CC BY
8
УДК 519.6
Вестник СПбГУ. Прикладная математика... 2017. Т. 13. Вып. 2
В. М. Буре, В. В. Карелин, Л. Н. Полякова, И. В. Ягольник
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАКАЗА
ДЛЯ КУСОЧНО-ЛИНЕЙНОГО СПРОСА С НАСЫЩЕНИЕМ*
Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7—9
В работе описывается модель поведения торговой фирмы, когда предполагаемый спрос на товар носит кусочно-линейный характер, характеризуемый некоторым заранее определенным уровнем насыщения. В результате проведения специальных маркетинговых исследований определена функция спроса. Предполагается, что используется следующая схема продажи товара. Заказанный товар делится на две части. Первая партия поступает сразу и продается в течение некоторого периода времени, в момент времени Ti вся первая партия полностью поступает потребителям. После этого продается вторая партия товара, но ее поставка покупателям происходит в момент времени T. Необходимость рассмотрения такой схемы продажи связана с тем, что, во-первых, склады торговой фирмы имеют ограниченный объем и не могут вместить весь заказанный объем товара, во-вторых, производитель не может предложить сразу всю партию, так как не весь товар может быть произведен в начальный (нулевой) момент времени, когда осуществляется заказ. Важной особенностью предлагаемой задачи является выбор параметров, по которым впоследствии проводится оптимизация. Для торговой фирмы первостепенное значение имеют моменты времени Ti и T. В момент времени Ti торговая фирма полностью продаст первую партию товара и получит средства, часть которых она выплатит фирме-производителю, что позволит последней продолжить свою деятельность. Этот момент времени имеет основное значение для торговой фирмы, поскольку позволит ей выполнить различные финансовые обязательства, связанные с выплатой кредитов и других расходов. Момент времени T также играет исключительно важную роль для торговой фирмы, так как будет означать успешное завершение полной реализации всего закупленного товара. Выбор моментов времени Ti и T дает возможность определить объем первой партии заказанного товара qo и общий объем всего заказанного у производителя товара Q. В работе осуществляется выбор оптимальной стратегии заказа торговой фирмы. Библиогр. 16 назв. Ил. 1.
Ключевые слова: уровень запаса и дефицит товара, кусочно-линейный спрос, скидка.
V. M. Bure, V. V. Karelin, L. N. Polyakova, I. V. Yagolnik
MODELING OF THE ORDERING PROCESS
FOR PIECEWISE-LINEAR DEMAND WITH SATURATION
St. Petersburg State University, 7—9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
Буре Владимир Мансурович — доктор технических наук, профессор; [email protected]
Карелин Владимир Витальевич — кандидат физико-математических наук, доцент; [email protected]
Полякова Людмила Николаевна — доктор физико-математических наук, профессор; [email protected]
Ягольник Ирина Васильевна — студент; [email protected]
Bure Vladimir Mansurovich — doctor of technical sciences, professor; [email protected]
Karelin Vladimir Vitalievich — PhD of physical and mathematical sciences, associate professor; [email protected]
Polyakova Ludmila Nikolaevna — doctor of physical and mathematical sciences, professor; [email protected]
Yagolnik Irina Vasilevna — student; [email protected]
* Работа выполнена при финансовой поддержке Санкт-Петербургского государственного университета (грант № 9.38.205.2014).
© Санкт-Петербургский государственный университет, 2017
This article discusses the behavior of trading companies when the demand function for a product is a piecewise linear function with some pre-defined level of saturation. As a result of special marketing research the demand function is determined. It is assumed that the following scheme is used. The ordered product is divided into two parts. The first batch will arrive immediately and will be sold within a certain period of time up to Ti. The second batch of goods will be delivered only at time T and this batch will be sold with reduction in price as follows from deficit of the goods. The consideration of a such a scheme for the sale stems from the fact that, first, commercial enterprises have limited capacity and can not accommodate the entire volume of products ordered, and secondly, the manufacturer may not offer the entire ordered quantity at the initial time. An important feature of this problem is selection of parameters which are subsequently optimized. For trading firms the moment time Ti has very high importance because trading companies have sold the first batch and received money. After this moment the trading firms will pay to the manufacturers, and manufacturers can to continue the activities. The time moment Ti is important for trading firms, as it will allow them to fulfill various financial obligations associated with the payment of loans and other expenses. Time T is also important, so this will mean the successful completion in full of selling all these goods. Refs 16. Fig. 1.
