供应链牛鞭效应虚拟决策仿真与优化实验
二、实验目的
“牛鞭效应”是现代经济社会中由于供应链多级化、分散化所带来的需求变异放大现象，它直接加重了上游生产商的供应和库存风险，加重了生产、供应、营销的混乱程度。因此，认识和理解“牛鞭效应”对企业生产经营活动带来的危害，以及学习“牛鞭效应”的抑制和管控方法是供应链管理相关专业学生应当掌握的重要知识点。当前，关于供应链管理的实验或实践课程建设具有以下难点：
1）供应链管理相关的课程具有较强的实践性，理论教学难以使学生对供应链管理理论知识产生直观的理解；
2）通过实践或企业观摩的方式，学生需要同时观察同一供应链的多个企业才能从供应链整体的角度来认识供应链，这在时间和经济上都不太可行；而且企业观摩或实践中，学生难以接触企业的核心决策过程；
3）目前关于单个企业的决策仿真软件较为丰富，但是缺乏以供应链为视角的，针对上下游交互环境进行虚拟的决策仿真软件。
牛鞭效应是供应链节点企业增多而带来的需求信息放大现象，学生无法通过单个企业去观察并理解牛鞭效应的产生原理，因而关于牛鞭效应的学习很难通过企业实习与实践开展。另外，现有的案例介绍、理论讲授的方式难以让学生对牛鞭效应的原理有更为直观的认识。本实验采用的决策虚拟仿真技术，虚拟了商品供应链上下游交互环境，学生扮演供应链中的生产商、批发商、零售商等角色并进行决策，让学生通过与上下游的订货/销售等决策互动，在虚拟商业环境下再现牛鞭效应。实验将进一步教授学生如何利用供应链优化策略来抑制牛鞭效应，提升学生对于供应链管理的基本素质与能力。
具体而言，本实验期望达到以下目的：
1.借助虚拟商品供应链环境，帮助学生理解“牛鞭效应”的产生原理
“牛鞭效应”主要由于现代分销渠道中供应链分散化造成，在相关供应链管理课程中更多是理论介绍和仿真演示，学生很难对“牛鞭效应”产生的原因和机理产生直观感受。同时，由于牛鞭效应产生于多个节点企业，学生无法通过在单个企业中进行实习实践认识牛鞭效应，而同时在多个企业进行实习往往不太可能。因此，本项目将通过虚拟仿真的技术手段，让学生扮演供应链中的不同角色，模拟现实中企业的生产经营活动，在虚拟的供应链环境下再现牛鞭效应，让学生理解牛鞭效应是如何逐级产生并如何影响企业的生产和销售计划制定，让学生对牛鞭效应所带来的危害有深刻的认识。
2.利用小组对抗模拟商业竞争环境，提升学生供应链管理的素养与能力
本实验除了要让学生认识牛鞭效应所带来的危害，更为重要的是让学生应用理论课程中所学习的抑制牛鞭效应的供应链优化策略，如周期缩短模型、信息共享模型、供应链管理库存模型等。通过将学生分为多个小组进行分组对抗，模拟现实社会的供应链竞争情景，让学生应用不同的供应链牛鞭效应优化策略，让学生理解如何应用供应链优化策略来抑制牛鞭效应的产生，强化对供应链管理理论知识的理解和掌握。
3.以虚拟仿真促进专业建设，丰富供应链专业人才实践能力培养的手段
当前，我国企业常常在供应链环节受到国外企业的严密封锁，如何破解“卡脖子”难题成为我国企业在新环境下面临的重大挑战。党的十九大报告将“现代供应链”发展正式上升为国家战略，国务院办公厅发布文件《关于积极推进供应链创新与应用的指导意见》，指出应当将智慧供应链融合到新商科的专业建设中。全国多所高校纷纷开始设立供应链管理本科专业，相关的专业建设亟待加强。本实验项目将借助虚拟仿真的手段，加强供应链管理学生专业素养与能力的培养，致力于供应链管理实践能力的提升，促进供应链管理本科专业建设，为学生进入社会从事供应链管理相关工作提供知识和能力储备。
三、实验课时
（1）实验所属课程所占课时：物流与运输系统仿真（32学时）、供应链设计与管理（48学时）
（2）该实验项目所占课时： 本实验课程在以上课程中均占4学时。四、实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）
1.实验原理
