(1)
其中,π是零售商的利潤,π0是初始點(diǎn)。λ是風(fēng)險規(guī)避系數(shù),λ>1代表零售商為風(fēng)險規(guī)避,并且λ值越大,風(fēng)險規(guī)避程度越高。λ=1代表零售商為風(fēng)險中性。
2.2 符號與參數(shù)說明

參數(shù)含義P零售商銷售價格wm制造商單位產(chǎn)品的批發(fā)價格ws供應(yīng)商單位產(chǎn)品的批發(fā)價格Sp制造商二級市場購買價格Cp供應(yīng)商二級市場購買價格D市場需求F(x)市場需求的分布函數(shù),F(x)=1-F(x)f(x)市場需求的概率密度函數(shù)μ3市場需求的均值σ市場需求的標(biāo)準(zhǔn)差α供應(yīng)商隨機(jī)產(chǎn)出因子(α≥0)H(z)α的分布函數(shù)h(z)α的概率密度函數(shù)μ1α的均值v制造商隨機(jī)產(chǎn)出因子G(y)v的分布函數(shù)g(y)v的概率密度函數(shù)μ2v的均值β制造商的收益共享比例γ制造商的損失分擔(dān)比例L供應(yīng)商的原材料投入量R制造商的投入量Q零售商的訂購量Cr零售商的銷售成本Cm制造商的制造成本Cs供應(yīng)商的生產(chǎn)成本Vr零售商剩余產(chǎn)品的殘值Vs供應(yīng)商剩余產(chǎn)品的殘值g零售商的缺貨成本πT供應(yīng)鏈整體利潤πs供應(yīng)商的利潤πm制造商的利潤πr零售商的利潤a供應(yīng)商現(xiàn)貨市場購買單位補(bǔ)償b供應(yīng)商對制造商剩余產(chǎn)品的單位補(bǔ)償c制造商現(xiàn)貨市場購買單位補(bǔ)償d制造商剩余原材料單位補(bǔ)償Δ缺貨成本和過量成本差
3 分散供應(yīng)鏈最優(yōu)決策模型
3.1 風(fēng)險規(guī)避零售商決策模型
零售商的利潤函數(shù)表示為:
Πr=Pmin(Q,D)+Vr(Q-D)+-g(D-Q)+-Q(wm+Cr)
(2)
第一項(xiàng)代表零售商的銷售收入,第二項(xiàng)代表殘值收入,第三項(xiàng)代表缺貨成本,第四項(xiàng)代表購買成本和銷售成本。零售商期望利潤函數(shù)為:
E(πr)=PS(Q)+Vr[Q-S(Q)]-g[μ3-S(Q)]-(Cr+Wm)Q=(P+g-Vr)S(Q)+(Vr-Wm-Cr)Q-gμ3
(3)

E(πr)=
令π1π2為零,可以得到市場需求D的臨界值:
當(dāng)D≤D1或D>D2時,E(πr)<0;D10。零售商的期望利潤函數(shù)可表示為:

(4)
定理1分散情況下存在唯一的Q使零售商的期望利潤最大,且滿足:
(5)
證明 在(4)式中對Q分別求一階和二階偏導(dǎo)可得:
由一階偏導(dǎo)為零可得式(5)。由二階偏導(dǎo)小于零可知,存在唯一的Q使零售商的期望利潤最大。定理1得證。
定理2Δ>0時,Q隨著λ的增大而增大,零售商風(fēng)險規(guī)避時的最優(yōu)訂購量大于風(fēng)險中性時的最優(yōu)訂購量;Δ<0時,Q隨著λ的增大而減小,零售商風(fēng)險規(guī)避時的最優(yōu)訂購量小于風(fēng)險中性時的最優(yōu)訂購量。


