供应链可靠性管理研究综述与展望

1、企业管理与信息化 陈 成 薛恒新 供应链可靠性管理研究综述与展望1供应链可靠性管理研究综述与展望陈 成,薛恒新(南京理工大学经济管理学院,江苏南京 210094)摘要:为避免因发生供应链中断事件而带来的严重后果,从可靠性设计、可靠性评估以及可靠性分析这3个方面,对供应链可靠性管理这一领域的国内外研究现状进行了总结,重点评述了各种可靠性设计途径、评估模型与分析方法在供应链中的适用条件、相互关系以及优缺点。最后指出了目前面临的主要问题,并对未来的研究作出了展望。关键词:供应链管理;可靠性;评估模型;分析方法中图分类号:F270 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2011)19-0001

2、-07 未来的竞争不再是企业与企业之间的竞争,而是供应链之间的竞争。许多企业广泛实施全球化的采购模式、JIT生产方式以及精益与敏捷供应链的管理理念,使得供应链的运作效率日益提高,但也减弱了企业抵抗各类干扰事件与风险影响的能力。供应链上任何节点发生影响正常供应的事件,往往会迅速影响到与之相连接的上下游企业,进而沿着网络联接影响到网络上的所有企业。最终,失效事件对整个供应链的正常运作产生严重影响,甚至引起供应链中断,急剧升高供应链成本,降低客户服务水平。Philips大火和通用公司罢工事件等一系列惨痛的教训,迫使企业经营者和学者重新审视当前的供应链,研究如何使供应链的运作更加安全可靠,减少失效事件

3、的发生1-2方面进行研究。1 供应链可靠性设计研究现状可靠性设计是事前考虑可靠性的一种设计方法,是一项最为中心的可靠性工作,具有战略意义。虽然可靠性设计只是可靠性工程中的一个环节,但却是保证系统可靠性最重要的环节,它为系统的可靠性水平奠定了基础。目前,国内外学者主要通过以下几种途径,对供应链可靠性设计进行了研究。1.1 系统可靠性分配系统可靠性分配,即根据系统与组成元件之间的功能关系,将系统可靠性指标在元件之间进行合理地分配,也就是按系统 子系统 元件,逐一地落实可靠性指标。在分配系统可靠性指标时,系统各个组成部分之间需要保持适当的平衡,以达到投入有限资金,最大限度地增加系统可靠性的目的。文献

4、6以交易可靠性为目标,提出了一个公平价格机制,并应用Shapley值法解决了可靠性分配问题。Shapley值法体现了按照贡献大小分配的原则,避免了平均分配带来的弊端,能够调动供应链中各成员企业的积极性。同样,在改进供应链可靠性,或者重新设定可靠性设计指标时,也存在如何将系统可靠度分配给各成员企业的问题。在进行可靠性分配时,常常会受到一些条件的制约,如成本、时间等,从而构成了可靠性优化分配问题,即在满足约束条件的情况下,如何通过可靠性的合理分配,达到甚至超过预定的可靠性指标。Thomas于2002年基于可靠性工程理论,将供应链可靠性定义为:供应链系统在规定的条件下和规定的时间内,完成规定任务的能

5、力3。供应链可靠性管理,是为了确定和满足供应链系统的目标可靠性要求,所进行的一系列组织、计划、规划、控制、协调、监督、决策等活动和功能的管理4-5。它是将可靠性工程学的一般原理和方法与供应链管理问题相结合,所形成的一门针对供应链可靠性为研究对象的应用性学科。供应链的可靠性不仅取决于供应链的初始设计,而且还受到生产运作条件、外界情况、管理水平等因素的影响。目前,国内外学者主要从供应链可靠性设计(事前)、供应链可靠性评估(事中)、供应链可靠性分析(事后)这3个收稿日期:2011-05-06基金项目:国家自然基金资助项目(70772036)作者简介:陈 成(1978-),男,江苏扬州人,南京理工大学