本实验将啤酒供应链的背景下，通过学生在决策仿真平台扮演生产商、批发商、零售商等角色，再现供应链中信息流从终端客户向原始供应商传递中由于信息扭曲导致的需求放大效应。通过学生对供应链中成员的决策模拟，让学生更为直观的感受牛鞭效应的产生机理。在此基础上，进一步让学生通过应用不同的供应链模型，来抑制或消除供应链中的牛鞭效应，让学生将理论学习中所学的知识点应用到模拟现实的供应链环境中，理解不同供应链机制对牛鞭效应的抑制原理，并对比不同机制的效果。
本实验分为基本型模型和优化型模型。在基本型模型中，学生会随机的扮演生产商、批发商和零售商等角色，并且相互之间不知道自己的上下游。这主要是为了模拟供应链中的信息不透明特征，避免学生之间相互交流信息破坏实验效果，这样学生实验产生的牛鞭效应会更加明显，让学生对牛鞭效应产生更为深刻的印象。在优化型模型中，学生分为不同的小组，逐一采用信息共享机制、供应商管理库存（VMI）、联合库存机制(JMI)、周期缩短型等供应链策略来抑制或消除在基本型供应链中产生的牛鞭效应。通过前后基本型实验和优化型实验的对比，可以让学生体会供应链管控机制对于牛鞭效应的抑制效果，通过不同优化实验直接的对比，学生可以了解不同供应链管控机制的比较效果。
供应链牛鞭效应仿真与优化实验通过啤酒游戏为基础，通过学生模拟现实商业中的生产销售经营决策，再现了牛鞭效应，为学生展示了牛鞭效应的产生机理。并且进一步运用不同的供应链管控机制来抑制牛鞭效应，通过直观的供应链管控机制运用，理解和掌握抑制牛鞭效应的方法。
2.核心要素的仿真度
本实验主要对供应链上下游交互环境进行仿真，通过学生扮演供应链中的节点企业并制定决策，来模拟现实中供应链上下游的订货/销售过程，以此再现在现实供应链中的牛鞭效应，并教授学生应对牛鞭效应的方法。同时，通过对不同供应链小组之间的分组对抗，模拟现实中不同供应链之间的竞争。
表1 实验核心要素仿真度
序号 | 核心要素 | 本实验软件设计 | 仿真度 |
1 | 市场环境 | 市场需求变化具有多种情景，利用均值加随机波动的方式模拟现实中的产品需求变化 | «««« |
2 | 供应链上下游交互情景 | 主要通过订货和发货来实现，将产品价格设定为预先设定，主要模拟成熟产品的供应链上下游交互情景 | «««« |
3 | 供应链组织结构 | 具有多种组织结构，可以对现实中供应链组织结构有很好的模拟 | ««««« |
4 | 供应链销售场景 | 通过生产周期、供货周期、订单周期等模拟现实中产品的周期问题 | ««««« |
5 | 供应链库存管理 | 通过库存成本和缺货成本等模拟现实中商品库存或缺货产生的成本 | «««« |
6 | 供应链优化策略 | 模拟了信息共享、周期缩短、供应商管理库存、联合库存等优化策略 | ««« |
7 | 供应链竞争环境 | 通过小组对抗，模拟现实中不同供应链之间的竞争与对抗 | «««« |
知识点：共 8 个
（1）需求波动
（2）供应周期
（3）采购提前期
（4）销售预测
（5）牛鞭效应
（6）信息共享
（7）供应商管理库存（VMI）
（8）联合库存（JMI）五、 实验仪器设备
该实验需要的仪器设备有：
（1）供应链牛鞭效应仿真与优化实验软件；（软件著作权如下图所示）。
图1 软件著作权登记证书
（2）服务器端硬件：配置要求为多核CPU及32G以上内存；
（3）服务器端软件：配置要求为Tomcat8 + java7 + MySQL5.7；
（4）客户端硬件：PC电脑或平板、手机等移动设备；
（5）客户端软件：谷歌Chrome、火狐Firefox等浏览器。
六、实验材料
本实验不涉及真实耗材，以下均为实验的参数设计：
（1）实验情景设定：
基本型供应链、周期缩短型供应链、信息共享型供应链、VMI型供应链、JMI型供应链；
图2 实验情景设定
（2）供应链参数设定：
库存设定：生产商初始库存、批发商初始库存、零售商初始库存；
