造船企業(yè)易耗品配送成本控制研究

王驍　蘇翔

【摘 要】 為解決當(dāng)前造船企業(yè)易耗品領(lǐng)用人工成本突出的問題，提出構(gòu)建易耗品配送模式并進(jìn)行配送成本控制研究。以配送成本最小化為目標(biāo)，建立滿足車間時(shí)間約束的車輛路徑優(yōu)化模型，運(yùn)用遺傳算法對(duì)模型求解，以國(guó)內(nèi)某船廠為例進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果表明該方法能夠有效降低配送車輛運(yùn)輸成本、提高物料配送效率，相比傳統(tǒng)領(lǐng)用模式成本更低，為造船企業(yè)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)方式、提升管理水平、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)提供參考。

【關(guān)鍵詞】 造船企業(yè)； 易耗品配送； 成本控制； 車輛路徑優(yōu)化； 遺傳算法

【中圖分類號(hào)】 U673.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1004-5937（2016）17-0108-05

引 言

據(jù)《2015年上半年船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》顯示，我國(guó)造船企業(yè)盈利難問題依舊突出[1]。進(jìn)一步挖掘成本管控潛力，降低生產(chǎn)物流成本成為造船等制造型企業(yè)的“第三利潤(rùn)源”[2]。在船舶建造過程中，易耗品（緊固件、焊材、工具等）需求大、消耗快，一旦出現(xiàn)短缺需由車間的操作工人自行前往倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)用。由于工人單次領(lǐng)用的數(shù)量有限，且車間距倉(cāng)庫(kù)較遠(yuǎn)，各車間對(duì)易耗品的需求時(shí)間也不同，隨著勞動(dòng)力成本逐年上升，頻繁的自發(fā)領(lǐng)用不僅需要企業(yè)擔(dān)負(fù)高額的人工成本，而且占用有效作業(yè)時(shí)間，造成停工待料，所以，統(tǒng)籌車間易耗品需求、實(shí)行易耗品統(tǒng)一配送既能完成物料供應(yīng)任務(wù)，又符合精益生產(chǎn)的要求。而如何在滿足車間時(shí)間要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行配送成本控制成為亟待解決的問題。

針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出運(yùn)用帶時(shí)間窗的車輛路徑（Vehicle Routing Problems with time Windows，VRPTW）模型開展物料配送成本控制研究。Ceschia et al.[3]針對(duì)帶時(shí)間窗的異構(gòu)車輛路徑問題，設(shè)計(jì)了一種禁忌搜索算法進(jìn)行求解，有效縮短車輛行駛距離，節(jié)約車輛運(yùn)輸費(fèi)用；李晉航等[4]采用改進(jìn)的混合智能算法求解模糊信息條件下的機(jī)會(huì)約束車輛規(guī)劃模型，解決了車間內(nèi)工位物料需求信息、運(yùn)輸時(shí)間等不確定情況下的物料配送問題；侯玉梅等[5]采用自適應(yīng)遺傳算法求解帶時(shí)間窗的整車物流配送路徑優(yōu)化問題，有效降低配送的運(yùn)輸成本；嚴(yán)正峰等[6]針對(duì)復(fù)雜機(jī)械裝配車間工位物料需求時(shí)間不確定的問題，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃和模擬退火遺傳算法相結(jié)合的方法求解帶模糊軟時(shí)間窗的物料配送路徑優(yōu)化模型，實(shí)例驗(yàn)證該方法可提升工位滿意度。另有一些學(xué)者專門針對(duì)船舶建造物料配送的車輛路徑問題進(jìn)行了研究。楊連生等[7]對(duì)船舶企業(yè)內(nèi)部油漆配送問題進(jìn)行研究，運(yùn)用遺傳算法設(shè)計(jì)車輛最短行駛路徑，有效減少涂裝作業(yè)中油漆配送不及時(shí)導(dǎo)致的等工現(xiàn)象；杜吉旺等[8]采用改進(jìn)遺傳算法對(duì)船舶分段建造區(qū)域布局進(jìn)行優(yōu)化，給出了物料布局方案及規(guī)劃后的運(yùn)輸路徑，解決了運(yùn)輸過程中的避障路徑求解問題。

