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1、华中科技大学 硕士学位论文 粒子群算法及其在备件管理中的应用研究 姓名：易觉 申请学位级别：硕士 专业：管理科学与工程 指导教师：王林 20080427 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 随着市场竞争的日益激烈，低成本高效率运作成为现代企业主题，备件管理日 渐成为企业设备管理中的一个非常重要部分，它直接影响着企业的运营成本，是企 业提高竞争力的一个关键环节。本文以某核电站备件管理为研究背景，讨论了备件 管理重点的确定和供应商优选问题。 首先，总结了现有备件分类和供应商选择方法研究方面的不足，同时较系统分 析了本文所用智能优化算法（粒子群优化
2、算法）的特点和应用领域，讨论了本文粒 子群优化算法的应用和改进策略。其次，设计了用于备件 ABC 分类的人工神经网络 模型。针对现有 ANN 学习算法的缺点，设计了一种基于粒子群优化方法和 BP 算法 的混合学习算法，此算法不仅能够充分利用 PSO 算法的快速全局寻优能力，而且能 发挥 BP 算法良好的局部搜索能力。然后通过在某核电站收集的数据对设计的 ANN 分类模型进行了检验，并与常规方法进行了对比分析。然后，研究了供应商的优选 与订货量分配问题。在随机性需求下，构建了以质量、成本、交货期 3 个准则为目 标函数、以其他目标为约束条件的多目标随机约束规划模型。借助于加权法、罚函 数法，将多
3、目标随机约束规划模型转化为单目标优化模型。进而设计了带惯性因子 和收缩因子的粒子群求解算法对所建模型进行求解，并与常用的求解算法遗传 算法进行对比分析，验证了粒子群算法应用于此类问题的可行性。 关键词关键词：粒子群算法；备件分类；供应商选择；多目标优化 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract Operation management with the low cost and high efficiency has become a theme of the modern enterprise along with the increas
4、ingly fierce market competition. So, spare parts management becomes more and more important. It impacts the enterprises operation costs directly and becomes a key part for the enterprises to improve their competitiveness. Based on the spare parts management of a nuclear power station, the thesis dis
5、cussed the key points of the spare parts management and the suppliers selection spare parts classification; vendor selection; multi-objective optimization 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结
6、果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本 论 文 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位
7、位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 选题背景与研究意义选题背景与研究意义 1) 选题背景 设备管理是企业管理的一项极其重要的工作，被现在企业管理学称为“命脉管 理”，从某种意义上说，设备管理的好坏直接关系到企业能否持续、稳定和协调地发 展。而备件管理又是设备管理的重要内容，被称为设备管理的三大支柱之一。尤其 在如今市场竞争激励的环境中，企业规模的不断扩大，备件的种类和数量越来越来 多，占用流动资金也越来越庞大，使得备件管理不容忽视，越来越复杂，且在企业 的日常管理中占据着越来越重要的地位。它对企业增产降耗，乃至客户的忠诚度维 持， 企业的声誉提高都有着重大影响， 所以对备件管理的研究具
8、有非常重要的意义。 纵观现在对于备件管理的研究，主要集中在库存管理、确定管理重点对象、供应商 优选及决策支持系统等几个方面。 本课题背景来源于华中科技大学与某大型电站合作项目“备件需求与申购计划 软件数学建模”。通过调查，笔者发现某核电站在备件库存管理、决策支持系统都做 的比较完善，但是随着业务的不断发展变化，发现在备件分类管理和供应商优选方 面管理的精细化程度有待提高，存在的主要问题如下： (1) 备件分类方面。某核电站库存记录高达 60000 条，实际库存项目 44000 多 项，总库存金额超过 1.1 亿美元。对于这些种类繁多的备件，某核电站主要依据备 件单价确定管理重点，结果发现部分非
9、重点关注备件经常出现库存过高或者过低的 现象，并导致较严重的后果。过高的库存导致大量的资金积压和潜在的报废风险， 过低的库存不能保证设备维护的正常需要，而采购这些备件的提前期通常很长，而 缺货造成的损失往往很大。面对这种比较被动的局面，有必要对现有的备件分类管 理方法进行改进，选择更合理的分类评价指标并采用更科学的评价模型对数据进行 处理。 (2) 供应商优化和评价方面。供应商选择，是供应链管理中的核心环节，科学的 选择供应商不但能够有效的降低企业的采购成本，而且也是企业服务质量得到保障 的重要因素。从2002年至今，与某核电站有交易的有1763家供应商，从采购统计数 据来看，在2003-20
