本書的目標
由于供應(yīng)鏈中采購、銷售、制造、裝配、倉儲、運輸、交付等活動耗費巨大,所以管理者希望通過改善這些活動來減少成本,供應(yīng)鏈管理應(yīng)運而生。在某些管理者眼中,供應(yīng)鏈就像“必要的惡魔”。因此,管理者反復思考如何通過降低庫存水平、利用運輸規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、減少需求波動性等來減少成本?偟膩碚f,假如這些改進并沒有導致較長的提前期、較高的缺貨頻率以及其他降級服務(wù),那么對于企業(yè)客戶而言這些改進是隱形的。
然而,20世紀末供應(yīng)鏈的作用開始發(fā)生改變,一些企業(yè)發(fā)現(xiàn)供應(yīng)鏈雖然會增加成本,但也能提高競爭力。例如,通過卓越的供應(yīng)鏈管理,戴爾公司能夠完全根據(jù)用戶的需求來定制計算機,并在接到訂單幾天后交付,這樣的做法打破了客戶只能從有限的產(chǎn)品中選購計算機的模式。類似地,沃爾瑪利用龐大的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng),可以降低產(chǎn)品上架的成本,從而以更低的價格為客戶提供更好的產(chǎn)品,這使得沃爾瑪成為全球最大的零售商。亞馬遜的供應(yīng)鏈不僅快速可靠,而且功能豐富;它能為客戶提供多樣的配送方案、方便的追蹤查詢以及靈活的退貨政策;健全的供應(yīng)鏈體系使得亞馬遜能滿足消費者的即時需求,以及先體驗后購買的訴求。
隨著供應(yīng)鏈管理的盛行,有關(guān)供應(yīng)鏈管理的研究也逐漸成為焦點。在過去的30年里,發(fā)表了大量引入數(shù)學模型來評價、分析、優(yōu)化供應(yīng)鏈的相關(guān)論文。供應(yīng)鏈管理成為運籌學領(lǐng)域最熱點的應(yīng)用之一,同時也是最成功的案例之一。但近年來,供應(yīng)鏈的研究已經(jīng)不僅僅是對運籌學的應(yīng)用,更發(fā)展出了其獨立的方法論,這些方法現(xiàn)已應(yīng)用于醫(yī)療、健康、能源、金融、服務(wù)等行業(yè),而不僅限于供應(yīng)鏈領(lǐng)域。
本書的目的在于整理供應(yīng)鏈理論的基礎(chǔ),并介紹經(jīng)典模型的最新發(fā)展情況。我們關(guān)注的重點是供應(yīng)鏈理論的基本模型以及算法——它們是構(gòu)成供應(yīng)鏈理論體系的基石。我們相信,了解這些模型對讀者進行研究具有一定的指導作用,并能為模型的擴展提供幫助。另外,我們也討論了一些近期的模型,以展示經(jīng)典模型的擴展和應(yīng)用。這些模型提供了研究供應(yīng)鏈理論的例子——怎樣將基礎(chǔ)理論組合成更加復雜、有趣、有用的理論。
將供應(yīng)鏈理論作為一個整體來研究,能讓我們對該領(lǐng)域有一個全局的概念,而這是我們僅僅通過研究特定內(nèi)容的文獻很難得到的。為此,我們將盡量突出供應(yīng)鏈模型之間的聯(lián)系,如不同的供應(yīng)鏈模型在概念上的相似性、庫存與選址模型的結(jié)合,以及庫存理論和博弈論是如何聯(lián)系起來得到供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)模型的。供應(yīng)鏈理論基礎(chǔ)前言本書的讀者群
任何對供應(yīng)鏈的數(shù)理研究有興趣的人都適合讀這本書——無論你來自工業(yè)工程、運籌學、數(shù)學、管理學、經(jīng)濟學、計算機科學還是金融學學科;無論你是學生(尤其是研究生)、教師、研究人員還是供應(yīng)鏈理論的從業(yè)人員;無論你是剛接觸供應(yīng)鏈理論,并希望對該理論有一個淺顯而嚴謹了解的學者,還是對該領(lǐng)域已非常熟悉,但希望對基礎(chǔ)模型進行重溫的學者——總之,既然你拿著這本書,它就很有可能適合你。
