模糊需求下基于二層規(guī)劃的三級供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)模型*

鄧愛民,傅志明,楊蔥蔥,吳鵬飛

(1.湖南大學工商管理學院,湖南長沙 410082;2.中德交通運輸與物流研究所,湖南長沙 410082)

模糊需求下基于二層規(guī)劃的三級供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)模型*

鄧愛民1,2?,傅志明1,2,楊蔥蔥1,2,吳鵬飛1,2

(1.湖南大學工商管理學院,湖南長沙 410082;2.中德交通運輸與物流研究所,湖南長沙 410082)

以二層規(guī)劃的方法建立了模糊需求環(huán)境下由多供應(yīng)商、單制造商和多零售商組成的三級供應(yīng)鏈系統(tǒng)的協(xié)調(diào)決策模型,針對模型約束條件皆以區(qū)間形式給出,結(jié)合混沌搜索算法求解二層規(guī)劃的便捷性,以混沌搜索算法求解此模型;最后通過算例論證了此模型的有效性,算例結(jié)果表明:作為協(xié)調(diào)主體的制造商可通過與供應(yīng)商的“協(xié)作研發(fā)”、與零售商的“價格折扣”相結(jié)合的契約形式協(xié)調(diào)整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)各成員的利益,實現(xiàn)利益的Pareto改進.

三級供應(yīng)鏈;供應(yīng)鏈協(xié)調(diào);模糊需求;二層規(guī)劃模型;混沌搜索

伴隨經(jīng)濟全球化、信息化的快速發(fā)展,企業(yè)之間的競爭逐漸演變?yōu)楣?yīng)鏈之間的競爭,要真正達到供應(yīng)鏈管理“集成”、“雙贏”和“高效”的效果,必須協(xié)調(diào)好系統(tǒng)內(nèi)各成員之間的行為關(guān)系,使各成員目標利益盡量趨于一致.有關(guān)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)問題,國內(nèi)外學者進行了大量的研究.

以往供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)方面的研究主要集中在二級供應(yīng)鏈系統(tǒng)[1-3].三級供應(yīng)鏈的研究也局限于單上游企業(yè)、單中間企業(yè)和單下游企業(yè)即“1∶1∶1”型供應(yīng)鏈系統(tǒng)[4-6],然而實際中,多數(shù)企業(yè)都有多個上、下游企業(yè),即是“M∶1∶N”型供應(yīng)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

供應(yīng)鏈所處市場需求環(huán)境方面的研究一般分為兩種情況:一是較為簡單的確定性需求環(huán)境;二是隨機性需求,在處理隨機性需求時,一般用一定的概率分布來描述[7-8].然而實際中,如短生命周期的高新產(chǎn)品(如IT類產(chǎn)品),由于缺乏足夠的信息和歷史資料,對需求變動的認知較為模糊,因此以模糊集數(shù)描述需求的不確定性會更合理.目前模糊需求下供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)的研究也有一定成果[9-11],該類文獻雖考慮了模糊環(huán)境對協(xié)調(diào)的影響,但都以“1∶1∶1”型供應(yīng)鏈系統(tǒng)為研究對象.

本文針對上述兩方面顧此失彼、缺乏綜合研究的不足,以M個供應(yīng)商、1個制造商和N個零售商組成的“M∶1∶N”型三級供應(yīng)鏈為對象,結(jié)合二層規(guī)劃描述供應(yīng)鏈成員之間階層性決策的優(yōu)勢,通過制造商與其供應(yīng)商的“協(xié)作研發(fā)”、制造商與其零售商的“價格折扣”契約,建立模糊需求環(huán)境下供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)決策模型.其中“協(xié)作研發(fā)”指制造商鼓勵各供應(yīng)商積極研發(fā)以降低生產(chǎn)成本,從而可以更低的采購價格取得所需產(chǎn)品,但研發(fā)有一定的風險,所以制造商承諾給予進行研發(fā)投資的供應(yīng)商相應(yīng)的研發(fā)補貼,以達到風險共擔等目的的契約形式;“價格折扣”指制造商為充分利用生產(chǎn)能力對零售商大量的訂購行為給予一定的價格折扣優(yōu)惠,促使零售商訂更多的產(chǎn)品的契約形式.

1 模糊集理論和二層規(guī)劃理論

1.1 模糊數(shù)理論

本文模糊數(shù)采用三角模糊數(shù),即模糊數(shù)?A用有序三元組?A=(a,b,c)表示:a,c分別為?A的下限和上限,b為專家對?A的共識的中間值.