Keywords: the level of product inventory, piecewise linear demand, the goods deficit, reduction.
Введение. В работе формулируется и изучается модель поведения торговой фирмы, осуществляющей продажу некоторого заказанного у производителя объема товара, когда предполагаемый спрос на товар носит кусочно-линейный характер, характеризуемый некоторым заранее определенным уровнем насыщения. В результате проведения специальных маркетинговых исследований была точно определена функция спроса на реализуемый товар, закупленный у конкретного производителя с учетом популярности товара у покупателей. Торговая фирма делает заказ производителю товара и реализует его через магазины, расположенные на некоторой территории. При этом предполагается, что используется следующая схема продажи товара. Вся заказанная партия товара делится на две части, причем первая партия поступает сразу и продается в течение некоторого периода времени, будем считать, что в момент времени Ti она вся полностью реализована потребителям. Через некоторый промежуток времени длины T — Ti поступает вторая партия товара, причем в течение указанного промежутка она также реализуется, но поставка товара покупателям происходит в момент времени T. Необходимость рассмотрения такой схемы продажи обусловлена разнообразными причинами и часто встречается на практике. Так, во-первых, склады торговой фирмы имеют ограниченный объем и не могут вместить весь заказанный товар у производителя сразу, во-вторых, производитель, как часто бывает, не может предложить целиком всю заказанную партию, так как не весь товар может быть произведен в начальный (нулевой) момент времени, когда осуществляется заказ. Более того, для производства части заказанного товара могут потребоваться средства, которые поступят производителю от торговой фирмы после реализации этой части товара.
Особенностью рассматриваемой задачи является выбор параметров, по которым впоследствии производится оптимизация. Для торговой фирмы важное значение имеют моменты времени Ti и T. В момент времени Ti торговая фирма полностью продаст первую партию товара и получит средства, часть которых она выплатит фирме-производителю, которая сможет продолжить свою деятельность. Этот момент времени важен для торговой фирмы, поскольку позволит ей выполнить различные финансовые обязательства, связанные с выплатой кредитов и других расходов. Момент времени T также играет исключительно значительную роль торговой фирмы, так как будет означать успешное завершение полной реализации всего закупленного товара.
Будем предполагать, что в результате проведенных маркетинговых исследований удалось точно определить функцию спроса на товар, это означает, что выбор моментов времени Т и Т дает возможность в принципе вычислить объем первой партии заказанного товара до и общий объем всего заказанного у производителя товара Q. Разумеется, все рассчитанные величины представляют собой некоторые оценки, причем их точность в значительной степени зависит от качества проведенного маркетингового исследования, но выбор коммерческих решений может осуществляться только на основе сделанных оценок и безусловно содержит элементы коммерческого риска. Именно поэтому для торговой фирмы, доходы которой полностью зависят от качества коммерческих решений, решающим является выбор ключевых моментов времени Т и Т. Далее в работе выбирается оптимальная стратегия заказа торговой фирмы.
Близкие по постановке задачи рассматривались ранее в работах [1-13].
Приведем список основных обозначений: с — закупочная цена единицы товара у производителя; р (р > с) — цена единицы товара для покупателя в магазине торговой фирмы; в — скидка, предоставляемая покупателю при покупке единицы товара, при дефиците товара (товар поставляется покупателю позже); Т — момент времени, когда первая партия товара реализована; Т — момент времени, когда реализована вся заказанная партия товара; Q — общий объем всего заказанного у производителя товара; I(Ь) — текущий уровень запаса товара (дефицита товара); В(Ь) — мгновенный спрос на товар; V — потери, связанные с дефицитом товара в торговой фирме; ТР(Т\, Т) — усредненный доход торговой фирмы.
