经典论文精讲:库存理论开山之作《一次制造多少零件》

有这么一篇论文,当我们开始研究供应链管理历史的时候,它被公认为运营管理和库存理论的开山之作。而这篇论文却在其发表后的长达75年里几乎被学术界遗忘。其作者的身份和论文的真正起源一度变得模糊不清,功劳甚至被错误地归于他人。这篇论文就是福特·W·哈里斯(Ford W. Harris)于1913年发表的开创性论文《一次制造多少零件》(How Many Parts to Make at Once)。

经典论文精讲:库存理论开山之作《一次制造多少零件》

这个论文名字可能还是陌生,其提出的经济订单量(EOQ)模型是最早将数学分析应用于工厂运营管理决策的案例。它所建立的在“订购成本”与“持有成本”之间寻求平衡的基本思想,被誉为一种“古典优雅的建模成就” ,并成为了后来至少40年里订单数量分析的主导范式 。几乎所有后来的库存管理理论,都是在它的基础上进行扩展、修正或挑战。论文的成果平方根公式,已经成为所有生产与运作管理入门教科书中的必备内容。

工业时代默默无闻的工程师

哈里斯的论文发表于第二次工业革命的鼎盛时期,这是一个以大规模制造、标准化和机械化为标志的时代。在这一时期,工业实验室开始兴起,系统化的生产方法逐渐成型。与此同时,亨利·福特(Henry Ford)正在完善他的流水线(1908-1913年)。

哈里斯的一生堪称非凡。他是一位工程师、发明家、作家,后来还成为了一名成功的专利律师,但他职业生涯的辉煌成就,是在没有接受过高中以上正规教育的情况下取得的。他是一位真正意义上“自学成才”的典范。

在1913年,35岁的哈里斯正处在一个职业生涯的十字路口。他需要“重塑自己的职业生涯”,但手中缺乏正式的学历证书来证明自己的能力。他没有将论文投给学术期刊,而是在一本面向实践者的杂志《工厂:管理杂志》(Factory, The Magazine of Management)上发表了这篇文章。该杂志拥有10,000名制造业经理的读者群,他们更关心立竿见影的效果,而非卓越的思想。所以导致这篇文章长达75年的时间里,EOQ公式的“起源”一直模糊不清,功劳常常被错误地归于他人。

该论文最终于1988年被唐纳德·埃伦科特(Donald Erlenkotter)“重新发现”,他在1989年和1990年发表了一系列文章,最终确定哈里斯为EOQ模型的创始人。埃伦科特的工作是一项历史侦探工作,他追溯了这种混淆的演变过程,并勾勒了哈里斯非凡的一生。1990年,《运筹学》( Operations Research )杂志甚至将哈里斯1913年的原文与埃伦科特所作的历史分析一同重印。

哈里斯1913年论文的精细解构

论文的目标:哈里斯明确指出,他的目标是解决寻找“最经济制造数量”这一普遍性问题。他将自己的公式定位为辅助和检验管理者判断的强大工具,而非取而代之。

该模型的“古典优雅”之处在于其清晰地识别出两种对立成本之间的根本性权衡

设置成本 (Set-up Cost, S):该成本随着批量增大而单位成本递减,不仅包括机器的准备成本,还包括经常被忽视的、在办公室和工厂处理订单的行政管理费用。哈里斯指出,车间工头敏锐地意识到这一成本,因此本能地倾向于大批量生产

库存利息与折旧 (Interest and Depreciation on Stock, I):该成本随着批量增大而增加,代表了库存占用的资本及其折旧。哈里斯假设年库存持有成本为10%,但也提出在许多情况下20%可能更为公允。这是制衡大批量生产的力量。

哈里斯的数学模型通过构建一个包含反向变化的两种核心成本(设置成本和持有成本)的函数,然后利用微积分找到了该函数的最小值点,从而给出了一个简洁、深刻且实用的平方根公式,完美地解决了“一次生产多少最经济”这个核心问题。这部分内容不仅是模型的基石,也体现了百年前将数学思维应用于管理问题的开创性尝试。

目标:找到一个最优的生产批量(Lot Size),我们称之为X,使得生产和持有一件产品的单位总成本Y达到最低。

哈里斯定义的变量

M:月度需求量(Movement)。这是工厂每个月需要用掉多少个这种零件。

C:单位成本(Unit Cost)。这是指在不考虑订单准备的情况下,制造一个零件本身的直接成本(材料、人工等)。

S:设置成本(Set-up Cost)。这是每次为了生产一批零件而需要支付的固定准备费用,比如调整机器、准备工具、处理订单文件的管理开销等。无论这批生产10个还是1000个,这个成本S都是一样的。

I:库存持有成本率(Interest and Depreciation)。这是资金被库存占压而产生的成本,可以理解为利息。哈里斯假设这个年费率为10%。

X:经济批量(Economic Lot Size)。这是我们要求解的未知数,即一次生产多少个零件最划算。

跳过所有中间验算的过程,最终的平方根公式。经过微积分的运算,能够使单位总成本Y最小化的经济批量X的值为

论文实践应用与作者的审慎之处:

哈里斯利用图表直观地展示了成本的权衡关系,呈现了U型的总成本曲线,其最低点在设置成本和持有成本曲线的交点处。

论坛提供了两个详尽的案例:一个低成本、高批量的铜连接器和一个高成本、低批量的螺柱 。这些案例展示了模型的多功能性,并突显了一个关键洞见:对于昂贵的物品,该模型更有价值,因为即使是微小的百分比节约也能转化为可观的绝对金额。

总成本曲线的“平坦性”:哈里斯提出的洞见是,总成本曲线在最优点附近相对平坦。在他的第一个例子中,他指出当最优批量约为2,200时,将批量从1,000变动到5,000,所产生的成本惩罚微不足道。EOQ模型的这种“稳健性”是其至今仍具有持久实践吸引力的关键原因。

误差的不对称性:铜连接器的案例揭示了另一个重要洞见:订购过少的成本惩罚远大于订购过多的成本惩罚 。这为管理者提供了一个实用的偏向:在不确定时,选择稍大的订单量通常更安全。

持久的影响力与现实意义

尽管EOQ模型建立在一系列严格的假设之上(如需求恒定、成本不变等),这些假设在今天动荡的市场环境中很少能完全满足,但它的行业地位并未因此动摇 。其持久的影响力主要源于:

思想的深刻性:EOQ模型清晰地揭示了库存管理中最核心的经济权衡,这个基本矛盾至今仍然存在。它为管理者提供了一个思考库存问题的基本框架。

作为扩展的基石:正是因为有了EOQ这个基础模型,后来的研究者们才得以在其上构建出更复杂的模型,以应对现实世界中的各种变化,如数量折扣、允许缺货、生产与消耗同步(EPQ模型)等 。可以说,哈里斯的工作 为后来的数千项相关研究铺平了道路

实际应用的稳健性:哈里斯在原文中就敏锐地指出,总成本曲线在最优点附近是相对平坦的。这意味着即使成本和需求的估算存在一定偏差,使用EOQ公式得出的结果通常也与最优解相差不远,这使得它在数据不完美的现实世界中依然非常实用。

综上所述,哈里斯1913年的论文不仅是一项技术性的贡献,更是一个时代的标志。它开启了用数学模型解决商业问题的先河,奠定了现代库存管理理论的基础,并且至今仍是该领域教学、研究和实践中不可或缺的核心组成部分。它的行业地位,堪比物理学中的牛顿定律,虽然有更现代、更复杂的理论出现,但其基础性和思想启发性是永恒的。

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