6、博士研究生,主要从事供应链可靠性的研究工作。22011年10月 中国制造业信息化 第40卷 第19期传统的单元重要度分析都是纯粹从可靠性角度出发,没有考虑到经济条件。因此,需要综合考虑系统成本,以及由系统故障所造成的经济损失这两方面因素,建立考虑经济性的新型单元重要度度量模型。在现实情况中,成员企业可靠度常常不是固定值,而是与投入成本相关。如果成员企业可靠性与成本费用成函数关系,首先推导成员企业可靠性和成本之间的拟合函数,然后利用惩罚函数法把成本约束问题转化为无约束优化问题,基于Hopfield神经网络构造和最优可靠性分配相对应的网络优化计算的能量函数,建立起系统可靠性优化分配的数学模型7。1

7、.4 系统可靠性冗余设计在对供应链系统可靠性要求较高时,除了尽可能选取可靠度高的成员企业,还可以通过冗余设计增加系统可靠性。所谓冗余设计,是指当一个功能单元的可靠性不能满足系统任务的要求时,采用2个或2个以上的单元并行工作,只要其中有1个单元能够正常工作,系统就不至于失效。只有当同一环节上所有的功能单元都发生故障,系统才会失效。文献20研究了核心企业如何与备用供应商订立合同,提高供应链可靠性。文献21研究了网络连通性、运输时间和物流能力对物流网络可靠性的影响,认为提高物流能力的冗余程度能够有效提高物流系统的可靠性,但他们的研究主要针对军事物流在战争环境下的可靠性,没有考虑成本因素。虽然冗余数量

8、越多系统可靠性越有保障,但系统成本也会随之增加。由于总成本约束的存在,不能随意增加冗余企业数量,因此需要结合成员重要度分析,针对供应链可靠性的薄弱环节,进行供应链冗余优化设计,以最有效的方式提高系统整体可靠性。1.2 成员企业优选通过选取可靠性高的成员企业,可以提升供应链的整体可靠性8-9。文献10针对风险不确定情况,在总成本和系统可靠性约束条件下,对供应商的选取问题进行了研究。文献11针对供应链这类串并联系统中成员企业选取难度较大的问题,提出一种结合传统蚂蚁算法和Tabu搜索的混合式算法。用以解决在系统总成本约束条件下,成员企业可靠性与成本固定的前提下,如何通过成员企业选取实现系统可靠性的全

9、局最优化。实际情况中,成员企业可靠度取值范围可能是离散集合或者是连续区间。如果成员企业可靠度和相应成本都限定在给定的离散集合中,应用文献12的方法,可以实现最佳成员企业的选取。进一步在得到成员企业失效率历史统计信息的前提下,可以通过威布尔分布拟合得到成员企业可靠度的数学模型13。在掌握成员企业故障率和修复率大致分布的前提下,利用可信度理论的梯形、三角形等模糊变量描述成员企业故障率和修复率够更准确地实现成员企业优选。14,能1.5 基于可靠性与经济性的系统平衡设计面对日益增多的干扰事件与风险环境,企业迫切地需要提高供应链的系统可靠性,同时又不能过多地牺牲供应链的日常运营成本,达到可靠性和经济性之

10、间的最佳平衡。解决途径主要有以下2种:a.在投资一定的条件下,使得系统可靠性最高。文献22针对传统选址模型片面追求物流成本最小化,忽视物流服务水平的情况,将可靠性作为物流服务水平的一种测度,提出了配送中心系统可靠度的计算方法,建立了以物流成本最小化和物流服务可靠度最大化的配送中心选址多目标优化模型,并运用贪婪取走启发式算法对转化后的模型进行求解。文献23进一步考虑多产品的可靠供应链系统设计模型,假设多个失效情景同时发生在连接弧上,寻找失效情景发生后能支持多产品顺利流通的最小成本的连接弧,并给出了基于Berder分解的求解方法。1.3 系统可靠性薄弱环节辨识在供应链中断前,通过对系统薄弱环节的识