资金设定：生产商初始资金、批发商初始资金、零售商初始资金；
持有成本率、缺货成本率设定；
供应链结构设定；
商品价格设定：成本价、出厂价、批发价、零售价；
生产商生产能力：最大生产量与最小生产量；
图3 供应链情景设计
（3）供货周期、订单周期、生产周期
图4 供货周期、订单周期、生产周期等设置
（4）需求波动情景设置
图5 供应链需求波动情景选择
图6 供应链需求波动情景设定
（5）推进模式设置、学生供应链角色分配方式设置
1.教学方法的使用目的
在现代经济中，供应链是一个多级化、分散化、多成员的复杂系统。成员之间的信息传递具有较大的不透明性，需求会随着供应链传递从而出现逐级放大的牛鞭效应。传统的理论教学只能通过案例介绍、模型仿真的方式向学生介绍牛鞭效应的产生机理，效果较为一般。同时，进入企业的现场教学又难以接触企业的经营决策过程，而且难以同时观察多个供应链成员企业的决策以及相应结果，无法直观的认识牛鞭效应的产生。因此，本实验通过虚拟仿真的方式，由学生扮演供应链中生产商、批发商、零售商，通过采购、订货、销售等生产经营活动，模拟现实经济社会中供应链成员的决策过程，使学生直观的认识牛鞭效应的原因、特点、危害等，并通过进一步的优化型供应链模型来抑制供应链牛鞭效应。使学生在实验过程中认识问题，学习如何应用策略来解决问题。提升学生对于供应链管控的意识以及能力。
2.实施过程
本实验包括三个具体的实验任务，每一个任务中学生都需要扮演供应链中的生产商、批发商或者零售商，制定相应的生产/订货和销售/发货决策。根据实验需要，学生可以由系统随机分组，也可以自由组队。每个实验任务均包含30个销售周期，每个周期均需完成生产/订货和销售/发货决策。30周期结束则实验结束。
任务一为基本型供应链，主要让学生认识牛鞭效应的产生机理；任务二为优化型供应链，在任务一的基础上让学生统一应用一种供应链管控机制，让学生体会相应机制抑制牛鞭效应的原理；任务三为分组对抗型，学生可以分组进行比赛对抗，同时选择某一种供应链优化策略，分组对抗可以有效增加实验的趣味性和同学们的参与积极性。
（1）任务一：了解供应链牛鞭效应的产生原因及危害
由系统对所有学生进行随机分组，并分别扮演供应链中的不同角色，学生相互不知道各自的上下游，各自制定采购、销售、订货、发货等决策，再现供应链中的牛鞭效应。在实验结束后，教师组织学生进行课堂讨论，分析牛鞭效应的产生原因和相应的危害。
（2）任务二：学习供应链牛鞭效应的抑制方法及机理
在了解牛鞭效应的基础上，分别让学生应用周期缩短型、信息共享型、VMI型、JMI型等供应链模型，让学生感受不同供应链管控机制对于牛鞭效应的抑制特点及相应效果。实验结束后，教师组织学生进行课堂讨论，分析牛鞭效应的抑制方法及相应关键难点。
（3）任务三：自由应用不同的供应链优化策略进行分组对抗。
在前面学习如何应用不同供应链机制的基础上，让学生自由组队，并自由选择不同的供应链管控策略。通过多轮的小组对抗后，选拔出综合得分排名较前的小组。通过小组对抗，让学生体会供应链协调管理的难点与意义，增强学习的趣味性，同时让学生对于不同的供应链管控机制有深入的对比理解。实验结束后，教师组织学生进行课堂讨论，由排名较前和靠后的小组分别分享各自的经验和教训。
3.实施效果
此教学方法通过前后对比，让学生清晰的认识了供应链牛鞭效应的产生机理，同时掌握了常见的抑制牛鞭效应的供应链管控机制，最后通过小组对抗让学生对于不同供应链管控机制抑制牛鞭效应的效果产生更为深刻的认识和理解。本实验综合采用了线上线下、翻转课堂、分组对抗等教学方法，目的在于解决传统课堂授课模式下学习兴趣丧失的问题，促进教学质量的提升。
八、实验方法与步骤
1.实验方法描述：
实验采用决策虚拟仿真技术，综合运用角色扮演、分组对抗等方法，虚拟了现实中的供应链上下游交互环境与供应链竞争环境。在虚拟的商业环境下，学生扮演不同的供应链节点企业，并制定生产与经营决策。
