考虑供应商风险偏好的供应链系统动力学分析

2020-02-19张道宏王维莉古华莹胡志华

计算机工程与应用 2020年3期

张道宏，王维莉，古华莹，胡志华

上海海事大学物流科学与工程研究院，上海201306

1 引言

在日益激烈的市场竞争环境下，供应链上的企业在运作管理中面临各种各样的不确定性，供应链成员也面临着更多的风险。供应商、制造商面对风险的态度会影响供应链决策变化，同时不确定性带来的成本波动等也会影响零售商的定价和订购决策。因此分析供应链成员不同风险偏好对供应链整体运作的影响有实际意义。

近年来，由于人们发现供应链运作管理中理论与实践偏差较大，其原因是对完全理性人及供需确定的假设。基于此，考虑决策者偏好的行为研究逐渐成为热点问题。叶飞等[1]在两条供应链相互竞争的背景下，采用均值标-准差风险度量准则研究了决策者的风险偏好特性对于供应链各成员企业的最优定价决策和竞合策略的影响。吴胜等[2]以消费者时间偏好和决策者风险偏好对产品定价与订货决策为基础，以累积前景理论为框架，建立了基于消费者时间偏好和决策者风险偏好的定价与订货模型。Yan等[3]考虑了零售商的静态损耗规避行为与动态损耗规避行为的基础上建立了零售商的亏损中性行为对均衡状态下的决策、制造商利润和零售商效用的影响。肖迪等[4]研究得出在零售商管理库存模式下，过度自信的决策者对库存量的决策受到其心理预期市场需求的正向影响。陈琴[5]考虑了不同风险偏好[6-9]情形下的供应链企业进行需求信息的调整，Croson等[10]研究发现个人决策行为导致协调风险产生，并且会产生需求波动。Vericourt等[11]研究了由于性别差异导致的风险偏好差异对订货决策具有差异驱动。

根据以上研究结果来看，目前有关供应链中决策者风险偏好对供应链运作影响的研究大多偏向于理论挖掘和现象解释，但在运作管理中更加偏向于对供应链运作影响机制及程度分析。本文建立了贴近实际、能够反应供应链主要特性的系统动力学模型，并进行有效性检验。基于前景理论，引入供应商风险偏好，分析供应商风险感知要素，得出供应商危机程度系数[12]，通过调整供应商决策者风险偏好并进行敏感性分析得出风险感知要素的参数变化对供应链中库存量、积压订单量、发货率、牛鞭效应等影响程度，并根据模拟情况为现实企业运营提出合理建议。

2 问题描述

在供应链管理中，影响供应链运行的要素众多（如生产延迟、供需信息不完全对称、各项成本支出等）。随着信息化程度的不断提升，贸易量的迅速扩大，现代供应链与传统供应链存在较大区别：一方面随着信息共享能力的进一步提升，供应链上下游直接的供需误差进一步缩小，另一方面供应链的运行也由局部最优转向整体最优。传统供应链的研究大多基于决策者风险中立与公平中性[13]、理性人与供需明确的基础上，供应链成员不具备对于未知风险的感知与预判能力，从而导致传统供应链的理论研究与现实供应链运作存在较大偏差。而供应链在现实运作中，供需信息的不确定性及未知因素的影响，各成员的风险偏好及风险感知能力的差异，以及决策者在决策时并不总是追求利润最大化等均可能对供应链的整体运作产生重要影响。

3 模型构建

3.1 基于前景理论的风险偏好建模

（1）前景理论

前景理论[14]是描述性范式的决策模型，分析了人们在面临损失和收益时的不同态度。Tversky&Kahneman通过非线性函数给出了价值函数曲线的函数表达式，反映出人们在不确定情况下，会在心里预设一个参考标准，通过结果与期望的大小进行决策，见公式（1）：

