顧 小 林,浦 徐 進(jìn),曹文彬
(1.江南大學(xué),江蘇 無(wú)錫 214122;2.河海大學(xué),江蘇 南京210098)
目前食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)的特點(diǎn)是品種繁多、批量龐大,包括交貨期限、支付形式等許多不同因素。采購(gòu)模式是非信息對(duì)稱(chēng)博弈過(guò)程,響應(yīng)用戶(hù)需求時(shí)間緩慢,供需關(guān)系是短期的或臨時(shí)的,且競(jìng)爭(zhēng)多于合作,[1]對(duì)供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法進(jìn)行事前控制,因此導(dǎo)致采購(gòu)成本較高。
由此提出在食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)中采用網(wǎng)上反向拍賣(mài)采購(gòu)模式。這一模式不影響企業(yè)原有的供應(yīng)鏈管理模式,可以降低采購(gòu)成本,防止暗箱操作,特點(diǎn)是買(mǎi)方確定采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn),賣(mài)方進(jìn)行競(jìng)標(biāo),競(jìng)價(jià)過(guò)程中價(jià)格隨時(shí)間的推移不僅不上升反而下降,買(mǎi)方將待購(gòu)物品列出,賣(mài)方通過(guò)競(jìng)價(jià)獲得訂單,買(mǎi)賣(mài)雙方簽訂采購(gòu)合同,可以對(duì)采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到降低采購(gòu)成本的目的。[2]
(1)規(guī)定建立食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)模型的若干前提
在此實(shí)施食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)及建立模型的前提,需要以下幾個(gè)方面均符合。[3]第一,在規(guī)定時(shí)間內(nèi),各投標(biāo)供應(yīng)商密封并提交其標(biāo)書(shū),投標(biāo)供應(yīng)商中采購(gòu)成本最低的中標(biāo)。第二,限制每個(gè)供應(yīng)商單項(xiàng)產(chǎn)品供應(yīng)量的上限、下限及供應(yīng)總量的上限、下限。第三,每種產(chǎn)品的采購(gòu)數(shù)量較大,供應(yīng)商因此可以進(jìn)行價(jià)格折扣。第四,每個(gè)供應(yīng)商對(duì)若干種或所有的采購(gòu)合同競(jìng)標(biāo)。第五,不同質(zhì)產(chǎn)品的采購(gòu)合同由多個(gè)供應(yīng)商競(jìng)標(biāo)。第六,同一時(shí)間拍賣(mài)多個(gè)不同質(zhì)產(chǎn)品的采購(gòu)合同。第七,限制中標(biāo)的供應(yīng)商人數(shù)。第八,采購(gòu)方只有一個(gè)。
(2)食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商的供應(yīng)函數(shù)
通常供應(yīng)商供應(yīng)產(chǎn)品的單位價(jià)格是采購(gòu)量的下降階梯函數(shù),供應(yīng)函數(shù)見(jiàn)公式1。[4]
其中,供應(yīng)參數(shù)是{(l,Q1,Q2,Q3,h),(Z1,Z2,Z3,Z4)}。[l,h]是供應(yīng)商的供應(yīng)能力區(qū)間,Qi(i=1,2,3)、Zi(i=1,2,3,4)、l和 h 是正值常數(shù),l
(3)食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)最優(yōu)供應(yīng)模式的模型
假定一個(gè)食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)商為了滿(mǎn)足采購(gòu)需求以及采購(gòu)價(jià)格最低,借助采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)模式采購(gòu)食用農(nóng)產(chǎn)品,在眾多供應(yīng)商提供的多種食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)情況中,采購(gòu)商需要決策選擇最佳的一組供應(yīng)模式組合,由此建立食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)的最優(yōu)組合供應(yīng)模式的數(shù)學(xué)模型,以便進(jìn)行智能決策,數(shù)學(xué)模型[5]如下所示。
其中相關(guān)符號(hào)定義如下:M定義為需要采購(gòu)的農(nóng)產(chǎn)品種類(lèi)數(shù)量;Qm定義為每種農(nóng)產(chǎn)品的需求量;V=(a1v,a2v,…,amv)定義為對(duì) M 種農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)數(shù)量為v的供應(yīng)模式;N定義為供應(yīng)商的數(shù)目;Vn定義為供應(yīng)商n的供應(yīng)模式集合;定義為第n個(gè)供應(yīng)商對(duì)第m個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)量的下限;定義為第n個(gè)供應(yīng)商對(duì)第m個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)量的上限。
