城市高科技产业的产能规划研究 —生产者决策技术的视角

城市经济的增长既取决于资源禀赋和发展条件，也取决于产业规划和配套引导政策。城市产业规划是在研究城市未来发展趋势的基础上，对城市的经济结构、功能定位及空间布局提出未来一段时间内的蓝图，并以此制定和执行相应的产业政策来引导产业经济发展。在实践上，无论是国际化城市如纽约市、东京市，还是我国的边陲小城，都不约而同地对城市各产业发展提前规划。城市通过产业规划，使所在经济系统摆脱市场失灵的风险、实现产业结构的调整和战略性产业的腾飞。因此，科学地制定和执行城市产业规划对实现城市功能定位与发展目标起到了至关重要的引领作用。在过去几十年，特别是近20年来，我国城市工业按照城市产业规划不断发展和升级，城市产业基础得以夯实和提高，然而由于产能的快速扩充，产能过剩问题已经逐渐成为核心工业城市经济发展的桎梏因素。由于经济系统的复杂性以及城市发展中的新环境和新问题，城市产能规划是一项非常具有前瞻性和挑战性的工作，多于市场需求的产能规划自然会导致产能过剩现象。由于不同产业在地理区域分布和发展的不均衡性，产能过剩具有鲜明的城市区域特征。例如，产能过剩较为严重的光伏产业，苏州、无锡、常州等长三角城市在光伏电池和组件生产方面产能过剩，而高科技半导体晶硅产能过剩集中在中部地区的江西新余、湖北随州等城市。因此，产能过剩已经成为城市下一步发展和产业结构调整过程中较为棘手、必须解决的问题。究其原因，产能过剩固然与市场需求和波动有关，当然也与产业无序重复建设密不可分。因此，在城市产业规划过程中如何科学地预判市场状况并通过政策措施引导产能的设置，是降低城市不同产业产能过剩风险的关键途径。本书从微观的视角入手，研究企业产能规划制定的基本规律和基本技术，以便城市根据产业市场状况评估其*的产能规模，从而为城市各产业的产能管理、政策和规划提供科学的判断依据和理论工具。
本书适用于城市研究、产业产能研究的学者，城市规划有关的政府部门和企事业单位，以及对城市产能规划感兴趣的读者。
 

城市经济的增长既取决于资源禀赋和发展条件，也取决于产业规划和配套引导政策。城市产业规划是在研究城市未来发展趋势的基础上，对城市的经济结构、功能定位及空间布局提出未来一段时间内的蓝图，并以此制定和执行相应的产业政策来引导产业经济发展。在实践上，无论是国际化城市如纽约市、东京市，还是我国的边陲小城，都不约而同地对城市各产业发展提前规划。城市通过产业规划，使所在经济系统摆脱市场失灵的风险、实现产业结构的调整和战略性产业的腾飞。因此，科学地制定和执行城市产业规划对实现城市功能定位与发展目标起到了至关重要的引领作用。在过去几十年，特别是近20年来，我国城市工业按照城市产业规划不断发展和升级，城市产业基础得以夯实和提高，然而由于产能的快速扩充，产能过剩问题已经逐渐成为核心工业城市经济发展的桎梏因素。
由于经济系统的复杂性以及城市发展中的新环境和新问题，城市产能规划是一项非常具有前瞻性和挑战性的工作，多于市场需求的产能规划自然会导致产能过剩现象。由于不同产业在地理区域分布和发展的不均衡性，产能过剩具有鲜明的城市区域特征。例如，产能过剩较为严重的光伏产业，苏州、无锡、常州等长三角城市在光伏电池和组件生产方面产能过剩，而高科技半导体晶硅产能过剩集中在中部地区的江西新余、湖北随州等城市。因此，产能过剩已经成为城市下一步发展和产业结构调整过程中较为棘手、必须解决的问题。究其原因，产能过剩固然与市场需求和波动有关，当然也与产业无序重复建设密不可分。因此，在城市产业规划过程中如何科学地预判市场状况并通过政策措施引导产能的设置，是降低城市不同产业产能过剩风险的关键途径。本书从微观的视角入手，研究企业产能规划制定的基本规律和基本技术，以便城市根据产业市场状况评估其*的产能规模，从而为城市各产业的产能管理、政策和规划提供科学的判断依据和理论工具。
本书适用于城市研究、产业产能研究的学者，城市规划有关的政府部门和企事业单位，以及对城市产能规划感兴趣的读者。

