基于需求預(yù)測的電商倉庫庫存研究

高東東，王鳳忠，成祥玉

（陸軍軍事交通學(xué)院投送裝備保障系，天津 300161）

0 引言

據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）發(fā)布的第49次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》顯示，截至2021年12月我國網(wǎng)絡(luò)購物用戶規(guī)模達(dá)8.42億，已經(jīng)逐步占領(lǐng)消費(fèi)市場，成為當(dāng)今社會消費(fèi)的主流。因此，對B2C電商公司而言，產(chǎn)品庫存量預(yù)測是一種提高中心區(qū)域銷售配送時效性的有效措施，不僅可以及時進(jìn)行補(bǔ)貨調(diào)節(jié)商品種類數(shù)量滿足顧客購買需求，且能夠降低庫存成本，把握商品的市場需求，進(jìn)而保障盈利。然而，倉庫商品庫存量的預(yù)測過程是一個信息不完全的動態(tài)過程，需要對商品的庫存量進(jìn)行動態(tài)的分析和決策。

目前已有的研究主要集中在倉庫安全庫存量、預(yù)測模型和線性回歸組合模型在各領(lǐng)域的應(yīng)用，李化，等針對汽車整車產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)系，通過線性回歸方法預(yù)測其采購計劃，根據(jù)計算結(jié)果估計預(yù)測，進(jìn)而達(dá)到控制采購成本和數(shù)量的目的。劉慶結(jié)合汽車配件安全庫存預(yù)測的相關(guān)需求，確定了影響安全庫存預(yù)測的相關(guān)因素，利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)對汽車配件需求量進(jìn)行預(yù)測。李志勤構(gòu)建灰色線性回歸組合模型，改善了原有灰色模型中沒有考慮線性因素和線性回歸模型中沒有考慮指數(shù)增長趨勢的缺陷。丁磊明，等提出用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法修正灰色預(yù)測值的方法，其核心是通過分析月數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行灰色預(yù)測外推，得到初步預(yù)測結(jié)果。徐妍基于GM(1,1)建立陜西省農(nóng)產(chǎn)品物流需求的灰色預(yù)測模型，經(jīng)過精度檢驗分析，表明該模型非常適合用來預(yù)測陜西省農(nóng)產(chǎn)品物流需求，以此預(yù)測了未來6年陜西省農(nóng)產(chǎn)品的物流需求，為全省農(nóng)產(chǎn)品物流發(fā)展和規(guī)劃決策提供服務(wù)。李晗，等運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GM(1,1)方法，建立北京市物流需求組合預(yù)測模型。目前，對產(chǎn)品市場變動趨勢進(jìn)行建模分析推測的預(yù)測方法主要有算術(shù)平均法、移動加權(quán)法、指數(shù)平滑法、回歸分析法和灰色預(yù)測法等，表1列出了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 產(chǎn)品市場預(yù)測方法對比分析

以上四種方法在產(chǎn)品市場預(yù)測中各有優(yōu)劣，單一的預(yù)測方法對預(yù)測的精度影響比較大，需要對方法中的優(yōu)勢進(jìn)行整合，投入到產(chǎn)品市場的預(yù)測中。

針對產(chǎn)品預(yù)測，國內(nèi)研究多數(shù)聚焦在解決預(yù)測精度上，并且獲得了很多研究成果。在倉庫庫存量的預(yù)測中，研究內(nèi)容主要集中在倉庫安全庫存的研究上，利用的方法僅是線性回歸方法，精度與實際存在較大差距。另外一部分研究主要集中在利用線性回歸組合模型和其它預(yù)測模型對單一商品銷售量進(jìn)行預(yù)測，相比之下線性回歸組合的預(yù)測精度明顯高于單一預(yù)測模型。目前的研究中，較少有文獻(xiàn)提及灰色線性回歸組合模型在電商倉庫庫存量研究中的應(yīng)用。

基于此，本文采用的灰色線性回歸組合模型是一種將灰色模型GM(1,1)與線性回歸模型組合的模型，以天為基準(zhǔn)時間劃分單位，用部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的計算。研究表明，該組合模型彌補(bǔ)了線性回歸模型中沒有指數(shù)增長趨勢和灰色GM(1,1)模型中沒有線性因素的不足，因此更適合用于既有線性趨勢又有指數(shù)增長趨勢的時間序列數(shù)據(jù)，用此組合模型來預(yù)測電商平臺未來的商品銷售量能夠得到可信度較高的預(yù)測結(jié)果。

1 預(yù)測模型建立

灰色線性回歸組合模型是將線性回歸模型嵌入到灰色模型并重新組合而成的一種算法模型。灰色模型是一個不斷增大的指數(shù)模型，進(jìn)行時間序列數(shù)據(jù)預(yù)測的過程中，由于缺少線性項，使得預(yù)測過程中隨著時間的增加，預(yù)測值也會急劇增加，這樣的預(yù)測結(jié)果不符合倉庫商品銷售量的變化值。同時，該模型只是一種單一的時間序列預(yù)測模型，在預(yù)測過程中沒有考慮影響商品銷售量的內(nèi)部因素及因素之間的相互關(guān)系，只將影響因素視為在一定變化范圍內(nèi)與時間相關(guān)的灰色量，預(yù)測結(jié)果無法反映出商品的折扣信息、顧客的購買心理和相關(guān)產(chǎn)品促銷信息對商品銷售量影響的變化系數(shù)，具有一定的局限性。線性回歸模型是一種在時間序列預(yù)測中廣泛應(yīng)用，且理論性較強(qiáng)的定量預(yù)測方法。該方法能夠發(fā)現(xiàn)商品銷售量與其影響因素間的相互關(guān)系，分析影響商品銷售量的實際原因，彌補(bǔ)灰色模型中存在的缺點(diǎn)。基于此，將灰色模型與線性回歸模型組合建立灰色線性回歸組合模型，既充分利用灰色模型數(shù)據(jù)建模的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)其線性項缺失所無法反映影響因素相關(guān)關(guān)系的缺陷，進(jìn)而改善單一模型的局限性，降低預(yù)測誤差，達(dá)到提高預(yù)測準(zhǔn)確率的效果。