11、别,并有针对性地进行鲁棒性加固,可以有效地提高供应链可靠性。文献15从整个供应链的角度,对仓库进行设置优化,体现了供应链构建的系统化思想。文献16、17分别应用仿真法与故障树分析法辨识供应链的薄弱环节,找出了系统最容易发生故障的环节。在可靠性理论中,单元重要度用于衡量元件可靠度的变化对整个系统可靠度的影响程度18。在进行系统可靠性优化时,只需要提高重要度较高单元的可靠度,就能实现以最少的资源投入最大限度地提高系统可靠度的目的。由于面向的对象与要求不同,单元重要度也有不同的含意。文献19首次将概率重要度与关键重要度应用在供应链可靠企业管理与信息化 陈 成 薛恒新 供应链可靠性管理研究综述与展望省

12、。文献24分析了物流单元的不同逻辑组成结构对系统可靠度的影响,探讨了在物流能力和可靠度约束情况下,如何通过物流单元的逻辑组成结构的改变,优化物流系统成本。文献25对古典供应链设计问题进行了扩展,引入候选设施的失效概念,研究了易变质商品的供应链设计问题,通过增加运营成本改进网络的设计可靠性。文献26建立了干扰事件风险下的可靠供应链系统设计模型,引入冗余节点调整部分源节点失效后的流量平衡,以最小化固定设施成本与期望运输成本之和为目标函数。贝叶斯网络亦称信念网络,它用图形模式来表示不确定变量结合的联合概率分布,以揭示变量间潜在的依赖关系33。文献34将该方法应用到供应链可靠性评估,采用多状态节点描述

13、系统及成员企业的多态性,能有效地对特殊的共享企业现象进行处理。用信念矩阵描述供应链内部各层次成员企业之间的连接关系,通过考察给定系统状态对应的信念度,评估系统可靠性的薄弱环节。此外,利用贝叶斯网络的自动更新功能,能够根据成员企业当前状态,对未来一段时间内的系统可靠性进行预测35。文献36根据战略协同网络供应链可靠性统计特性,建立2种贝叶斯网络估计方法和1种多层贝叶斯网络估计方法,分别应用于样本供应链可靠性评估。在估计供应链失效率的基础上,对供应链可靠度进行估计。供应链在完成生产订单任务时,可以把任务分为多个连续的阶段,不同阶段的子任务由不同的成员企业组合完成37,可视为一类多阶段任务系统。目前

14、,多阶段系统可靠性理论研究已取得一定成果。文献39提出了一种基于贝叶斯网络的多阶段系统可靠性评估模型,旨在提供一种完善、高效的多阶段系统可靠性评估方法,利用贝叶斯网络刻画多阶段系统,从而可以利用贝叶斯网络作为有力的建模和分析工具,完成多阶段系统的可靠性评估。GO法是一种以成功为导向的系统概率分析技术,最初是用来分析武器和导弹系统的安全性和可靠性43。文献44探讨了GO法在供应链可靠性评估中的应用,通过分析供应链中的信号流和操作符,将供应链系统构成图转化为GO图,通过GO运算,求出各信号流的等效故障率,进而求出供应,382 供应链可靠性评估研究现状通过对供应链可靠性水平进行量化评估,以便能够更好

15、地指导供应链规划、设计和运行。广义的可靠性评估包括评价供应链在过去时间内的可靠性水平,以及预测供应链在未来时间内的可靠性水平27。系统形态千差万别,评估其可靠性就必须先确定系统的可靠性模型,然后根据系统的拓扑结构和系统组成单元的可靠性指标,分析确定系统的可靠性特征量。目前,所采用的评估模型可分为解析法和仿真法。2.1 解析法马尔可夫模型是进行系统可靠性评估采用较为广泛的模型28。文献29从单级供应链的可靠性分析出发,基于马尔可夫过程从原材料供应可靠的角度,对多级供应链可靠性进行了定量分析。文献30将配送服务状态的转移看作齐次马尔可夫链,建立了基于马尔可夫过程的配送服务可靠性评价模型,得出了配送

