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基于WITNESS的企业库存策略研究
摘 要

库存，既是企业生产和服务系统合理存在的基础，又为合理组织生产和服务过程所必须。比较低的库存成本，保证较高的供货率，不仅在理论上是成立的，在实践方面也是完全可以达到的。本文主要通过介绍库存和WITNESS仿真软件的基本知识，并通过应用WITNESS仿真软件模拟实际企业库存变化情况，建立仿真模型，通过对9个方案的运行，得出运行各个方案的运行结果，并根据库存成本最小的原则，确定企业的采购点与采购量，实现最优的库存策略。

关键词：库存，WITNESS仿真软件，库存策略

目 录

1 库存概述 1
1.1 库存 1
1.2 库存的作用 1
1.3 库存控制的作用 1
1.4 库存问题 1
1.4.1 库存问题的分类 1
1.4.2 库存问题的基本模型 1
1.5 库存的类型 1
2 WITNESS仿真软件 2
2.1 Witness功能简介 2
2.2 Witness主要特点 3
2.3 Witness的元素 3
2.4 Witnessd的模型建立 4
2.5 WITNESS仿真技术能解决的问题 4
2.5.1 在物流业中，WITNESS仿真技术能解决的问题 4
2.5.2 在生产制造业中应用WITNESS仿真技术所能解决的问题 4
2.5.3 运用这个系统，为您解决的问题 5
3 WITNESS仿真在企业库存决策中的应用 5
3.1 仿真模型的初始资料 5
3.2 元素定义（Define） 6
3.3 各个元素细节（Detail）设计 9
3.4 模型运行和数据分析 12
4 WITNESS在企业库存决策中的应用总结分析 14
设计体会及今后的改进意见 15
参考文献 16

