物流系统工程

系统工程以复杂的大系统为研究对象,是在20世纪40年代美国贝尔电话公司首先提出和应用的。50年代在美国的一些大型工程项目和军事装备系统的开发中,又充分显示了它在解决复杂大型工程问题上的效用。随后在美国的导弹研制、阿波罗登月计划中得到了迅速发展。60年代我国在进行导弹研制的过程中也开始应用系统工程技术。到了七八十年代系统工程技术开始渗透到社会、经济、自然等各个领域,逐步分解为工程系统工程、企业系统工程、经济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、农业系统工程、人口系统工程等,成为研究复杂系统的一种行之有效的技术手段。

物流系统工程,是指在物流管理中,应用系统论和系统工程技术,从物流系统的整体利益出发,把物流与信息流融为一体的应用体系,是有关物流系统活动过程的理论、技术和方法及其应用的体系。

从广义上讲,物流系统工程是从物流系统的整体出发,将物流系统的各组成要素作为一个整体,运用数学基础理论、一般系统理论、耗散结构理论、协同学理论、系统动力学理论等相关理论进行物流系统的分析、设计、规划、优化、管理和控制,实现物流系统总体功能的技术应用体系。从中可以看出广义的物流系统工程设计物流系统的所有组成部分,包括各种硬件和软件方面的内容。

从狭义上讲,物流系统工程主要是指基于相关理论研究物流系统,以保障支持物流系统优化运行的技术应用体系。

1.物流系统工程的理论基础

在物流系统的研究分析中,应用和发展了应用数学、信息论、控制论以及大系统理论等学科成果。这些理论的进一步发展又为物流系统的发展打下坚实的基础。如运筹学的具体理论和方法研究寻求物流的最优方案;规划论解决物流系统中的物资运输、设施规划、计划优化等问题;库存论解决物流系统中的最优订货量、订货间隔等库存问题;排队论解决物流系统中的流程概率性问题,按随机过程的到达几率处理各种现象;决策论解决物流系统中多目标、多方案决策问题;控制论解决物流系统中技术装备与管理的控制问题;信息论物流系统中的规划、组织、控制、管理,达到信息的共同沟通与传输;大系统理论解决物流系统中的整体与部分、整体与环境之间的相互关系,使物流系统各个环节都处于最优状态。

一般认为,物流系统工程的理论基础至少包含以下几个方面。

(1)数学基础理论

人类所有的活动不是完全独立的,它们以复杂的方式相互作用、活动,所有活动的目的都是为了认识世界,在这一过程中数学的作用是巨大的,以至于柯尔认为“数学是一种能澄清混淆的思考方式,它是一种语言,能让我们把世界上混杂的局面翻译成可以去管理的方式”。数学概念的形成,是人们对客观世界认识科学性的具体体现。数学概念的抽象、归纳,实际上为建立模型奠定了基础。数学起源于人类各式各样的实践活动,又从这些活动中抽象出许多一般的但又不是任意的、有确切内容和明确含意的概念,然后将这些概念应用到现实世界中去,把问题化归为一种形式结构,这就是我们讲的模型结构。模型是数学思想活的灵魂,千姿百态的模型反映了一个精彩纷呈的世界。

数学基础理论不仅仅是解决问题的手段,如贯穿本书用以构建各类物流系统模型的各种数学方法和技术,更重要的是一种数学思维,或者说数学思想。

所谓数学思想,是指现实世界的空间形式和数量关系反映到人们的意识之中,经过思维活动而产生的结果。数学思想是对数学事实与理论经过概括后产生的本质认识;基本数学思想则是体现或应该体现于基础数学中的具有奠基性、总结性和最广泛的数学思想,它们含有传统数学思想的精华和现代数学思想的基本特征,并且是历史地发展着的。数学中渗透着基本数学思想,它们是基础知识的灵魂,如果能使它们落实到我们学习和应用数学的思维活动上,就能在发展我们的数学能力方面发挥出一种方法论的功能,这对于学习数学、发展能力并开发智力都是至关重要的。

对于物流系统而言,总是处于社会经济生活之中,认识物流系统,“把物流系统混杂的局面翻译成可以去管理的方式”就需要我们不仅能使用各种数学理论基础知识,更要能用数学思想看待物流系统。

(2)一般系统理论

一般系统理论(General System Theory)是研究系统中整体和部分、结构和功能、系统和环境等之间的相互联系、相互作用的问题。一般系统论这一术语有更广泛的内容,包括极广泛的研究领域,其中有三个主要的方面:①关于系统的科学,又称数学系统论。这是用精确的数学语言来描述系统,研究适用于一切系统的根本学说。②系统技术,又称系统工程。这是用系统思想和系统方法来研究工程系统、生命系统、经济系统和社会系统等复杂系统。③系统哲学。它研究一般系统论的科学方法论的性质,并把它上升到哲学方法论的地位。