第1章绪论

11研究背景、目的和意义

111研究背景

112研究目的和意义

12研究内容和组织结构

121研究内容

122组织结构

13研究方法和技术路线

131研究方法

132技术路线

14本章小结

 

第2章相关研究动态

21产品替代问题研究

22产品购销决策问题研究

221在单销售周期情况下基于需求替代的产品购销决策

222在多周期情况下基于需求替代的产品购销决策

23产品产销联合决策问题研究

24现有研究的评述

25本章小结

 

第3章在备货型生产方式下的产能决策问题

31概述

32产能决策基础模型

321模型

322产品分销策略

323模型求解

33贬值性产品的产能决策

331模型

332分销策略

333模型求解

34算例分析

35本章小结

 

第4章在批量型生产方式下的产能决策问题

41概述

42基于ATP理论的分销模型

421模型

422模型求解

43基于ATP理论的产能决策

431目标函数

432分销策略

44算例分析

45本章小结

 

第5章基于客户生命周期价值的产能决策问题

51概述

52客户生命周期价值与产能的关系

521产能决策影响因素

522系统动力学模型

523仿真分析

53基于客户生命周期价值的产能决策

531模型

532分销策略

533模型求解

54算例分析

55本章小结

 

第6章城市高科技产业产能规划的启示

61微观研究的结论

62城市高科技产业产能规划的启示

 

参考文献

前言

 

城市产业规划是引领城市经济发展的导向标，很多城市力图采用一定的产业产能政策引导城市产业按照一定的步骤来部署和发展。例如，纽约市2015年发布了《一个纽约——规划一个强大而公正的城市》，对纽约市2015—2040年的产业发展提出了纲领性规划，而上海也在同年出台了《上海——迈向卓越的全球城市》纲要，对上海未来20年的产业经济发展和各产业产能策略做出了指引。城市产业规划确定了未来一段时间内城市经济发展的方向和发展规模，具有重要的引领作用。正是由于产业规划的前瞻性和经济系统的复杂性，把握未来一段时间内的产业发展趋势、分析的产能政策才是制定有效产业规划的前提，而对产业产能把握不慎可能在未来导致严重的产能过剩等现象。例如，近两年以来广州、深圳、上海、重庆、天津、南京、沈阳等环渤海、长三角及珠三角城市纷纷提出了机器人产业（包含智能制造）的2016—2020年产业规划，多数城市设定的机器人产值高达千亿元以上，产值总和高达9 000亿元以上。根据中国机器人产业联盟的统计，各个城市出台了77项以上的机器人产业扶持政策，推动成立了40余个机器人产业园区。

表1列示了我国部分城市机器人产业规划。

表1我国部分城市机器人产业规划

 

 

 

 

2020年目标产值/亿元

政策措施

 

南京

1 000

《加快推进南京市工业机器人产业发展的工作意见》

东莞

700

《关于加快推动工业机器人智能装备产业发展的实施意见》《东莞市推进企业“机器换人”行动计划（2014—2016年）》《东莞市“机器换人”专项资金管理办法》续表

 

 

2020年目标产值/亿元

政策措施

 

深圳

3 615

《深圳市机器人、可穿戴设备和智能装备产业发展规划（2014—2020年）》《深圳市机器人、可穿戴设备和智能装备产业发展政策》

广州

1 000

《关于推动工业机器人及智能装备产业发展的实施意见》《广州制造2025年战略规划》

沈阳

500

《沈阳市智慧产业发展规划（2016—2020年）》

天津

120

《天津市建设全国先进制造研发基地实施方案（2015—2020年）》

重庆

1 000

《重庆市人民政府关于推进机器人产业发展的指导意见》

上海

600~800

《关于上海加快发展和应用机器人促进产业转型提质增效的实施意见》

然而，根据国家制造强国建设战略咨询委员会等多个权威部门的预测，到“十三五”末，我国全国机器人的总有效产值只有大约1 000亿元，远远低于现在多数城市的规划。由于机器人产业目前仍处于探索的阶段，因此，各城市对有效产能的预估不当完全可能导致不完备的产能规划和政策措施，从而终导致产业整体性产能过剩。由于产业发展规划事关未来一段时间内城市经济发展大局，科学地预估的产能是制订产业发展规划的重要依据，因此，急需对城市产能进行科学的评价和分析。基于此，本书从企业的角度构建企业利益化时的产能策略工具，其理论体系用以分析城市高科技产业的产能并为城市各行各业的产业产能规划提供决策支持。