則供應(yīng)商n提供農(nóng)產(chǎn)品總量的限制定義為:
對(duì)第n個(gè)供應(yīng)商提供數(shù)量為v的采購(gòu)成本定義為:
相關(guān)決策變量定義如下:
式(2)目標(biāo)函數(shù)表明采購(gòu)成本需達(dá)到極小,式(3)約束限制了食用農(nóng)產(chǎn)品的采購(gòu)需求,式(4)限制了每個(gè)食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商對(duì)某個(gè)食用農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)數(shù)量,式(5)限定每個(gè)食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商有且只有一種供應(yīng)模式,式(6)限制了符合標(biāo)的的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商人數(shù),式(7)約束了食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商的模式選擇。上述式(2)~(7)表明需求解0-1整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。
由式(2)~(7)模型分析可以得出,隨著供應(yīng)商數(shù)量N及采購(gòu)食用農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量M的增加,食用農(nóng)產(chǎn)品多物品采購(gòu)合同供應(yīng)模式的組合數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。為了滿(mǎn)足食用農(nóng)產(chǎn)品的采購(gòu)需求以及實(shí)現(xiàn)采購(gòu)價(jià)格最低,食用農(nóng)產(chǎn)品多個(gè)供應(yīng)商的供應(yīng)模式組合具備組合意義,理論上最優(yōu)組合供應(yīng)模式存在并可解。[6]
求解食用農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)組合供應(yīng)模式的問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為兩個(gè)層面的優(yōu)化問(wèn)題,[7]如圖1所示。
圖中,上層是求解食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商的組合優(yōu)化問(wèn)題,下層是求解在限定供應(yīng)商范圍內(nèi)的多種物品最優(yōu)組合的供應(yīng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)一個(gè)食用農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)組合供應(yīng)模式確定的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的多次循環(huán)調(diào)用,來(lái)求解下層優(yōu)化問(wèn)題,下層優(yōu)化問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果用于解決上層優(yōu)化問(wèn)題。[8]但是在求解上層優(yōu)化問(wèn)題時(shí)存在NP難題,因?yàn)槿绻秤棉r(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)商人數(shù)N太大,則從N中選取b(L≤b≤H)的組合數(shù)過(guò)大,于是求解0-1整數(shù)規(guī)劃模型形成NP難題。[9]自適應(yīng)遺傳算法可用于求解變長(zhǎng)染色體的離散組合優(yōu)化問(wèn)題,且求解組合優(yōu)化問(wèn)題較傳統(tǒng)算法效果較為明顯,[10]在此采取基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法對(duì)上述0-1規(guī)劃模型求解。[11]
(1)基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法
OO(One to One)競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法的主要思想,是在遺傳算法中借助Player Killing賽式的競(jìng)爭(zhēng)篩選尋找全局最優(yōu)解。執(zhí)行變異操作前即時(shí)檢測(cè)全程最優(yōu)解,并且配合交叉率自適應(yīng)地動(dòng)態(tài)調(diào)整個(gè)體粒度,以避免算法陷入局部極值點(diǎn),而且減少退化現(xiàn)象,同時(shí)引入復(fù)活賽機(jī)制,提高算法收斂到全局最優(yōu)解的概率。[12]
圖1 食用農(nóng)產(chǎn)品多物品最優(yōu)組合供應(yīng)模式兩層優(yōu)化
基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法有以下特點(diǎn):