供應(yīng)鏈理論的特點之一,是它運用了運籌學、數(shù)學、計算機科學的多種工具。在本書中,你會看到數(shù)學規(guī)劃模型(線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、隨機規(guī)劃、魯棒優(yōu)化)、對偶理論、優(yōu)化技術(shù)(拉格朗日松弛、列生成、動態(tài)規(guī)劃、線性搜索以及利用有限差分進行優(yōu)化)、啟發(fā)式及近似算法、概率論、隨機過程、博弈論、仿真以及凸理論,等等。
閱讀這本書,并不需要你在上述領(lǐng)域都是專家——我們就不是。我們假設(shè)你對基礎(chǔ)優(yōu)化理論已經(jīng)非常熟悉——你知道如何建立線性規(guī)劃及其對偶形式、如何進行分支定界、如何進行簡單的線性搜索(如二分搜索)等最基本的優(yōu)化理論;理解概率的分布,并知道如何計算隨機變量的期望值和函數(shù);有一定的微積分基礎(chǔ),即可以計算導數(shù)和積分(包括那些涉及多個變量的導數(shù)和積分)。另外,我們希望你接觸過馬爾可夫鏈,但并不需要你非常精通。至于其他的知識,我們都將根據(jù)內(nèi)容需要,從最基礎(chǔ)的部分開始學習。附錄C中收錄了期望的計算公式、損失函數(shù)、幾何級數(shù)以及一些較復雜的導數(shù)和積分,在某些問題上對你來說可能有參考價值。由于拉格朗日松弛在本書的幾個章節(jié)中都起著重要作用,我們在附錄D中對其作了簡單的闡述。
閱讀這本書最重要的先決條件是要具備完善的數(shù)學知識。我們在書中討論了許多數(shù)學證明,并要求你在習題中給出自己的證明,如果你對此沒有太多經(jīng)驗,它將成為你學習這本書時最具挑戰(zhàn)的部分。為此,我們在附錄B中列出了數(shù)學證明的寫作指南,希望能幫助你熟悉證明的寫作基本法則以及一些細節(jié)上的語法風格。不過,證明的寫作更像是一門藝術(shù)而非科學,附錄的作用也僅限于此,只有多加練習才能掌握這門藝術(shù)。
本書的結(jié)構(gòu)
本書意在涵蓋供應(yīng)鏈理論的大部分內(nèi)容,但這也意味著在某些內(nèi)容上我們不能深入探討。本書的大部分材料來自早期的一些論文,我們引用這些論文時非常謹慎,以便讓讀者深入了解相關(guān)內(nèi)容。我們也盡可能地列出了重要的相關(guān)參考資料和述評文章,以便讀者在感興趣的話題上得到更多的資料。
本書主要由兩部分組成。第一部分(第2~9章)介紹了集中式供應(yīng)鏈模型,在這種情況下,所有的決策變量都受單個決策者控制。最經(jīng)典的供應(yīng)鏈模型,如庫存優(yōu)化模型和設(shè)施選址模型都是集中式模型。與之相反,第二部分(第10~12章)中的分散式模型涉及的參與者具有相互獨立、相互沖突的目標,且他們可以自主選擇決策變量以優(yōu)化自身目標。決策權(quán)的分散會導致很多結(jié)果,牛鞭效應(yīng)(第10章)是其中的一個實例。第11章和第12章的模型則致力于減輕決策權(quán)分散所帶來的負面影響。
本書的章節(jié)如下:
第1章(導論)給出了供應(yīng)鏈管理的概述以及貫穿全書的定義。
第2章(預測和需求建模)討論了經(jīng)典預測方法以及現(xiàn)在常用于需求預測的三種方法——Bass擴散模型、先行指標法以及選擇模型——近年來,在預測需求時更多使用這些方法。我們將后面的三種方法稱為“需求建!,以區(qū)別于經(jīng)典的預測技術(shù),同時強調(diào)它們也適用于預測之外的其他問題。
在第3章(確定性庫存模型)和第4章(隨機性庫存模型)中,我們討論了許多經(jīng)典的單庫存模型。對于大多數(shù)模型,我們將討論如何制定目標函數(shù)以及如何選擇庫存參數(shù)使目標函數(shù)最優(yōu)——精確地或啟發(fā)式地采用顯性形式或利用算法。同時,我們分別證明了有以及沒有固定成本情況下的基本庫存策略及(s,S)策略的最優(yōu)性。