公式（1）中，α,β（0＜α≤β）分别表示面临损失和收益的风险态度系数，λ表示损失厌恶，x0表示参考点。价值函数曲线，如图1所示。

图1 前景理论价值函数曲线

从前景理论价值函数曲线可以看出，人们面对收益时，更多地选择风险规避，以确保收益稳健增长，而面临损失时，人们往往会选择风险追求，表现出人们渴求损失快速降低的心理。

（2）供应商风险偏好建模

当需求商产生需求后，供应链中各环节开始层层往下传递需求信息，当制造商向供应商传递需求信息时，供应商决策者会根据需求的各种不确定性进行风险预估，考虑风险来源，如缺货损失、过剩损失、生产率、各项成本支出、供应能力等风险来源。当需求相对稳定、生产率得以保证，各项成本开支在可承受能力以内的情况下，供应商的缺货损失与产品过剩损失越低，供应商决策者的风险感知程度就越低，继而损失价值程度与风险感知程度同时正向变化。

本文选取了缺货损失与产品过剩损失为供应商风险感知来源。因缺货损失与过剩损失对立存在，假设缺货损失为f1()x，备货过剩损失为f2(x)，风险感知价值函数为F(x)，则F(X )=f1(x)+f2(x),F(X)≥0。假设供应商在需求确定的情况下能够满足需求，其需求不确定导致的缺货损失为X0，过剩损失为0，则F()

X=X0+0，此时供应商的风险感知程度最低，即危机感最小。由前景理论可知，其存在一个风险感知参考点F(X)=X1，当风险感知超过该临界值时，风险感知程度会快速增加。

根据前景理论函数公式，以及供应商决策者收益风险感知的特殊性推导可得风险感知价值函数与风险知程度Q的映射函数关系，见公式（2）：

根据前景理论曲线可以推导得出符合供应商决策者风险偏好的风险感知程度曲线，如图2所示。

图2 供应商风险感知程度曲线

由供应商风险感知程度曲线可知，当风险感知价值函数越趋近于X0时，风险感知程度越接近Q0，且因为f1(x)+f2(x)≥0，因此风险感知程度将趋近于0而不等于0。同时，风险感知参考点X1是供应商风险感知程度的临界值，在临界值的两侧随风险感知价值的变化分别呈现缓慢增长和陡然下降的趋势。

3.2 基于供应商风险偏好的系统动力学建模

（1）模型边界

本文中考虑供应商风险偏好的供应链系统动力学模型由分销商、制造商、供应商组成的三级供应链。根据分销商的订货量需求，制造商进行销售预测，通过销售预测影响制造商期初库存与订货量。而后供应商根据制造商的订货量，结合自身的风险偏好与风险感知来源，调节供应商期初库存与生产量。

（2）模型假设

在传统供应链的基础上，Zhang[15]引入精敏供应链模型，优化了供应链中的牛鞭效应与订货量、需求量问题；单汨源[16]分析了决策者效用对供应链风险管理的影响。本文基于此对模型做了进一步改进，增加了决策者风险偏好对供应链运作效率影响的考虑。同时做了以下假设：

②市场需求具有随机波动性，但产生缺货与生产过剩时不会影响下游企业需求量的波动与订单撤销。

③供应商与制造商在保证正常的市场运作前提下都备有安全库存。

④供应商实施风险预测后，其生产部门根据原材料再生能力与库存调整率决定原材料生产率。

⑤由于需求信息的不完全对称性与上下游企业短期博弈的存在，下游企业反映的需求量高于上游企业供应量，存在需求量不确定性，继而需要根据不同的需求信息来确定风险感知程度。

（3）因果关系回路图

通过对传统供应链进行分析，考虑供应商风险偏好情况下，对供应链系统动力学模型的各影响要素进行了因果关系分析，并构建了因果关系回路图。该三级供应链存在正、负两种反馈回路，正反馈回路代表对该影响要素具有强化作用，负反馈回路对其具有调节降低作用，如图3所示。