對模糊數(shù)進行大小比較即決策時,須去模糊化.去模糊化有多種方法,如重心法、Yager法和平均綜合法等,本文采用平均綜合法,即求三角模糊數(shù)的期望值E(?A),其中:

1.2 二層規(guī)劃理論

二層規(guī)劃是兩層階層性決策問題的數(shù)學模型,是解決具有二層遞階決策結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化問題的有效方法,其特點是上層和下層問題都有各自的目標函數(shù)和約束條件,上層問題的目標函數(shù)和約束條件不僅與上層決策變量有關(guān),還依賴于下層決策的最優(yōu)解,同時下層決策的最優(yōu)解又受到上層決策變量的影響[12].供應(yīng)鏈既是一個具有明顯階層性特點的系統(tǒng),各成員雖是相互獨立的經(jīng)濟體,但彼此的決策又相互影響和相互依賴,符合二層規(guī)劃的結(jié)構(gòu)特點,可用二層規(guī)劃建模.

2 問題描述與模型構(gòu)建

2.1 問題描述

以M個供應(yīng)商、1個制造商和N個零售商組成的三級供應(yīng)鏈系統(tǒng)為對象,其中制造商為核心企業(yè),以“協(xié)作研發(fā)”和“價格折扣”契約協(xié)調(diào)模糊需求環(huán)境下供應(yīng)鏈的運作和效益.供應(yīng)鏈的決策過程描述如下:

1)無協(xié)調(diào)時的決策過程:ⅰ制造商與零售商之間:制造商給零售商一個批發(fā)價,各零售商根據(jù)大概的市場需求確定零售價和訂貨量,并反饋給制造商,制造商再確定一個對其最優(yōu)的批發(fā)價,這樣重復(fù)進行直到均衡.ⅱ制造商與供應(yīng)商之間:制造商由需求量及與各個供應(yīng)商的關(guān)系,率先確定給各供應(yīng)商的采購量,各供應(yīng)商根據(jù)采購量的大小給定采購價格,反饋給制造商,制造商再從自身利益最大化的基礎(chǔ)上重新分配各供應(yīng)商采購量的大小,反復(fù)多次直到均衡.

2)有協(xié)調(diào)時的決策過程:ⅰ制造商與零售商之間:制造商在無協(xié)調(diào)均衡決策的基礎(chǔ)上為了充分利用生產(chǎn)能力率先給每個零售商一個折扣,各零售商根據(jù)此時的情況,以各自利益最大化為基礎(chǔ),重新設(shè)置零售價和訂貨量,反饋給制造商,制造商再確定折扣,重復(fù)多次直到新的均衡;ⅱ制造商與供應(yīng)商之間:制造商為了鼓勵供應(yīng)商進行研發(fā)投資,承諾給供應(yīng)商一定的補貼和采購量,供應(yīng)商在此基礎(chǔ)上,根據(jù)自身的條件選擇最優(yōu)的投資額和采購價格反饋給制造商,制造商再確定對其最優(yōu)的補貼和采購量,反復(fù)多次直到新的均衡態(tài).

2.2 模型假設(shè)

假設(shè)如下:零售商的模糊市場需求函數(shù)滿足:?D =?a-?bp,其中?a,?b為三角模糊數(shù);p為零售價格;市場需求速度為勻速,零售商在期末無存貨;整個供應(yīng)鏈系統(tǒng)采用訂單生產(chǎn)制;一單位產(chǎn)品需一單位原材料.各零售商、供應(yīng)商屬于不同的地域,有不同的市場需求,之間的競爭忽略.

2.3 模型符號說明

1)供應(yīng)商參數(shù):m為供應(yīng)商數(shù);qsj為供應(yīng)商j獲得的訂單量;wsjm為供應(yīng)商j給制造商的采購價格;c1sj為供應(yīng)商j單位產(chǎn)品運輸成本;c2sj為供應(yīng)商j單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本;vj為供應(yīng)商j的研發(fā)投資; Πsj為供應(yīng)商j模糊利潤.

2)制造商參數(shù):wmri為制造商給零售商i的批發(fā)價;di為制造商給零售商i的價格折扣;cm為制造商單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本;cmi為制造商配送給零售商i的單位運輸成本;tmj為制造商對供應(yīng)商j的研發(fā)補貼;Πm為制造商的模糊利潤.

3)零售商參數(shù):n為零售商數(shù);qri為零售商i每次訂貨量;kri為零售商i每次訂貨固定成本;pi為零售商i零售價格;hi為供應(yīng)商i單位產(chǎn)品年庫存成本;?Di為零售商i的年模糊需求量;Πri為零售商i模糊利潤.