16、中心在稳定运行时期的配送服务可靠性,为配送中心可靠性评价和提高自身服务的可靠性水平提供理论依据。该文作者在文献31中进一步考虑配送服务5个作业环节的情况,建立了基于向量马尔可夫链模型的配送服务可靠性评价模型,用于对若干时间段后配送服务可靠性进行预测,以及对达到平稳状态时的配送服务可靠性进行求解。文献32通过分析供应链系统的实际生产模式,将一些不同规模的成员企业划分为具有相同生产能力的节点,使用多数表决制度来分析整个供应链的子系统的可靠性,计算不可修复供应链系统的可靠性和马尔可夫型可修复供应链系统42011年10月 中国制造业信息化 第40卷 第19期FMEA是一种归纳法,通过列举系统中各元件状

17、态,确定系统状态,然后根据所给定的可靠性判据,对所有系统状态进行检验分析,建立故障模式影响表,确定元件故障对系统的影响,求得系统可靠性指标。尽管使用该方法逐一建立故障模式影响表的过程十分复杂。但事实上,FMEA依然是供应链可靠性分析中最有效的方法之一,原因在于:(1)供应链上企业类型较多,不同的成员企业故障影响可能不同。即使是同一成员企业故障,对不同的下游企业也有着不同的影响。因此,有必要对故障影响进行详细分析。(2)对于盟主型供应链,由于盟主对其他成员企业具有很强的辐射能力和吸引能力,一般情况下,只需要考虑盟主的单故障影响。 故障模式影响表 可能只是一个简单的故障分析矩阵,或者是某一故障对可

18、靠性指标的增量值,如果采用一些快速搜索技术进行分析,并不会增加太多的计算量。(3)FMEA是其他一些故障分析方法的基础。以可靠性框图和故障树分析为例,这两种方法都是在FMEA的基础上,采用直观图示的方法表示成员企业与供应链系统之间的关系。再将系统结构图转变为可靠性框图或故障树,从而使复杂关系变得更容易理解。b.致命度分析(CriticalityAnalysis,CA),将部件按其致命度分级,是制定FMEA后的下一步工作。总之,FMECA是分析系统所有可能产生的故障模式对系统造成的影响,针对系统结构,识别系由于故障分析过程与建模过程紧密相连,多数统的每一个故障模式,分析故障模式对系统的危害程度和

19、引起故障的原因,提出改进和预防措施,建立一份完整的 故障模式分析表格 ,并且根据危害程度判断确定系统改进的轻重缓急程度,防止故障再次出现,实现系统的可靠性增长。的可靠性问题进行定量分析。不仅可以计算供应链的整体可靠度,还能得到各环节的可靠度。2.2 仿真法仿真法不存在数学求解的复杂性问题,所建立的仿真模型可以考虑到各种复杂的因素和不确定的情况。目前,利用随机仿真法对供应链可靠性进行的研究,大多集中在交付和库存可靠性等方面,使用的方法有静态和动态仿真法45-46。蒙特卡罗法是一种最常用的静态仿真方法,文献17将蒙特卡罗法应用于供应链可靠性评估,首先运用蒙特卡罗法产生服从不同分布的成员企业失效时间

20、的随机变量。再根据系统可靠性框图,求得系统失效时间,完成一次仿真。当仿真次数达到规定值时,仿真结束。最后将得到的若干个系统失效时间作为系统寿命分布拟合与参数估计的样本,求得供应链可靠度函数。3 供应链可靠性分析研究现状可靠性分析是根据一定故障准则,构造元件模型与系统模型之间关系的过程。根据系统功能分析和故障判据界定,通过所确定的系统可靠性模型,借助一些计算方法计算系统可靠性特征量,发现系统的隐患和薄弱环节,并采取相应措施消除隐患和改善薄弱环节,为提高系统可靠性提供方向和途径。它是可靠性工程中发现系统存在的问题、分析问题、有的放矢地采取措施解决问题的重要手段。文献未区分故障分析方法与模型的差异。