分别由两位医师对CT和MRI诊断图像进行审阅，根据美国制定的危险度标准对肿瘤进行分级。直径小于2cm，核分裂小于5个/50 HPF属于极低度危险肿瘤；直径为2～5cm，核分裂小于5个/50HPF属于低度危险；直径小于5cm，核分裂为6～10/50HPF属于中度危险；直径超过5cm，核分裂大于5个/50HPF的肿瘤属于高度危险肿瘤。

图3 考虑供应商风险偏好的因果关系回路图

（4）模型流图

供应链是一个复杂的系统模型，利用系统动力学模型可以分析供应链系统内部各不确定性因素的影响规律，进而解决供应链系统局部对整体、局部对局部的影响类问题。本文使用Vensim软件通过对因果关系回路图分析，建立了考虑供应商风险偏好的供应链系统动力学流图，如图4所示。

该系统动力学模型流图的运行过程为：在市场发出需求信息时，制造商根据市场需求做出销售预测，结合以往的订单处理时间与库存调整率对市场需求做出预测，继而影响到制造商库存与制造商期初库存。制造商根据当期的订货量向上游的供应商发出订货需求，供应商根据制造商订单量与期初库存及发货时间决定发货量。而期初库存的一个重要的影响因素即为供应商的风险偏好以及风险感知来源。供应商决策者结合自身的风险偏好（回避、追求、中立）与两种风险来源（缺货损失与过剩损失）的价值程度，以进一步决定期初库存量。模型中的主要常量设置如表1所示。模型中变量的数学关系式如表2所示。

4 仿真分析

为了更好地体现出供应商决策者风险偏好对供应链运作的影响，进行了三组仿真实验。分别为：考虑供应商风险中立偏好对供应链影响；考虑供应商风险规避偏好对供应链影响；考虑供应商风险追求偏好对供应链影响。仿真的周期为100天，步长为1天。

4.1 考虑供应商风险中立偏好对供应链运作的影响

在对传统供应链优化的基础上，假设供需信息相对确定，需求量存在一定波动，分销商的产品供应不需要考虑供应不足与过剩问题，不存在订单积压的过程。在假设供应商决策者风险偏好为中立情况下，建立了供应链系统动力学仿真模型流图。风险偏好参数设定如下：当参数为1时，供应商的风险偏好为风险规避型，参数为3时，其风险偏好为风险中立型，参数为6时其风险偏好则表现为风险追求型。

首先在不考虑供应商风险偏好的情况下对供应商、制造商、分销商期初库存的变化情况进行仿真分析。接着将供应商的风险偏好参数调为3，分析供应商风险偏好中立时供应商、制造商、分销商库存量的动态变化情况。然后，本文进一步模拟了供应商的风险追求、风险规避、风险中立等风险偏好行为对其期初库存量的影响规律。

由图5可以看出，在不考虑供应商风险偏好的情况下，供应商对需求的预测缺乏准确性，在后期的期初库存量出现明显的上扬，呈现较为明显的牛鞭效应。其原因是供应商在理性人的假设下，缺乏对未知风险的预判及风险价值预估能力，因此不能很好地对期初库存量作出预测。

图4 考虑供应商风险偏好的供应链系统动力学仿真模型流图

表1 模型主要常量设置

表2 模型主要变量数学关系式

如图6所示，在供应商风险中立的假设下，随着供应商决策者对分析感知来源的进一步评估，其可以做出更加符合供应链上游需求的决策。不仅可以降低供应商积压订单量与多余库存量，提升供应商的利润空间，同时也可以弱化牛鞭效应，使得供给量与需求量之间的误差进一步缩小，使供应链整体的运行得到进一步优化。