3.2 制造商決策模型
制造商的利潤函數(shù)表示為:
Πm=WmQ+Vm(vR-Q)+-Sp(Q-vR)+-CmR-WsR
(6)
第一項(xiàng)表示制造商的銷售收入,第二項(xiàng)表示殘值收入,第三項(xiàng)表示從現(xiàn)貨市場購買產(chǎn)品的成本,第四項(xiàng)表示制造成本,第五項(xiàng)表示從供應(yīng)商的采購成本。制造商期望利潤函數(shù)為:
E(πm)=(Wm-Sp)Q+(Sp-Vm)S(R,Q)-(Ws+Cm-Vmμ2)R
(7)
其中:
定理3在分散情況下存在唯一的R使制造商的期望利潤最大化。并且R滿足條件:
(8)
證明 對其分別求一階和二階偏導(dǎo)可得:
由二階偏導(dǎo)小于零,可知存在唯一的R使制造商的期望利潤最大。令一階導(dǎo)為零,可得式(8)。定理3得證。
3.3 供應(yīng)商決策模型
供應(yīng)商的利潤函數(shù)表示為:
Πs=WsR+Vs(αL-R)+-Cp(R-αL)+-CsL
(9)
第一項(xiàng)表示供應(yīng)商的銷售收入,第二項(xiàng)表示殘值收入,第三項(xiàng)表示從現(xiàn)貨市場購買原材料的成本,第四項(xiàng)表示生產(chǎn)成本。供應(yīng)商期望利潤函數(shù)為:
E(πs)=(Ws-Cp)R-(Cs-Vsμ1)L+(Cp-Vs)S(L,R)
(10)
其中:
定理4在分散情況下存在唯一的L使供應(yīng)商的期望利潤最大。并且L滿足條件:
(11)
證明 對其分別求一階和二階偏導(dǎo)可得:
由二階偏導(dǎo)小于零,可知存在唯一的L使供應(yīng)商的期望利潤最大。令一階偏導(dǎo)為零,得到式(11)。定理4得證。
4 集中供應(yīng)鏈最優(yōu)決策模型
集中情況下,供應(yīng)鏈中各成員是一個整體,以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的整體利潤最大化為目標(biāo)。集中情況下的供應(yīng)鏈利潤函數(shù)可表示為:
∏T=pmin(Q,D)+Vr(Q-D)++Vm(vR-Q)++Vs(αL-R)+-g(D-Q)+-Sp(Q-vR)+-Cp(R-αL)+-CrQ-CmR-CsL
(12)
式(12)表示零售商的銷售收入、零售商的殘值收入、制造商的殘值收入、供應(yīng)商的殘值收入、零售商的缺貨成本、制造商在現(xiàn)貨市場購買產(chǎn)品的成本、供應(yīng)商在現(xiàn)貨市場購買原材料的成本、零售商的銷售成本、制造商的制造成本、供應(yīng)商的生產(chǎn)成本之和。集中情況下供應(yīng)鏈的期望利潤函數(shù)為:
E(πT)=PS(Q)+Vr[Q-S(Q)]+Vm[μ2R-S(R,Q)]+Vs[μ1L-S(L,R)]-g[μ3-S(Q)]-Sp[Q-S(R,Q)]-Cp[R-S(L,R)]-CrQ-CmR-CsL=(P+g-Vr)S(Q)-(Vm-Sp)S(R,Q)-(Vs-Cp)
S(L,R)+(Vr-Sp-Cr)Q+(Vmμ2-Cm-Cp)R+(Vsμ1-Cs)L-gμ3
(13)
定理5集中情況下存在唯一的Q、R、L使供應(yīng)鏈的期望利潤最大。且滿足條件:
(14)
證明 分別對Q、R、L求一階和二階偏導(dǎo)可得海賽矩陣如下:
|H3(L,R,Q)|<0

5 零售商風(fēng)險規(guī)避的供應(yīng)鏈組合契約模型
針對單一契約協(xié)調(diào)三級供應(yīng)鏈存在的不足,本文引入風(fēng)險共擔(dān)和GL組合契約對供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)調(diào)。風(fēng)險共擔(dān)契約采用單位價格補(bǔ)貼的方式,使供應(yīng)鏈成員互相分擔(dān)產(chǎn)出和需求的風(fēng)險。GL(Gain/Loss)契約是改進(jìn)后的收益共享契約,考慮供應(yīng)鏈成員的收益和損失兩種情況,具有較好的協(xié)調(diào)特性[24-25]。本文的契約機(jī)制具體描述為:①制造商和零售商之間運(yùn)用GL契約,參數(shù)為(β,γ)。β為制造商對零售商的收益共享比例,γ為制造商對零售商損失的分擔(dān)比例。零售商的收益比例為(1-β),承擔(dān)的損失比例為(1-γ)。②供應(yīng)商和制造商之間運(yùn)用風(fēng)險共擔(dān)契約。若制造商生產(chǎn)的數(shù)量vRQ,制造商因?yàn)樯a(chǎn)過多而產(chǎn)生額外的成本,供應(yīng)商給予每單位b的補(bǔ)償。③若供應(yīng)商的生產(chǎn)數(shù)量αLR,供應(yīng)商因?yàn)樯a(chǎn)過多而產(chǎn)生額外的成本,制造商給予每單位d的補(bǔ)償。
5.1 契約協(xié)調(diào)下零售商風(fēng)險規(guī)避決策模型
契約協(xié)調(diào)下零售商的收益函數(shù)為:

(15)
契約協(xié)調(diào)下零售商損失函數(shù)為:

(16)
契約協(xié)調(diào)下零售商的期望收益函數(shù)為:
E[U(πr)]=(1-β)G(x,Q)+λ(1-γ)L(x,Q)=(1-β)E(πr)+[λ(1-γ)-(1-β)]L(x,Q)
(17)
定理6契約協(xié)調(diào)下的零售商最優(yōu)訂購量滿足:
( 18)
證明 在式(17)中分別對Q求一階和二階偏導(dǎo)可得:
對于Q來說,E[U(Πr)]是凹函數(shù)。令一階導(dǎo)數(shù)為零,可得式(18)。定理6得證。
5.2 契約協(xié)調(diào)下制造商決策模型
契約協(xié)調(diào)下制造商的利潤函數(shù)可表示為:
Πm=WmQ+Vm(vR-Q)+-Sp(Q-vR)++a(Q-vR)++b(vR-Q)++βG(x,Q)+γL(x,Q)-c(R-αL)+-d(αL-R)+-(Cm+Ws)R
(19)
契約協(xié)調(diào)下制造商的期望利潤函數(shù)為:
E(πm)=WmQ+Vm[μ2R-S(R,Q)]-Sp[Q-S(R,Q)]+a[Q-S(R,Q)]+b[μ2R-S(R,Q)]+βG(x,Q)+γL(x,Q)-c[R-S(L,R)]-d[μ1L-S(L,R)]-(Cm+Ws)R=(Wm-Sp+a)Q+(Vmμ2+bμ2-c-Cm-Ws)R-(Vm-Sp+a+b)S(R,Q)+(c+d)S(L,R)+βG(x,Q)+γL(x,Q)-dμ1L
(20)
分別對R求一階和二階偏導(dǎo)可得:

5.3 契約協(xié)調(diào)下供應(yīng)商決策模型
契約協(xié)調(diào)下供應(yīng)商的利潤函數(shù)可表示為:
Πs=WsR+Vs(αL-R)+-Cp(R-αL)++c(R-αL)++d(αL-R)+-a(Q-vR)+-b(vR-Q)+-CsL
(21)
契約協(xié)調(diào)下供應(yīng)商的期望利潤函數(shù)為:
E(πs)=WsR+Vs[μ1L-S(L,R)]-Cp[R-S(L,R)]+c[R-S(L,R)]+d[μ1L-S(L,R)]-a[Q-S(R,Q)]-b[μ2R-S(R,Q)]-CsL=(Ws-Cp+c-bμ2)R+(Vsμ1+dμ1-Cs)L-(Vs-Cp+c+d)S(L,R)+(a+b)S(R,Q)-aQ
(22)
分別對L求一階和二階偏導(dǎo)可得:
(23)
(24)

定理7滿足下式的GL和風(fēng)險共擔(dān)組合契約可以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào):
(25)
證明 當(dāng)供應(yīng)鏈各成員的期望利潤函數(shù)是集中情況下供應(yīng)鏈利潤函數(shù)的仿射函數(shù)時,即契約協(xié)調(diào)下各成員的決策變量系數(shù)和集中情況下的決策變量系數(shù)成比例,供應(yīng)鏈能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)??梢缘贸鲆韵聴l件:
(26)

6 數(shù)值與算例分析
假設(shè)供應(yīng)商和制造商的隨機(jī)產(chǎn)出服從均勻分布,市場需求服從正態(tài)分布。參數(shù)值為:P=17,g=5,cs=3,cm=2,cr=2.5,vs=2.8,vr=4,vm=4,μ3=1000,σ=200,μ1=0.8,μ2=0.8,Sp=8.5,Cp=4,Wm=8,Ws=4。契約參數(shù)如表1所示:

表1 契約參數(shù)