1 库存概述
1.1 库存
对国家物资主管部门下属的物资经营者来说，库存主要包括大宗按计划进货供应的物资、年度计划尚未安排具体用户和用途的待分配物资、发挥“蓄水池”作用必须购进的物资和正常供应所需周转库存等。上述库存都占用企业的流动资金，如果库存量过大，流动资金占用量过多，就会影响企、事业单位的经济效益；库存量过小，又难以保证生产持续正常进行。因此，库存量的多少必须掌握适度定额和合理库存周转量。
物流管理中这样定义“库存”：指一切目前闲置的，用于未来的，有经济价值的资源。其作用在于：防止生产中断，稳定作用，节省订货费用，改善服务质量，防止短缺。 库存也带有一定弊端：占用大量资金，产生一定的库存成本，掩盖了企业生产经营中存在的问题。
1.2 库存的作用
（1）防止缺货、提高服务水平
（2）节省开支、降低成本
（3）保证生产、销售过程顺利进行
（4）提高生产均衡性、调节季节性需求
1.3 库存控制的作用
（1）在保证企业生产、经营需求的前提下，使库存量经常保持在合理的水平上；
（2）掌握库存量动态，适时、适量提出订货，避免超储或缺货；
（3）减少库存空间占用，降低库存总费用；控制库存资金占用，加速资金周转。
1.4 库存问题
1.4.1 库存问题的分类
（1）单周期库存与多周期库存
（2）独立需求库存与相关需求库存
1.4.2 库存问题的基本模型
（1）经济订货批量模型
（2）经济生产批量模型
（3）经济批量模型
（4）价格折扣模型
（5）随机库存
1.5 库存的类型
库存是一项代价很高的投资，无论是对生产企业还是物流企业，正确认识和建立一个有效的库存管理计划都是很有必要的。由于生成的原因不同，可以将库存分为以下六种类型：周期库存、在途库存、安全库存（或缓冲库存）、投资库存、季节性的库存、闲置库存。
（1）周期库存：补货过程中产生的库存，周期库存用来满足确定条件下的需求，其生成的前提是企业能够正确地预测需求和补货时间。
（2）在途库存：从一个地方到另一个地方处于运输路线中的物品。在没有到达目的地之前，可以将在途库存看做是周期库存的一部分。需要注意的是，在进行库存持有成本的计算时，应将在途库存看作是运输出发地的库存。因为在途的物品还不能使用、销售或随时发货。
（3）安全库存（或缓冲库存）：由于生产需求存在着不确定性，企业需要持有周期库存以外的安全库存或缓冲库存。持有这个观点的人普遍认为企业的平均库存水平应等于订货批量的一半加上安全库存。
（4）投资库存：持有投资库存不是为了满足目前的需求，而是出于其他原因，如由于价格上涨、物料短缺或是为了预防罢工等囤积的库存。 季节性的库存－－季节性的库存是投资库存的一种形式，指的是生产季节开始之前累积的库存，目的在于保证稳定的劳动力和稳定的生产运转。
（5）闲置库存：指在某些具体的时间内不存在需求的库存。
2 WITNESS仿真软件
WITNESS仿真软件是英国Lanner Group公司的著名商标，也是当今世界上可视化交互型仿真软件中的佼佼者，主要是针对离散事件系统。
其功能包括投资项目评估、现有设备改进、参数变化管理等。
其使用简单，模型可分阶段建立，而且在模型运行时可随时改变。
它的应用范围非常广泛，如汽车工业、化学工业、电子、航空、工程、食物、造纸、银行及金融、政府和交通等。
2.1 Witness功能简介
Witness提供了大量的描述工业系统的模型元素，如生产线上的加工中心，传送设备、缓冲存贮装置等，以及逻辑控制元素，如流程的倒班机制，事件发生的时间序列，统计分布等，用户可方便的使用这些模型元素建立起工业系统的运行的逻辑描述。通过其内置的仿真引擎，可快速的进行模型的运行仿真，展示流程的运行规律。进一步，在整个建模与仿真过程中，用户可根据不通阶段的仿真结果，随时的修改系统模型，如添加和删除必要的模型元素，动态的提高模型的精度。可方便的设计与测试新设计的工厂和流程方案，平衡服务与花费，简化换班模式，评测可选的设计方案。
WITNESS的主要功能有：
（1）工业（商业）系统流程的动态建模与运行仿真。
（2）流程的仿真动态演示。Witness 提供了直观的流程运行的动态的动画展示，使用户清楚和直观地了解系统的运行过程，通过其Fastbuild功能，可快速生成系统模型元素的三维立体表示，可展示系统模型在三维空间的运行效果。
（3）流程环节的灵敏度分析。Witness内置强大的仿真引擎，及模型元素运行状态的多种表示方法，如饼图，柱图等，可使用户实时的看到系统模型各个部分的运行状态，如忙闲等，清楚地展示出流程中的拥堵环节，找出问题所在，为系统的优化设计提供重要的依据。
（4）方便的图形界面操作功能，如多窗口显示，‘Drag & drop’ 便捷的拖拉建模方法，多种仿真结果的报表及图示。
（5）强大的建模功能模组，层次建模策略，可定制的模型组件库。Witness提供的系统建模元素主要有：属性元素（Attributes），缓冲与库存元素(Buffer)，运送设备元素(Carrier),传送设备元素（Conveyors）,描述时间发生规律的统计分布元素（Distributors）等三十多个。进一步，Witness还允许用户定制自己领域独特的建模元素。
（6）Witness是采用面向对象的建模机制，为了是用户更方便和细致的建立和描述自己的系统模型和模型的行为，提供了丰富的模型运行规则和属性描述函数库。Witness提供了一千多个描述模型运行规则和属性描述函数，其中包括系统公用的函数，与建模元素行为有关的规则与属性函数，与仿真时间触发特性相关的函数等。考虑到用户领域问题的独特性，Witness还专门提供了用户自定义函数的描述功能，使得用户可方便的定制自己的系统。
（7）由于用户的流程数据往往存储在数据库或其他文件系统中，为了能方便的引用这些数据，Witness,提供了与其他系统相集成的功能，如直接读写excel表，与ODBC数据库驱动相连接，输入描述建模元素外观特征的多种CAD图形格式文件如： jpg, gif, wmf, dxf, bmp等。
