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        乘法需求的兩階段供應(yīng)鏈優(yōu)化問題

        2016-08-01 03:31:25
        中國科技信息 2016年13期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)能力零售商供應(yīng)商

        董 琦

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        乘法需求的兩階段供應(yīng)鏈優(yōu)化問題

        董琦

        北京郵電大學(xué)理學(xué)院

        行業(yè)曲線

        本文針對面臨乘法隨機(jī)需求的季節(jié)性商品供應(yīng)鏈模型,提出使供應(yīng)鏈利潤最大化的零售商銷售價、進(jìn)貨量和供應(yīng)商生產(chǎn)能力的求解方法。在經(jīng)濟(jì)管理領(lǐng)域起到很大作用。

        如付諸現(xiàn)實(shí)將產(chǎn)生宏觀上促進(jìn)銷售行業(yè)供應(yīng)鏈運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

        本文中我們研究了季節(jié)性商品銷售的兩階段供應(yīng)鏈模型,此供應(yīng)鏈為單一供應(yīng)商和單一零售商,且零售商面對的隨機(jī)乘法需求模型。在銷售季到來之前的第一階段,供應(yīng)商根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和初步調(diào)查預(yù)測即將到來的市場需求,并由此決定對于此商品的預(yù)留生產(chǎn)能力,經(jīng)過一段時間預(yù)備期后進(jìn)入第二階段,供應(yīng)商和零售商更新市場需求,零售商決定進(jìn)貨量和售價。對于此供應(yīng)鏈,我們做出集中決策下的分析,在考慮第二階段時,為使整個供應(yīng)鏈的預(yù)期收益最大化,求得最優(yōu)的進(jìn)貨量和售價;然后考慮第一階段,求得最優(yōu)的預(yù)留生產(chǎn)能力。

        本文中,我們研究了集中決策下的優(yōu)化問題,此問題中,單一供應(yīng)商和零售商面臨季節(jié)性商品的市場需求,在銷售季到來之前,供應(yīng)商首先決定初始的預(yù)留生產(chǎn)能力,零售商的進(jìn)貨需求受到預(yù)留生產(chǎn)能力的影響,進(jìn)貨量超過預(yù)留生產(chǎn)能力的部分無法被滿足。我們將銷售季到來之前的時段分為兩個階段,第一階段由供應(yīng)商根據(jù)歷史銷售數(shù)據(jù)確定預(yù)留生產(chǎn)能力,進(jìn)而在第二階段由零售商確定進(jìn)貨量、售價并告知供應(yīng)商,供應(yīng)商收取生產(chǎn)費(fèi)用并生產(chǎn)貨物,運(yùn)送至銷售商,銷售季到來。對于整個供應(yīng)鏈,我們需要考慮如何協(xié)調(diào)供應(yīng)商和零售商以使得總利潤最大。

        報童模型和供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)性的研究由來已久。報童模型是供應(yīng)鏈研究的基礎(chǔ),在本文的模型中,零售商可以作為報童。報童問題的理論研究可以追溯到1888年,經(jīng)濟(jì)學(xué)家Edgeworth在研究銀行現(xiàn)金流的過程中引入了報童模型的概念。1955年,Whitin首先提出了受價格影響的需求模型,對本文影響最大的是1999年由Petruzzi和Dada提出的加法和乘法形式的需求函數(shù)模型。在供應(yīng)鏈問題的研究中,研究目標(biāo)著重放在優(yōu)化進(jìn)貨量和售價等參數(shù)上。對于季節(jié)性商品,決策者更傾向于以整個供應(yīng)鏈的收益最大化為目標(biāo),因?yàn)榇祟愋凸?yīng)鏈若無法在當(dāng)季正常運(yùn)行會帶來損失。2010年,F(xiàn)rank Chen等提出了兩階段供應(yīng)鏈模型,應(yīng)用了加法需求函數(shù),對進(jìn)貨量、售價等決策變量進(jìn)行了優(yōu)化并給出協(xié)調(diào)合同。