綜上所述，物料配送的相關(guān)研究成果豐富，但一方面多集中于制造企業(yè)單個(gè)車間內(nèi)部，缺乏針對(duì)廠區(qū)內(nèi)物料統(tǒng)一配送的研究；另一方面，部分學(xué)者對(duì)造船企業(yè)物料配送的研究仍局限于設(shè)計(jì)車輛行駛最短路徑，尚未考慮車間時(shí)間約束問題。實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中，造船企業(yè)車間對(duì)易耗品的需求十分迫切，車輛早到或晚到既影響生產(chǎn)節(jié)拍又會(huì)產(chǎn)生一定的成本，如何量化車輛到達(dá)時(shí)間對(duì)配送成本的影響是成本控制的重要問題。此外，VRPTW問題求解的復(fù)雜性與魯棒性決定了求解算法應(yīng)具有尋優(yōu)力強(qiáng)、運(yùn)算率高的特點(diǎn)，而遺傳算法具有極強(qiáng)的計(jì)算能力和搜索能力，能夠有效解決這一問題，并能求得問題的次優(yōu)解。因此，本文將在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合造船企業(yè)特點(diǎn)，對(duì)造船企業(yè)易耗品配送進(jìn)行成本控制研究。

一、造船企業(yè)易耗品配送模式

（一）配送流程及特點(diǎn)

傳統(tǒng)的易耗品領(lǐng)用管理粗放，成為制約車間提高生產(chǎn)效率的重要因素。易耗品配送屬于精益造船生產(chǎn)模式，其核心是制定合理的生產(chǎn)物料供應(yīng)體系，減少資源浪費(fèi)、降低企業(yè)成本。本文根據(jù)造船企業(yè)特點(diǎn)，建立了易耗品的配送模式，具體流程如圖1。

1.提前匯總需求信息。利用造船企業(yè)ERP（Enterprise Resource Planning）系統(tǒng)建立信息共享平臺(tái)，物資部將易耗品申領(lǐng)通知下發(fā)至各作業(yè)車間，車間在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將包含易耗品種類、規(guī)格、數(shù)量、時(shí)間的需求信息發(fā)送至物資部。

2.快速核對(duì)庫(kù)存信息。物資部對(duì)各車間上報(bào)清單進(jìn)行庫(kù)存信息查詢，若倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有易耗品能夠滿足車間需要?jiǎng)t立即審批并將結(jié)果反饋至易耗品倉(cāng)庫(kù)，若現(xiàn)有庫(kù)存量不足則擬定采購(gòu)計(jì)劃，盡快補(bǔ)足庫(kù)存。

3.科學(xué)制定配送方案。易耗品倉(cāng)庫(kù)以車間為單位進(jìn)行材料分揀、配裝，結(jié)合生產(chǎn)車間坐標(biāo)位置和需求時(shí)間統(tǒng)籌規(guī)劃，設(shè)計(jì)配送路線，制定配送方案，開展統(tǒng)一配送。在這段時(shí)間需對(duì)進(jìn)廠物流進(jìn)行管理，合理安排廠區(qū)交通運(yùn)輸，必要時(shí)進(jìn)行道路管控。

與傳統(tǒng)的易耗品領(lǐng)用模式相比，易耗品配送模式主要具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少臨時(shí)預(yù)約、提高管理效率。易耗品倉(cāng)庫(kù)的職能由傳統(tǒng)的被動(dòng)供應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)配送。在指定區(qū)域范圍內(nèi)，由易耗品倉(cāng)庫(kù)對(duì)易耗品進(jìn)行分揀、配裝等作業(yè)，形成每個(gè)車間所需的易耗品材料包，分派配送車輛按時(shí)送達(dá)指定車間。

（2）簡(jiǎn)化交接手續(xù)、加強(qiáng)物資管理。傳統(tǒng)領(lǐng)料模式下貨物交接手續(xù)繁瑣且容易出錯(cuò)，推行配送模式后，造船企業(yè)可以將物資軟件與配送卸貨相結(jié)合，每個(gè)車間收貨人員使用電子儀器對(duì)送到的易耗品進(jìn)行掃碼收貨，相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳送到車間和物資部門。這樣既省去打卡、填單所耗費(fèi)的時(shí)間，又能為物資管理部門提供實(shí)時(shí)有效的記錄，方便對(duì)物資進(jìn)行管理。