在第5章(多級庫存模型)中,我們討論了多級庫存模型,包括隨機服務(wù)模型(包含連續(xù)系統(tǒng)的ClarkScarf模型及ShangSong近似)和保證服務(wù)模型(又稱戰(zhàn)略性安全庫存選址問題)。
第6章(庫存優(yōu)化中不確定性的處理方法)是在經(jīng)典庫存模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同類型的不確定性(尤其是供應(yīng)的不確定性),采取不同的方式減輕不確定性對庫存系統(tǒng)的影響,而非簡單地持有更多庫存。
在第7章(設(shè)施選址模型)中,我們討論了設(shè)施選址模型,展示了經(jīng)典的無容量固定成本的設(shè)施選址問題的某些細節(jié),包括整數(shù)規(guī)劃問題的建模和拉格朗日松弛法的求解等。另外,我們還討論了更能體現(xiàn)當今供應(yīng)鏈復雜程度的多級選址模型。
在第8章(不確定性下的設(shè)施選址)中,我們考慮如何將不確定性融入設(shè)施選址模型中,具體討論將庫存納入選址決策的模型、隨機和魯棒設(shè)施選址模型以及具有中斷威脅的設(shè)施選址模型。在研究如何對這些問題進行建模的同時,也討論了模型的求解方法(大多數(shù)情況下是拉格朗日松弛法)。
第9章(過程柔性)介紹了生產(chǎn)制造過程的柔性評估模型和優(yōu)化模型。
在第10章(牛鞭效應(yīng))中,我們討論了稱為牛鞭效應(yīng)的需求波動放大現(xiàn)象。牛鞭效應(yīng)可能是由供應(yīng)鏈管理者非理性或次優(yōu)的行為所導致的,也可能因為理性的優(yōu)化行為而發(fā)生。我們將采用數(shù)學模型證明牛鞭效應(yīng)是后者導致的。
當供應(yīng)鏈參與者試圖優(yōu)化自身的目標時,通常會得到一個對整個供應(yīng)鏈最理想的解決方案。在第11章(供應(yīng)鏈合同)中,我們將討論由目標不同的參與者所組成的供應(yīng)鏈的內(nèi)部協(xié)調(diào)合同。
第12章(拍賣)介紹了供應(yīng)鏈中常用于定價的拍賣數(shù)學模型。
本書最后有4個附錄,其中附錄A包含了需要用到多個章節(jié)的內(nèi)容才能解決的習題;附錄B提供了有關(guān)數(shù)學證明寫作的簡短指南;附錄C列舉了貫穿全書的有用的公式;附錄D則對拉格朗日松弛法進行了簡要的概述。
本書的資料可以由導師進行合理地排序及取舍。庫存理論(第3~5章)的相關(guān)內(nèi)容是本書后續(xù)內(nèi)容的核心,故建議應(yīng)首先按本書的順序進行學習。然而,并非所有庫存章節(jié)的內(nèi)容都在其他章節(jié)中使用,若有需要可跳過其中大部分章節(jié)。3.2節(jié)的經(jīng)濟訂貨批量模型、4.3節(jié)的(r,Q)政策以及4.2.2節(jié)的報童問題是庫存理論最基礎(chǔ)的內(nèi)容——當然,對這些理論很熟悉的讀者,也可跳過不學。另外,不確定性下的設(shè)施選址問題(第8章)依賴于前面章節(jié)的知識,不建議提前學習。本書的其他內(nèi)容,都可根據(jù)讀者的興趣或需要有選擇地或打亂順序進行學習,而且導師和學生可根據(jù)其偏好、興趣及專長來隨意對內(nèi)容進行重新改編。
除第1章外,每一章的后面都附有習題,附錄A則收錄了需要用到多章節(jié)內(nèi)容才能解決的習題。這些習題能幫助讀者理解、詮釋并進一步擴展書中所討論的模型和算法。有些習題只需按照書中所示簡單運用模型算法解決,而大多數(shù)習題則需要讀者給出定理的證明、擴展模型或進一步深入探索書中的內(nèi)容。有些習題所需要的數(shù)據(jù)集過大,無法在書中給出,可參見本書網(wǎng)站http://coral.ie.lehigh.edu/~larry/sctheory。