        本文中最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于對需求函數(shù)的改良,我們研究了以乘法需求函數(shù)為基礎(chǔ)的兩階段供應(yīng)鏈模型,并將預(yù)留生產(chǎn)能力作為不計(jì)成本的決策變量。在第二部分,我們給出了模型的參數(shù)假設(shè)和說明;在第三部分,我們給出了集中決策下的最優(yōu)化參數(shù)值;在第四部分,我們給出結(jié)論。

        參數(shù)假設(shè)

        m:供應(yīng)商的預(yù)留生產(chǎn)能力;

        D :市場需求隨機(jī)變量;

        p :零售商的單位銷售價格;

        q :供應(yīng)商向零售商提供的單位進(jìn)貨量;

        c :零售商在第二階段決定的單位銷售價格;

        u :未使用預(yù)留生產(chǎn)能力的單位回收價;

        v :未售出剩余商品的單位回收價;

        π:短缺商品的單位懲罰損失。

        關(guān)于模型我們做出以下幾點(diǎn)說明:

        1.需求函數(shù)的形式:

        其中,b>1;x是一個取非負(fù)值的隨機(jī)變量,其取值區(qū)間為[L, H],概率密度函數(shù)為f(x),概率分布函數(shù)和數(shù)學(xué)期望分別是F(x)和E(x)=μ;參數(shù)a在兩個階段中有不同意義:在第二階段,我們認(rèn)為a是一個正值常數(shù),因?yàn)樗梢杂蓺v史銷售數(shù)據(jù)得到,特別是它對決策變量的優(yōu)化并沒有影響;然而在第一階段,a被認(rèn)為是一個取正值的隨機(jī)變量,這是由于在考慮決策變量M的優(yōu)化時,a是一個重要的未知變量,此時,我們設(shè)定a是一個取值在[l, h]上的連續(xù)隨機(jī)變量,概率密度函數(shù)為g(?)。

        2.b是一個常數(shù),因?yàn)樗梢杂上嗤蛘呦嗨粕唐返臍v史銷售數(shù)據(jù)得到,所以在第一階段可以確定。

        3.隨機(jī)變量x 滿足:

        集中決策下的供應(yīng)鏈

        在這一部分,我們將研究集中決策下的供應(yīng)鏈模型,分為兩個階段。我們首先考慮第二階段,然后考慮第一階段。在第二階段,我們給定常數(shù)a,在此基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的進(jìn)貨量和銷售價;在第一階段,我們把a(bǔ)作為隨機(jī)變量,在此基礎(chǔ)上給出最優(yōu)的預(yù)留生產(chǎn)能力m。

        第二階段決策

        在第二階段,我們的目標(biāo)是在給定預(yù)留生產(chǎn)能力M的情況下尋找最優(yōu)的進(jìn)貨量和銷售價,最優(yōu)決策是通過分析整個供應(yīng)鏈的利潤函數(shù)得到,分為兩種情況:第一種情況是預(yù)留生產(chǎn)能力無限制,可以滿足進(jìn)貨量;另一種情況是預(yù)留生產(chǎn)能力不能滿足進(jìn)貨量。根據(jù)之前的參數(shù)假設(shè),在第二階段,我們將a作為取正值的常數(shù),用a? 表示,因此,需求函數(shù)為:

        預(yù)留生產(chǎn)能力無限制的情況

        在預(yù)留生產(chǎn)能力無限制時,q<M,我們令Π1(p, q)表示此時整個供應(yīng)鏈的利潤函數(shù);

        為了便于計(jì)算,我們定義安全存貨因子:

        此時,在利潤函數(shù)中我們用變量z 替換變量q ,同時規(guī)定,。那么,q<M時對應(yīng)的供應(yīng)鏈利潤Π的期望為:

        證畢。

        證明:根據(jù)引理1和引理2,我們有:

        由于b>1,μ>L ,所以,R(L)>0。

        接下來我們考慮R(z)的函數(shù)性質(zhì):