（8）与FactoryCAD系统的集成。在FcatoryCAD中以SDX（Simulation Data eXchange）的文件格式输出系统工艺流程的属性数据，如加工中心的加工循环时间，物料搬运设备的使用效率经济性指标等。WITNESS 的SDX功能可使用户从FactoryCAD系统里输出的信息的转化为Witness仿真模型。包括在Witness里自动建立布局图表，使用这些数据建立Witness 路径选择，选项包括部件类型图标的设置，机床类型和传送带表示和改变颜色、缩放比例、改变位置和许多其它的等，这个重要的预设置也允许一套自动报告选项位置被定义。因此，从SDX文件，一个完整的工作模型被建立。
2.2 Witness主要特点
WITNESS仿真软件主要的特点有：
（1）交互式面向对象的建模环境
（2）实时的彩色动画演示
（3）直观灵活的报告输出
（4）建模、仿真运行可交叉进行
（5）丰富的模型元素：物理元素、逻辑元素
（6）友好的交互界面
2.3 Witness的元素
WITNESS仿真软件有四种元素：
（1）离散元素：工件（parts)、缓冲站(buffers)、机器(machines)、运输机(conveyors)、汽车(vehicles)、道路(tracks)、操作者(labor)
（2）连续元素：流体（fluids)、液箱（tanks)、处理器(processors)、管道(pipes)
（3）逻辑元素：属性（attributes)、变量(variables)、分布(distributions)、文件(files)、函数(functions)、工制(shifts)
（4）图形输出元素：时间序列（time series)、直方图(histograms)、饼图(pie charts)
2.4 Witnessd的模型建立
WITNESS仿真软件模型的建立。
元素的建立、定义与连接：
工件(part)：取名、图形、文本显示，（满足一定分布函数形式）主动进入、被动进入，条件进入模型。可带有一定的属性（颜色、重量），去向。
缓冲站（buffers)：工件进入存放位置（前、后、表达式、属性）。存放时间。工件出去。
机器：取、加工、送。单个与批量，多输入与多输出。可设故障分布、修理时间、加工方式。
运输机：起点、时间、终点。工件的间隔、数量，可设故障分布、修理时间。
汽车：速度（可设起、制动）、容量。工班。
道路：与汽车共同运用。可设装、卸货点、停车点、车道。
操作者：属性、熟练程度、工班、规则。
2.5 WITNESS仿真技术能解决的问题
2.5.1 在物流业中，WITNESS仿真技术能解决的问题
在物流业中，WITNESS仿真技术能解决的问题有：
（1）随着企业规模的扩大，需要扩大或新建配送中心，但不知需要扩大多大面积？怎样才能合理地配置新建配送中心的设备和人员？已经有两套以上的方案，但不知怎样选择出最佳？
（2）作为一个物流企业或物流部门，为了提高效率和工作质量，想引进一台或数台高性能设备，但不知引进何种设备？多大性能的设备？以及引进设备后的场地规划和人员怎样配置才能合理？
（3）作为一个物流设备厂家，在投标时，不知道有何方法能让客户事先从数据上和视觉上感受到引进自家设备后给客户带来的利益。
（4）作业流程不流畅，设备有闲余，作业计划不合理，空间利用率低等等，定性的认识已有了，但不知如何才能进行定量分析？如何在定量分析的基础上进行改进、评估？
（5）不知作业方式选择的定量标准？(例如：按品种集中拣货还是按送货单位拣货？如果是复合型作业方式，它们各自比率应该是多少？等等)
（6）生产规模增加时，现有场地，设备，人员是否能应付？怎样才能应付？
（7）想知道拣货仓库的库存和补充仓库的库存的比例关系，但苦于没有一种好的计算方法。
2.5.2 在生产制造业中应用WITNESS仿真技术所能解决的问题
在生产制造业中应用WITNESS仿真技术所能解决的问题：
（1）场地规划、布局问题
当您的工厂需要扩大或新建车间时，那么需要扩大多大面积？
如何合理地配置新建车间的设备和人员？已经有两套以上的方案、但不知怎样才能比较这些方案？
当您的工厂生产规模增加时，那么现有场地，设备，人员是否能应付？如果不能，那么怎样才能应付？
（2)引进新设备时的事先评价问题
当您的工厂需要引进大型或高价设备时，那么引进何种设备？多大性能的设备？引进设备后的场地规划和人员怎样配置才能合理？引进设备后瓶颈口能否解消？其它地方是否全成为新的瓶颈口？
（3)作业工程计划，生产效率的改善问题
作业流程不流畅，设备有闲余，作业计划不合理，空间利用率低等等，定性的认识己有了，那么如何才能进行定量分析？如何在定量分析的基础上进行改进、评估？特定的设备发生故障时，那么是等其修理完毕，还是分配到其它流水线？加急订单较多时，怎样制定生产计划？
（4)时序安排，资源分配和操作过程监视（实时仿真系统的应用）
现在有很多企业已经导入了ERP系统，仓库管理系统，或实时数据管理系统，而我们的仿真系统可以与这些外界系统相连接。在ERP系统，仓库管理系统，或实时数据管理系统中设置若干个数据采集点，这些数据实时地提供给我们的仿真系统。
2.5.3 运用这个系统，为您解决的问题
运用这个系统，为您解决以下问题：
（1）对顾客需求迅速做出反应，解决加急生产等问题，弥补系统里的不确定性和起伏性。
（2）对整个生产过程（或生产进程）起到一个监测作用。
（3）运用模型来解决人、机器以及其他资源的时序分配问题。工厂车间或配送中心每天、甚至每时的所需人员、设备的问题都可以通过运用实时仿真系统得以解决。
3 WITNESS仿真在企业库存决策中的应用
下面主要介绍一个单品种随机库存系统，在保持库存系统连续工作的条件下，来仿真一段时间的工作，从众多库存方案中选出最优方案。
3.1 仿真模型的初始资料
成品需求时间为均值0.1个月的指数的随机变量。需求量也是随机变量，尤其概率质量函数为：