①?gòu)乃惴▋?nèi)部解決遺傳算法的局部搜索能力不足問(wèn)題。傳統(tǒng)上均從外部引入優(yōu)化算法,[13]基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法不從外部引入任何方法,而是在算法中首先設(shè)置較大的交叉率與變異率,可以提高全局及局部的搜索能力。[14]其次,變異算子僅當(dāng)算法檢測(cè)到當(dāng)前代種群的最佳適應(yīng)度和父代對(duì)比未改進(jìn)時(shí),才參與執(zhí)行變異并進(jìn)行局部搜索。
②提高了算法搜索到全局最優(yōu)解的概率。此算法采取兩種方式,首先設(shè)定較大的種群規(guī)模,有利于提高全局搜索效率。其次采用復(fù)活賽機(jī)制,復(fù)活賽機(jī)制中借助選擇算子配合替換算子來(lái)實(shí)現(xiàn),在算法執(zhí)行過(guò)程中,每一代的最優(yōu)個(gè)體取代最劣個(gè)體,在算法結(jié)束的前一代剩下一優(yōu)一劣兩個(gè)個(gè)體,兩個(gè)個(gè)體執(zhí)行替換操作后變得相同,當(dāng)進(jìn)行選擇操作時(shí),兩個(gè)個(gè)體都進(jìn)入下一代的進(jìn)化并進(jìn)行下一輪的競(jìng)賽。引入復(fù)活賽機(jī)制提高了全局最優(yōu)解與全程最優(yōu)個(gè)體吻合的概率。[15]
③交叉率與變異率的自適應(yīng)調(diào)整細(xì)化到了個(gè)體粒度上。傳統(tǒng)方法交叉率與變異率的自適應(yīng)調(diào)整局限在種群粒度上,而在此算法中,每一代每一種群中的每一個(gè)體的交叉率及變異率,均依據(jù)自身的適應(yīng)度和當(dāng)前種群的平均適應(yīng)度進(jìn)行自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在此是求適應(yīng)度函數(shù)的最小值,則交叉率與變異率分別按式(14)設(shè)置,即當(dāng)本代平均適應(yīng)度小于被選中進(jìn)行交叉的兩個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度時(shí),則交叉率自動(dòng)升高,反之則自動(dòng)降低,減少進(jìn)化過(guò)程中的退化現(xiàn)象。
④適應(yīng)度函數(shù)不再局限于非負(fù)的范圍,在此將目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù),避免了目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)相互轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生的映射誤差,不僅降低了轉(zhuǎn)換計(jì)算的復(fù)雜度,而且提高了算法的效率。[16]
⑤采用不同于傳統(tǒng)的方法設(shè)定初始種群規(guī)模。種群規(guī)模會(huì)影響傳統(tǒng)遺傳算法的運(yùn)算效率,過(guò)大的種群規(guī)模會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)及算法收斂非常緩慢,而過(guò)小的種群規(guī)模會(huì)導(dǎo)致搜索能力不足及找不到全局最優(yōu)解。而在此算法中,初始種群規(guī)模越大,算法的搜索能力越強(qiáng),因?yàn)榉N群規(guī)模幾乎以減半的速度隨算法的運(yùn)行不斷減小。[17]
⑥總體的進(jìn)化策略與傳統(tǒng)遺傳算法不同。此算法在進(jìn)化過(guò)程中,不再固定種群規(guī)模,同時(shí)不再限定進(jìn)化代數(shù),系統(tǒng)通過(guò)個(gè)體的競(jìng)爭(zhēng),自動(dòng)選擇更符合優(yōu)化目標(biāo)的個(gè)體進(jìn)入下一代。采用這種選擇策略結(jié)合最優(yōu)個(gè)體保存策略,隨著進(jìn)化代數(shù)的增加種群規(guī)模不斷減小,直至最后只剩下一個(gè)全程最優(yōu)個(gè)體,即為全程最優(yōu)解。此進(jìn)化篩選策略保證算法能夠以極快的速度收斂。
(2)基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法的編碼方法
基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法的編碼方法采取二元組編碼,[18]一個(gè)染色體個(gè)體可用X=[(i1,d1),(i2,d2),…,(im,dm)]表示。其中im代表基因座編號(hào),對(duì)應(yīng)的基因值是dm。其值的選取需符合染色體兩個(gè)方面的要求:
①染色體長(zhǎng)度的要求。在此設(shè)定常規(guī)染色體的長(zhǎng)度為H,最短染色體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。用im∈I={1,2,…,H}表示基因座編號(hào),用 dm∈D={1,2,…,N}表示某一標(biāo)書(shū)的編號(hào),即是對(duì)應(yīng)的基因值。
②染色體中基因座對(duì)應(yīng)基因值的要求。因?yàn)長(zhǎng)表示染色體的最短長(zhǎng)度,所以對(duì)某個(gè)單項(xiàng)農(nóng)產(chǎn)品假定有L個(gè)供應(yīng)商,采購(gòu)商對(duì)該項(xiàng)農(nóng)產(chǎn)品的需求,通過(guò)L個(gè)供應(yīng)商對(duì)該項(xiàng)農(nóng)產(chǎn)品的總供應(yīng)能夠得到滿(mǎn)足。為了符合染色體的要求,在基因值對(duì)應(yīng)供應(yīng)商的供應(yīng)模式中,對(duì)每種農(nóng)產(chǎn)品至少有L個(gè)供應(yīng)商進(jìn)行供應(yīng)。