表2 不同情況下的期望利潤
通過計算可以得出集中、分散和契約協(xié)調(diào)下的供應(yīng)鏈利潤(如表2所示),從表2中可以看出,集中情況下的供應(yīng)鏈總利潤大于分散情況下的供應(yīng)商、制造商和零售商的利潤之和,契約協(xié)調(diào)后的供應(yīng)鏈總利潤和集中情況下的利潤基本相同。算例證明了契約協(xié)調(diào)的有效性。
圖2和圖3表示風(fēng)險規(guī)避程度對零售商的訂購量和期望利潤的影響。圖2顯示Δ>0時,零售商的訂購量隨著λ的增大而增大,這是由于零售商為了減少缺貨成本增加訂購量;圖3顯示Δ<0時,零售商的訂購量隨著λ的增大而減小,這是由于零售商為了減少過量成本減少訂購量。兩種情況下零售商的期望利潤都隨著λ的增大而減小,表明零售商的期望利潤隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而減小,且小于風(fēng)險中性時的期望利潤。
圖4顯示Δ>0時,零售商的最優(yōu)訂購量隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而增加。圖5顯示Δ<0時,零售商的最優(yōu)訂購量隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而減少。從圖4和圖5中可以看出:①隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加,零售商期望利潤的下降趨勢加快。②風(fēng)險規(guī)避的期望利潤小于風(fēng)險中性的期望利潤,存在最優(yōu)的訂購量使得零售商的利潤最大化。

圖2 Δ>0,λ 對零售商訂購量和利潤的影響

圖3 Δ<0,λ 對零售商訂購量和利潤的影響

圖4 Δ>0, Q和期望利潤之間的關(guān)系

圖5 Δ<0, Q和期望利潤之間的關(guān)系
圖6顯示其他參數(shù)不變的情況下,分散和集中情況下的供應(yīng)鏈成員的訂購量隨著σ值的增大而增大,即隨著市場需求不確定性的增加而增加。圖7顯示分散和集中情況下供應(yīng)鏈的總利潤隨著σ的增大而減小。

圖6 市場需求不確定對供應(yīng)鏈決策的影響

圖7 市場需求不確定對期望利潤的影響
圖8顯示分散情況下供應(yīng)商和制造商的生產(chǎn)投入量隨著μ2的增加而增加,集中情況下供應(yīng)鏈各成員的訂購量也隨著μ2的增加而增加。圖9顯示分散和集中兩種情況下制造商的利潤和供應(yīng)鏈的期望利潤隨著的增加而增加。

圖8 制造商生產(chǎn)不確定對供應(yīng)鏈決策的影響

圖9 制造商生產(chǎn)不確定對期望利潤的影響
圖10顯示分散情況下供應(yīng)商的最優(yōu)投入量和集中情況下供應(yīng)鏈各成員的訂購量隨著μ1的增加而增加。圖11顯示分散和集中兩種情況下供應(yīng)鏈的期望利潤隨著μ1的增加而增加。

圖10 供應(yīng)商生產(chǎn)不確定對供應(yīng)鏈決策的影響

圖11 供應(yīng)商生產(chǎn)不確定對期望利潤的影響
7 結(jié)語
本文研究了零售商風(fēng)險規(guī)避下三級產(chǎn)需不確定供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)問題。建立了分散、集中和契約協(xié)調(diào)下的最優(yōu)決策模型。運(yùn)用GL和風(fēng)險共擔(dān)組合契約對供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)調(diào),最終實(shí)現(xiàn)了帕累托改進(jìn)。通過數(shù)值和算例分析,得出以下結(jié)論:①供應(yīng)鏈的期望利潤隨著市場需求不確定性的增加而減少。②供應(yīng)鏈的期望利潤隨著制造商和供應(yīng)商隨機(jī)產(chǎn)出因子的增加而增加。③零售商的期望利潤隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而減少。零售商訂購量隨著風(fēng)險規(guī)避的增加而變化。其中Δ>0時,零售商的最優(yōu)訂購量隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而增加;Δ<0時,零售商的最優(yōu)訂購量隨著風(fēng)險規(guī)避程度的增加而減小。
本文僅研究了產(chǎn)需不確定下單一零售商風(fēng)險規(guī)避的供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)問題。針對供應(yīng)商和制造商均帶有風(fēng)險偏好的多風(fēng)險多級供應(yīng)鏈契約協(xié)調(diào)問題有待進(jìn)一步研究。