪费了大量人力、物力和财力以及时间成本.

随着物流领域全球化趋势的日益明显，轨道交通装备制造业将面临比以往更为复杂的跨国供应链，以动态联盟为基础的在全球范围内配置物流资源将成为大势所趋.而互联网+制造和物联网技术、云制造等技术的快速发展，使得远程获取信息并且调用物流资源的可能性大大增加.这表明，许多在地理位置上分散的系统可以被有效地组合起来，以实现更大的规模经济效益.在这种情况下，以订单生产为模式的轨道交通装备制造业建立行业云仓系统逐步成为可能.

1 云仓系统概念的提出

1.1 虚拟库存

我国对于虚拟库存管理的概念并没有权威的定义，参考中外文献可知，虚拟库存管理是在供应链环境下，运用通信技术和计算机信息网络技术，共享企业物流资源与信息资源，将实物库存信息化为虚拟库存，分离物资的实物物流和信息流，以实现库存的动态管理[3].虚拟库存是在分布式库存的概念上发展起来的，相关文献较少，目前的文献主要研究了虚拟库存的理念和相关支撑技术.

参照金融系统的演变过程，库存的实物形式就如同实体的金银，而库存信息就如同货币.在虚拟库存管理中，企业需要做的是将实体库存虚拟化为库存信息，以减少不必要的库存管理费用[4].

1.2 云仓系统的概念

本文定义的云仓系统结合了虚拟库存和实体库存的优点，借用软件系统云平台的概念，提出轨道交通装备制造业行业云仓系统的概念.行业云仓系统运用远程通信技术和计算机信息网络技术，将分布式库存管理集成到统一控制的云仓平台上来.行业云仓系统的供应商是原材料市场，客户是中车集团各成员企业.同虚拟仓库不同，云仓系统既保存“必要的实物”，又保存“全部需求信息”，保证按时配送给各需求厂家，实现各成员企业真正的零库存.云仓系统具备采购、存储、保管、配送、借贷等功能，按照性质不同，可划分为公有仓、私有仓、混合仓.公有仓用来存储轨道交通装备制造业通用原材料、易耗品、标准件等，经过科学计算选择合适的位置；私有仓用来存储某一成员企业专用的物资，就地存放，但信息由云仓系统统一管理；混合仓则兼顾二者的功能，按需就近存放必要物资.

1.3 云仓系统原理及结构

基于战略联盟的云仓系统的工作原理如图1所示.各个成员企业根据主生产计划和月生产计划，每个月上报给云仓采购系统5周的物料需求预测.当发生缺货时，成员企业之间可以互相借贷.供应商按照云仓系统采购部的订单为各个实体仓进行物流配送.各个成员企业也可以订购自己专属的特殊物料.

图1 基于动态联盟的云仓系统原理图

狭义的云仓系统由计划、采购、收货、调度、存储、配送等模块组成，系统软硬件设施完善，通过计算机技术和通信技术对物资进行动态协调与控制；广义的云仓系统功能结构主要由三大部分构成：供应商、云仓系统和轨道交通装备制造厂家.M个供应商根据云仓系统的采购指令分别向云仓系统进行供货并实时更新产品信息.云仓系统汇总N个厂家的需求，适时制定采购计划，确定合适的经济批量，向M个供应商进行询货和采购.

图2给出了实践中云仓系统的层级架构，基础设施层主要是计算机软硬件系统和网络服务设施，同时伴有实体仓库的存在，这也是云仓系统区别于虚拟仓库的重要特点.

图2 实践中云仓系统的层级架构

1.4 云仓系统的选址

云仓系统的调度指挥中心应设在集团公司总部北京，以便于统筹指挥，运筹帷幄.云仓的实体仓分为公有仓、私有仓和混合仓.公有仓用于存储通用物资和标准件，选址应距离配送地点不超过1 000公里范围，以便前一天下单，第二日送达；私有仓仍然设置在各成员企业原有实体仓库位置，用于保存安全库存物资，但是全部物料信息必须上传至云仓系统共享；混合仓用于存放成员企业作为半成品或者零部件提供给其他成员企业的成品或者半成品[5-7].

根据图3公司成员企业分布情况采用模糊聚类分析模型对云仓系统进行选址规划.

图3 云仓系统实体仓选址规划

(1)数学模型

模糊目标函数是以极小化类别方法为目标函数进行聚类分析的.如可供选择的位置节点有n个，按照p个指标来进行划分，即，将其分为c个子集(c)，则建立模型为

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)模型求解

(5)

对式(2)求关于λ、μik和vi的偏导数，可以得到局部最优点的必要条件为

(6)

(7)

(3)决策机制

对于决策而言，需要加上约束条件，使数学求解的结果与实际问题联系起来，也就是使云仓的选址更加符合实际需求.本问题中节点n的值为28，云仓的个数c拟在2～6之间取值，当任一节点之间距离不大于1 000公里时，c值越小越好.

从初始值c=2开始进行聚类，得到两个聚类中心分别为唐山和西安，但是距离阈值有6个节点超过了1 000；当c=3时，得到沈阳、大同、株洲三个聚类中心，仍然有2个节点的距离阈值超过了1 000公里；当c=4时，得到沈阳、青岛、太原、武汉四个聚类中心，全部节点距离在1 000公里以内.

规划四个分布式实体公有云仓，分别为1号公有仓沈阳(辐射齐齐哈尔、长春和大连三个成员企业)，2号公有仓青岛(辐射南京、常州、上海、济南、天津、唐山六个成员企业)，3号公有仓太原(辐射北京、大同、石家庄、永济、西安、兰州、洛阳七个成员企业)和4号公有仓武汉(辐射成都、眉山、资阳、贵阳、株洲、广州、深圳七个成员企业)，鉴于香港地区的特殊性，暂时先不考虑纳入云仓系统统一管理，待时机成熟可纳入武汉公有仓.