订货策略：
按月订货，每月月初检查库存水平，若库存水平I超过下线L不订货，若低于下限则订货，订货量Z为：

若订货，从订货到货物入库的时间是1个月。
考虑如下几种费用：
（1）订货费（C1）
设每件订货费用为m=3，订货附加费用为K32,则每月订货费为：

(2)保管费（C2）
用h=1表示每件货物每月的保管费，显然，只有当库存水平I(t)>0时才需要计算保管费为：

（3）缺货损失费（C3）
用p=5表示每件缺货损失费，显然，只有当I(t)<0时才需计算，平均每月缺货损失费为：

现需要比较如下5种订货策略，如表3-1所示，以便确定何种策略费用最少：
表3-1 订货策略
策略
I
II
III
IV
V
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
下限（L）
20
20
20
20
40
40
40
60
60
上限（S）
40
60
80
100
60
80
100
80
100
3.2 元素定义（Define）
本系统的元素定义如表3-2所示：
表3-2 元素定义
元素名称
类型
数量
说明
P
Part
1
产品
Kucun
Part
1
费用统计
Kucun1
Buffer
1
库存系统
Xuqiu
Machine
1
顾客
Load1
Track
1
货物装运
Unload1
Track
1
货物卸载
Car
Vehicle
1
货物运输车辆
C1
Variable(Type:Real)
1
订货费用统计
C2
Variable(Type:Real)
1
保管费用统计
C3
Variable(Type:Real)
1
缺货损失统计
C
Variable(Type:Real)
1
总费用统计
Ra
Distribution
1
随机数生成器
Kucunliang
Timeseries
1
库存量显示
（1）Part元素可视化的设置
在元素选择窗口P元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框（图3-1），设置它的Text（图3-2）、Style（图3-3）。

图3-3 Display对话框

图3-2 Display Text 对话框 图3-3 Display Style 对话框
（2）Buffer元素可视化的设置
在元素选择窗口Kucun1元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Text、Icon、计数形式的Part Queue（图3-4）。

图3-4 Display Part Queue对话框 图3-5 Display-Path对话框
（3）Machine元素可视化的设置
在元素选择窗口Xuqiu元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Text、Icon（机器图标）、Icon（可随状态改变颜色的图标）。
（4）Track元素可视化的设置
在元素选择窗口Load1元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的path(图3-5)。