正如前面介绍的物流系统是由运输、储存、包装、装卸、搬运、配送、流通加工、信息处理等子系统组成的复杂的大系统,因此在对物流系统进行研究时,一般系统论是不可或缺的基本理论基础。

(3)耗散结构理论

耗散结构理论(Dissipative Structure Theory)是非平衡态热力学和统计物理学中的一种学说。耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津1969年在一次理论物理与生物学国际会议上,针对非平衡统计物理学的发展而提出的。这一理论指出,一个远离平衡的开放系统(力学的、物理的、化学的、生物学的乃至社会的、经济的系统),通过不断地与外界交换物质和能量,在外界条件的变化达到一定程度、系统某个参量变化达到一定临界值时,通过涨落,有可能发生突变,即可能从原来的混沌无序的状态,转变到一种在时间上、空间上或功能上的有序状态,这种在远离平衡的非线性区形成的新的有序结构,普利高津把它命名为“耗散结构”。

普利高津指出,一个系统由混沌向有序转化形成耗散结构,至少需要四个条件:

①系统必须是开放系统;

②系统必须远离平衡态;

③系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用;

④涨落导致有序。

在耗散结构的构成第三个条件中,普利高津明确提出了系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用,即通过非线性和相互作用使各个因素(子系统)之间产生协同作用和相干效应才能使系统由无序变为有序。耗散结构理论实际是控制论的理论的推广,控制论解决了控制系统保持稳态的条件,而耗散结构理论解决了系统从无序到有序时形成稳定的条件,耗散结构理论把系统由封闭的控制论系统推广到一般的开放系统。

物流系统作为一个非平衡的开放系统,系统内部各元素的联系是非线性的,存在有规律的波动和无规律的随机扰动,也是一个耗散结构。它的整体化、多因素、多过程的相互作用是非加法性的,要采用耗散结构理论进行分析研究。耗散结构理论是物流系统的重要基础理论之一。

(4)协同学理论

协同学理论是以耗散结构理论为基础的,即它也是在远离平衡态的开放系统条件下提出的,它强调在复杂的大系统内,各子系统的协同行为产生出超越各要素自身的单独作用,从而形成整个系统的统一作用和联合作用。用一句话概括就是“1+1kengdiegt;2”。协同学理论是研究和比较不同领域中多元素间协调合作效应的理论,揭示出不同系统间存在的深刻的相似的特征。如从无序走向有序,从不稳定走向相对稳定、平衡等。

物流系统中采用协同学理论研究不同子系统间的相互关系、相互影响,尤其是在经济体制改革和政府机构改革背景下,对我国总体物流规划和运作更有特殊的意义。

(5)系统动力学理论

1956年,美国麻省理工学院(MIT)教授福瑞斯特(J.W.Forrester)创建了系统动力学(System Dynamics,SD)。系统动力学是一门分析研究系统中信息反馈的学科,也是认识系统问题和解决系统问题的交叉综合学科。如果从系统方法论来说,系统动力学是结构的方法、功能的方法、历史的方法三种方法的统一体。它基于系统论之上,综合了控制论和信息论的部分内容,成为集自然科学和社会科学的横向学科。

系统动力学的问题有如下基本概念。

1)反馈

系统内同一单元或同一子块,其输出与输入间的相互关系称为反馈,也就是信息的传出与回收。反馈系统就包含有反馈环节与其作用的系统,也称之为闭环系统,它可以分成正反馈系统和负反馈系统。

2)系统结构

结构是指单元的秩序。它包括了组成系统的各单元和各单元间的作用与关系。系统结构就是系统构成的特征。

3)水平变量和速率变量

在系统的反馈回路中由两种性质不同的变量组成,即水平变量或积累变量和速率变量组成。前者描述了系统在特定时刻的状态,对系统控制作用的结果进行积累;后者则表示了水平变量变化的快慢。

系统动力学理论是在总结运筹学理论的基础上,为适应现代社会系统管理需要而发展的。在基本观点上不进行抽象的数学假想,不单纯追求最优解,而是以现实存在为前提,寻求改善系统行为的机会和途径;在基本技巧上,不是依据数学逻辑的推理而获得借鉴,而是依据对系统实际观测的数据,建立动态仿真模型,通过计算机模拟实验获得系统行为的描述,达到改进和完善系统的目的。物流系统中常采用系统动力学理论研究分析系统与子系统以及不同子系统间的发展变化趋势、相互关系和相互影响。

