■ 毛宇晨 黎俊
中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 北京 100190
隨著中國(guó)在線支付技術(shù)的發(fā)展,貨架管理問題已成為零售企業(yè)面臨的熱點(diǎn)問題。具體而言,出于日益增加的商品種類數(shù)量與有限貨架空間之間的矛盾:一方面,可供銷售的商品種類日益增多,不同商品其規(guī)格與需求不同;另一方面,盡管零售企業(yè)已改良自動(dòng)售貨機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以擴(kuò)大商品擺放數(shù)量,但是仍存在自動(dòng)售貨機(jī)空間大小的限制。因此,如何科學(xué)地決策自動(dòng)售貨機(jī)的商品種類以及設(shè)計(jì)貨架商品布局以提高零售企業(yè)收益尤為關(guān)鍵。
作為供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域的一個(gè)重要問題,本研究首先回顧與本研究關(guān)系最為密切的貨架管理相關(guān)研究。Baron 等[1]分析了多商品的聯(lián)合貨架布局與庫(kù)存決策問題,其中商品需求受貨架布局以及庫(kù)存水平影響;Urban等[2]分別研究了選品與貨架布局模型,并將其拓展到多產(chǎn)品、多約束的情形;Hübner等[3]首次提出同時(shí)決策選品與貨架布局的貨架管理模型,其考慮了需求的隨機(jī)性與空間彈性、以及替代商品的影響;Geismar 等[4]考慮了二維矩形空間分配問題,其中產(chǎn)品需求由其排列位置決定;Hübner等[5]進(jìn)一步總結(jié)了二維貨架管理模型的建模與求解方法;更多相關(guān)研究見Xue 等[6]以及Irion 等[7]。除此,大多數(shù)選品相關(guān)文章都與顧客選擇模型(choice model)有關(guān)[8-9]。一方面,大多數(shù)關(guān)于貨架管理的研究?jī)H考慮選品問題[8,10-11]或貨架布局問題[2,6-7],而實(shí)際中貨架管理包含選品與貨架布局兩個(gè)方面,因此同時(shí)決策選品與貨架布局尤為關(guān)鍵;另一方面,貨架管理的許多研究都基于一組給定的商品,通過將高維貨架縮減為一維空間來設(shè)計(jì)具有空間彈性需求的貨架布局,然而其并沒有全面考慮零售商要求的商業(yè)規(guī)則[12-14]與貨架復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
基于目前文獻(xiàn)中缺乏同時(shí)決策選品與貨架布局以及考慮商業(yè)規(guī)則的相關(guān)研究,本研究考慮了某些商業(yè)規(guī)則,包括商品與貨架之間的規(guī)格適配性,每一層貨架的商品容納能力以及商品放置的連續(xù)性,提出了同時(shí)決策選品與貨架布局的貨架管理模型,目標(biāo)是最大化期望總收益,約束是滿足上述真實(shí)商業(yè)規(guī)則。然而該模型的約束中存在二次項(xiàng)難以直接求解,本研究進(jìn)一步通過線性化技術(shù)將原始貨架管理模型轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃模型,并提出與零售價(jià)、邊際利潤(rùn)以及需求相關(guān)的管理啟示,以指導(dǎo)零售商進(jìn)行選品以及設(shè)計(jì)貨架布局:為了獲得更高的期望收益,一方面,當(dāng)需求與邊際利潤(rùn)滿足某些關(guān)系時(shí),隨著N增大,決策將由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)導(dǎo)向;另一方面,當(dāng)需求與零售價(jià)滿足某些關(guān)系時(shí),決策始終是零售價(jià)導(dǎo)向的。其優(yōu)勢(shì)在于零售商可以直接根據(jù)商品歷史零售價(jià)、邊際利潤(rùn)以及需求信息,決策選品以及設(shè)計(jì)貨架布局,而無(wú)需求解一個(gè)整數(shù)規(guī)劃模型。最后,本研究提出原始貨架管理模型的抽樣平均近似模型,并給出數(shù)值例子驗(yàn)證管理啟示。本研究最主要的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一類多產(chǎn)品多周期的基于報(bào)童模型的貨架管理模型,其同時(shí)考慮了選品與貨架布局以及某些真實(shí)商業(yè)規(guī)則。
考慮一個(gè)包含J個(gè)貨架的自動(dòng)售貨機(jī),并且每個(gè)貨架j都有Kj列空間用于放置商品,其中j∈[J]={1,2,…,J}。總商品類別數(shù)量表示為I,貨架j上的每一列最多可以放置bij個(gè)商品Ci,其中i∈[I]={1,2,…,I}。每個(gè)商品Ci的零售價(jià)與訂購(gòu)成本分別用pi與ci表示。本研究?jī)H考慮一個(gè)銷售周期,商品種類以及貨架布局決策在一個(gè)銷售周期內(nèi)是固定的,且該周期包含T個(gè)補(bǔ)貨周期,每個(gè)補(bǔ)貨周期包含N個(gè)單位時(shí)間(如天,周),因此,N決定了單個(gè)補(bǔ)貨周期的時(shí)間。此外,自動(dòng)售貨機(jī)的商品會(huì)在每個(gè)補(bǔ)貨周期t開始時(shí)定期補(bǔ)貨,補(bǔ)貨遵循選品以及貨架布局決策,每次補(bǔ)貨的固定成本為C0。我們將周期t中單位時(shí)間需求表示為,這是一個(gè)隨機(jī)變量。期初,零售企業(yè)決策自動(dòng)售貨機(jī)售賣商品種類以及貨架布局,用y=(yij)i∈[I],j∈[J]表示,其中yij∈Z+是一個(gè)整數(shù)變量,表示自動(dòng)售貨機(jī)貨架j上放置商品Ci的列數(shù)。
在一個(gè)補(bǔ)貨周期t中,商品Ci的總需求為,并且根據(jù)貨架空間分配決策y,每種商品Ci的總庫(kù)存量為,我們用Z1(d,y)表示在第一個(gè)補(bǔ)貨期內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)的收益:

此外,補(bǔ)貨周期t∈[2;T]內(nèi)自動(dòng)售貨機(jī)的收益Zt(d,y)表示為:

整體上,我們用Z(d,y)表示一個(gè)銷售周期內(nèi)的總收益,它是所有補(bǔ)貨周期收益的總和:

其中[a]+:=max{a,0}。
商業(yè)規(guī)則1(商品與貨架之間的規(guī)格適配性)每層貨架可以放置不同規(guī)格的商品,而某些規(guī)格的商品只允許放置在某些貨架上,如Bai 等[13]與Düsterh?ft 等[15]提出只允許高度比貨架高度低的商品放置在該貨架上,本研究將其建模為以下約束條件:

其中aij是一個(gè)預(yù)先給定的0-1 常數(shù),如果允許商品Ci放置在貨架j上,則aij= 1,否則為0;
商業(yè)規(guī)則2(每層貨架的容量)由于每一層貨架的空間有限,則需要限制每一層貨架放置商品的列數(shù)。數(shù)學(xué)上,將其表示為

商業(yè)規(guī)則3(商品放置的連續(xù)性)考慮到零售商通常希望將同一商品放置在相同的高度上,以呈現(xiàn)較大的吸引力(如Bai 等[13],Düsterh?ft 等[15]),本研究將其建模為以下約束條件:

基于上述商業(yè)規(guī)則1-3,目標(biāo)為最大化一個(gè)銷售周期內(nèi)的總收益函數(shù)(1),本研究提出如下原始貨架管理模型:

其中目標(biāo)函數(shù)為最大化一個(gè)銷售周期內(nèi)總期望收益;前三個(gè)約束分別表示上述3 個(gè)商業(yè)規(guī)則,最后一個(gè)約束表明決策變量是一個(gè)非負(fù)整數(shù),表示自動(dòng)售貨機(jī)貨架j上放置商品Ci的列數(shù)。然而,由于第三組約束中存在決策變量的二次項(xiàng),該模型難以直接求解,下一節(jié)將提出原始貨架管理模型的等價(jià)整數(shù)線性規(guī)劃模型。
考慮到原始貨架管理模型難以求解,本節(jié)將利用線性化技術(shù),引入輔助0-1 決策變量x=(xij)i∈[I],j∈[J],其中xij= 1 表示自動(dòng)售貨機(jī)貨架j上放置商品Ci,否則xij= 0,則原始貨架管理模型(5)可以等價(jià)轉(zhuǎn)化為如下線性貨架管理模型

上述等價(jià)性由如下命題給出。
命題1.原始貨架管理模型(5)等價(jià)于線性貨架管理模型(6)。
證明:首先,兩個(gè)模型的目標(biāo)函數(shù)相同且僅與y有關(guān),則證明該命題只需要分別證明其中一個(gè)模型的最優(yōu)解y?為另一個(gè)模型可行解即可。
一方面,假設(shè)y?為原始貨架管理模型的最優(yōu)解,令

另一方面,假設(shè)(y?,x?)為線性貨架管理模型的最優(yōu)解,根據(jù)約束∑j∈[]J xij≤1,?i∈[I],對(duì)于?i∈[I],如果存在j∈[J]使得= 1,則有= 0,?l∈[J],j≠l,此時(shí),根 據(jù) 約 束yij≤Kjxij,?i∈[I],j∈[J],則 有y?il=0,?l∈[J],j≠l,此時(shí)y?滿足原始貨架管理模型約束條件;否則對(duì)于?j∈[J],都有= 0,則有= 0,y?同樣滿足原始貨架管理模型約束條件,因此y?為原始貨架管理模型的可行解,命題得證。
為了獲得有關(guān)選品以及貨架布局的管理啟示,本節(jié)將分析商品邊際利潤(rùn)、零售價(jià)與需求對(duì)貨架管理模型的影響。
實(shí)際上,為了獲得更高的利潤(rùn),管理者會(huì)從兩方面進(jìn)行決策:一是當(dāng)補(bǔ)貨周期較短時(shí),大部分商品存在剩余,管理者會(huì)根據(jù)商品歷史需求信息,決策選擇期望利潤(rùn)較高的商品;而當(dāng)補(bǔ)貨周期較長(zhǎng)時(shí),大部分商品售罄,管理者會(huì)決策選擇邊際利潤(rùn)更高的商品。接下來從理論上驗(yàn)證上述觀點(diǎn)。
為了簡(jiǎn)單起見,本節(jié)僅考慮單層貨架且只能容納一列商品的特殊情況,且假設(shè)各補(bǔ)貨周期商品需求相等,令

此時(shí),原始貨架管理模型(5)簡(jiǎn)化為

基于上述簡(jiǎn)化模型,接下來各小節(jié)分別討論當(dāng)具有相同訂購(gòu)成本與不同訂購(gòu)成本時(shí),商品邊際利潤(rùn)、零售價(jià)與需求對(duì)單個(gè)貨架商品選擇的影響。
假設(shè)存在A,B,C,D共4 類商品,其訂購(gòu)成本均為c,而相應(yīng)的零售價(jià)、邊際利潤(rùn)與需求如下

其中p1≥p2,r1≥r2,d1≤d2。如果該貨架對(duì)四類商品的容納數(shù)量相同,即b ∶= bA= bB= bC= bD,則有或者,其來自于

顯然應(yīng)該首先選擇商品A,最后選擇商品D,然而商品B與C的選擇順序仍無(wú)法確定。接下來,本研究給出以下引理以及定理來說明這兩類商品的選擇方法,同時(shí)揭示了商品選擇順序與商品邊際利潤(rùn)、零售價(jià)與需求之間的關(guān)系。
引理1假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品B或C,兩者的訂購(gòu)成本均為c,且商品B與C的需求與邊際利潤(rùn)滿足關(guān)系

