陳旭忠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.大同煤礦集團(tuán)公司,山西省大同市,037003)

基于情景分析法的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)決策理論模型研究?

陳旭忠1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.大同煤礦集團(tuán)公司,山西省大同市,037003)

選擇某集團(tuán)下屬大型礦井為對(duì)象,闡述了煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的定義并采用情景分析法劃分了兩種決策情境。分析指出,當(dāng)前煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)決策存在決策主體分散、決策模式落后等問題,且市場(chǎng)供需環(huán)境直接影響生產(chǎn)決策目標(biāo);煤礦的理性生產(chǎn)決策為供大于求情境下追求成本最小化、供小于求情境下追求利潤最大化;基于模糊集理論,采用動(dòng)態(tài)線性規(guī)劃、狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程分別構(gòu)建出成本最小化和利潤最大化的決策理論模型,為提高煤炭企業(yè)的生產(chǎn)決策科學(xué)性和有效性提供解決思路。

生產(chǎn)系統(tǒng) 決策模型 情景分析 成本最小化 利潤最大化

當(dāng)前,煤炭行業(yè)在經(jīng)歷“黃金十年”的持續(xù)高速發(fā)展后開始表現(xiàn)出需求增速放緩、超前產(chǎn)能和庫存消化、環(huán)境約束強(qiáng)化和行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整“四期并存”的新形勢(shì),加之國民經(jīng)濟(jì)的緩速發(fā)展決定了短期內(nèi)煤炭市場(chǎng)供大于求的態(tài)勢(shì)很難改變,如何調(diào)整煤炭企業(yè)傳統(tǒng)的以量補(bǔ)價(jià)生產(chǎn)決策模式來適應(yīng)煤炭行業(yè)面臨的新常態(tài)顯得尤為重要。基于此,文章首先對(duì)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行界定,指出當(dāng)前煤礦生產(chǎn)決策存在的問題;其次運(yùn)用情景分析方法,定性刻畫出不同市場(chǎng)情境下的決策的問題及目標(biāo);最終構(gòu)建出各情境下的決策理論模型,旨在為煤炭企業(yè)提高生產(chǎn)決策的科學(xué)性和有效性提供理論依據(jù)。

1 煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)

通常,在社會(huì)活動(dòng)以及各種學(xué)術(shù)領(lǐng)域中,生產(chǎn)系統(tǒng)(Production System)經(jīng)常被使用,根據(jù)不同的研究需要,國內(nèi)外專家的概念界定也存在差異:按照煤炭生產(chǎn)的一般流程,將煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為地面生產(chǎn)系統(tǒng)和井下生產(chǎn)系統(tǒng)兩部分;按照生產(chǎn)系統(tǒng)具備的一般功能,將煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為管理系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng),且應(yīng)具備質(zhì)量功能、成本管控功能、交貨期功能、創(chuàng)新功能及柔性功能等;按照信息流特點(diǎn),生產(chǎn)系統(tǒng)是由生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。

通過以上分析,煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是指煤礦在開采區(qū)投入勞動(dòng)、土地、資本等生產(chǎn)要素,通過掘進(jìn)、采煤、洗選加工、運(yùn)輸、銷售等一系列生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)和過程的總稱。同時(shí)根據(jù)波特的價(jià)值鏈理論,將其劃分為原煤開采、洗選加工和運(yùn)銷3個(gè)環(huán)節(jié)。

當(dāng)前煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)存在的主要問題為:

(1)各環(huán)節(jié)決策是相互獨(dú)立的,且決策主體分散。以大型煤炭企業(yè)的下屬煤礦為例,原煤開采、洗選加工和運(yùn)銷階段的生產(chǎn)決策的主體各不相同,這導(dǎo)致煤企無法及時(shí)根據(jù)市場(chǎng)狀況來調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃,進(jìn)而使得生產(chǎn)決策的有效性降低。

(2)生產(chǎn)決策的模式相對(duì)粗放。當(dāng)前大部分煤企決策層主要依靠自身生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)來制定下一階段的生產(chǎn)計(jì)劃,決策過程缺乏科學(xué)的決策方法和決策手段,這加大了生產(chǎn)決策的風(fēng)險(xiǎn)性,不利于煤礦生產(chǎn)長期穩(wěn)定的發(fā)展。

(3)大部分煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)決策都缺乏有力的決策支持平臺(tái),煤礦的信息化水平成為制約生產(chǎn)決策的重要因素。