（3）減少人員流動(dòng)，節(jié)約人工成本。配送模式下，生產(chǎn)車間不再需要安排工人前往倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)用易耗品，廠區(qū)人員流動(dòng)將大幅減少，取而代之的是配送車輛快速、高效運(yùn)輸。這樣既不會(huì)占用生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間，也可降低人工成本支出，為造船企業(yè)降本增效。

（二）配送成本控制分析

推行上述造船企業(yè)易耗品配送模式，充分發(fā)揮易耗品配送的優(yōu)勢(shì)，配送成本控制必不可少。易耗品配送涉及物資、倉(cāng)庫(kù)等多個(gè)部門，分析成本發(fā)生對(duì)象有助于成本控制的準(zhǔn)確性[9]。易耗品配送成本和傳統(tǒng)領(lǐng)用成本都主要發(fā)生在倉(cāng)庫(kù)分揀環(huán)節(jié)、配裝環(huán)節(jié)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，如表1所示。通過對(duì)比，易耗品車輛運(yùn)輸成本的控制效果對(duì)說明易耗品配送模式的經(jīng)濟(jì)性具有決定作用；而且，進(jìn)行易耗品統(tǒng)一配送后，車間操作工人前往倉(cāng)庫(kù)的次數(shù)大幅減少，有效降低了倉(cāng)庫(kù)工人分揀、配裝的頻率，從而直接降低倉(cāng)庫(kù)工人作業(yè)成本。因此，對(duì)車輛運(yùn)輸成本的控制是降低配送成本、發(fā)揮配送模式優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

二、基于車輛路徑優(yōu)化的易耗品配送成本控制模型

結(jié)合上述成本分析與現(xiàn)有研究成果，制定合理的車輛行駛路徑與配送方案能夠有效降低運(yùn)輸成本。因此，構(gòu)建考慮車間時(shí)間約束的車輛路徑優(yōu)化模型至關(guān)重要。

（一）時(shí)間窗

造船企業(yè)廠區(qū)占地面積大、車間分布廣，各個(gè)生產(chǎn)車間與易耗品倉(cāng)庫(kù)存在一定的距離。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，不同車間的制造水平存在差距，生產(chǎn)節(jié)拍的波動(dòng)導(dǎo)致易耗品需求時(shí)間不固定。所以，每個(gè)車間對(duì)配送車輛到達(dá)時(shí)間存在一定的要求，車輛早到會(huì)增加車輛等待的時(shí)間和易耗品存儲(chǔ)的成本，晚到則會(huì)影響后續(xù)配送任務(wù)的完成、造成車間停工待料。但是，由于車輛數(shù)量等因素的限制，這種情況難以避免。因此，合理地量化車輛在時(shí)間窗外到達(dá)所增加的成本是十分必要的。本文采用時(shí)間窗[eti，lti]來描述易耗品送達(dá)車間時(shí)間的不確定，構(gòu)建車間滿意度函數(shù)來表征易耗品到達(dá)時(shí)間對(duì)配送成本的影響。

式（1）中[eti，lti]表示車間可接受的時(shí)間區(qū)域，同時(shí)對(duì)于車輛在[eti，lti]之外的時(shí)間送達(dá)車間，滿意度為0。在車間可接受的時(shí)間范圍內(nèi)利用時(shí)間窗量化車間的滿意度，可以更加準(zhǔn)確地描述配送車輛到達(dá)情況。

（二）構(gòu)建模型

1.問題描述

本文研究的造船企業(yè)易耗品配送成本控制問題可以具體描述為：廠區(qū)設(shè)有多個(gè)易耗品倉(cāng)庫(kù)，可以安排足夠數(shù)量且不同型號(hào)的貨車對(duì)多個(gè)車間進(jìn)行配送，所有車間的位置、易耗品需求量和接收時(shí)間已知，車輛需在車間可接受的時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)，各條線路上車間的易耗品需求量之和不能超過車輛的裝載量，一個(gè)車間只能由一輛車進(jìn)行服務(wù)，要求在不低于車間滿意度的前提下合理安排配送車輛的行駛路徑，使配送車輛運(yùn)輸成本最低。

