多階生產存貨系統之延遲策略對供應鏈績效影響之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

多階生產存貨系統之延遲策略對供應鏈績效影響之研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-151-007-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

執行單位： 國立高雄應用科技大學工業工程管理系

計畫主持人： 吳杉堯

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 94 年 9 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告

多階生產存貨系統之延遲策略對供應鏈績效影響之研究

The effect of manufacturing postponement on the supply chains with a multi-stage production-inventory system 計畫編號: NSC 93-2213-E-151-007- 執行期間:93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日 主持人：吳杉堯 執行單位: 國立高雄應用科技大學 摘 要 本研究將探討多階生產存貨系統延遲 策略對整體供應鏈成本的影響。在多階生 產存貨環境下，生產系統的延遲策略及運 送批量將被視為影響供應鏈系統整體成 本的決策變數，令多階生產系統的生產成 本受生產批量及延遲策略的影響。本研究 對整體供應鏈成本求解生產批量及延遲 策略，以獲得供應鏈系統整體成本的最佳 值。研究中將以實際的產業例子驗證此模 式的正確性。 關鍵詞：生產管理、供應鏈管理、延遲策 略、多階生產存貨系統 ABSTRACT

This study investigates the effect of manufacturing postponement on the cost of supply chains with a multi-stage production-inventory system. The common lot size and the postponement strategies of the multi-stage production-inventory system are crucial decision variables in this study. In addition, the production cost of multi-stage production system is a function of its lot size and postponement strategies. The relationships among the optimal total cost, lot size, and postponement strategies will be analyzed. An industrial case has also been presented as an illustration.

Keywords: Production management, Supply chain management, Postponement strategy,

Multi-stage production-inventory systems

1.計畫目的與論文回顧 本研究計畫之目的為探討以接單生產 為主的供應鏈中之製造商，在產品製造流 程為一般常見的多階段(或多廠區設施)生 產流程，研究如何掌握實施延遲策略的效 果。本研究考慮以生產配送批量(lot size) 及延遲策略作為決策變數，以總成本(製造 成本、存貨成本、運送成本)為系統績效指 標。 近年來受到供應鏈管理問題逐漸獲得 學界與業界重視之影響，延遲規劃成為一 項重要的研究課題。但延遲問題並不單 純，例如 Path 和 Cooper(1998) 根據延遲 (postponement) 與 猜 測 (speculation) 的 觀 點，提出四種不同的延遲策略：(1) 完全 猜測策略（The full speculation strategy）， (2) 製 造 延 遲 策 略 （ The manufacturing postponement strategy），(3) 物流配送延遲 策略(The logistics postponement strategy) 及 (4) 完 全 延 遲 策 略 (The full postponement strategy) 。 另 外 Zinn & Bowersox (1988)則提出五種不同的延遲 策略：(1)標籤延遲，(2)包裝延遲，(3)組 裝延遲，(4)製造延遲及(5)時間延遲。每一 項延遲策略均可單獨探討或整合研究分 析。目前有關這部份的研究主要是針對不 同區域間的延遲策略進行研究，例如，將 零組件運至配送倉庫後，再依據顧客訂單

的要求來完成最後延遲組裝，而使成品具 有 差 異 性 (Lee and Billington 1994 ， Bowersox and Close 1996, Feitzinger and Lee 1999)。

本研究將探討同一區域延遲策略的績 效問題，此同一區域延遲策略即相當於 Zinn & Bowersox (1988)所稱的「包裝延遲 策略」及「組裝延遲策略」，而 Path 和 Cooper(1998)則稱之為「完全延遲策略」， 目 前 很 少 被 發 現 這 方 面 的 研 究 報 告 。 Takeda and Kuroda (1997) 認為製造者在 回應顧客的訂單必須在顧客要求的時間 內完成，稱為可接受回應時間；目前產品 多樣化和需求價格降低是許多產業共同 的特徵，所以對一個製造者而言，如何去 建 構 一 個 生 產 系 統 能 使 得 其 產 品 彈 性 化、利益高和回應時間迅速，將是一個成 功的關鍵。這篇 paper 描述一個方法去決 策半完成品和完成品的存貨水準，並解決 目標服務率在可接受的回應時間內運送 完成品。