2 情景分析法

文章采用情景分析方法來解決上述存在的問題。情景分析法是由美國蘭德公司的赫爾曼·卡恩(Herman Kahn)最早提出和使用的,他認(rèn)為事物未來的發(fā)展結(jié)果和形成各種結(jié)果的關(guān)鍵影響因素及路徑是多樣的,對(duì)未來可能出現(xiàn)的結(jié)果及路徑的描述,就構(gòu)成了一個(gè)情景。20世紀(jì)70年代后,情景分析法被國外學(xué)者廣泛應(yīng)用于社會(huì)公共政策、企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃等領(lǐng)域,尤其是20世紀(jì)80年代初,殼牌石油公司成功運(yùn)用情景分析法,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出石油產(chǎn)能過剩的結(jié)論,進(jìn)而及時(shí)出售所有的石油儲(chǔ)備,并在隨后石油市場(chǎng)蕭條期公司排名從世界第六上升到世界第二。

我國學(xué)者對(duì)情景分析法的研究起步較晚,主要集中在情景設(shè)計(jì)的方法和步驟方面。情景分析法的主要作用在于可向決策者提供多種未來的可能,使決策者發(fā)現(xiàn)未來變化的某些趨勢(shì)或規(guī)律,從而提前擬定應(yīng)對(duì)方案,確保企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 決策情景設(shè)計(jì)

3.1 決策情景分析

在采用情景分析構(gòu)建煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)決策理論模型前,需要首先確定決策對(duì)象,明確煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的決策問題和決策前提,進(jìn)而得出情景劃分標(biāo)準(zhǔn)和情景假設(shè),最終描述出情景分析方案及對(duì)應(yīng)的決策目標(biāo),具體情景分析框架見圖1所示。

圖1 煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)決策情景分析框架

(1)決策對(duì)象和決策前提。目前國內(nèi)的煤礦企業(yè),由于經(jīng)營性質(zhì)、生產(chǎn)規(guī)模、業(yè)務(wù)種類的不同,可以劃分為多個(gè)類型。不同類型的煤炭企業(yè),擁有不同的煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)。基于作者自身工作經(jīng)歷,設(shè)決策對(duì)象為某煤礦集團(tuán)公司下的單個(gè)大型井工煤礦。

根據(jù)微觀廠商均衡理論,假定生產(chǎn)決策的前提為單個(gè)煤礦會(huì)根據(jù)市場(chǎng)供需狀況做出“理性人”決策,其所追求的唯一目標(biāo)是自身經(jīng)濟(jì)利益的最大化。

(2)決策問題。決策對(duì)象是單一的井工煤礦,其利潤主要是主營業(yè)務(wù)利潤,即主營業(yè)務(wù)收益減去主營業(yè)務(wù)支出,不考慮其他利潤構(gòu)成。同時(shí)作為煤炭企業(yè),總成本主要由原煤開采成本、洗選加工成本、運(yùn)輸銷售成本及相關(guān)的管理費(fèi)用和其他支出共同決定。

通過上述決策對(duì)象及決策前提可知,煤炭企業(yè)所有生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)的最終目標(biāo)是追求企業(yè)的利益最大化,可通過利潤最大化和成本最小化兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn),其中成本最小化重點(diǎn)考察生產(chǎn)過程,利潤最大化重點(diǎn)考察外部市場(chǎng)。因此,決策問題分為:何種條件下實(shí)現(xiàn)利潤最大化,且對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量水平如何;何種條件下追求成本最小化,實(shí)現(xiàn)成本最低時(shí)煤礦的利潤如何。

(3)情景劃分標(biāo)準(zhǔn)。自2012年以來,煤炭需求大幅下滑使得煤炭企業(yè)以往的鋪攤子、擴(kuò)規(guī)模來以量補(bǔ)價(jià)的生產(chǎn)決策模式難以為繼,煤炭企業(yè)的決策重點(diǎn)也從依靠數(shù)量、速度來追求利潤最大化轉(zhuǎn)向了依靠質(zhì)量、集約型發(fā)展來實(shí)現(xiàn)成本最小化,這表明煤炭市場(chǎng)總體供需狀況直接影響著單個(gè)微觀決策主體的決策目標(biāo)。

鑒于此,令γ表示供需比,即市場(chǎng)的總供給量和總需求量的比值:

式中:CS——總供給量;

CD——總需求量。

γ＞1說明市場(chǎng)上供大于求,可能會(huì)出現(xiàn)煤炭庫存高位運(yùn)行、煤礦非滿負(fù)荷生產(chǎn),會(huì)考慮減產(chǎn)、降價(jià)等方式來應(yīng)對(duì);γ≤1說明供小于求,市場(chǎng)行情較好,煤企會(huì)考慮提高產(chǎn)量或擴(kuò)大產(chǎn)能等方式來獲得更多利潤。因此,決策情景分為兩種:供大于求市場(chǎng)環(huán)境下的決策,記為A情景;供小于求市場(chǎng)環(huán)境下的決策,記為B情景。

3.2 情景假設(shè)分析

根據(jù)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的概念和決策的動(dòng)態(tài)性特征,為保證分析的科學(xué)性和邏輯性,提出情景模擬的假設(shè)條件:

(1)研究的單個(gè)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是封閉的,其生產(chǎn)決策不受其他煤礦生產(chǎn)決策的影響,該礦井屬于平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài);

(2)假設(shè)煤炭市場(chǎng)屬于完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng),單個(gè)煤礦的產(chǎn)量改變不會(huì)影響市場(chǎng)總體供需,且決策者能掌握與決策有關(guān)的市場(chǎng)信息;

(3)假設(shè)煤礦生產(chǎn)的供需與煤炭市場(chǎng)供需同向變化,即煤炭市場(chǎng)商品煤供不應(yīng)求時(shí),該煤礦生產(chǎn)的商品煤也處于供不應(yīng)求狀態(tài),反之亦然;

(4)假設(shè)生產(chǎn)過程中所需主要原材料的市場(chǎng)價(jià)格穩(wěn)定。主要原材料是指煤炭開采及洗選加工階段所需的材料、配件等輔助性物品,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,該價(jià)格一般不會(huì)劇烈波動(dòng)且供應(yīng)量穩(wěn)定。

3.3 情景方案設(shè)置

在情景劃分和情景假設(shè)分析的基礎(chǔ)上,下面分別設(shè)置出A、B兩種情景方案,深入分析各情景下煤礦生產(chǎn)追求的決策目標(biāo)及約束條件等,進(jìn)而構(gòu)建出決策理論模型,幫助煤炭企業(yè)制定科學(xué)合理的生產(chǎn)決策。

(1)A情景(γ＞1)。當(dāng)前煤炭行業(yè)面臨的市場(chǎng)環(huán)境屬于此情景。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示,2014年底環(huán)渤海動(dòng)力煤價(jià)格指數(shù)(BSPI)5500K價(jià)格報(bào)收525元/t,與2011年的853元/t的最高值相差巨大。根據(jù)情景假設(shè)可知,市場(chǎng)供大于求時(shí),煤炭企業(yè)面臨價(jià)格低和高庫存的境遇,在此情景下煤礦的理性決策是:在保證供應(yīng)的前提下,通過合理安排生產(chǎn),嚴(yán)格控制企業(yè)的產(chǎn)量和生產(chǎn)成本,降低庫存量和庫存成本,進(jìn)而保證企業(yè)的預(yù)期利潤。因此, A情景方案描述為:在保證供應(yīng)的前提下,通過決策每期的生產(chǎn)量,實(shí)現(xiàn)成本最小化。

(2)B情景(γ≤1)。此情景下,煤礦企業(yè)產(chǎn)品供不應(yīng)求,不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品積壓,不存在庫存成本,并且每增加單位產(chǎn)品量,企業(yè)都會(huì)獲得超額利潤。煤礦生產(chǎn)的理性最優(yōu)決策是通過提高產(chǎn)量來保證煤礦預(yù)期利潤。因此B情景方案描述為:在產(chǎn)能、運(yùn)力等約束下通過最大化銷量來實(shí)現(xiàn)企業(yè)利潤最大化。

4 生產(chǎn)系統(tǒng)決策理論模型

4.1 A情景——成本最小化

基于上述劃分的A情景(煤炭市場(chǎng)供大于求),運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法構(gòu)建成本最小化的理論模型。該情境下煤礦成本決策理論模型的假設(shè):一個(gè)完整的生產(chǎn)周期的期初和期末無庫存;企業(yè)在每個(gè)生產(chǎn)時(shí)段都要保證供應(yīng),不存在缺貨現(xiàn)象;每個(gè)階段的產(chǎn)量是有上限的,受產(chǎn)能等因素的約束;每時(shí)段末的庫存量不大于以后時(shí)段的需求之和。具體煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的成本最小化決策理論模型如下:

式中:C——計(jì)劃期的總成本;

t＝1,2,…,T——一個(gè)完整的計(jì)劃期劃分為的t個(gè)時(shí)段;

xt——t時(shí)段的產(chǎn)量;

ct(xt)——變動(dòng)成本函數(shù),當(dāng)xt＝0時(shí),ct(0)＝0;

vt——t時(shí)段末的庫存量;

dt——t時(shí)段的需求量;

C0——固定成本;

Xt——每階段的煤礦生產(chǎn)能力;

ht(vt)——庫存成本函數(shù),設(shè)單位庫存成本為h0,則ht(vt)＝h0×vt。

模型中vt＝vt－1＋xt－dt,t＝1,2,…,T為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,若用最優(yōu)值函數(shù)ft(vt)表示從第1時(shí)段初始庫存量為0到第t時(shí)段末庫存量為vt時(shí)的最小總費(fèi)用,則上述模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和邊界如下:

由vt＝vt－1＋xt－dt即vt－1＝vt＋dt－xt,且第t－1時(shí)段末的庫存量vt－1為非負(fù)可知,vt－1＝vt＋dt－xt≥0即xt≤vt＋dt;同時(shí),由本模型的假設(shè)可知,0≤xt≤Xt,令σt＝則有第t時(shí)段的產(chǎn)量0≤xt≤σt。

利用上述邊界條件和狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程,對(duì)于每個(gè)時(shí)段t,計(jì)算出ft(vt)中的vt在0≤vt≤ω且ωt范圍內(nèi)的值,最后得的fT(vT)即為所求的最小成本。

4.2 B情景——利潤最大化

B情景(供小于求)下煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的決策目標(biāo)函數(shù)為利潤最大化,決策理論模型的假設(shè):在計(jì)劃期內(nèi),煤礦保持較穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài);不考慮消耗的原料價(jià)格變動(dòng),且原料在各時(shí)段初到貨,不會(huì)發(fā)生短缺;原煤入洗后洗出的煤炭統(tǒng)稱為精煤,模型中不考慮配煤的情況,未入洗原煤按照洗出率為1計(jì)算;煤炭產(chǎn)品的交貨期發(fā)生在各時(shí)段末,當(dāng)期產(chǎn)品能滿足期初客戶需求,且期末不產(chǎn)生煤炭庫存。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的利潤最大化決策理論模型如下:

式中:N——煤炭產(chǎn)品種類數(shù);

Pi——第i種商品煤的銷售價(jià)格,且其在計(jì)劃期內(nèi)保持不變;

λit——第t時(shí)段第i種煤炭產(chǎn)品的洗出率;

λ?t——第t時(shí)段內(nèi)原煤的入洗率;

θit——第t時(shí)段初客戶需求量;

Yt——第t時(shí)段初煤礦洗選能力;

Zt——第t時(shí)段初運(yùn)輸能力。

模型中因煤炭產(chǎn)品需求預(yù)測(cè)的不確定性,期初客戶需求量設(shè)為模糊變量,同時(shí)因原煤開采階段單位變動(dòng)成本的不穩(wěn)定性,將其劃分為隨時(shí)間變動(dòng)的單位可變成本和固定的單位可變成本,并將前者設(shè)為模糊變量。對(duì)上述模型進(jìn)行優(yōu)化后得到利潤最大化決策理論模型為:

需說明的是,模糊變量ωit和φt對(duì)應(yīng)的變動(dòng)范圍[a,m,b]和可利用變量的歷史數(shù)據(jù)和專家頭腦風(fēng)暴等方法來確定的。

5 結(jié)語

為改變傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主義決策模式、提高煤礦生產(chǎn)決策的科學(xué)性和合理性,首次將原煤開采、洗選加工和運(yùn)銷三個(gè)階段的決策放在同一生產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行,采用情景分析法按照煤炭市場(chǎng)供需比劃分為兩個(gè)決策方案:一是供大于求情境下追求成本最小化,一是供小于求情境下追求利潤最大化。

根據(jù)煤礦生產(chǎn)實(shí)際發(fā)生的產(chǎn)量、入洗量、銷量及各項(xiàng)成本間的關(guān)系,構(gòu)建出成本最小化和利潤最大化的決策理論模型,具有較好的可操作性和理論價(jià)值,各煤企可根據(jù)下屬煤礦的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而指導(dǎo)其制定產(chǎn)量 和成本決策。在上述理論模型運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中,煤企還應(yīng)注重信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高煤礦生產(chǎn)決策的數(shù)據(jù)共享能力,以使決策者對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)做到全面、及時(shí)和準(zhǔn)確的監(jiān)控,最終實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)決策的科學(xué)性和有效性。

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Study on decision theoretical model of the coal mine production system based on scenario analysis

Chen Xuzhong1,2
(1.School of Management,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037003,China)

In order to adapt to the new normal of coal industry,the article selects a group subordinate large mine as the object,defines the coal mine production system and uses the scenario analysis method to divide into two decision-making situations.The analysis points out that the current coal mine production system decision-making problem such as decision-making dispersive,backward decision model.The market supply and demand directly affect the production decision goal so the rational coal production decisions-making are the pursuit of cost minimization in oversupply situation and the pursuit of profit maximization in short supply situation.Then this paper respectively constructs decision theory model of minimizing cost and maximizing profit; based on the fuzzy sets theory,dynamic linear programming and the state transition equation,aiming at improving the scientific and effectiveness of coal production decision.

production system,decision model,scenario analysis method,cost minimization,profit maximization

TD－9

A

陳旭忠(1971－),男,山西大同人,教授級(jí)高工,博士研究生,現(xiàn)任同煤集團(tuán)董事、副總經(jīng)理。

(責(zé)任編輯 張大鵬)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——煤炭市場(chǎng)仿真平臺(tái)及其在煤炭綠色發(fā)展政策設(shè)計(jì)與經(jīng)營決策中的應(yīng)用研究(71473250)