Основные результаты. Предположим, что величина В(Ь) линейно возрастает до момента насыщения Ьп:
В(Ь) = / а + ЬЬ, 1 <Ьп, ( ) \ а + Ып, ь > п
где а и Ь — неотрицательные константы. Возможны следующие варианты выбора моментов времени Т и Т\:
1) Ьп > Т;
2) Т>Ьп > Т;
3) Т>Тг > Ьп.
Первый вариант рассматривался в работе [1], в которой исследовался линейный рост без насыщения, что, конечно, представляется не вполне адекватным с экономической точки зрения. Подробно изучен линейный спрос с насыщением для второго варианта, поскольку из общих соображений ясно, что этот вариант лучше описывает экономическую реальность, чем третий вариант.
Из сформулированной выше модели следует, что, если Т > Ьп ^ Т\, то текущий уровень запаса I(Ь) для Ь € [0, Т{\ описывается дифференциальным уравнением
= -ви) = -(а + Ы), 0 < г < Ть
аЬ
с граничным условием I(Тц) = 0. Тогда, как нетрудно видеть,
Т Т Т
J <и(ь) = - ! в(ь)аь = -1(а + ьь)аь
г г г
и, следовательно, текущий уровень запаса I(Ь) при Ь € [0, Т{\ равен
1{г) = а(Тг -г) + -{т2 - г2), о < * < т^ Следуя [1], определим текущий уровень дефицита (недопоставок) при Т\ ^ Ь ^ Ьп:
щ = а(Т\ - г) + ь-(т1 - £2), тх < г < гп.
На промежутке [Ьп,Т] спрос достиг уровня насыщения, поэтому уровень дефицита (недопоставок) определяется выражением
I(Ь) = I(Ьп) - (а + Ып)(Ь - Ьп), Ьп < Ь < Т.
Поведение системы инвентаризации в любой момент времени Ь Е [0,Т] показано на рисунке.
График функции I(£)
Таким образом, объем первой партии товара (поставленного в начальный момент времени) равен
д0 = 1(0) = аТ! + Ъ-Т2, максимальный уровень дефицита (недопоставок) —
В = -ЦТ) = а(Т - Тг) - Ь-(12п + Т2) + ЫпТ. Отсюда получаем, что общий объем заказа определяется следующим выражением:
д = до +в = аТ+ ^„(2 Т - «„), потери, связанные с дефицитом (недопоставкой) продукции, — по формуле [1]
V = - в
1
з 11(Ь)йЬ.
1
В рассматриваемом варианте
при этом
гп т
JI (ь)аь ^у I (ь)аь
.Тг гп
11(гуМ = -{Т1 б1п)2 [За + 6(^ + 2^)]
Т1
1
JI(Ь)аЬ = I(Ьп)(Т - Ьп) - (а + ЬЬп)
Т - ЬпУ
Таким образом,
V =- £
(Т1 1п)2 [За + Ь(*п + 2ту] + цгпут - гп) - (а + ып)(Г1
6
(Г1 /")2(2а + ьуп + ту) + Щп){Т - Ьп)
№ 3^)2(2« + К*» + 2\)) + [а(Т\ - 1п) + ^ - ^)](Т - 1п)
Окончательно получаем
V =
ЪТ* + 2а + Т( - -ЪТ(Т - (аtn + ЪУ^П -
- 3аТУГ + 3 + -¿„^ Т - аЬп - -Ып Общая прибыль продавца ТР(Т\, Т) равна
ТР{ТиТ) = ±{р-с)С1-У =
= ИТ1? + 5 (Iе + 1Ып) П - - 4{а1п + ы1)Т1 -
- ваТУГ + | (р - с)(а + Ып) + в (аЬп + ^ } Т - (р - - | (аУп + } .
Математическая оптимизационная модель. Будем решать задачу поиска максимального значения функции /(Т\,Т) по аргументам Т\,Т на множестве, задаваемом неравенствами Т ^ Ьп < Т.
Определим функции
/ (ТЬТ) = -ТР(ТЪТ), Н1 (Тг ) = Т - Ьп, Ь2(Т ) = Ьп - Т, Но(ТиТ) = 0.