Bogaschewsky et. al. (2001) 描述一個 模式對於多階段生產存貨系統在每階段 都以相同的批量生產，每個階段都有一個 簡單的設置而沒有障礙。這篇 paper 多階 段生產存貨系統中探討兩個模式，一個是 每階段生產批量固定，另一個是每階段的 生產批量不同，生產完成後即運送到下一 階段；在製造規劃和控制系統中，如何達 到最小成本將是一個重要的目標。 本研究將建立製造商為製造延遲多階生 產存貨系統之「製造商—配送中心」之二 階供應鏈分析模式，以供應鏈系統的生產 配送批量(lot size)及延遲策略作為決策變 數。求取供應鏈系統在滿足特定訂單條件 下之總成本最小化。 2. 單線多階生產延遲模式分析 單線生產系統如上圖所示，整個生產 系統共分為 K 個階段，產品製造由最初階 段 s=1 一直加工到最後一階段 s=K，生產 出完成品。此生產系統的延遲生產點在階 段 s=S，即生產系統的日常作業從階段 s=1 加工至 s=S 即停止，並且把半成品暫時存 放至轉運站，等接到顧客訂單後，便從轉 運站以批次方式運送到階段 S+1 做加工， 直到生產出完成品（s=K）。 本研究假設延遲生產點在 s=S 階段 時，必須設置轉運站，因此需要投資成本 As；而在轉運站的存貨成本也會增加，所 以在階段 s=S 給定一個存貨增加的百比率 rs；半成品存放到轉運站，以及接到顧客 訂單後從轉運站運送到階段 s=S+1，都會 增加處理成本；所以本研究在階段 s=S 和 s=S+1 都給定一個額外的處理成本 fs和 bs+1。本研究認為儲存半成品與儲存成品 的轉運站所需的投資成本會不同，因此 As會隨著延遲生產點的不同而改變，本研 究認為越接近成品，儲存越不容易，所以 延遲生產點越接近完成品則轉運站所須 的成本就會越高；但 rs、fs和 bs+1值不會隨 著延遲生產點的不同而改變。 本模式主要參考 Bogaschewsky 等人 (2001)所提出的最佳多階生產批量和不同 批次模式，並根據延遲生產的概念而延伸 發 展 出 來 的 ， 此 模 式 為 確 定 性 批 量 （lot-size）模式，為單一生產線生產單一 產品，階段數並沒有限制，生產系統中模 式的階段數從 s=1, 2,…, S, S+1,…, K，產 品從階段 s=1 加工到階段 s=K 生產出完成

品。模式假設如下：1.在規劃期間所有的 參數值都是連續且確定的。2.生產系統的 所有產能限制都是固定的。3.不允許缺 貨。4.每個階段製造的批量均相同。5.每 階段可分成不同批次（batch）的製造，6. 一批完成後即運送到下一階段，每批的運 7.輸都產生相同的運輸成本和處理成本。 8.每階段的批量生產僅只有一個設置成 本。9.存貨持有成本假設為線性，每階段 的單位 10 存貨持有成本可能不同。11 產 品製造的階段數可無窮地分割。12 設置、 運輸和處理時間都是微小的，因此可忽 略。13 每階段的需求率小於最低製造率。 變數： Q 批量。 s

m

階段 S 的批次總數。 M {

m

₁

,

m

₂

,...,

m

_K}，每階段的批次總 數。 s i q 階段 S，第 i 批的量。 s Min q _{階段 S，最小批的量。} 參數： s P 階段 S 的固定生產率。 d 固定需求率d

=

Ps+1_。 T 規劃期間的長度。 D 規劃期間的總需求（D=dT）。 s c 階段 S 每單位時間的存貨持有成本。 s S 階段 S 每批量的設置成本。 s T 從 S 到 S+1 一批次的運輸成本。 s B 從 S 到 S+1 一批次的處理成本。 s A 延遲生產點在 S 時的投資成本。 s f 延遲生產點在 S 時，階段 S 所增加的 處理成本。 s b 延遲生產點在 S-1 時，階段 S 所增加 的處理成本。 s r 延遲生產點在 S 時，階段 S 所增加的 存貨成本百分比。 總成本模式(1)，如下所示： ( ) ( )

