帝国竞争算法的多产品供应链范文

《系统工程杂志》2014年第四期

1模型建立

1.1模型假设①考虑单个需求周期的两级多产品供应链，供应链成员由生产商和销售商组成，产品种类越多表明企业的市场规模越大；②类似于文献［13］、文献［14］、文献［15］、文献［16］的研究，这里假设每种产品i都具有相同弹性因子的弹性需求：Di＝k•p－αi•aβi，其中k是常量，α（α＞1）和β（0＜β＜1，β＋1＜α）是弹性因子，pi是销售商的销售价格，ai是销售商在销售产品时的销售努力投入程度，比如广告费用等［14］；③生产商和销售商按照市场需求生产和订购产品，不允许缺货；④销售商在销售过程中如果发现产品质量有缺陷，由生产商负责召回，但销售商也会损失一定的机会成本；⑤引入的物联网技术是指在产品包装上粘贴RFID标签，通过无线传感网络对产品进行实时监控和管理，RFID标签由生产商负责嵌入，但销售商也要引入相应的物联网技术平台配套设施，RFID标签可部分回收利用；⑥考虑引入物联网技术对多产品供应链整体收益的优化作用。

1.2收益模型构建①考虑未引入物联网技术时生产商的收益情况，生产商的收益由销售给销售商的产品收入减去成本得到，具体描述如下：上式中：Us1表示未引入物联网技术时生产商的收益；n表示产品的种类；Psi表示生产商销售产品i的价格；Di表示产品i的市场需求量；μi表示产品i的货损率；Csi表示产品i的单位生产成本；Ts表示生产商的平均库存周转期；ρ表示每天的存储成本率（产品价值的比例）；Cmi表示产品i的单位召回成本；Css表示生产商的固定成本。②考虑未引入物联网技术时销售商的收益情况，销售商的收益由销售给顾客的产品收入减去成本得到，具体描述如下。上式中：Ur1表示未引入物联网技术时销售商的收益；Pri表示销售商销售产品i的价格；Tr表示销售商的平均库存周转期；Pri－Psi表示产品i的机会成本；Crs表示销售商的固定成本。③引入物联网技术后，考虑生产商的收益变化。由于物联网技术的引入，在生产环节对有问题的产品可以及时预警，也可以降低存储和运输过程中的产品损耗，从而降低废品率μi，降低产品召回成本并提高销售量，但相应地会增加RFID标签成本和物联网设施固定成本。具体描述如下：上式中：Us2表示引入物联网技术后生产商的收益；μ′i表示引入物联网技术后产品i的货损率；θ表示RFID标签的回收利用率，θ∈（0，1），全部回收θ＝0，不能回收θ＝1；Ctag表示单位产品RFID标签的成本；Cmain表示物联网技术在使用中单位产品的维护成本；Csg表示生产商一次性投入的物联网技术平台设施平均到单个需求周期的成本。④引入物联网技术后，考虑销售商的收益变化。由于物联网技术的引入，在销售过程中对有问题的产品可以及时预警，降低货损导致的机会成本，优化订货批量，改进库存管理，降低库存周转期等，但物联网技术配套设施的引入会增加相应的设施成本。具体描述如下：上式中：Ur2表示引入物联网技术后销售商的收益；Crg表示销售商一次性投入相应的物联网技术平台配套设施平均到单个需求周期的成本。

2基于改进帝国竞争算法的模型求解

2.1帝国竞争算法帝国竞争算法（ImperialistCompetitiveAlgorithm，ICA）由Atashpaz－Gargari在2007年首次提出［9］，又称为殖民地竞争算法，是一种全局优化的进化算法。该优化算法的思想借鉴了人类政治社会进化过程中殖民阶段的帝国之间相互竞争并占领其殖民地的过程［9，12］。基于帝国竞争算法的基本步骤，设计求解上述多产品供应链优化问题的算法步骤如下：步骤1：初始化帝国将上节所构建的多产品供应链收益模型中的决策变量Psi和Pri进行编码，建立初始化的Nini个国家，每个国家j（j＝1，2，…，Nini）被定义为一个2n维的向量： 将殖民地按照帝国势力大小的比例随机分配给帝国。步骤2：同化殖民地在现实世界里，帝国主义国家为了更好地控制其殖民地国家，把自己的文化及规则推广到殖民地国家，这个过程称为同化。在算法中表现为各殖民地国家分别向各自所附属的帝国靠近的过程，设殖民地与帝国间的距离为d，殖民地移动距离s～U（0，βd），β＞1，移动方向与两者连线相差θ角度，θ～U（－γ，γ）。Atashpaz－Gargari等［9］通过大量的试验表明，当β＝2，γ＝π／4时，该算法的收敛效果比较理想。殖民地向帝国移动的过程如图1所示。步骤3：转换帝国与殖民地的位置在优化殖民地的过程中，若出现殖民地的目标函数值小于帝国的目标函数值，则将该殖民地升级为帝国，原帝国降级为殖民地，之后的殖民地会向新的帝国靠近。步骤4：帝国竞争计算帝国m的总目标函数值，帝国的总目标函数值由帝国本身的目标值及其所拥有的殖民地的平均目标值两部分组成。这种竞争规则使得每一个帝国在竞争过程中都有可能占领最弱帝国的最弱殖民地，而不是一定由最强的帝国占领，这样既加强了局部搜索能力又能有效防止陷入局部最优，使算法更加合理。步骤5：帝国灭亡当势力较弱的帝国经过帝国竞争后，其拥有的所有殖民地全部都被势力更强的帝国所占有，则定义该帝国灭亡，并消除其帝国的位置。当帝国竞争结束后，最后仅存在唯一的一个帝国，且其余所有殖民地都由该帝国所占有，则算法结束，输出最优解；否则，返回步骤2。利用帝国竞争算法求解上节所构建的多产品供应链收益模型的具体流程如图2所示。