2.物流系统工程的内容和范围

(1)物流系统的规划与设计

对于社会物流系统,其规划设计是指在一定区域范围内(国际或国内)物资流通设施的布点网络问题。例如,长三角经济圈、环渤海经济圈和珠三角经济圈集装箱运输枢纽规划;专项物流系统规划,针对特定运作对象进行跨区域的物流系统规划设计,例如石油输送的中间油库、炼油厂、管线布点等的最优方案;供应链物流远距离大规模生产协作网的各工厂厂区、商业配送中心、区域物流中心选择等。

不同层次物流系统规划设计的内容都有所不同,而对于企业物流系统,其规划设计的核心内容是工厂、车间内部的设计与平面布置、设备的布局,以求物流路线系统的合理化。它通过改变和调整平面布置调整物流,达到提高整个生产系统经济效益的目的。

(2)物流设施设计

物流设施设计属于设施设计范畴。物流设施设计是物流工程学的重要内容之一,近些年来发展很快,已经形成了一个重要的独立学科研究方向和技术体系。

设施设计起源于工厂设计,应用于工厂等工业部门,故也可称为工业设施设计,它是生产系统设计的重要组成部分,是根据其系统(如工厂、商店等)应完成的功能(提供产品或服务),对其各项设施(如设备、土地、建筑物、公用工程)以及人员、投资等进行系统的规划和设计。设施设计主要包括布置设计、物料搬运系统设计、建筑设计、公用工程设计和信息通信系统设计。不同层次物流系统设计往往也涉及这些内容,因此,结合物流需要进行物流设施设计,也是物流工程学研究的主要内容。

①布置设计是对物流系统建筑物、机器、设备、运输通道、场地,按照物流、人流、信息流的合理需要,进行有机组合和合理配置。

②物料搬运系统设计是对物料搬运的路线、运量、搬运方法和设备、储存场地等作出合理安排。

③建筑设计是根据物流作业对建筑物和构筑物的功能和空间的需要,满足安全、经济、适用、美观的要求,进行建筑和结构设计。

④公用工程设计是物流系统对热力、煤气、电力、照明、给水、排水、采暖、通风、空调等公用设施进行系统、协调的设计。

⑤信息通信设计是供应链物流管理对信息通信的传输系统进行的全面设计。

从物流工程学的角度来看,前两项内容是研究的重点内容。可以说物流系统分析中物流设计的内容与设施设计中的布置问题等是基本相同的,但两者又有不同之处。设施设计中的土建、公用工程和信息通信等,物流系统分析涉及得较少,而物流系统中的控制、管理等问题,在设施设计中又不是重点内容,所以两者相互交融,又各有特色。

(3)运输(或搬运)与仓储的控制和管理

在给定的物流布点设备布置条件下,根据物流运输、搬运和储存的要求(往往是工艺要求),使用管理手段来控制物流,使生产系统以最低的成本、最快捷的速度、完好无缺的流动过程,达到规划设计中提出的效益目标,一般包括以下几方面的研究内容:①物流节点选址,站场布局规划;②生产批量最佳化的研究;③工位储备与仓库储存的研究和在制品的管理;④搬运车辆的计划与组织方法;⑤仓库设计、仓库布局设计;⑥信息流的组织方法,信息流对物流的作用等。

(4)运输与搬运设备、容器与包装的设计和管理

通过改进搬运设备、改进流动器具来提高物流效益、产品质量等。如社会物流中的集装箱、罐、散料包装,搬运设备的选择与管理等。一般主要包括如下内容:①仓库及仓库搬运设备的研究;②各种搬运车辆和设备的研究;③流动和搬运器具的研究。

3.物流系统工程的基本方法

(1)模型化技术

模型化就是通过说明物流系统结构和行为的数学方程、图像或物理形式表达物流系统实体的一种科学方法。采用模型化技术,经过恰当的抽象、加工、逻辑整理,能够把复杂的物流系统变成可以准确分析和处理的结构形式,有利于得到准确的结论,是物流系统研究、设计、管理中广泛应用的技术,也是其他研究方法的基础。模型可分为形象模型和数学模型两大类。建立模型是系统设计的关键。物流系统工程中常用到下列数学模型:

1)物流预测模型

借助预测模型,可以为我们物流系统运作过程中出现的各种计划和决策提供可靠的依据,是我们进行物流系统科学管理的重要环节,也便于我们调整物流系统要素,更好地发挥物流系统第三利润源泉的作用。