網(wǎng)站中也包含了此書的勘誤表,如果你在書中發(fā)現(xiàn)了勘誤表未提到的錯誤,請通過發(fā)送電子郵件至larry.snyder@lehigh.edu告訴我們。
我們?yōu)槔蠋熖峁┑慕處熓謨灾泻袑α曨}的完整解答。如有需要,可通過信件、傳真、電子郵件等方式向我們索取。我們的聯(lián)系地址是Jackie Palmieri, Assistant Editor, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, MS 801,Hoboken, NJ 07030, USA,傳真(201) 7488888,電子郵箱jpalmier@wiley.com。
致謝
我們要感謝很多人。首先,我們要感謝的是這本書的編輯Susanne SteitzFiller,以及Melissa Yanuzzi、Jackie Palmieri等所有Wiley編輯團隊的伙伴,是他們不斷給予支持并最終實現(xiàn)了本書的出版。
感謝在研究生期間教導我們的老師們,特別是我們的指導教授和導師Mark Daskin和David SimchiLevi,第8章的許多結(jié)論都來自于當時我們與Mark的合作。Mark Daskin和David SimchiLevi是杰出的科研人員、優(yōu)秀的教師及寬厚熱心的指導者,更對教材的編寫有著豐富的經(jīng)驗——沒有他們,我們不會成為教授。
感謝我們在里海大學和伯克利大學的同事,以及現(xiàn)在或曾經(jīng)教過的博士生,尤其是Zümbül Atan、Gang Chen、Leon Chu、Tingting Cui、Tianhu Deng、agrl Latifoglu、Shan Li、HoYin Mak、Lian Qi、Ying Rong、Amanda Schmitt、Ye Xu以及Lezhou Zhan。本書的問世,得益于他們的研究合作(體現(xiàn)在書中的材料里),以及許多與他們在研究教學方面富有成效的討論。
本書由我們在里海大學和伯克利大學的研究生供應(yīng)鏈課程講義發(fā)展而來。許多學生曾經(jīng)接觸過這些講義的早期版本,他們的提問、建議以及困惑幫助我們發(fā)現(xiàn)并改正書中的錯誤,并最終改進整本書的表達。其中,Tingting Cui、HoYin Mak、Scott DeNegre、Kewen Liang、Gokhan Metan、Cory Minglegreen、Jack Oh、Jim Ostrowski以及Ye Xu的深刻見解,成為了本書中某段更好的闡述、某道有趣的習題或是對某道題更為精妙的解答。
Tolga Seyhan為本書的籌備工作、圖表的繪制、索引的編寫、資料的收集以及細節(jié)方面等都提供了寶貴的幫助。還要感謝Pete Ferrari幫助我們構(gòu)建了BIBTEX數(shù)據(jù)庫,TeXnology公司的Amy Hendrickson與我們分享了她在LATEX方面的專業(yè)知識,以及Andrew Ross在隨機過程方面為我們的疑問所做出的耐心解答。
最后也是最重要的,感謝我們的家人Suzanne、Irene、Matilda、Michelle、Jeffrey以及我們的大家庭在這段時間對我們的支持、鼓勵和愛。
第1章導論1
1.1供應(yīng)鏈管理概述1
1.2供應(yīng)鏈管理的決策層次2
1.3供應(yīng)鏈管理的應(yīng)用3
第2章預測和需求建模4
2.1引言4
2.2經(jīng)典需求預測方法4
2.2.1移動平均法5
2.2.2指數(shù)平滑法5
2.2.3線性回歸8
2.3需求建模方法8
2.4Bass擴散模型9
2.4.1模型10