通过虚拟供应链商业环境，可以让学生站在供应链整体的视角去分析供应链中牛鞭效应的产生原因。通过学生的供应链角色扮演，有助于让学生深入理解供应链中的信息传导过程，对供应链成员之间的交互过程有更为深刻的认识。通过学生之间的分组对抗，可以让学生理解现代商业社会之间的竞争与合作关系，培养学生从供应链合作的视角看待现代商业社会的竞争。
本实验可以在线下实验室开展，也可以通过远程线上开展。因而可以融合线上线下混合式教学方式。实验以学生为主导，可以让学生在类似现实的商业环境中发现问题、思考问题、解决问题，培养学生学以致用、理论联系实际的能力。
2.学生交互性操作步骤说明：
学生交互性步骤数：每个任务35步
本实验包括三个具体的实验任务，每一个实验任务中，学生均有35个交互性决策需要制定；其中前4个为实验的初始化，如加入实验、选择小组及角色、查看实验目的、查看企业初始情况，然后所有企业将经过30个周期的仿真，每个周期分别制定订货/发货决策，30个周期的经营决策仿真结束后，系统会自动计算每家同学扮演企业的资金情况和排名情况，学生可以查看最终情况以及没回合的具体情况，因此共有35个具体的步骤。
学生交互性步骤说明：
在三个实验任务中，学生的交互性步骤是类似的，区别是不同的供应链优化策略。此处主要以任务一基本型供应链为例进行说明。总的步骤示意图如图8所示，具体软件操作请见图9——图30。
图8 实验步骤示意图
任务一 基本型供应链的操作
步骤1 学生进入系统，加入任课教师添加的实验
学生注册进入系统后，在实验管理中，选择我可以参加的实验，如图9所示。
图9 学生选择进入实验
在所有实验中，学生根据实验名称选择任课老师添加的实验，如图10所示。
图10 学生选择目标实验
步骤2 学生根据老师告知的实验口令，输入实验口令，选择小组以及角色
学生输入目标实验的口令，选择自己所在的小组，并从生产商，批发商和零售商三个角色中选择自己的角色，如图11所示（此步也可由教师在实验设置中选择系统自动分配）。
图11 学生选择小组和角色
步骤3 了解实验目的
学生进入实验后，查看任课教师发布的实验目的等，如图12所示。
图12 实验任务描述
步骤4 查看企业初始条件
学生作为供应链中的生产商、批发商或者零售商，首先查看各自企业的初始情况。在界面最上方可以查看当前资金，库存数量，通过在我的供应链中红色的标识，学生可以了解到所选择的角色在供应链的位置，以及与上下游交货所需的周期，如图13所示。
图13 企业初始条件
步骤5 第1周期决策
在实验中，每1周期类比现实中1个月或者1个季度，每个同学需要制定其运营企业（生产商/批发商/零售商）的订货/发货决策。每个回合结束后会根据供应链上下游的交互决策情况，产生各自的到货/销售情况，系统会自动计算每家企业的资金和库存情况。以下分别针对生产商、批发商和零售商介绍各自的决策情况。
生产商角色
1) 生产下单
学生作为生产商，需要决策每回合的生产计划。点击生产计划/实际，可以进入生产页面，点击下单输入数量，确认每回合订单。生产商的生产在下单完成后的下一周期到货，通过订单状态可以查看到当前订单的完成度，如图14、图15所示。
图14 生产计划界面
图15新增生产订单
2) 发货
生产商在销售/发货面板里面查看来自下游批发商的订单，在收发管理中对订单进行发货，点击发货标识填写数量，如图16、图17所示。
图16 销售/发货界面
图17 订单发货
3) 扩产
当生产商的生产规模不足以满足下游厂商的需求时，生产商可以选择扩充生产线。生产商扩充生产线后，生产商的产能上限和下限都被提高，扩充生产线在当前回合生效，且在之后的回合都不可以减少生产线。所以生产商要谨慎选择扩充生产线防止后期积压过多库存。
图18 扩充生产线
批发商角色
1) 订货