2.約束條件

配送啟動(dòng)時(shí)，車輛從易耗品倉(cāng)庫(kù)出發(fā)進(jìn)行配送，車輛重新回到倉(cāng)庫(kù)時(shí)一個(gè)配送循環(huán)結(jié)束；每個(gè)車間只能由一輛車服務(wù)；車間所需的易耗品總量不能超過配送車輛的容量；車間滿意度必須大于設(shè)定的閾值。

3.符號(hào)變量

式（3）表示以成本最小為目標(biāo)函數(shù)；式（4）表示保證每個(gè)車間離開和到達(dá)的車輛相同；式（5）表示每個(gè)車間只能由一輛車服務(wù)；式（6）表示車間所需的易耗品總量不超過車的容量；式（7）表示保證配送車輛到達(dá)的車間整體滿意度不低于70%。

三、模型求解

遺傳算法由美國(guó)學(xué)者Holland提出，是一種自適應(yīng)的隨機(jī)化搜索方法，具有良好的穩(wěn)定性、內(nèi)在的隱蔽性和全局尋優(yōu)能力，已被廣泛地應(yīng)用于自適應(yīng)控制、信號(hào)處理等領(lǐng)域[10]。遺傳算法以任意初始化種群為起點(diǎn)，利用隨機(jī)選擇機(jī)制，通過選擇、交叉和變異運(yùn)算讓優(yōu)秀個(gè)體進(jìn)入子代，通過迭代優(yōu)勝劣汰，使種群進(jìn)化為越來越優(yōu)的解直到收斂。

（一）染色體編碼

一般的車輛路徑問題只需使用一維編碼方式即可，但本文需考慮到配送任務(wù)中不同車輛的選擇，因此本文采用二位編碼方式。編碼矩陣Hm表示倉(cāng)庫(kù)編號(hào)，n表示車間編號(hào)，r代表了不同車型的配送車輛。

（二）種群初始化

初始化種群的個(gè)體由隨機(jī)方法產(chǎn)生，隨機(jī)生成個(gè)體集合，按照前述算法得到對(duì)應(yīng)的個(gè)體作為初始種群。

（三）適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)度函數(shù)用來評(píng)價(jià)個(gè)體優(yōu)劣程度，適應(yīng)度高的個(gè)體優(yōu)先遺傳到下一代種群中。對(duì)于車間易耗品配送問題，在滿足上述約束條件的基礎(chǔ)上，除了配送車輛運(yùn)輸成本以外，還需考慮車間滿意度。因此，適應(yīng)度函數(shù)與車輛運(yùn)輸成本和車間滿意度相關(guān)，對(duì)某個(gè)體i來說，其適應(yīng)度函數(shù)為gi=■，D為一個(gè)較大的非負(fù)整數(shù)，zi為目標(biāo)函數(shù)。

（四）選擇算子

本文進(jìn)行選擇操作時(shí)采用保留最佳個(gè)體和輪盤賭相結(jié)合的方式。將父代種群中的個(gè)體按適應(yīng)度值從大到小排列，選擇最優(yōu)的父代個(gè)體，直接復(fù)制到下一代種群；然后采用輪盤賭的方式生成剩余的個(gè)體。該方法不僅可以避免適應(yīng)度高個(gè)體的流失，提高其生存概率，延續(xù)種群的優(yōu)良性，而且又能使其他染色體可按生存競(jìng)爭(zhēng)的方法生成子代，從而提高收斂程度和計(jì)算效率。

（五）交叉算子

選擇操作后得到的新種群中，保留適應(yīng)度最大的前兩個(gè)個(gè)體，從第三個(gè)個(gè)體開始進(jìn)行配對(duì)交叉重組。本文采用最大保留交叉方法操作，目的是為保留優(yōu)良的基因組片斷，限制不可行解的出現(xiàn)，對(duì)部分匹配操作進(jìn)行改進(jìn)。