图3-6 Display-Style对话框图 3-7 Display Timeseries对话框
（5）Vehicle元素可视化的设置
在元素选择窗口Car元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Style(图3-6)。
（6）Timeseries元素可视化的设置
在元素选择窗口Kuncunliang元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Text、Timeseries(图3-7)。
（7）表格可视化的设置
在系统选择窗口选择BACKDROP（图3-8），鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Rectangle（图3-9）。

图3-8 选择BACKDROP 图3-9 Display Rectangle对话框
三条横向Line（图3-10）和一条纵向Line，这样形成一个四行两列的表格，设置Text“订货费用C1”放在第一行第一列，Text“保管费用C2”放在第二行第一列，Text“缺货损失C3”放在第三行第一列，Text“总费用C”放在第四行第一列。

图3-10 Display Line对话框 图3-11 Display Value对话框
（8）Variable元素可视化的设置
在元素选择窗口选择C1元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Value(图3-11)放在表格第一行第二列。
在元素选择窗口选择C2元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Value放在表格第二行第二列。
在元素选择窗口选择C3元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Value放在表格第三行第二列。
在元素选择窗口选择C元素，鼠标右键点击Display，跳出Display对话框，设置它的Value放在表格第二行第四列。
3.3 各个元素细节（Detail）设计
（1）对Part元素Kuncun细节设计
Type：ActiveX
Input to Model .Inter Arrival: 0.01
Lot Size:1
Input to Model.To…：PUSH to SHIP
Actions on Create:
IF NPARTS(Kucun1)>100
C2=(NPARTS(Kucun1)-100)*0.01+C2
C=(NPARTS(Kucun1)-100)*0.01+C
Else
C3=C3+0.05*(100-NPARTS(Kucun1))
C=C+0.05*(100-NPARTS(Kucun1))
ENDIF
（2）对Buffer元素Kucun1细节设计
Capacity:200
Input. actions on Input:
C1=C1+3
C=C+3
（3）对Machine元素Xuqiu细节设计
Type：Assembly
Input . Quantity: Ra(1)
Input . From: PULL from Kucun1
Duration. Cycle Time : NEGEXP(0.1,1)
Output. To…：PUSH to SHIP
（4）对Track元素Load1细节设计
Duration. Physical Length: 1.0
Front. Actions on Front … :
C1=C1+32
C=C+32
Front. Output To … :PUSH to Unload1
在Loading页面（图3-12）里的定义。
在Loading Enabled 前面的方格内打钩。
Transfer Modern：If
Condition：NPARTS （Kucun1）<120 !L=20
Quantity to: 140- NPARTS （Kucun1） !s=40
Input loading rule …:PULL from P out of WORLD
Time to Load: 0.0

图3-12 Detail Track对话框Loading页面图 3-13 Detail Track对话框UnLoading页面图
（5）对Track元素UnLoad1细节设计
Duration. Physical Length: 1.0
Front. Output To … : PUSH to Load1
在UnLoading页面（图3-13）里的定义。
在UnLoading Enabled 前面的方格内打钩。
在 Loading页面（图3-12）里的定义。
在Loading Enabled 前面的方格内打钩。
Transfer Modern：Always
Quantity to: ALL
Input loading rule …: PUSH to kucun1
Time to Load: 0.0
（6）对Vehicle元素Car细节设计
Capacity: 200
Entry To … : PUSH to Load1
In Motion. Speed.Unloaded:2.0
In Motion. Speed.loaded:2.0
Detail Vehicle对话框如3-14所示。

图3-14 Detail Vehicle对话框 图3-15 Detail Distribution对话框
（7）对Distribution元素Ra细节设计
Value:1,Weight : 1, 然后点击Add
Value:1,Weight : 2, 然后点击Add
Value:3,Weight : 2, 然后点击Add
Value:4,Weight : 1, 然后点击Add
Detail Distribution对话框如3-15所示。
（8）对Timeseries元素kucunliang细节设计
Recording: 0.5
在Plot expressions下第一个plot中将“Undefined”改为NPARTS（Kucun1）
Detail Timeseries 对话框如图3-16所示。