2.4.2離散時間模型11
2.4.3參數(shù)估計12
2.4.4拓展12
2.5先行指標法13
2.6離散選擇模型15
2.6.1離散選擇介紹15
2.6.2多元Logit模型16
2.6.3供應(yīng)鏈管理實例應(yīng)用17
習題18
第3章確定性庫存模型21
3.1庫存模型21
3.1.1為什么要持有庫存?21
3.1.2庫存模型分類23供應(yīng)鏈理論基礎(chǔ)目錄3.1.3成本24
3.1.4庫存水平和庫存狀態(tài)25
3.1.5學習指南25
3.2連續(xù)盤點: 經(jīng)濟訂貨批量模型26
3.2.1問題描述26
3.2.2成本函數(shù)26
3.2.3最優(yōu)解28
3.2.4訂貨量靈敏度分析29
3.2.5訂貨提前期30
3.2.6二次冪(PowerofTwo,POT)策略30
3.2.7含數(shù)量折扣的EOQ模型33
3.2.8允許缺貨的EOQ模型38
3.3定期盤點: WagnerWhitin模型40
3.3.1問題描述40
3.3.2動態(tài)規(guī)劃算法41
3.3.3擴展43
習題43
第4章隨機性庫存模型47
4.1序言47
4.2需求過程48
4.3連續(xù)盤點: (r,Q)策略49
4.3.1問題描述49
4.3.2連續(xù)分布的近似模型49
4.3.3EOQB近似法54
4.3.4離散分布的精確模型55
4.4無固定成本的定期盤點: 基本庫存策略56
4.4.1基本庫存策略57
4.4.2單周期情形: 報童模型57
4.4.3有限周期64
4.4.4無限周期66
4.5非零固定成本的定期盤點: (s,S)策略68
4.5.1(s,S)策略68
4.5.2單周期68
4.5.3有限周期69
4.5.4無限周期69
4.6策略的最優(yōu)性71
4.6.1無固定成本: 基本庫存策略72
4.6.2非零固定成本: (s,S)策略76
習題82
第5章多級庫存模型89
5.1引言89
5.1.1多級網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)89
5.1.2隨機服務(wù)和保證服務(wù)91
5.2隨機服務(wù)模型91
5.2.1連續(xù)系統(tǒng)91
5.2.2連續(xù)系統(tǒng)的精確算法93
5.2.3連續(xù)系統(tǒng)的啟發(fā)式方法94
5.2.4其他網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)95
5.3保證服務(wù)模型96
5.3.1引言96
5.3.2需求97
5.3.3單階段網(wǎng)絡(luò)98
5.3.4連續(xù)系統(tǒng)99
5.3.5樹狀系統(tǒng)101
5.3.6求解方法102
習題107
第6章庫存優(yōu)化中不確定性的處理方法109
6.1引言109
6.2風險共擔效應(yīng)109
6.2.1概述109
6.2.2問題描述110
6.2.3分散式系統(tǒng)110
6.2.4集中式系統(tǒng)110
6.2.5比較111
6.2.6風險共擔效應(yīng)度量111
6.2.7思考112
6.3延遲策略112
6.3.1引言112
6.3.2優(yōu)化模型113
6.3.3與風險共擔的關(guān)系114
6.4轉(zhuǎn)運115
6.4.1引言115
6.4.2問題描述115
6.4.3期望成本117
6.4.4轉(zhuǎn)運的優(yōu)點118
6.5供應(yīng)不確定性簡介120
6.6存在中斷的庫存模型121
6.6.1存在中斷的EOQ模型121
6.6.2存在中斷的報童問題124
6.7存在供應(yīng)量不確定性的庫存模型127
6.7.1存在供應(yīng)量不確定性的EOQ模型128
6.7.2存在供應(yīng)量不確定性的報童模型130