Для удобства изложения дальнейшего материала обозначим через х двумерный вектор х = (х 1,х2) € Ие2, где х 1 = Т\,х2 = Т. Тогда
/(х) = -ТР(Т, Т), Н 1 (х) = Т - Ьп, Н2(х) = Ьп - Т, Но(х)=0,
и
— в
= —в
в
dh0 dh0 dhi dhi dh2 dh2 dxi dx2 dxi дх2 дх\ дх2
Рассмотрим оптимизационную задачу
f (х) ^ min, х € X,
в которой
X = {х = (х1 ,х2) € Re 2 | hi(х) < 0, i = 1, 2}. Множество X можно представить в следующем виде:
X = {х = (хг ,х2) € Re 2 | р(х)=0}, (1)
где
ц}(х)=т&х К(х), I = {0,1, 2}.
iei
Нетрудно заметить, что р(х) = 0 тогда и только тогда, когда х € X.
Для решения задачи условной оптимизации будем применять методы, используемые в теории негладкой оптимизации [14-16]. Из свойств функции максимума известно, что р(х) дифференцируема по любому направлению g € Re 2, причем
р'(х, g) = max Sv,g),
ved^(x)
др(х) = ео{^(х)^ € Н(х)}, Я(х) = {i € 11Ы(х) = р(х)}.
Здесь через {*, *) обозначено скалярное произведение, через др(х) — субдифференциал функции максимума в точке х, через co{A} — выпуклая оболочка множества A; К(х) является множеством индексов активных ограничений в точке х. Если х € X (т. е. если р(х) > 0 ), то 0 € И(х). Пусть £ > 0. Введем множество
Xe = {х € Re 2 | р(х) < е}. (2)
В дальнейшем предположим следующее: найдутся такие числа е > 0 и а > 0, что
min ||«(х)|| > а Ух € Xe\X.
ved<p(x)
Положим
и \ у ■ f р(х + °g') - р(х)
ср1(х) = Iimmf -.
a[0,g' ^g а
В этом случае можно показать, что
р1(х) < -а Ух € Xe\X.
Рассмотрим функцию
Р\(х) = f (х) + Хр(х), X > 0.
Следуя работам [14, 15], можно доказать теорему. Теорема. Пусть
min f (х) > —оо
xen v '
и ЗЛо < ж такое, что для У Л ^ Ло найдется xx € О, для которого
Fx(xx) = min Fx(x).
Тогда ЗЛ* ^ Л0 такие, что при У Л ^ Л*
f(xx) = 0, f (xx) = min f (x).
Из теоремы следует, что, если x* € X — точка минимума функции f на X, то эта точка является и точкой минимума функции Fx (x) на Re 2.
Замечание!.. Функция Fx(x) субдифференцируема при Л ^ 0, причем
dFx(x) = f '(x) +Лдф),
где f' (x) — градиент функции f в точке x
( df(x) df(x) \ ( dTP(Ti, T) dTP(Ti, T)
f '(х)
V дх1 ' дх2 J V dT1 dT
Имеем
дТР^Т) =JL{- ЗЬТ2 - 4aT1btnT1 + 3ЪТХТ + atn + bt2n
дТР(ТьТ) = ^2sbTз + 4saT2 + _ 2satnTi _ 2sbtlTl +
+ 6pa + 6pbtn — 6ca — 6cbtn — 3bpti + ЗЬеЬП — 2satin — sbti^j ■
По необходимому условию минимума
02 € dFx(x).
Замечание2. Рассмотрим функцию
( {h'i(x)}, hi(x) > 0,
d\hi(x)\ = i {—h'iix)}, hi(x) < 0,
( co{hi(x), — hi(x)}, hi(x)=0■
Тогда, если x) > 0, то dp(x) = co{hi(x) sign hi(x)\ i € R(x)}. Учитывая (1) и (2), можно найти коэффициенты ai такие, что
ai > 0^ ^ ai = 0, 0n = f (x*) + A o>ihi(x*).
i£R(x*) i£R(x*)
Таким образом, точка x* является стационарной точкой гладкой функции
L(x, L*) = f (x) + Y, A*hi(x),
iei
где множители Лагранжа A* имеют вид
A* = J Aa.i, i € R(x*), Ai = \ 0, i € R(x*).