2)物流节点选址模型

选址决策就是确定所要分配的设施的数量、位置以及分配方案。就单个企业而言,物流节点的位置决定了整个物流系统及其他层次的结构;反过来,物流系统的其他层次(库存控制、物资调运、车辆调度、线路规划等)的规划又会影响选址决策。因此,选址与库存、运输成本之间存在着密切联系。

3)库存模型

从库存模型来看大体上可分为两类:一类叫做确定型模型,即模型中的数据,如需求量与提前期,皆为确定的数值;另一类叫做随机型模型,即模型中含有随机变量,而不是确定数值。不管是哪一类模型,我们主要目的是借助库存模型来优化库存控制,制定合理科学的库存策略。

4)运输模型

运输模型主要描述物流决策中最优的运输工具选择(包括运输方式选择、承运人选择以及物流配载中最佳车辆的选择等)、物流运输计划编制(包括物流节点服务范围、物资调运等)、物流配送计划编制(包括车辆线路问题、车辆调度问题等)。

5)投入产出模型

投入产出模型是由美国经济学家列昂节夫(Wassily Leontief)于1936年创建的,并于1973年获得诺贝尔经济学奖。在对某地区作经济分析时,先把该地区分为若干个部门。投入——各个经济部门在进行经济活动时的消耗,如原材料、设备、能源等。产出——各经济部门在进行经济活动时的成果,如产品。投入产出模型——反映国民经济系统内各部门之间的投入与产出的依存关系的数学模型。投入产出模型由平衡表与平衡方程构成,分为价值型和实物型。

(2)最优化的理论和方法

为了使系统达到最优的目标所提出的各种求解方法,称为最优化方法。在经济管理学上就是在一定人力、物力和财力资源条件下,使经济效益(如产值、利润等)达到最大,并使投入的人力和物力达到最小的系统科学方法。常用的优化方法有线性规划法、非线性规划法、动态规划法、极大值法等。最优化方法是在第二次世界大战前后,在军事领域中对导弹、雷达控制的研究中逐渐发展起来的。它对促进运筹学、管理科学、控制论和系统工程等新兴学科的发展起到了重要的作用。最优化方法解决问题一般可以分为以下几个步骤:①提出需要进行最优化的问题,开始收集有关资料和数据;②建立求解最优化问题的有关数学模型,确定变量,列出目标函数和有关约束条件;③分析模型,选择合适的最优化方法;④求解方程,一般通过编制程序在电子计算机上求得最优解;⑤最优解的验证和实施。

通过上述五个相互独立和互相渗透的步骤,最终求得系统的最优解。我国数学家华罗庚在生产企业中推广最优化方法时采用“优选法”一说,推广优选法的目的是帮助工厂合理安排试验,以较少的试验次数找到合理的配方、下料和工艺条件。

物流系统中的参数大部分属于不可控因素,而且相互制约、互为条件,如何使物流系统在外界环境约束条件下,正确处理众多因素之间的关系,不采用系统最优化技术是难以得到满意结果的。最优化方法很多,一般采用数学模型方法处理问题,如库存优化策略、最短路径问题、最大流量问题、最小费用问题等。从物流系统工程的定义我们也可以看出最优化的观念贯穿于物流系统工程的始终,是物流系统工程的指导思想和力争的目标。

(3)网络技术

现代物流过程涉及方方面面,影响因素多且随机,参与单位和人员成千上万。采用网络技术可以进行统筹安排、合理规划,使生产—流通—消费之间物流平衡。对于关系复杂、多目标的物流系统研究,网络技术也是重要的基础理论。另外,网络技术与模拟技术相结合形成的网络模拟方法也广泛应用在复杂物流系统的设计与研究中。

(4)分解协调技术

物流系统是包含多个子系统的复杂大系统。在分析研究时,采用分解协调技术先将复杂的物流大系统分解为若干相对简单的子系统,先实现各个子系统的局部优化,再根据物流大系统的整体利益原则、总任务、总目标,使各个子系统相互协调与配合,以得到费用低、效率高、服务好的最优目标,实现大系统的全局优化。除了各子系统间要协调外,还要考虑如何处理好物流系统与外部环境的协调、适应,从更高的层次上把握系统的整体利益。

(5)模拟技术

物流系统一般比较复杂,有时难以用数学分析的方法研究其运行状态。因此,采用计算机模拟技术可以解决常规解析方法难以解决的问题。例如,物流费用问题很难用数学分析的方法研究。即使能构造数学模型,但由于涉及面广,且各种因素随着时间的推移而变化,要找出最优解是不易的,而采用计算机模拟技术解决这个问题就比较方便。