2.4 基本約束條件

根據(jù)實際情況,建模時基本約束條件表示如下:

3)零售商i要獲利,一般情況下零售價格要高于批發(fā)價格:pi＞wmri,為方便設(shè)定pi=λiwmri,其中:1＜λi＜ˉλi.同理,為保持合作關(guān)系,供應(yīng)商也應(yīng)獲利,即有wsjm＞c1sj+c2sj.

4)由于采用訂單生產(chǎn)制,且假設(shè)每個零售商在期末無存貨,有

5)制造商為保持與供應(yīng)商的長期關(guān)系,制造商對供應(yīng)商j承諾給予最低訂單量:qsj≥q-sj.

6)供應(yīng)商根據(jù)其資金充裕程度、研發(fā)能力和成本結(jié)構(gòu)的不同,有不同的投資范圍

7)制造商為分擔供應(yīng)商的研發(fā)投資風險,對每個投資的供應(yīng)商有相應(yīng)的補貼,設(shè)定tmj=θj vj,其中:0＜θj＜1.

2.5 無協(xié)調(diào)時供應(yīng)鏈二層規(guī)劃模型構(gòu)建

以核心企業(yè)制造商利潤函數(shù)為上層規(guī)劃目標,供應(yīng)商、零售商利潤函數(shù)為下層規(guī)劃目標,結(jié)合約束條件,得無協(xié)調(diào)時二層規(guī)劃模型為:

其中:式(2)為制造商利潤,等于銷售額減去采購成本、生產(chǎn)成本和運輸成本之和;式(3)為各零售商利潤,等于零售額減去采購成本、年訂貨成本和年庫存成本之和;式(4)為各供應(yīng)商利潤,等于銷售額減去生成成本與運輸成本之和.

2.6 有協(xié)調(diào)時供應(yīng)鏈二層規(guī)劃模型構(gòu)建

制造商用“協(xié)作研發(fā)”與“價格折扣”契約協(xié)調(diào)各成員的決策行為.

一般地,單位產(chǎn)品成本隨研發(fā)投資增加而降低,但投資邊際成本遞減,借鑒文獻[13]的模型,假設(shè)供應(yīng)商期望的單位產(chǎn)品成本函數(shù)為:

式中:cs為供應(yīng)商單位產(chǎn)品成本;v為供應(yīng)商研發(fā)投資(v≥0);q為供應(yīng)商的訂單量;g為供應(yīng)商研發(fā)成功的概率;ˉc為供應(yīng)商不進行研發(fā)投資時的單位產(chǎn)品成本;a為單位產(chǎn)品成本研發(fā)投資敏感系數(shù),a＞0;b為單位產(chǎn)品增量研發(fā)投資彈性系數(shù),0＜b＜1.

同理,以核心企業(yè)制造商利潤函數(shù)為上層規(guī)劃目標,供應(yīng)商、零售商利潤函數(shù)為下層規(guī)劃目標,結(jié)合約束條件,得加入?yún)f(xié)調(diào)機制時二層規(guī)劃模型為:

其中:式(6)為制造商利潤,等于銷售額減去采購成本、補貼費用、生產(chǎn)成本和運輸成本之和.式(7)為各零售商的利潤,等于零售額減去采購成本、年訂貨成本和年庫存成本之和;式(8)為各供應(yīng)商的利潤,等于銷售額減去生成成本、運輸成本與投資費用之和加上制造商的補貼費用.

3 算例仿真求解與分析

3.1 算例仿真求解

以3個供應(yīng)商、1個制造商和3個零售商即“3∶1∶3”型供應(yīng)鏈系統(tǒng)為例.pi(i=1,2,3)為零售商零售價格,是其采購價格的λi倍,λi∈[1.1,1.5],其余參數(shù)假設(shè)見表1～表3.

表1 零售商相應(yīng)參數(shù)假設(shè)Tab.1 Corresponding assumed parameters of retailers

表2 制造商相應(yīng)參數(shù)假設(shè)Tab.2 Corresponding assumed parameters ofmanufacturer

表3 供應(yīng)商相應(yīng)參數(shù)假設(shè)Tab.3 Corresponding assumed parameters of suppliers

建模初始,利用式(1)把供應(yīng)鏈成員利潤函數(shù)去模糊化,代入式(2)～式(4)得無協(xié)調(diào)時二層規(guī)劃模為:

由于二層規(guī)劃即使上、下層的目標函數(shù)和約束條件都是線性的,一般也是個非凸問題,且很有可能上層目標函數(shù)對決策變量也不是處處都可微,這兩個性質(zhì)增加了二層規(guī)劃模型的求解難度.目前,將智能優(yōu)化算法用于求解大規(guī)模組合優(yōu)化問題取得了較好的結(jié)果,本文根據(jù)所見模型約束條件基本都是區(qū)間形式給出的特點,采用混沌搜索智能算法求解算例,算法步驟具體參見文獻[12].