10、05年三年期间，采购金额分别达到$20,466,404、$19,237,598、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 $20,943,379。在以前的供应商选择中，为确保核电的安全运营，采用原厂采购的方 法进行管理，因此供应商的选择就不存在问题，价格谈判的余地很小。随着核电站 供应商管理信息系统的建设完成，供应商数据收集工作的完善，资料比较全面的情 况下，有必要采用评价效果更准确的模型，通过对积累资料进行挖掘，减少人为主 观因素的影响，从质量、成本、交货期等目标出发，建立更完善的供应商评价模型。 因此， 本文研究重点放在某核电站在备件管理中相对较薄弱环节
11、(备件分类管理 和供应商优选)问题，试图解决企业中实际存在的问题，并从理论上对此类决策问题 进行研究。 2) 研究意义 本研究讨论的是具有广泛应用价值的神经网络分类和多目标优化问题。本文采 用人工神经网络对备件分类，并设计新的神经网络学习算法；构建多目标随机约束 模型来选择备件供应商并讨论订购量的分配问题。而作为新兴的基于群体智能理论 的随机优化方法，粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)方法的最大优点在 于稳定可靠、适应性强、能在可行的时间内以较大的概率获得问题的最优解或近似 解，在求解大规模复杂随机优化问题上具有其它方法不可比拟的优点。因此，本文 基
12、于粒子群优化方法的对所建模型进行求解，本研究将拓展粒子群优化方法的应用 范围。 从实践方面看，本研究亦具有重要的现实意义。首先，科学地对备件进行分类， 将为企业确定备件管理重点提供有效的决策依据，从而提高管理效率；另一方面将 帮助企业选择合适的供应商并采购采购合适的数量的物品，从而降低企业的采购成 本，提高企业的竞争力。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1) 备件分类 Moore(1996)在一篇论文中提出了基于可靠性的备件库存管理方法，建议首先对 备件进行基本的分类，对每种类型制定一套经济规则。他同时指出应该考虑一些其 它的因素，如机器故障、备件使用历史、采购时间、供应方可靠性和缺货目
13、标。实 行科学的分类是实施备件无库存管理必须具备的重要条件之一1。Gajpal，Ganesh和 Rajendran(1994)利用一系列分类技术对部件进行分类， 这些技术补充了那些效果良好 的预测方法，包括ABC分析法，FSN分类法和VED分类法，同时他们应用层次分析 法(Analytic Hierarchy Process, AHP)来评估备件的重要性， 考虑的因素包括备件类型、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 采购提前期、缺货后果等2。梁广涛，王天虹(1999)从目前应用最普遍的ABC库存分 类法入手，对模糊决策法在库存分类中的应用进行了探讨，并
14、提出了两者结合的解 决方案。武钢把备件划分为通用件和专用件，对通用件设一级库集中管理，对专用 件设二级库管理。同时，运用广为应用的ABC分类法，对备件实行重点控制3。金锡 万， 包菊芳，方承武，应竟文等(1997)通过对宝钢各类备件的划分、结构与比例计算， 具体分析备件结构的比例状况，进而提出了备件结构比例的优化模型及其实现途径。 并根据宝钢的实际情况，提出了五种主要分类方法。分别是按照进货渠道、使用目 的、备件属性、专业体系、技术特性4。Janne Huiskonen(2001)针对备件的控制特点 提出备件分类的四个因素：关键程度(criticality)、专用程度(specificity)
15、、需求模式 (demand pattern)和价值高低(value of parts)5。郭智敏、严洪森、陈施华(2003)以库存 ABC控制法和备件3A库存控制法为基础， 结合实际生产运行情况， 提出备件的ABCD 库存控制法6。崔南方，罗雪(2004)针对ABC分类在设备维修备件管理中不足以区分 重点备件的缺陷，将层次分析法与ABC分类相结合应用于设备维修备件的分类。将 维修备件的易得性、关键性和经济性作为分类准则，通过ABC分类来求解备件对分 类准则的权重，然后运用层次分析法计算备件的组合权重，再根据组合权重对备件 进行ABC分类7。任博、张喜斌、张恒喜等(2005)提出了基于最小二乘支
16、持向量机的 多元分类8。 崔南方， 鲁家晶(2006)为了克服传统ABC分类法存在的指标单一的缺陷， 提出了基于数据包络分析(Date Envelopment analysis, DEA)的备件ABC分类模型，该 方法根据DEA中确定输入(出)的原理， 将备件的多个属性指标分成输入指标和输出指 标，使得模型效率值大小能直接表示备件的重要程度，并根据相应的效率值对备件 进行ABC分类9。 2) 供应商优选 Dickson(1966)向美国采购经理协会的 273 位采购经理与采购代理进行了调查， 根据调查结果对 23 项选择供应商的评价指标的重要性进行了排序10。 Bento(1982)在考虑了多项目、多供应商、多客户、资源有限和数量折扣情况下 建立了一个供应商选择非线性模型，目标是使得总采购成本最小化，库存成本，把 存储能力和资金作为约束，用拉格朗日松弛法求解11。W.M.Jackson(1983)建立了多 目标线性规划模型综合考虑质量、价格、服务和交货情况12。Na