图5 不考虑风险偏好情况下供应链各成员期初库存的变化

由图7可以看出，供应商的风险规避、风险中立与风险追求的偏好行为对其做出库存策略的决策有重要影响。风险规避型决策者的风险承受能力相对较低，所以面临不确定性的市场需求时做出了相对保守的库存策略，而与之相反的风险追求型决策者对风险的承受能力较高，对不确定的市场预期保有较为乐观的预测，因而做出了相对激进的库存策略。

4.2 考虑供应商风险规避偏好对供应链运作的影响

图6 供应商风险偏好中立时供应链各成员期初库存的变化

在考虑供应商风险规避对供应链影响的情况时，又进一步引入对风险感知来源的分析，通过调整单位缺货成本与单位过剩成本，改变风险价值，对期初库存量、订单积压量、发货率做了进一步分析。

如图8所示，在供应商具有风险规避偏好，对市场的需求预测相对保守的情况下，如果风险价值越高，会使得供应商的期初库存量更加保守，在此期间，可能会出现供不应求的情况，无法满足市场需求。

相应地，在风险价值较低的情况下，供应商决策者对市场的预测较为宽松，基本可以满足市场需求，而后期会出现库存过剩的现象，其原因是供需信息不完全对称，越往后期起需求不对称性会越被放大，如图9所示。同时，可以看出供应商风险规避行为在两种不同风险价值情况下，都很难对制造商与分销商的期初库存产生影响。

在此基础之上，本文进一步分析了供应商风险规避对供应商积压订单量与制造商积压订单量的影响。如图10所示，对供应商进行风险偏好与风险感知来源分析，可以对供应商积压库存量起到优化作用，降低库存量。其原因是供应商通过分析风险感知来源，结合自身风险偏好对市场需求做出来了更加准确的预测，对期初库存量及发货率做了进一步调整，因而供应商积压订单量出现了波动降低情况。

图8 风险规避型供应商在风险价值较高情况下供应链各成员期初库存的变化

图9 风险规避型供应商在风险价值较低情况下供应链各成员期初库存的变化

图10 风险规避型供应商存在时供应链各成员积压订单量的变化

图11 供应商风险规避对发货率的影响

分析供应商风险规避对发货率的影响，发现分销商、制造商、供应商发货率随时间先后呈现稳定趋势，如图11所示。其原因可能是由于市场需求逐渐趋于稳定，而制造商与供应商对供应链下游的需求信息的掌握具有一定的延迟性。同时，供应商发货率围绕制造商发货率上下波动。这是由于风险规避型供应商决策者对市场需求较为保守，制造商的需求预测不能及时跟进，面对制造商的需求波动而不能及时应对，因此出现了供应商发货率围绕制造商发货率上下较大波动的现象。

4.3 考虑供应商风险追求偏好对供应链运作的影响

在供应商风险追求偏好情况下，本文对供应链各成员中期初库存、积压订单量、发货率做了进一步分析。

仿真结果表明，由于具有风险追求偏好的供应商决策者对市场需求持有乐观态度，并且风险承受能力较强，在面临不同的风险价值时，其期初库存量与付出价值成正比增长，如图12、图13所示。另外与图8、图9相比，具有风险追求偏好的供应商的期初库存始终高于制造商与分销商，不会存在供不应求的状况，但是可能会增加积压订单量。

供应商风险追求偏好情况下供应商与制造商的积压订单量的变化与供应商风险规避偏好情况下具有相似的规律，如图14所示。但与图10相比，发现制造商的积压订单量进一步增加了。其原因可能是由于具有风险追求偏好的供应商会反馈给制造商一种扩大化的需求信息，而制造商下游的需求信息又保持不变，所以导致了其订单积压量进一步扩大。

与风险规避型供应商相比，风险追求偏好情况下供应商发货率与图11相比稳健，围绕制造商发货率上下波动的幅度较小，如图15所示。其原因是由于具有风险追求偏好的供应商对市场的预期较为乐观，提升了期初库存量，因而有充足的备货量应对制造商发货率的波动，所以供应商发货率紧密围绕制造商发货率上下波动。