6.8風險分散效應(yīng)130
6.8.1問題描述130
6.8.2符號說明131
6.8.3最優(yōu)解131
6.8.4最優(yōu)成本的均值和方差132
6.8.5供應(yīng)中斷和隨機需求133
習題133
第7章設(shè)施選址模型139
7.1引言139
7.2無容量限制固定成本選址問題140
7.2.1問題描述140
7.2.2模型141
7.2.3求解方法143
7.2.4拉格朗日松弛法144
7.2.5容量限制固定成本選址問題149
7.3多級多產(chǎn)品模型151
7.3.1引言151
7.3.2問題描述151
7.3.3模型152
7.3.4拉格朗日松弛法153
習題154
第8章不確定性下的設(shè)施選址159
8.1引言159
8.2風險共擔選址模型159
8.2.1引言159
8.2.2問題描述160
8.2.3符號161
8.2.4目標函數(shù)161
8.2.5NLIP模型162
8.2.6拉格朗日松弛算法163
8.2.7列生成算法167
8.3隨機和魯棒選址模型170
8.3.1引言170
8.3.2隨機固定成本選址問題170
8.3.3極小極大固定成本選址問題172
8.4中斷的設(shè)施選址模型173
8.4.1引言173
8.4.2符號175
8.4.3建模176
8.4.4拉格朗日松弛法177
8.4.5權(quán)衡曲線178
習題180
第9章過程柔性182
9.1引言182
9.2柔性設(shè)計準則183
9.3過程柔性優(yōu)化模型186
9.3.1模型186
9.3.2拉格朗日松弛法188
習題189
第10章牛鞭效應(yīng)192
10.1引言192
10.2牛鞭效應(yīng)的存在性證明194
10.2.1需求信息處理194
10.2.2配給博弈198
10.2.3批量訂貨200
10.2.4價格投機202
10.3減小牛鞭效應(yīng)203
10.3.1需求信息處理203
10.3.2配給博弈204
10.3.3批量訂貨204
10.3.4價格投機205
10.4集中需求信息205
10.4.1集中式系統(tǒng)205
10.4.2分散式系統(tǒng)206
習題207
第11章供應(yīng)鏈合同209
11.1引言209
11.2博弈論導論209
11.3符號說明211
11.4初步分析212
11.5批發(fā)價合同214
11.6回購合同217
11.7收益共享合同222
11.8數(shù)量柔性合同224
習題226
第12章拍賣231
12.1引言231
12.2英式拍賣232
12.3組合拍賣234
12.3.1組合拍賣問題235
12.3.2求解集裝箱問題(SPP)236
12.3.3誠實競價237
12.3.4威克瑞克拉克格羅夫拍賣(VCG)237
習題240
附錄A附加題243
習題243
附錄B如何寫證明: 簡短指南247
B.1如何證明247
B.2必須證明的事實類型248
B.3證明方法250
B.3.1直接證明250
B.3.2反證法250
B.3.3數(shù)學歸納法251
B.3.4窮舉法252
B.4其他建議252
附錄C有用的公式254
C.1標準化正態(tài)隨機變量254
C.2損失函數(shù)254
C.2.1一般分布254
C.2.2標準正態(tài)分布255
C.2.3非標準正態(tài)分布255
C.3積分變換255
C.3.1非變限積分的變換255
C.3.2變限積分的變換256
C.4幾何級數(shù)256
C.5Excel中的正態(tài)分布256
C.6局部平均值257
附錄D拉格朗日松弛法258
D.1概述258
D.2界限259
D.3次梯度優(yōu)化260
D.4停止規(guī)則262
D.5其他問題類型262
D.5.1不等式約束262
D.5.2最大化問題262
D.6分支定界法263
D.7算法總結(jié)263
參考文獻264