[

]

( ) ∑[ ( ) ] ∑ ∑ = = = − + + + + + + + + = K i i K i i i i i i i i K i m i i _A Q D m b f B T S r D Q D Q M Q C i 1 1 1 1 1 , δ γ α where i K i ii ii c P P

∑

= + + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 1 , 1 max( ), 1 1 ) min( 1 2 1 α ,

(

)

1 , ) max( 1 + − = i i i i i P c δ

γ for i=1, 2,… , K and

1 , 1 , ) min( ) max( + + = i i i i i P P δ for i=1, 2,…, K 可得在已知 M{

m

₁

,

m

₂

,...,

m

_K}時之最佳 總成本如下(2)： ( ) ∑[ ( ) ] ∑ ( ) ∑ = = = + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − + × + + + + = K i i K i K i i m i i i i i i i i T B f b m r A S D M C i 1 1 1 1 1 2 δ γ α 3.單線多階生產延遲模式實例 本研究以單線三階延遲生產系統為例 子進行探討，求解的方式是使用演算法找 出 每 一 種 延 遲 生 產 點 配 置 的 最 佳 總 成 本，再比較哪一種延遲生產策略所產生的 總成本為最小，此即為本研究所尋找的最 佳延遲生產點。以下是以第一階為延遲生 產點(如下圖)所分析的結果。假設 A1=10、 r1=0.2、f1=2、b2=1，其他參數如表 1 所示。

表 1 單線第一階延遲生產之參數 階層 S Ps cs Ss Ts Bs １ 2040 0.5 10 1 5 ２ 5000 0.1 18.3 9 6 ３ 4000 0.3 15 5 7 ４ 1000 — — — — 表 2 單線第一階延遲演算法執行結果 S 重複 i=1 重複 i=2 重複 i=3 重複 i=4 * 1i m 1 2 2 3 * 2i m 1 1 1 1 * 3i m 1 1 2 2 * i Q 433.8 524.5 621.2 675.3 ) ( 1 r i m 1.94 2.21 2.50 2.66 ) ( 1 w Q — 601.86 — — ) ( 2 r i m 0.52 0.62 0.73 0.80 ) ( 3 r i m 1.40 1.59 1.79 1.89 ) ( 3 w Q 447.2 — — — + i m1 2 2 3 3 + i m₂ 1 1 1 1 + i m3 1 2 2 2 由表 2 可知延遲生產點在第一階段 時，最佳解為 M(3, 1, 2)， * opt

Q

=675.38， * opt

C

=327.75。類似演算可得延遲生產點在 第 二 階 段 時 ， 最 佳 解 為 M(2, 2, 2) ， * opt

Q

=734.64，

C

opt* =324.90。延遲生產點 在第三階段時，最佳解為 M(1, 1, 2)， * opt

Q

=476.50，

C

opt* =399.41。因此最佳解 為延遲生產點在第二階段。 4.雙線多階生產延遲模式分析 此模式為確定性批量（lot-size）模式， 為兩條生產線生產兩種產品，階段數並沒 有限制，生產系統中兩條生產線的階段數 從 s=1, 2,…, S, S+1,…, K，產品從階段 s=1 加工到階段 s=K 生產出完成品。探討兩條 不同的生產線須在哪一階段延遲，才使得 生產系統之總成本為最小。 若延遲點之前為製程共同化，本研究 將生產線 1 和生產線 2 共同化的部分稱為 生產線 3，假設將生產線 1、2 共同化到階 段 s=S，並以此階段做為生產延遲點。根 據單線多階系統延遲生產模式的分析，在 階段 s=S 會多出存貨管理費百分比rs3和 處理成本 f_s,3（生產線 3），而在階段 s=S+1 會多出處理成本 f_s+1,1（生產線 1）和 f_s+1,2 （生產線 2）如下圖所示：

生產線 3 的變數： 3 Q 批量，Q₃ =

(

1

+e

)