高科技产品与传统产品相比有很多自身的特征，确定产业的产能面临很大的挑战。例如，高科技产品具有较短的生命周期（一般是一年或两年），具有很快的贬值速度，如很多半导体产品在上市半年内将损失它整个生命周期60%以上的价值。由于激烈动态变化的市场需求、较长的制造提前期、昂贵的生产准备成本、技术不断的快速革新，使高科技产业比其他传统产业面临更大的市场风险和决策难度。因此，有效的产能和销售决策能够减少资金的浪费，提升企业利润并降低投资失败的风险。从宏观上而言，在城市产业规划过程中识别高科技产业的产能设置，对于科学地提出相应的产能规划策略，从而减少重复投资、降低产能过剩具有重要的价值。同时，针对高科技产品的产能决策理论分析，可以推而广之应用到其他产业的产能策略分析中。在本书具体的研究中，针对高科技产品生产不确定性、销售可替代性、需求不确定性等特征，提取这些特征并在产品的不同生产方式（备货型生产、批量型生产等）下构建了企业的产能决策模型，试图通过微观的模型分析来研究企业产能管理的基本理论。

因此，本书是以半导体制造产业为代表的高科技产业为背景进行研究的。由于企业的产能取决于销售状况，因此，本书在微观研究阶段将产能决策与销售策略进行集成研究。具体而言，本书首先聚焦于多销售周期、多产品的高科技产品随机产销系统的产能管理和销售策略联合决策问题，分别针对备货型和批量型生产方式以及考虑客户生命周期价值的情况展开研究，提出的决策方案。为了分析问题，验证模型和理论成果的正确性，本书在研究中进行了仿真试验与分析。本书采用的微观技术研究内容主要包括以下几点。

（1）
在备货型生产方式下的产能规划策略。在备货型生产方式下，企业生产和销售不同步进行，企业按照市场预测组织生产并在销售季节开始前完成生产计划，产成品在销售季集中销售。针对此备货型生产方式，本书研究了单周期生产、多周期销售的情况，设定在每个销售周期每种产品的需求是独立的。因此，本问题的决策包括两点：产能计划和每个销售周期内各等级产品需求的满足量。该问题可构建为一个多参数的随机动态规划模型，其研究目标是使随机产销系统在整个产销阶段的总利润化。通过数理分析找到了在销售阶段的替代销售策略，然而由于模型的动态复杂性，求解的产能决策模型面临巨大的工作量。因此，在比较几个相似的销售策略基础上，求得对决策模型进行简化求解的算法。算例研究表明，得到的算法能够有效地降低求解的复杂度。

（2）
在批量型生产方式下的产能规划策略。在批量型生产方式下，企业按照一定的节拍生产，产成品出产后即可用于销售，企业根据每个生产节拍的产品预测制订生产计划。在批量型生产方式下，本书将研究多周期生产、多周期销售的产能决策问题，即企业按照一定的节拍生产，当批次产品出产后，产品销售阶段开始。按照生产节拍长度将销售阶段划分为相同的销售周期，由于客户需求是连续的，在每个销售周期对产品销售进行实时库存控制面临极大困难，因此采用ATP（availabletopromise）控制策略对产品分销进行实时决策。首先对两产品的销售问题展开研究，得到了基于ATP的产品销售方法。在此基础上，研究在多产品、多销售周期的情况下基于ATP的产能决策和产品替代销售策略，并通过算例验证了所提替代销售策略的有效性。

（3）
基于客户生命周期价值的产能决策研究。通过深入分析客户生命周期价值理论，将客户生命周期价值植入系统动力学系统模型中，证明了客户生命周期价值与企业产能决策的内在关联。此后，分析了原材料供应商控制的产业链产能控制问题，并以系统利润化为优化目标进行建模和求解。研究了将客户生命周期价值作为优化目标，证明了企业应该更加关注长期利润。