則有
證明:只需要在商品B與C之間選擇平均利潤(rùn)更高的商品,其可以表示為

A.如果N≥NB,則有

此時(shí),-=(r1- r2)b ≥0,則首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品B;
B.如果N≤NC,則有

此時(shí),可以得到

因此,在前一種情況下,首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品B;而在后一種情況下,首先選擇需求更高的商品C;
C.如果NB≥N≥NC,則有

此時(shí),可以得到

考慮以上所有情況,可以得出引理中的結(jié)論,引理得證。
管理啟示1:為了獲得更高的期望收益,當(dāng)r1d1-時(shí),對(duì)于任意N,首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品B;否則,當(dāng)N較小時(shí),決策是需求導(dǎo)向的,即首先選擇需求更高的商品C,并且隨著N增大,決策由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)導(dǎo)向,即首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品B。
引理2假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品B或C,兩者的訂購(gòu)成本均為c,且商品B與C的需求與零售價(jià)滿足關(guān)系

對(duì)于任意N,首先選擇零售價(jià)更高的商品B。
證明:根據(jù)引理假設(shè),可以得到

可以根據(jù)引理1直接得到該引理結(jié)論,得證。
管理啟示2:當(dāng)需求與零售價(jià)滿足上述關(guān)系時(shí),決策始終是零售價(jià)導(dǎo)向的,也就是說,對(duì)于任意N,都應(yīng)該首先選擇零售價(jià)更高的商品B。
引理1 與引理2 僅給出了基于兩類商品的管理啟示,下面定理1與定理2拓展到多商品的管理啟示。
定理1假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品Ci,i∈[I],其訂購(gòu)成本均為c,且這些商品的需求d1,…,dI與邊際利潤(rùn)r1,…,rI滿足關(guān)系

證明:根據(jù)定理假設(shè),可以將不等式兩邊同時(shí)疊加得到

因此,任意一組商品Ci與Cj可以依據(jù)引理1 進(jìn)行選擇,此時(shí),可以將N分為三部分來證明定理結(jié)論。

根據(jù)引理1,首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品C1;

根據(jù)引理1,首先選擇需求更高的商品CI;
C.如果存在I- 1 ≥i≥2 使得,首先考慮右端不等式,則有

其中第二個(gè)不等式成立來自于不等式(8),根據(jù)引理1,對(duì)于商品Cj,j∈[i],首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品Ci;另一方面,考慮左端不等式,則有

其中第二個(gè)不等式成立來自于不等式(8),根據(jù)引理1,對(duì)于商品Cj,j∈[i:I],首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品Ci,定理得證。
管理啟示3:定理1 將引理1 拓展到了多商品的情況,其同樣表明為了獲得更高的期望收益,隨著N增大,決策將由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)導(dǎo)向。
定理2假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品Ci,i∈[I],其訂購(gòu)成本均為c,且這些商品的需求d1,…,dI與零售價(jià)p1,…,pI滿足關(guān)系

則對(duì)于任意N,首先選擇零售價(jià)更高的商品C1;此外,如果該貨架能容納K列商品,則選擇零售價(jià)較高的商品C1,…,CK。
證明:對(duì)于任意商品Cj,j∈[2:I],根據(jù)定理?xiàng)l件,則有