21、例如,不少文献中将故障模式影响分析法与蒙特卡罗法并称为2种不同的方法。实际上,不论是采用解析模型还是仿真模型,都离不开故障分析过程。本文将模型与故障分析方法分别进行叙述。目前,可靠性分析方法主要有以下几类。3.2 FTA故障树分析法(FaultTreeAnalysis,FTA)是从系统故障的角度出发,探索引起故障的各种原因,并画出他们之间的逻辑关系图47。它比可靠性框图更加灵活详细,能够发现系统中的重要故障和薄弱环节,为改善与评估系统的可靠度提供了定性与定量的根据。在分析复杂系统故障时,FTA特别有利于发现用其他方法不能鉴别出的故障组合。对于不容易或不可能画出逻辑图的系统,FTA是一种很有3.

22、1 FMECA故障模式、影响与致命性分析(FailureMode,EffectsandCriticalityAnalysis,FMECA)是一种常用的系统可靠性分析方法,包括故障模式影响分析和危害性分析。a.故障模式影响分析法(FailureModeandEf-fectAnalysis,FMEA),包括故障模式分析和故障影响分析。FMEA是一种不拘产品的种类(如机械、)企业管理与信息化 陈 成 薛恒新 供应链可靠性管理研究综述与展望运作造成的影响,提出了一种基于FTA的供应链可靠性诊断方法。文献48通过FTA进行最小割集求解,将可靠性指标分配到承担某项或某几项物流功能的具体成员企业,并进一步建

23、立了汽车整车物流系统的服务能力优化模型。FTA基于静态逻辑和故障机理,建立供应链系统故障与成员企业故障桩间的抽象模型。其假设各成员企业相互独立,并且故障不会相互影响,通过FTA中的全部最小割集,求得系统的失效概率。但是FTA没有考虑故障发生的时序关系,不能描述在故障发生情况下,供应链系统状态随时间变化的动态随机特性。传统的FTA已经十分成熟,但它有2个致命缺点:底事件的概率已知与底事件的发生是否相互独立限制了它的广泛应用。在实际应用过程中,对它的一种扩展是使用模糊数代替底事件发生概率,但不能缺少独立性假设。由于目前还没有对部分信息系统的FTA进行研究,因此,针对成员企业的部分信息,如何建立合理

24、的FTA;研究成员企业的独立性假设对顶事件产生的影响;成员企业信息的不精确性对顶事件产生的影响;部分信息下的成员企业重要度,都具有重要的实际意义。如前所述,FMECA是从元件到子系统、再到系统这个顺序进行分析的,即所谓 上升形 的分析法。而FTA则是从系统到子系统、再到元件这样的 下降形 分析。相对于FMECA,FTA有如下的优点:(1)FTA可用于分析系统组成部分中除 硬件 以外的其他成份;(2)不仅可以检测由单一缺陷所诱发的系统故障,而且还可以检测那种当有2个以上的元件同时发生故障时,才会发生的系统故障。FTA不如FMECA之处如下:(1)对于所列举的系统故障的种类,各个分析人员所取的范围

25、会有所不同;(2)由于分析人员自身的经验和知识水平各不一样,所得结论的可信性也各不相同;(3)在从系统故障逐步向子系统、元件进行分析时,可能会漏掉重大的系统故障。态变化的动态特性。该方法的建模和求解过程相对简单和直观,便于求得精确解。用于描述典型供应链系统的可靠性框图模型,建立在简单的经典串并联模型上,一般都以手算为主,只能在对系统可靠性作粗略估算时使用。当供应链的系统结构较为复杂时,就很难用串并联框图组成一个能详细描述系统逻辑关系的可靠性模型49。一般来说,当系统较简单时,可靠性框图易于构成。对于不容易或不可能构成逻辑图的复杂供应链,采用FTA将是一种更有效的方法。3.4 最小路集和最小割集