(3)適應(yīng)度函數(shù)
此算法把適應(yīng)度函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)。[19]因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化問(wèn)題大多數(shù)都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)值函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。
給定一個(gè)染色體等于給定了一組固定的供應(yīng)商集合,由此可以用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法算出該組供應(yīng)商的最優(yōu)組合供應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值。
對(duì)于求最小值的問(wèn)題,目標(biāo)函數(shù)f(X)可為如下適應(yīng)度函數(shù)F(X):
其中,Cmax是本代染色體中目標(biāo)函數(shù)的最大值。
(4)設(shè)定交叉率和變異率
在基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法中,遺傳操作的控制變量是根據(jù)個(gè)體的評(píng)估賦值情況隨時(shí)修正的。交叉率與變異率根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)分別按如下公式計(jì)算。[20]
(5)基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略自適應(yīng)遺傳算法的計(jì)算步驟
第一步:初始化。設(shè)置種群規(guī)模SP、交叉率pc、變異率 pm,置 m=0;隨機(jī)生成初始種群 POP(0)={X1,X2,…,Xm};對(duì)于第二層優(yōu)化, 用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確求解,對(duì)每個(gè)個(gè)體解碼,計(jì)算每個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值,設(shè)置初始?xì)v史最好解 X(*),最優(yōu)目標(biāo)值 F(*)=F(X(*))。
第二步:m=m+1。當(dāng)種群規(guī)模大于1時(shí),用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確求解進(jìn)行第二層優(yōu)化,對(duì)每個(gè)個(gè)體解碼,計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)F(Xj),按由大到小順序排列。
第三步:執(zhí)行雜交操作。由上面給出的雜交算子產(chǎn)生中間后代,用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確求解進(jìn)行第二層優(yōu)化,求出中間后代的適應(yīng)度以及所有中間后代中的最優(yōu)個(gè)體。
第四步:記錄到當(dāng)前代為止最符合優(yōu)化目標(biāo)個(gè)體的最小適應(yīng)度。如果新的最優(yōu)目標(biāo)值與歷史最優(yōu)目標(biāo)值相等,則執(zhí)行變異操作。由上面給出的變異算子對(duì)每一個(gè)被選的后代進(jìn)行變異,產(chǎn)生后代。用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確求解進(jìn)行第二層優(yōu)化,求出變異后代的適應(yīng)度。
第五步:當(dāng)?shù)趇個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度小于等于當(dāng)前代種群的平均適應(yīng)度時(shí),進(jìn)行選擇操作。由上面給出的選擇算子,在當(dāng)前種群和所有后代中選出最優(yōu)個(gè)體。記錄新的最優(yōu)目標(biāo)值、最劣值,用歷史最優(yōu)目標(biāo)值代替最劣值。
第六步:當(dāng)種群規(guī)模大于SP時(shí),輸出最優(yōu)解X(*)及最優(yōu)目標(biāo)值 F(X(*)),進(jìn)化結(jié)束。
否則結(jié)束本次循環(huán),轉(zhuǎn)第二步。
在計(jì)算機(jī)上對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行仿真,實(shí)驗(yàn)環(huán)境是Windows XP,編程語(yǔ)言為Java,編制基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略自適應(yīng)遺傳算法,此問(wèn)題用“標(biāo)書(shū)數(shù)/待組合反向拍賣(mài)采購(gòu)的食用農(nóng)產(chǎn)品數(shù)/允許中標(biāo)的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商人數(shù)區(qū)間”描述,在此列舉一個(gè)由20/8[3,6]組成的多食用農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)組合供應(yīng)模式說(shuō)明,其中20是供應(yīng)商的標(biāo)書(shū)個(gè)數(shù),8是待組合反向拍賣(mài)采購(gòu)的食用農(nóng)產(chǎn)品種類(lèi)數(shù),[3,6]是允許中標(biāo)的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商人數(shù)區(qū)間。