        根據(jù)引理1,

        因此,

        證畢。

        預(yù)留生產(chǎn)能力有限制的情況

        接下來我們考慮預(yù)留生產(chǎn)能力有限制的情況,即q≥M,我們令表示此時整個供應(yīng)鏈的利潤函數(shù)。由于進(jìn)貨量最多只可以達(dá)到預(yù)留生產(chǎn)能力的水平,因此此時實(shí)際上有q=M,利潤函數(shù)期望實(shí)際上只是價格p的函數(shù),即。則,

        它對隨機(jī)變量x的期望是:

        證明:根據(jù)E[Π2(p)]的表達(dá)式,我們可以得到:

        對上式進(jìn)行分析,我們可以認(rèn)為p>1,而由于,所以上式第三項(xiàng)為負(fù)值;第四項(xiàng)顯然也為負(fù)值。所以我們考慮前兩項(xiàng),若有,則可以得到,即是凹函數(shù),具有惟一的最優(yōu)值點(diǎn)p#,且滿足。根據(jù)條件成立。

        證畢。

        第一階段決策

        接下來我們返回第一階段的決策,即我們需要確定預(yù)留生產(chǎn)能力M的最優(yōu)值。這里我們需要討論作為隨機(jī)變量的參數(shù)a 與M 的關(guān)系,進(jìn)而得到M的最優(yōu)值M*。首先我們考慮M的取值范圍。令h*(a)=a[p(z*)]-b?z*,實(shí)際上,h*(a)就是第二階段在無預(yù)留生產(chǎn)能力限制情況下的最優(yōu)進(jìn)貨量。我們把它作為a的函數(shù),顯然,,所以h*(a)關(guān)于a單調(diào)遞增。直觀含義是當(dāng)市場規(guī)模較大時,最優(yōu)的進(jìn)貨量也應(yīng)該較大。那么h*(a)的取值范圍是[h*(l),h*(h)]。我們分別用和表示生產(chǎn)能力無限制和生產(chǎn)能力有限制情況下的供應(yīng)鏈最大預(yù)期收益。于是,整個供應(yīng)鏈的預(yù)期收益函數(shù)是:

        所以,

        根據(jù)上述分析,當(dāng)a=a(M*)時,我們有,

        證畢。

        說明:M*的取值有另外兩種情況,分析如下:

        在這種情況下,M*比最優(yōu)進(jìn)貨量的最大值還要大,即預(yù)留生產(chǎn)能力無限制。此時,供應(yīng)鏈?zhǔn)找娴哪繕?biāo)函數(shù)為:

        第二種情況:M*≤h*(l)。

        在這種情況下,M*比最優(yōu)進(jìn)貨量的最小值還要小,即預(yù)留生產(chǎn)能力有限制。此時,供應(yīng)鏈?zhǔn)找娴哪繕?biāo)函數(shù)為:

        所以在供應(yīng)鏈的第一階段的最優(yōu)預(yù)留生產(chǎn)能力惟一且在第二階段的最優(yōu)進(jìn)貨量是M*。

        綜上,我們可以根據(jù)定理1得到最優(yōu)的z*,并因此確定a(M*)與M*的函數(shù)關(guān)系,那么對于給定的M*,我們可以通過定理2確定p#;進(jìn)而由定理3求解出最優(yōu)的預(yù)留生產(chǎn)能力M*。

        結(jié)語

        我們考慮了基于乘法需求模型的兩階段供應(yīng)鏈優(yōu)化問題,優(yōu)化的目標(biāo)變量是進(jìn)貨量、銷售價和預(yù)留生產(chǎn)能力。我們考慮了兩種情況:預(yù)留生產(chǎn)能力無限制和有限制。在兩階段的模型設(shè)計(jì)中,第一階段為前期市場需求預(yù)測和確定預(yù)留生產(chǎn)能力,第二階段為成熟市場需求預(yù)測和確定進(jìn)貨量、銷售價。我們對此問題進(jìn)行優(yōu)化的順序是先確定兩種情況下第二階段的最優(yōu)進(jìn)貨量和銷售價,然后返回第一階段將兩種情況綜合考慮,確定最優(yōu)的預(yù)留生產(chǎn)能力。

        DOI:10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.026

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