图3-16 Detail Timeseries 对话框
3.4 模型运行和数据分析
模型初始状态图如图3-17所示：

图3-17 模型初始状态图
模型仿真钟系统默认的1的时间单位为1month，运行100仿真时间单
位，根据动态裱个得到统计报表，如图3-18所示。

图3-18 库存系统方案（L=20，s=40）
从表可以看出，系统库存方案（L=20，S=40）运行100各
月的总费用为13959.98
在第一个方案的基础上运行第二个方案，只需要做如下更改：
对Track元素Loaded 细节设计：
在Loading页里面的定义：
Quantity To:160 –NPARTS（Kucun1） ！S=60
运行结果如图3-19所示

图3-19 方案二的运行结果图
在第一个方案的基础上运行第五个方案，只需要做如下更改：
对Track元素Load1细节设计：
在Loading页面里的定义：
Condition： NPRARTS（Kucun1）< 140 ！L=40
Quantity To:160 –NPARTS（Kucun1） ！S=60
各个方案的运行结果，如表3-3所示。
表3-3 各个方案运行结果表
方案（L,S）
订货费用C1
保管费用C2
缺货损失C3
总费用C
（20，40）
11402.00
1176.08
1381.90
13959.98
（20，60）
11462.00
2029.76
1355.30
14847.06
（20，80）
11522.00
3249.59
1042.65
15814.24
（20，100）
11582.00
4030.08
948.15
16560.23
（40，60）
11462.00
2981.47
508.85
14952.32
（40，80）
11522.00
3845.40
533.50
15900.90
（40，100）
11582.00
5128.85
538.95
17249.80
（60，80）
11522.00
4959.70
500.00
16981.70
（60，100）
11582.00
5818.70
500.00
17900.70
从表可以看出，系统库存方案（L=20，S=40）运行100各月的总费用为13959.98，是这些方案中最优的方案。
4 WITNESS在企业库存决策中的应用总结分析
上述仿真系统通过对方案1（L=20，S=40）、方案2（L=20，S=60）、方案3（L=20，S=80）、方案4（L=20，S=100）、方案5（L=40，S=60）、方案6（L=40，S=80）、方案7（L=40，S=100）、方案8（L=60，S=80）、方案9（L=60，S=100）九个方案进行仿真，并得到了各个方案的总费用C分别为13959.98、14847.06、15814.24、16560.23、14952.32、15900.90、17249.80、16981.70、17900.70。从运行结果看，总费用最少的是方案1，所以这些方案中最优的方案是方案1。
通过上述仿真实例的仿真运行，得出WITNESS仿真软件可以很好的模拟实际企业库存变化情况，并根据库存成本最小的原则，确定采购点与采购量，实现最优的库存策略。Witness仿真软件提供了直观的流程运行的动态的动画展示，使用户清楚和直观地了解系统的运行过程。
在整个建模与仿真过程中，用户可根据不通阶段的仿真结果，随时的修改系统模型，如添加和删除必要的模型元素，动态的提高模型的精度。可方便的设计与测试新设计的工厂和流程方案，平衡服务与花费，简化换班模式，评测可选的设计方案。
设计体会及今后的改进意见
本文通过介绍库存和WITNESS仿真软件的基本知识及应用WITNESS仿真软件对一个单品种随机库存系统的仿真，使我对库存的知识有了更进一部的了解，并对WITNESS仿真软件也有了更深一步的理解，基本上掌握了WITNESS仿真软件的应用。WITNESS仿真软件可以进行企业库存变化的仿真，通过WITNESS仿真，可以得到对于不同订货上限与下限的方案所花费的订货费用C1、保管费用C2、缺货损失C3及所花费的总费用。通过对订购上限与下限的修改，从而得到一个最佳的订货策略，为企业获得更大的效益。
通过本次课程设计，我明白了理论与实践相结合的重要性。通过运用理论知识，可以使我们在实践过程中更快的掌握经验，使自己的动手能力及有所提高。但是由于我的能力有限，在某些方面还有欠缺。在今后的学习和实践中，我会更加注重把理论和实践结合起来，总结经验及教训，使自己有更好的解决问题的能力。

参考文献
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