144 Вестник СПбГУ. Прикладная математика. Информатика... 2017. Т. 13. Вып. 2
Заключение. В работе сформулирована и изучена модель определения объема заказа торговой фирмы для кусочно-линейного спроса на продаваемый товар при наличии уровня насыщения. Разработана оптимизационная задача, для решения которой привлекается подход на основе применения методов и понятий негладкой оптимизации. Приведена теорема, дающая необходимые условия экстремума.
Литература
1. Giri B. C., Sharma S. Optimal ordering policy for an inventory system with linearly increasing demand and alowable shortages under two levels trade credit financing // Oper. Res. Intern. J. 2016. Vol. 16. P. 25-50.
2. Aggarwal S. P., Jaggi C. K. Ordering policies of deteriorating items under permissible delay in payments// J. Oper. Res. Soc. 1995. Vol. 46(5). P. 658-662.
3. Dave U. Letters and viewpoints on "economic order quantity under conditions of permissible delay in payments" //J. Oper. Res. Soc. 1985. Vol. 46(5). P. 1069-1070.
4. Chen S. C., Teng J. T., Skouri K. Economic production quantity models for deteriorating items with up-stream full trade credit and down-stream partial trade credit // Intern. J. Prod. Econ. 2013. Vol. 155. P. 302-309.
5. Giri B. C., Sharma S. An integrated inventory model for a deteriorating item with allowable shortages and credit linked wholesale price // Optim. Lett. 2015. Vol. 37. P. 624-637. DOI:10.1007/s11590-014-0810-2.
6. Goyal S. K. Economic order quantity under conditions of permissible delay in payments // J. Oper. Res. Soc. 1985. Vol. 36(4). P. 335-338.
7. Huang Y. F. Optimal retailer's ordering policies in the EOQ model under trade credit financing // J. Oper. Res. Soc. 2003. Vol. 54(9). P. 1011-1015.
8. Huang Y. F., Hsu K. H. An EOQ model under retailer partial trade credit policy in supply chain // Intern. J. Prod. Econ. 2008. Vol. 112(2). P. 655-664.
9. Jamal A. M. M., Sarker B. R., Wang S. An ordering policy for deteriorating items with allowable shortages and permissible delay in payment //J. Oper. Res. Soc. 1997. Vol. 48(8). P. 826-833.
10. Khanra S., Ghosh S. K., Chaudhuri K. S. An EOQ model for a deteriorating item with time dependent quadratic demand under permissible delay in payment // Appl. Math. Comput. 2011. Vol. 218(1). P. 1-9.
11. Khanra S., Mandal B., Sarkar B. An inventory model with time dependent demand and shortages under trade credit policy // Econ. Model. 2013. Vol. 35. P. 349-355.
12. Maihami R., Abadi I. N. K. Joint control of inventory and its pricing for non-instantaneously deteriorating items under permissible delay in payments and partial backlogging // Math. Comp. Model. 2012. Vol. 55(5-6). P. 1722-1733.
13. Bure V. M., Karelin V. V., Polyakova L. N. Probabilistic model of terminal services // Applied Mathematical Sciences. 2016. Vol. 10(39). P. 1945-1952.
14. Polyakova L. N., Karelin V. V. On a continuous method for minimizing of nonsmooth functions // Intern. conference stability and control processes in memory of V. I. Zubov (SCP): Proceedings. Eds: L. A. Petrosyan, A. P. Zhabko. Saint Petersburg: Saint Petersburg University, 2015. P. 338-341.
15. Polyakova L., Karelin V. Exact penalty functions method for solving problems of nondifferentiable optimization // Cybernetics and physics. 2014. Vol. 3, N 3. P. 124-129.
16. Полякова Л. Н. О методе точных штрафных квазидифференцируемых функций // Журн. вычисл. математики и матем. физики. 2001. Т. 41, № 2. С. 225-238.