Q，Q為生產線 1 的批量，0< e<1。 3 s m 階段 S 的批次總數。 M3 {m13,m23,...,ms3}，每階段的批次 總數。 s i q₃ 階段 S，第 i 批的量。 s Min q ₃ 階段 S，最小批的量。 生產線 3 的參數： 3 , s P 階段 S 的固定生產率 3 d 固 定 需 求 率 ， 3 , 1 3 =(1+ f)d =Ps+ d ，d為生產線 1 的固定需求率，0< f <1 T 規劃期間的長度。 3 D 規 劃 期 間 的 總 需 求 ， dT f D f D₃ =(1+ ) =(1+ ) 。 3 s c 階段 S 每單位時間的存貨持有成本。 3 s S 階段 S 每批量的設置成本。 3 s T 一批次的運輸成本從 S 到 S+1 3 s B 一批次的處理成本從 S 到 S+1 s r 延遲生產點在 S 時，階段 S 所增加的 存貨百分比。 3 s f 延遲生產點在 S 時，階段 S 所增加 的處理成本。 1 s f 延遲生產點在 S-1 時，生產線 1 在階 段 S 所增加的處理成本。 2 s f 延遲生產點在 S-1 時，生產線 2 在 階段 S 所增加的處理成本。 需求： 雙線混合模式求解的步驟和單線模式類 似。 5 雙線多階系統延遲生產實例 本研究以雙線三階延遲生產系統為例 進行探討，求解的方式是找出不同延遲生 產點的最佳總成本，再比較哪一個延遲生 產點所產生的總成本為最小，上圖為以第 一階為延遲點之多階系統延遲生產模式 範例，求解後得最佳解如下： 第一階為延遲點： M(m₁₃* =4,m*₂₂ =1,m₃₂* =2,m*₂₁ =1, 2 * 31 = m )，

Q

_opt* =545.25，

C

_opt* =665.70。 第二階為延遲點： M(m₁₃* =2,m*₂₃ =3,m₃₂* =2, ,m₃₁* =2)

， * opt

Q

=562.53，

C

_opt* =618.90。 第三階為延遲點： M(m13* =1, 1 * 23 = m ,m33* = 2)， * opt

Q

=285.49，

C

_opt* =749.95。 因此，採用第二階延遲生產為最佳決策。 6.結論與自評 在多階生產存貨環境下，生產系統的延遲 策略及運送批量將被視為影響供應鏈系 統整體成本的決策變數，令多階生產系統 的生產成本受生產批量及延遲策略的影 響。本研究對整體供應鏈成本求解生產批 量及延遲策略，以找出供應鏈系統整體成 本的最佳值。文中對於單線及雙線多階系 統延遲生產模式均能求解，對於處理相關 決策議題有很大的幫助。 參 考 文 獻 1. Bogaschewsky R. W., U. D. Buscher, G. Lindner, 2001, “Optimizing multi-stage production with constant lot size and varying number of unequal sized batches,” Omega 29,183-191.

2. Bowersox, D. J. and D. J. Closs, 1996, “Logistical Management: The Integrated Supply Chain Process,” New York: The McGraw-Hill companies, INC., McGraw-Hill Series in Marketing,.

3. Feitzinger, E. and H. L. Lee, 1997, ”Mass Customization at Hewlett- Packard: the power of postponement”, Harvard Business Review, v 75, Jan-Feb, pp.116-121.

4. Lee, H.L. and C. Billington, 1993, Material management in decentralized

supply chains,” Operation Research, v 41, n 5, pp.835-847.

5. Path, J. D. and M. C., Cooper, 1998, “Supply Chain Postponement and Speculation Strategies：How to Choose the Right Strategy.”, Journal of Business Logistics, Vol.19, No.2, pp.13-33.

6. Takeda, K., M. Kuroda, 1997, “Analysis of multi-stage production and inventory system with an acceptable response time,” Computers in industrial .Engng 33(3-4), 725-728. 7. Zinn, W., and Bowersox, D. J., 1988,

“Planning Physical Distribution with the Principle of Postponement”, Journal of Business Logistics, Vol. 9, No.2, pp.117-136