在此食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商的標(biāo)書(shū)標(biāo)號(hào)分別用1~20表示,食用農(nóng)產(chǎn)品種類(lèi)分別用英文字母S1~S8表示。表1是食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同的信息,其中規(guī)定了食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商對(duì)每種產(chǎn)品提供數(shù)量的下限和上限,基于OO競(jìng)爭(zhēng)策略自適應(yīng)遺傳算法的參數(shù)Pc=0.95,Pm=1,SP=1000,表 2 給出食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同最優(yōu)組合供應(yīng)模式的計(jì)算結(jié)果。
表2中的后五列單元格內(nèi)的括號(hào)外數(shù)字表示此單元格所在列對(duì)應(yīng)的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商采購(gòu)此單元格所在行對(duì)應(yīng)食用農(nóng)產(chǎn)品的采購(gòu)量,括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示此單元格括號(hào)外的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商采購(gòu)量的采購(gòu)價(jià)格。
表1 食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同的信息
表2 最優(yōu)組合供應(yīng)模式的計(jì)算結(jié)果
最后中標(biāo)的食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商的標(biāo)號(hào)為(4,7,10,16,18)。 采購(gòu)總支出的計(jì)算過(guò)程如下:
采購(gòu)總支出=130*21+105*12+100*14+90*22+70*17+50*21+45*12+113*20+82*15+60*23+60*16+70*20+45*13+130*20+100*11+85*13+90*20+60*23+100*22+110*11+60*11+107*12+88*16+80*15=32782(元)。
綜上所述,一個(gè)由20/8[3,6]組成的多食用農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)組合供應(yīng)模式的采購(gòu)總支出為32782元。
在食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)采購(gòu)中采用網(wǎng)上反向拍賣(mài)采購(gòu)模式,從根本上對(duì)采購(gòu)方式及其交易模式進(jìn)行了變革,通過(guò)對(duì)食用農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)采購(gòu)合同的組合反向拍賣(mài)優(yōu)化降低了采購(gòu)成本,解決了目前供應(yīng)采購(gòu)中存在的問(wèn)題。
在食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)的優(yōu)化中,建立了食用農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)組合供應(yīng)模式的模型,設(shè)計(jì)了求解此模型的算法,算法包括第一層優(yōu)化采取動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法精確求解,第二層優(yōu)化采取OO競(jìng)爭(zhēng)策略的自適應(yīng)遺傳算法求解,并通過(guò)仿真實(shí)例證明了設(shè)計(jì)算法的有效性和模型的普適性。
食用農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)合同組合反向拍賣(mài)的優(yōu)化還需要進(jìn)一步完善,今后的研究可以從以下兩方面進(jìn)行:
在現(xiàn)有算法基礎(chǔ)上改進(jìn)算法。進(jìn)一步提高算法的收斂速度以及運(yùn)算效率。
在按需應(yīng)變環(huán)境下改進(jìn)模型及算法。為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的多變性,增強(qiáng)現(xiàn)有模型和算法的普適性和靈活性,需要改造現(xiàn)有模型和算法,構(gòu)建下層的仿真模型、設(shè)計(jì)上層的優(yōu)化算法以及提高仿真優(yōu)化的計(jì)算效率等。
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