Для цитирования: Буре В. М., Карелин В. В., Полякова Л. Н., Ягольник И. В. Моделирование процесса заказа для кусочно-линейного спроса с насыщением // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2017. Т. 13. Вып. 2. С. 138-146. DOI: 10.21638/11701/spbu10.2017.202
References
1. Giri B. C., Sharma S. Optimal ordering policy for an inventory system with linearly increasing demand and alowable shortages under two levels trade credit financing. Oper. Res. Intern. J., 2016, vol. 16, pp. 25-50.
2. Aggarwal S. P., Jaggi C. K. Ordering policies of deteriorating items under permissible delay in payments. J. Oper. Res. Soc., 1995, vol. 46(5), pp. 658-662.
3. Dave U. Letters and viewpoints on "economic order quantity under conditions of permissible delay in payments". J. Oper. Res. Soc., 1985, vol. 46(5), pp. 1069-1070.
4. Chen S. C., Teng J. T., Skouri K. Economic production quantity models for deteriorating items with up-stream full trade credit and down-stream partial trade credit. Intern. J. Prod. Econ., 2013, vol. 155, pp. 302-309.
5. Giri B. C., Sharma S. An integrated inventory model for a deteriorating item with allowable shortages and credit linked wholesale price. Optim. Lett., 2015, vol. 37, pp. 624-637. DOI: 10.1007/s11590-014-0810-2.
6. Goyal S. K. Economic order quantity under conditions of permissible delay in payments. J. Oper. Res. Soc., 1985, vol. 36(4), pp. 335-338.
7. Huang Y. F. Optimal retailer's ordering policies in the EOQ model under trade credit financing. J. Oper. Res. Soc., 2003, vol. 54(9), pp. 1011-1015.
8. Huang Y. F., Hsu K. H. An EOQ model under retailer partial trade credit policy in supply chain. Intern. J. Prod.. Econ., 2008, vol. 112(2), pp. 655-664.
9. Jamal A. M. M., Sarker B. R., Wang S. An ordering policy for deteriorating items with allowable shortages and permissible delay in payment. J. Oper. Res. Soc., 1997, vol. 48(8), pp. 826-833.
10. Khanra S., Ghosh S. K., Chaudhuri K. S. An EOQ model for a deteriorating item with time dependent quadratic demand under permissible delay in payment. Appl. Math. Comput., 2011, vol. 218(1), pp. 1-9.
11. Khanra S., Mandal B., Sarkar B. An inventory model with time dependent demand and shortages under trade credit policy. Econ. Model., 2013, vol. 35, pp. 349-355.
12. Maihami R., Abadi I. N. K. Joint control of inventory and its pricing for non-instantaneously deteriorating items under permissible delay in payments and partial backlogging. Math. Comp. Model., 2012, vol. 55(5-6), pp. 1722-1733.
13. Bure V. M., Karelin V. V., Polyakova L. N. Probabilistic model of terminal services. Applied Mathematical Sciences, 2016, vol. 10(39), pp. 1945-1952.
14. Polyakova L. N., Karelin V. V. On a continuous method for minimizing of nonsmooth functions. Intern. Conference stability and control processes in memory of V. I. Zubov (SCP). Proceedings. Eds L. A. Petrosyan, A. P. Zhabko. Saint Petersburg, Saint Petersburg University Publ., 2015, pp. 338-341.
15. Polyakova L., Karelin V. Exact penalty functions method for solving problems of nondifferentiable optimization. Cybernetics and physics, 2014, vol. 3, no. 3, pp. 124-129.
16. Polyakova L. N. O metode tochnyh shtrafnyh kvazidifferenciruemyh funkcij [On the method of exact penalty quasidifferential functions]. Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2001, vol. 41, no. 2, pp. 225-238. (In Russian)
For citation: Bure V. M., Karelin V. V., Polyakova L. N., Yagolnik I. V. Modeling of the ordering process for piecewise-linear demand with saturation. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2017, vol. 13, iss. 2, pp. 138-146. DOI: 10.21638/11701/spbu10.2017.202
Статья поступила в редакцию 2 сентября 2016 г. Статья принята к печати 11 апреля 2017 г.