批发商点击采购/到货，通过点击下单向上游生产商进行订货，根据现有库存数量以及订货周期对订货数量进行决策，并通过左侧折线图可以看到每回合的采购订单量，如图19所示。
图19 采购/到货界面
点击下单按钮，批发商输入采购数量，如图20所示。
图20 新增采购订单
2) 发货
批发商在销售/发货界面查看来自零售商的订单，并根据剩余库存决定发货数量，若无法全部按时发货则会产生缺货成本。如图21所示。
图21 批发商发货管理界面
3) 回合日志
批发商可以通过查看回合日志来了解每回合的资金是如何变化的，如图22所示。
图22 回合日志界面
零售商角色
1) 采购
零售商向上游批发商订货，根据当前库存，对需求的预测以及订货周期，决策订货的数量，如图23、图24所示。
图23 零售商采购界面
图24 零售商确定采购数量
2) 销售
与批发商不同，零售商的销售订单来自系统消费者，消费数量为系统按照一定的范围进行随机，当零售商在当前回合没有给消费者发货时，消费者将在下个回合自动撤单。消费者撤单不会使零售商产生缺货成本，但是却减少了零售商的利润。所以零售商在无法完全满足当前消费者需求时，需要决策是选择发一些货留住消费者并产生缺货成本还是让消费者直接选择撤单，如图25、图26所示。
图25 零售商销售界面
图26 发少量货物挽留消费者
3) 库存统计
通过选择库存管理中的库存统计可以看到每回合零售商库存的详细数目以及库存走势图，如图27所示。
图27 库存统计
步骤6—步骤34 第2周期—第30周期决策
步骤6开始直到步骤34，学生所需做的决策与步骤5基本类似，所不同的是，在每一周期所有成员的决策结束后，系统会自动计算供应链每个成员的实际到货、发货、库存、资金等情况，学生应当根据需求的变化情况和自己的预测在最大化自己利润的目标下制定新的订货/发货决策。由于步骤6-34与步骤5的具体操作比较类似，此处略去。
步骤35 查看最终排名及企业资金和库存等情况
30周期仿真结束后，系统会根据各企业的资金和库存情况进行综合排名，学生可看到自己在同类型成员中的排名，如图28所示。同时学生还可以在系统中查看自己运营企业的库存、资金和每阶段决策情况，分析总结自己的决策经验。
图28 资金排名
任务二 优化型供应链的操作
在任务二中，学生的操作和任务一种基本型供应链比较类似，同样包含35个步骤。区别是教师在实验开始前需要设定每个小组的供应链管控策略，如周期缩短、联合库存、信息共享、供应商管理库存等，如下图中统一让学生操作联合库存供应链模型。
图29联合库存供应链模型实验
下图中，让学生统一操作信息共享供应链模型。
图30 信息共享供应链模型实验
实验开始后的步骤与任务一中的比较类似，在此不再赘述。
任务三 优化型供应链分组对抗实验
在实验任务一和实验任务二的基础上，学生对于啤酒游戏供应链的操作积累了一定的经验，同时对于不同供应链管控优化策略有了一定的认识和了解，在此基础上，
在该任务中，由学生自由分组进行分组对抗，每个小组可以独立选择一种供应链管控策略。各小组讨论确定采用的供应链管控优化策略后报实验教师在系统中设定，实验开始后各小组的操作则与任务一种比较类似。不同的是此时不同的小组应用的供应链管控优化策略不同。教师端设置各小组的优化策略如下图所示。实验开始后30周期的具体操作在此不再赘述。
图31 供应链牛鞭效应分组对抗实验
九、实验结果与结论要求
是否记录每步实验结果：否
实验结果与结论要求：实验报告、心得体会
其他描述：无
十、考核要求
（1）实验系统评分：实验结束后，系统根据学生运营的企业的资金情况和库存情况等对企业进行综合评分，该部分按照排名来打分，可以激励学生积极运营自己的企业；占比50%；
（2）报告提交：学生需根据自己的实验情况对自己的生产经营策略选择和调整进行分析总结；占比40%；
（3）课堂讨论：分组对抗实验结束后，学生需要对各自组的情况进行经验分享和讨论，以课堂讨论的形式展开；占比10%；