2 采购计划模块

采购计划模块的技术支撑是中车集团公司物料清单及其编码系统，没有完善的物料分类编码系，行业云仓就失去了存在的根基，根本无法运行.采购子系统包括供应商管理、物料采购需求、采购订单管理模块.

(1)供应商信息管理包括供应商名称、地理位置、供应能力、参考价格、技术能力、成本优势、产品质量、企业信誉等，并可分阶段对供应商进行等级评价(IRIS认证);

(2)物料采购需求信息管理包括各成员企业物料需求计划、质量要求、重要性等，并能对相似需求进行分类汇总，使得采购批量尽量最大化、经济化;

当供货市场稳定、材料价格实时波动情况下，云仓系统根据物料需求进行多周期动态补货.假设需求是随机变量，在不同的时段具有不同的概率密度函数，平均需求量随时间变化且各周期需求相互独立[4];

(3)采购订单管理模块主要是根据需求信息执行采购任务并进行跟踪管理.包括供应商名称、订购物料代码、订货时间、订货数量、订货价格等.

3 库存管理模块

库存管理是任何一个制造企业生产、计划和控制的基础.根据我们的调研，轨道交通装备制造业的库存往往占据了企业20%～30%的总资产，有个别企业被库存积压导致现金流难以周转的窘境时有发生.

随着供应链和互联网技术的广泛应用，远程获取信息并且调用物流资源的可能性大大增加.这些在地理位置上分散的成员企业库存系统则可以有效地组合起来，以实现更大的规模经济效益.

在传统库存管理模式下(图4(a))，企业除了周转库存以外，会设置相当大的一部分安全库存(一般占到单品总库存的30%左右)，而在基于战略联盟的云仓管理模式下(图4(b))，每个成员企业实体库存会至少降低20%，物资周转率也会显著提高，缓解企业资金流转压力.而云仓系统也不必存储全部成员企业所需实体库存的20%云仓系统单品实体库存量计算公式可由虚拟库存管理的一般成本模型求得[8].

(a) 传统模式

(b) 云仓模式图4 两种模式下成员企业库存构成

4 配送子系统

云仓系统根据各成员企业物料需求进行按时、按需配送.根据精益生产JIT的理念，供应商应直接将物料配送到工位，云仓系统的实体仓库存储的仅是该实体仓库所辐射企业的等比例安全库存，仅在供应链出现短缺时方可启动安全库存，对成员企业安全库存进行及时补充，以实现成员企业零库存，降低成员企业运营成本.为了提高配送效率、降低配送成本，必须在云仓系统网络内部进行多地协同配送.云仓系统的协同配送涉及以下几方面的协同[2]：

(1)物流配送网络中各个节点的协同：如需求节点、供应节点、配送中心节点之间物流配送活动的协调;

(2)物流配送过程中各环节的协同：如库存、分配、运输环节之间的协调以及各环节内部各要素的协调(如考虑不同地点和不同型号车辆的协同、取货与发货活动的协同、各取发货节点时间窗的协同等);

(3)物流配送系统的诸目标之间的协同：如成本和效率之间的协同、成本与物流质量之间的协同等.

假设中车集团共有M个供应商(各成员企业之间有时又互为半成品或零部件供应商，比如沈阳公司生产的交叉杆组成，将供应给齐齐哈尔、石家庄、太原、西安、贵阳、眉山等多家成员公司)，则在物流配送网络中相当于有M个供应节点，N个生产基地，P个实体仓库，Q个半成品加工基地.在已知各供应节点的固定成本、可变成本和生产能力，各实体仓库的固定成本、库存量和容量，各半成品加工基地和生产基地的固定成本、可变成本和生产能力，以及各节点之间的运输成本，应完成的产品产量情况下，可以通过如下目标函数求解运输计划，包括大型原材料、中小型原材料和半成品的加工数量与产品生产数量[9].

(8)

该模型的输入参数分为三大类：

(1)能力：生产能力、加工能力、仓库的存储容量、供应点提供原材料的需求能力;

(2)需求：单位半成品和单位成品所需的原材料数量，半成品需求量，产品需求量;

(3)成本：单位原材料成本，公有仓以及成员企业的固定成本，单位产品与单位半成品的可变成本，单位原材料与半成品的运输成本，单位原材料、单位半成品与单位产品的存储成本，单位原材料与单位半成品的装卸成本.

模型的输出变量如下：

(1)节点的选择：包括公有仓的选择、半成品加工基地的选择、生产基地的选择;

(2)生产计划：半成品加工基地的加工数量、生产基地的半成品加工数量与产品生产数量;

(3)运输计划：大型原材料、中小型原材料和半成品的运输路径与运输量.

5 结论

(1)本文提出了轨道交通装备制造业云仓系统的概念，构建了云仓系统的模型，确定了云仓系统的功能模块和层级架构.建立了云仓系统的选址模型、供应商选择模型、采购模型、库存控制模型和配送模型的框架，对云仓系统的实践具有重要的指导意义;

(2)通过行业云仓系统的开发，轨道交通装备制造企业可实现经济批量采购，获得最低采购成本；各个成员企业本地库存量可大大降低，减少资金积压，降低库存成本；各成员企业计划和采购人员可大大减少，降低人力资源成本；成员企业之间可共享库存，大大降低停工待料现象，缩短产品上市周期，提高市场竞争力[10].