由于高科技产业生产制造的复杂性、随机性、动态性和销售时产品的替代性，进行多产品、多周期的产销决策建模和求解都面临困难，本书在研究中得到了一些优化方法和关键技术。与现有的相关文献相比，主要的技术创新点在于以下几点。

（1）
针对现有研究多将生产和销售阶段单独研究的现状，将随机产销系统的生产和销售两阶段相结合进行集成研究，并且针对采用备货型和批量型等不同生产方式的高科技产业企业，找到了不同的替代销售策略。

（2）
在备货型生产方式的企业产能决策研究中，针对随机动态规划模型求解的复杂性设计了精简算法，与传统算法相比，本书设计的算法能大幅降低求解运算量。

（3）
将系统动力学仿真应用于产能决策中，研究了生产产能与高科技产业企业利润的关系，并发现其利润水平在半导体新产品上市后不久就快速下滑的现象。与传统研究方法相比，基于系统动力学的仿真能够对难以建模优化的复杂系统问题进行直观显现的仿真和分析。

（4）
在批量型生产组织方式下的产能决策研究中，针对市场需求的连续性特征，提出了基于ATP理论的销售替代策略。通过与在理想情况下的生产效益对比，证明了本书所提出的基于ATP理论的销售控制策略具有较好的有效性。

本书的研究从微观上针对不同产品的特征和决策环境时生产与销售的决策规律，并在此基础上给出了不同场景下的高科技企业产能规划。在把握产业企业产能决策规律的基础上，城市产业规划者能够快速地评估产业潜能并提出相应的产能规划方案和引导策略。因此，本书的理论研究为城市高科技产业产能规划与政策调控提供了决策工具。

韩广华

上海交通大学国际与公共事务学院

上海交通大学中国城市治理研究院

第3章在备货型生产方式下的产能决策问题

生产和销售不同步时的生产方式也常常称为备货型生产，即企业在对产品市场需求进行预测的基础上，制定相应的产能决策并在销售期开始前完成产品的生产。产品销售期开始后，企业将产品营销到市场。与此同时，考虑到靠科技产品常具有的产品替代特征，本章同样以高科技半导体产业为例，分析在备货型生产方式下的产能制定策略。31概述硅是半导体行业中原始、关键的原材料。目前，多数的半导体芯片和晶体管都是用硅制成的。在半导体硅生产中首先，将多晶硅融解，从而拉成硅棒。其次，这些硅棒将被切割为一片片的晶圆。再次，将其他的半导体材料逐层放置在晶圆上，形成一个个单独的半导体芯片。由于电路板的复杂性，每个晶圆可以产出100~100 000个芯片。每个芯片再经过多个维度的专业检测，从而区分为不同等级的产品。进而，再经过数个工艺加工流程，产品才能够终完工（Kothari，1984；Bitran and Tirupati，1988）。正是由于以上半导体行业的特点，半导体生产企业面临产能投资庞大、生产产出率和需求的不确定性，以及较短的产品生命周期（大约一两年）等抉择因素，与此同时，将要面临比较长的生产提前期和在初的6~7个月面临60%贬值风险的困境。由于半导体制造设备投资巨大，需要具有很高的设备利用率，因此，如何在不确定性的条件下进行合理的产能管理一直是非常重要的研究内容。由于制造过程非常复杂，产品性能不稳定，因而要根据产品性能将产品分为若干等级，这些不同等级产品的产出率显然是随机的。在某个需求周期，如果低品质产品不能满足需求，半导体企业可将高等级的产品替代低品质的产品。在每次替代决策做出前，要考虑产品存量和以后周期的产品需求。类似的决策在其他行业也有较多的应用，如汽车租赁行业、宾馆房间安排、航空公司经济舱和头等舱配置等。在本章的研究中，设定企业在生产阶段集中生产，而在销售阶段进行销售。这种产销方式在高科技产品的生产中较为常见。企业首先在生产阶段确定企业生产系统的产能，生产系统按照随机性的产出率生产出不同等级的产品，这些产品在销售阶段销售，销售阶段可以划分为不同的销售周期，在每个销售周期不同的产品具有独立随机需求。企业根据当前和未来周期的产品需求对不同的需求进行销售。企业需要决策的是产能和销售策略。其生产和销售过程如图31所示。
图31生产和销售过程