2.2帝国竞争算法的改进在上述同化殖民地的过程中，殖民地向帝国移动的方向采用的是随机角度θ，θ～U（－γ，γ）。这种随机角度使得移动具有一定的盲目性，降低了收敛速度。为了提高移动的有效性和目的性，这里给θ加上一个约束：如果上一次移动使殖民地的目标函数值降低，则γ会减小；如果上一次移动使殖民地的目标函数值增大，则γ会增大。具体表达式如下：通过上述对移动角度域的调整，既可以加快有效移动，又可以使无效移动尽快调整回来，从而达到加快收敛速度的目的。另外，为保证移动能够一直保持高效性，设定γt＋1i≤π／4，若超出界限，则γt＋1i取π／4。

3实例分析

3.1实例背景介绍本文以广东省佛山市某水产品生产企业与超市组成的“农超对接”模式下的水产品供应链为例，考虑每个月的收益情况。生产企业定期向超市提供水产品制品，如鱼干、干贝等，产品的品种越多表明企业规模越大。产品的市场需求符合弹性需求，由售价和市场投入影响，价格弹性因子α＝1．2，市场投入弹性因子β＝0．15；水产品制品的生产成本一般在10～20元，产品从生产加工到运送至超市的过程中由于变质、破损等造成的货损率大约为3％～5％，单位召回成本为5～10元，生产企业平均库存周转期为8天，超市平均库存周转期为6天。对于由货损造成的3％～5％的损失，生产企业和超市因为无法区分原因以加强管理，于是希望通过引进物联网技术加以改善，采取的方式是在每袋产品包装上粘贴RFID标签，已知RFID标签单价为1元，标签可回收再利用，回收率服从均匀分布U（0，1），物联网技术单位维护成本为0．2元，采用物联网技术后产品货损率降低到1％～2％，提高了供应链的反应能力，平均库存周转期缩短2天。为引进物联网技术平台和设施设备，生产企业需要花费10万元，超市需要花费5万元，以5年作为物联网平台和设施设备的折旧期，折算到每个月，生产企业固定成本增加1666．67元，超市固定成本增加833．33元。

3.2仿真结果分析通过Matlab软件实现改进的帝国竞争算法，并对多产品供应链收益模型进行仿真优化，假设n取1～10，分别求出引入物联网技术前后供应链的最大收益。设定初始国家数量为200，初始帝国数量为8，仿真迭代次数为200。以n＝5为例，引入物联网技术前后目标函数－U1、－U2最优解的计算机仿真结果如图3所示。为使仿真结果更加准确可靠，仿真20次取平均值，取整得到maxU1＝105753元，maxU2＝108816元。因此，引入物联网技术后供应链收益增加了ΔU＝U2－U1＝3063元。同理可求n取1，2，…，10时的引入物联网技术前后多产品供应链收益及其变化如表1和图4所示。①当n取1和2时，引入物联网技术使得供应链的整体收益下降。这是因为企业引入物联网技术虽然可以实现信息实时监控，降低货损率，提高供应链反应能力，但是由于企业规模较小，市场需求不大，使得效果并不明显，另外还要投入高昂的物联网设施引进费用，从而导致供应链整体收益下降；②当n取3，4，…，10时，引入物联网技术使得供应链的整体收益上升，并且增加的收益越来越多。这是因为随着市场规模的扩大，物联网技术的优越性逐渐体现出来，促进了供应链成员间的信息共享，降低了货损率，提高供应链反应能力，改进库存管理，减少机会成本的损失，提高客户满意度等等，供应链整体收益的上升，体现了物联网技术对供应链竞争力的提升作用；③当n取8，9，10时，供应链整体收益的上升速度在减慢。这是因为随着市场规模的持续扩大，企业的标签费用、维护费用等也在不断加大，从而制约了收益的增加。因此，企业应合理应用物联网技术，以实现物联网技术的效用最大化。根据上述结果和分析，给出企业引进物联网技术提升水产品供应链竞争力的建议如下：①选择性地在高附加值的水产品中使用RFID标签，在低附加值的水产品中使用条形码；②在水产品供应链不同环节使用不同的物联网技术，比如在水产品零售环节使用更便宜的条形码以降低运营成本，在水产品供应链上游环节使用安全性更优的RFID标签提高供应链信息流动的速度和透明度；③由单体应用扩展为群体应用，比如在养殖环节，把鱼塘养殖网箱中特征相似的一类鱼群作为一个物联网应用单元。

4结束语

本文在弹性需求和不同市场规模条件下，建立了两级多产品供应链的收益模型，定量分析了物联网技术对多产品供应链收益的影响。首次将帝国竞争算法引入到多产品供应链优化领域，并对该算法进行了改进以更进一步加快算法的收敛速度。通过对比分析引入物联网技术前后多产品供应链整体收益的变化，定量研究了物联网技术对供应链竞争力的提升作用，并给出了企业应用物联网的建议。目前，引入物联网技术成本较高，不适合小规模企业引入；大规模企业在引入物联网技术的过程中，应该合理使用物联网技术，提高其使用效率。

作者：颜波石平王丽川景楠单位：华南理工大学经济与贸易学院