26、为计算需求节点可靠性指标,可以对网络中的每一个需求节点求取最小路集或最小割集。文献50首次将最小路集法应用于供应链可靠性分析,通过求取特定企业的最小路,将供应链上的成员企业分为最小路企业和非最小路企业两类。再将非最小路企业的影响折算到相应最小路中,分析最小路企业对可靠性指标的影响,求取可靠性指标。由于供应链中的线路往往具有多分支特性,可以将网络等值法应用在最小路分析,以进一步提高计算效率。最小割集法适用于求解复杂网状系统可靠性,一般情况下难以直观识别最小割集,可以根据最小路集求取最小割集。如果考虑特殊因素的影响,还需要对故障后果进一步进行分析。504 未来的研究展望供应链可靠性管理是供应链管理

27、理论发展的需要,它是一个目前研究较少,且具有很大研究空间的研究领域,相关的理论研究才刚刚起步,系统研究还非常缺乏。从国内外的研究现状来看,未来还需进行以下几方面的研究工作:a.供应链可靠性设计。供应链可靠性设计是一个典型的多学科设计优化问题,在设计过程中要涉及到多个学科,并且各个学科之间具有强烈的耦合关系。传统的设计方法很难找到能够兼顾多个学科的最佳设计方案。因此,需要用多学科设计优化技术51和协同优化算法来协调各学科的设计结果。将复杂设计问题分解为一个系统级和几个学科级问题,每个学科不仅要进行分析,而且要进行优化。在优化时暂时不考虑其他学科的影响,只需要满足本学科的约束,3.3 可靠性框图可

28、靠性框图是从系统正常的角度出发,分析完成系统规定功能时的元件之间的关系,适用于两态单调结构系统47。假设系统组成部件之间的失效行为和可修行为相互独立,基于系统中各模块和部件之间的相互关系,对系统的静态可靠性进行分析62011年10月 中国制造业信息化 第40卷 第19期C/Reliabilityandmaintainability.AnnualReliabilityandMaintainabilitySymposium,January,28-31,2002,SeattleWA:ETATS-UNIS,2002:61-67.4 赵宏霞,杨皎平.供应链的可靠性管理研究J.现代管理科学,2007(3)

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35、可靠性评估,主要侧重研究基于某一种可靠性建模方法。考虑到供应链是可分解、可分级的,可以综合静态和动态可靠性建模方法特点,采用一种分类划分和分级组合的系统可靠性建模方法。根据供应链系统模块组成、功能单元或子系统构成,以及其静态和动态特性,将供应链系统分解成多个简单子系统,优选合适的状态建模方法或非状态建模方法,分别进行可靠性建模和求解;然后根据这些子系统间的拓扑关系及静态和动态特性,分类组合后构成上一层子系统,建立该层可靠性模型。如此逐层组合,建立不同层次的子系统可靠性模型,最终得到整个供应链系统的可靠性模型。c.供应链可靠性分析。目前的供应链可靠性分析往往假设成员企业或系统存在2种状态:正常或

36、者失效。但是,成员企业和系统的实际工作状态常呈现出多种工作状态,简单的二状态假设往往导致数学模型与实际情况存在很大的误差。现有研究假设各个成员企业可靠性是相互独立的,即一个成员企业的失效率不受其他成员企业的影响。事实上,成员企业的可靠性随着生产任务量的变化而变化。此外,需要深入考虑分配在成员企业上的任务量,成员企业自身可靠度对于多状态系统的影响,以及如何对供应链共因失效现象进行显式表达。参考文献:1 DaganzoCF.OnthestabilityofsupplychainsJ.OperationsResearch,2004,52(6):909-921.2 KleindorferP,SaadG

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49、njingUniversityofScience&Technology,JiangsuNanjing,210094,China)Abstract:Inordertoavoiddisastrousfailuresofsupplychain,itsummarizesthemajorliteraturesthatfocusonreliabilitydesign,reliabilityevaluationandreliabilityanalysisinsupplychain.(下转第10页)102011年10月 中国制造业信息化 第40卷 第19期作设置,GAWizard中设置优化目标为最小值,初始种群设为20,进化代数为10代。建好模型后运行仿真程序。用eM-P