1)制造商

最大利潤為:Π*m=4 760 600;最優(yōu)批發(fā)價格為:;制造商給各個供應(yīng)商的最優(yōu)訂單量為:q*sj=(4 719,8 437,4 738).

2)零售商

最大利潤為Π*ri=(3 261 000,1 081 700, 216 400);最優(yōu)零售價格:p*=(866.4,1 074.4, 985.8);最優(yōu)訂貨量:q*ri=(5 298,3 179,3 088).

3)供應(yīng)商

供應(yīng)商的最大利潤為:Π*s=(235 990, 421 850,284 240);各供應(yīng)商給制造商的最優(yōu)采購價格為:w*sjm=(133.3 143.3,147.5).

同理,在無協(xié)調(diào)均衡解的條件下,利用式(1)把供應(yīng)鏈成員利潤函數(shù)去模糊化,代入式(6)～式(8)得加入?yún)f(xié)調(diào)機制時二層規(guī)劃模型為:

1)制造商

2)零售商

三零售商最大期望利潤為:Π*ri=(3 900 600, 1 167 200,256 400);最佳采購量為q*ri=(5 298, 3 179,3 088);零售商的最佳零售價格p*= (649.8,934.7,877.3).

3)供應(yīng)商

3.2 算例結(jié)果分析

比較兩個模型下各個成員的期望利潤和其他參數(shù)可發(fā)現(xiàn),采用“價格折扣”契約,雖價格都有所下降,但價格下降帶來的需求量上升彌補了價格的降低,制造商也可發(fā)揮更大的生產(chǎn)能力;同時“協(xié)作研發(fā)”策略的應(yīng)用,供應(yīng)商投資的增加雖然會增加相應(yīng)的開支,但一方面由于總需求量的增加,使各供應(yīng)商獲得的訂單量增加,另一方面投資的成本下降也彌補了投資的開支,制造商在供應(yīng)商獲得生產(chǎn)成本下降的同時,也可獲得更低的采購價格,最終使得所有供應(yīng)鏈成員利潤都有所增加,實現(xiàn)了Pareto改進.

4 結(jié) 論

以二層規(guī)劃的方法分析了多供應(yīng)商、單制造商和多零售商即“M∶1∶N”型三級供應(yīng)鏈在模糊需求環(huán)境下的供應(yīng)鏈決策過程,發(fā)現(xiàn)作為供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)主體的制造商可通過“協(xié)作研發(fā)”和“價格折扣”相結(jié)合的契約方式使各成員在模糊需求環(huán)境下期望利潤比原來更高,實現(xiàn)Pareto改進,達到一定的協(xié)調(diào)效果,可為供應(yīng)鏈決策者在模糊環(huán)境下進行科學決策提供一定的依據(jù).

本文建模的不足之處在于把供應(yīng)商和制造商的供貨認定為JIT供貨,因此沒有考慮兩者的庫存、供貨提前期,且考慮的是單產(chǎn)品供應(yīng)鏈決策問題,下一步研究將考慮這幾方面的因素.

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Three-hierarchy Supp ly Chain Coordination M odel Based on Bi-level Programm ing under Fuzzy Demand Environment

DENG Ai-m in1,2?,FU Zhi-ming1,2,YANG Cong-cong1,2,WU Peng-fei1,2
(1.College of Business Adm inistration,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China; 2.Sino-German Institute of Transportation and Logistics,Changsha,Hunan 410082,China)

A three-hierarchy supply chain coordinationm odelunder the fuzzy demand environmentwas set up by means of bi-level programm ing.The supp ly chain system consisted of multiple supp liers,one manufacturer and multip le retailers.According to the internal form of them odel's constraints,Chaos Search algorithm was applied to solve the model and an example was cited to verify the feasibility of the model.The numerical results have shown that the core enterprise manufacturer can coordinate the interests among the supply chainmembersby app lying the strategy of coordination developmentw ith its supp liers and price discountw ith its retailers,thus,realizing the Pareto improvement.And the research can provide a basis for the supply chain decision-makers under the fuzzy demand environment.

three-hierarchy supp ly chain;supp ly chain coordination;fuzzy demand;bi-level programming model;chaos search algorithm

F273

A

1674-2974(2011)04-0083-06 *

2010-06-09

國家自然科學基金資助項目(70671038);湖南省創(chuàng)新群體自然基金資助項目(20097002)

鄧愛民(1964-),女,湖南益陽人,湖南大學教授

?通訊聯(lián)系人,E-mail:aim indeng@126.com