因此任意一組商品C1與Cj可以依據(jù)引理2 進(jìn)行選擇,則有對(duì)于任意N,首先選擇零售價(jià)更高的商品C1;如果該貨架能容納K列商品,每次選擇一個(gè)商品,然后在剩余產(chǎn)品中繼續(xù)按照上述方法進(jìn)行選擇,最終選擇出零售價(jià)較高的商品C1,…,CK,定理得證。
管理啟示4:定理2 同樣將引理2 拓展到了多商品的情況,當(dāng)需求與零售價(jià)滿足上述關(guān)系時(shí),決策始終是零售價(jià)導(dǎo)向的。
上一節(jié)考慮各商品訂購(gòu)成本是相同的,本節(jié)將拓展到不同訂購(gòu)成本的情況,并基于上節(jié)提出的引理與定理,提出以下推論分析商品邊際利潤(rùn)、零售價(jià)與需求對(duì)貨架管理模型的影響。
推論1假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品B或C,兩者的需求、邊際利潤(rùn)以及訂購(gòu)成本滿足關(guān)系

則有
(1)當(dāng)

對(duì)于任意N,將首先選擇邊際利潤(rùn)更大的商品B。
(2)當(dāng)

證明:該推論證明方法與引理1證明方法完全類似,因此本研究省略了該部分證明。
推論2假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品Ci,i∈[I],這些商品的需求、邊際利潤(rùn)以及訂購(gòu)成本滿足關(guān)系

證明:該推論證明方法與定理1證明方法完全類似,因此本研究省略了該部分證明。
推論3假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品B或C,兩者的需求、零售價(jià)以及訂購(gòu)成本滿足關(guān)系

對(duì)于任意N,首先選擇零售價(jià)更高的商品B。
證明:該推論證明方法與引理2證明方法完全類似,因此本研究省略了該部分證明。
推論4假設(shè)只能容納一列商品的單層貨架上需放置數(shù)量b、且滿足此列規(guī)格的商品Ci,i∈[I],這些商品的需求、零售價(jià)以及訂購(gòu)成本滿足關(guān)系

則對(duì)于任意N,首先選擇零售價(jià)更高的商品C1;此外,如果該貨架能容納K列商品,則選擇零售價(jià)較高的商品C1,…,CK。
證明:該推論證明方法與定理2證明方法完全類似,因此本研究省略了該部分證明。
上述推論將上一節(jié)引理與定理拓展到訂購(gòu)成本不同的情形。
管理啟示5:為了獲得更高的期望收益,一方面,當(dāng)需求與邊際利潤(rùn)滿足某些關(guān)系時(shí),隨著N增大,決策將由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)導(dǎo)向;另一方面,當(dāng)需求與零售價(jià)滿足某些關(guān)系時(shí),決策始終是零售價(jià)導(dǎo)向的。
本節(jié)將提出原始貨架管理模型的抽樣平均近似模型,并設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管理啟示。
首先,根據(jù)命題1,原始貨架管理模型(5)等價(jià)轉(zhuǎn)化為

其中



本節(jié)將利用零售企業(yè)便利蜂某門店的真實(shí)銷售數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn),其包含了2019年下半年該門店自動(dòng)售貨機(jī)銷售的部分商品品類、零售價(jià)、邊際利潤(rùn)以及需求量等數(shù)據(jù),進(jìn)一步基于這些樣本求解抽樣平均近似模型(9)并驗(yàn)證管理啟示。
首先表1給出了自動(dòng)售貨機(jī)的基本設(shè)置:自動(dòng)售貨機(jī)有5層貨架,且每層貨架的商品容納列數(shù)不同;每一列可以容納不同數(shù)量的商品。假設(shè)固定補(bǔ)貨成本C0= 10。