（六）變異算子

染色體的變異可以在一定程度上減少過早收斂的情況并增加種群的多樣性，本文隨機(jī)選擇個(gè)體染色體中2個(gè)基因，交換其位置進(jìn)行變異操作。

四、算例驗(yàn)證

A船廠是國(guó)內(nèi)一家中大型修造船企業(yè)，占地面積77萬平方米。筆者與企業(yè)物資倉(cāng)儲(chǔ)部門管理人員的交流后發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)存在重生產(chǎn)輕物流的現(xiàn)象，易耗品管理仍然沿用“工人自發(fā)領(lǐng)用”的傳統(tǒng)領(lǐng)用模式，尚未建立配送機(jī)制。據(jù)該企業(yè)的管理人員描述，在廠區(qū)內(nèi)每天發(fā)生近百人次的領(lǐng)用任務(wù)，特別是遇到生產(chǎn)任務(wù)繁重時(shí)，各車間工人突發(fā)領(lǐng)用增多，造成廠區(qū)內(nèi)部交通混亂，導(dǎo)致倉(cāng)庫(kù)備貨難度加大，直接影響車間持續(xù)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，僅易耗品領(lǐng)用工作就需要企業(yè)承擔(dān)高額的人工成本。因此，本文將上述易耗品配送的車輛路徑優(yōu)化模型應(yīng)用于該造船企業(yè)，通過計(jì)算和分析以驗(yàn)證有效性。

以該船廠為例，有6個(gè)易耗品倉(cāng)庫(kù)和15個(gè)作業(yè)車間（船體、機(jī)修、加工、冷作、輪機(jī)、塢修、舾裝、造船安裝等），用編號(hào)1—15表示車間，編號(hào)16—21表示倉(cāng)庫(kù)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文按照一定的比例尺在坐標(biāo)圖上標(biāo)示出倉(cāng)庫(kù)與各車間的坐標(biāo)位置，如表2所示。已知該廠有4種類型的貨車用于易耗品配送，每種車型車輛的速度、載重和單位行駛成本見表3。現(xiàn)要求在滿足車間時(shí)間約束條件的基礎(chǔ)上，合理安排車輛的行駛路徑，使成本最小。

本文采用Matlab2010a編程對(duì)模型求解，具體采用的遺傳參數(shù)有：種群規(guī)模為10，最大迭代次數(shù)為200，交叉概率0.9，變異概率0.1，運(yùn)算結(jié)果見圖2、圖3。

由上述運(yùn)算結(jié)果可知，配送車輛分別從16、18、20號(hào)倉(cāng)庫(kù)出發(fā)，形成3條行車路徑，具體配送方案見表4。通過合理規(guī)劃車輛行駛路徑和安排車型，易耗品配送的車輛運(yùn)輸費(fèi)用為1 547.5元，保證了車輛在車間允許的時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)，滿足了車間的時(shí)間要求，還使得車輛運(yùn)輸成本最小化。

為更加全面直觀地展示成本控制效果，根據(jù)A船廠提供相關(guān)數(shù)據(jù)，選取該企業(yè)某日實(shí)施易耗品領(lǐng)用和配送模式的成本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表5所示。不難發(fā)現(xiàn)，采用易耗品配送模式后，不僅總成本降低了約65%，倉(cāng)庫(kù)分揀和配裝環(huán)節(jié)也得到了優(yōu)化，成本進(jìn)一步降低；此外，易耗品統(tǒng)一配送滿足了車間的時(shí)間要求，有效節(jié)約了車輛運(yùn)輸時(shí)間。所以，造船企業(yè)采用易耗品配送模式不僅節(jié)約成本，還釋放了大量被占用的作業(yè)資源，使車間能夠提高生產(chǎn)效率，使車間工人專心生產(chǎn)。

五、結(jié)論

易耗品配送貫穿于造船企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)過程，配送成本控制對(duì)發(fā)揮配送優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)降本增效至關(guān)重要。本文在闡述造船企業(yè)建立易耗品配送模式的可行性和優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過分析配送成本的構(gòu)成，找出成本控制的關(guān)鍵因素，通過建立易耗品配送的車輛路徑優(yōu)化模型，對(duì)配送成本進(jìn)行了計(jì)算分析，并結(jié)合某船廠加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，該模式可以大幅降低人工成本支出，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，避免占用車間工人作業(yè)時(shí)間，減少生產(chǎn)過程中的停工待料現(xiàn)象，在實(shí)踐中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，可為易耗品之外的其他材料配送提供參考，同時(shí)也為造船企業(yè)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)提供有效的管理手段，幫助企業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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