表1 自動(dòng)售貨機(jī)的規(guī)格
令總補(bǔ)貨周期T= 7,接下來調(diào)整N∈{1,5,9},圖1與圖2分別給出樣本平均近似模型最優(yōu)決策所選商品的邊際利潤(rùn)與平均需求、零售價(jià)與平均需求之間的關(guān)系,其中橫坐標(biāo)表示商品平均需求,縱坐標(biāo)分別表示商品的邊際利潤(rùn)與零售價(jià)。
圖1與圖2均驗(yàn)證了管理啟示5:隨著N增大,所選商品由右下向左上移動(dòng),其反映了N較小時(shí),模型首先選擇需求較高的商品,隨著N增大,決策由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)或零售價(jià)導(dǎo)向,此時(shí)選擇邊際利潤(rùn)或零售價(jià)較高的商品,同時(shí)表明單貨架的管理啟示可以拓展到多貨架的情形。該結(jié)果在實(shí)際中也是合理的:當(dāng)N較小時(shí),單個(gè)補(bǔ)貨周期的周期短,大多數(shù)商品售罄前就開始補(bǔ)貨,此時(shí)模型傾向于選擇高需求商品,以達(dá)到薄利多銷獲取更高利潤(rùn);而隨著N增大,單個(gè)補(bǔ)貨周期的周期短,大多數(shù)商品售罄,此時(shí)模型傾向于選擇高邊際利潤(rùn)或零售價(jià)的商品,以獲取更高利潤(rùn)。

圖1 抽樣平均近似模型最優(yōu)決策所選商品的邊際利潤(rùn)與平均需求之間的關(guān)系圖

圖2 抽樣平均近似模型最優(yōu)決策所選商品的零售價(jià)與平均需求之間的關(guān)系圖
為了進(jìn)一步展示抽樣平均近似模型最優(yōu)決策所選商品的特征,圖3給出了不同N下所選商品的平均零售價(jià)、平均邊際利潤(rùn)以及平均需求變化情況:隨著N增大,所選商品平均零售價(jià)以及平均邊際利潤(rùn)增大,同時(shí)所選商品平均需求降低,進(jìn)一步驗(yàn)證了隨著N增大,決策將由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)榱闶蹆r(jià)導(dǎo)向以及邊際利潤(rùn)導(dǎo)向。

圖3 不同N下抽樣平均近似模型最優(yōu)決策所選商品的平均零售價(jià)、平均邊際利潤(rùn)以及平均需求的變化圖
本研究基于一些真實(shí)商業(yè)規(guī)則,包括商品與貨架之間的規(guī)格適配性、每一層貨架的商品容納能力以及商品放置的連續(xù)性,提出了同時(shí)決策選品與貨架布局的貨架管理模型,目標(biāo)是最大化期望總收益。然而該模型的約束中存在二次項(xiàng)難以直接求解,本研究進(jìn)一步通過線性化技術(shù)將原始貨架管理模型轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃模型,并提出與零售價(jià)、邊際利潤(rùn)以及需求相關(guān)的管理啟示,以指導(dǎo)零售商進(jìn)行選品以及設(shè)計(jì)貨架布局:一方面,當(dāng)需求與邊際利潤(rùn)滿足某些關(guān)系時(shí),隨著N增大,決策將由需求導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)檫呺H利潤(rùn)導(dǎo)向;另一方面,當(dāng)需求與零售價(jià)滿足某些關(guān)系時(shí),決策始終是零售價(jià)導(dǎo)向的。其優(yōu)勢(shì)在于零售商可以直接根據(jù)商品歷史零售價(jià)、邊際利潤(rùn)以及需求信息,決策選品以及設(shè)計(jì)貨架布局,而無(wú)需求解一個(gè)整數(shù)規(guī)劃模型。最后,本研究提出原始貨架管理模型的抽樣平均近似模型,并給出數(shù)值例子驗(yàn)證管理啟示。實(shí)際中,商品需求存在不確定性,并且其直接影響管理決策,而本研究缺乏對(duì)需求不確定性的建模與處理,因此如何引入需求不確定性值得進(jìn)一步研究。針對(duì)該問題,未來可以從兩個(gè)方向進(jìn)行深入研究,一方面是利用魯棒優(yōu)化技術(shù)建立魯棒優(yōu)化模型,另一方面是引入顧客選擇模型,并將其嵌入貨架管理模型。