1.1 構(gòu)建條件

灰色預(yù)測模型在信息不完全或不對稱情況下建立，并不關(guān)注數(shù)據(jù)中其他復(fù)雜的相互關(guān)系，只注重系統(tǒng)本身的白色信息，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱匿規(guī)律并利用已知、完全明確的白色信息，把系統(tǒng)灰色信息白色化，故將其用于商品銷售量的預(yù)測具有可行性和一定的現(xiàn)實意義。灰色預(yù)測模型GM(1,1)建模所需樣本數(shù)據(jù)少，只需四個以上的數(shù)據(jù)即可，且不要求數(shù)據(jù)有明顯的數(shù)據(jù)特征，計算簡便、易于掌握，模型的擬合精度較高。但GM(1,1)模型主要適用于單一的指數(shù)增長數(shù)據(jù)序列，對時間序列數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況往往無能為力。在目前實際應(yīng)用中，大部分時間序列數(shù)據(jù)由于各種波動，預(yù)測結(jié)果偏差比較大。線性回歸分析方法要考慮到各種影響因素，且要收集大量信息，會導(dǎo)致計算量增大，建模困難，尤其部分信息難以量化，難以確定模型參數(shù)，從而導(dǎo)致無法實現(xiàn)預(yù)測。為克服單一模型的缺陷，排除不確定因素的影響，本文將灰色模型和線性回歸模型進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建灰色線性回歸組合模型，對倉庫商品銷售量進(jìn)行預(yù)測。

1.2 構(gòu)建流程

假定樣本數(shù)據(jù)是一組具備線性趨勢和指數(shù)趨勢的數(shù)據(jù)，灰色線性回歸組合模型是一種很好的數(shù)據(jù)預(yù)測模型，其建模過程一共分為六步，如圖1所示。

圖1 灰色線性組合模型建模流程

根據(jù)流程制定具體的建模過程，如下：

（1）列出原始數(shù)據(jù)()，該原始數(shù)據(jù)的要求是非負(fù)的時間序列。

（2）對銷售數(shù)據(jù)一次累加生成新序列。將原始數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行一次迭代累加排序，得到：

（3）按照傳統(tǒng)(11)建模。對新序列數(shù)據(jù)建立一階微分方程模型，其中為發(fā)展系數(shù)，為灰色作用變量。由此得到此微分方程的解：

為了表示方便，將此形式記為：

（4）灰色線性組合擬合累積。用指數(shù)方程、線性方程之和進(jìn)行擬合累加，生成序列為：

其中，參數(shù)、、、待定。

（5）確定組合模型參數(shù)。在此過程中需要確定參數(shù)的值，設(shè)參數(shù)序列：

將式（2）帶入得：

另設(shè)Q()()()，將式（3）帶入得：同樣有：

利用式（5）與式（4）的比值取對數(shù)求解，由于實際操作中Q(1)與Q()會出現(xiàn)0數(shù)據(jù)，而這在數(shù)學(xué)計算中是不被允許的，因此將0與1進(jìn)行比較，重新取值后進(jìn)行計算，得到的計算公式如下：

取不同的可得到不同的值，計算個數(shù)為：

然后，以它們的平均值作為的估計值?，則估計值?的計算公式為：

根據(jù)上面的公式確定參數(shù)、、的值，并利用最小二乘法求解估算值。

令:

則式（2）可變?yōu)椋?/p>

令：

則有，即：

2 實例分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取某電商倉庫2020-2021兩年部分商品的銷售數(shù)量及相關(guān)促銷信息，一共有2 127 485條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)已經(jīng)過脫敏處理，數(shù)據(jù)格式見表2，數(shù)據(jù)中item_sku_id代表每個商品的編號，dc_id代表每個倉庫的編號，date表示日期，quantity表示銷售數(shù)量，vendibility表示庫存量，1代表有庫存，original_price表示處理后的原始價格，discount表示商品的折扣。數(shù)據(jù)中一共包含1 000種商品，并且每種商品在各倉庫銷量并不相同。由于電商“618”“雙十一”優(yōu)惠活動大于其余月份，則銷量也高于其余月份，所以數(shù)據(jù)中已剔除6月和11月的銷售量。通過剔除后數(shù)據(jù)對2022年1月的各個倉庫每種商品的銷售量進(jìn)行預(yù)測。

表2 某電商倉庫銷售量

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于原始數(shù)據(jù)分布沒有一定的規(guī)律性，無法直接輸入模型進(jìn)行求解，因此必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文采取的預(yù)處理工具為Excel，處理步驟如下：

（1）商品分倉。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從0號倉到5號倉分別進(jìn)行處理，得到分倉庫數(shù)據(jù)。以0號倉為例，篩選后的數(shù)據(jù)格式見表3。

表3 0號倉庫部分商品銷售量

（2）時間排序。對分倉后的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)透視表按時間排序，列標(biāo)簽設(shè)置為商品序號，一共包括1 000種商品，行標(biāo)簽為時間，從2020年1月1日開始到2021年12月31日。處理后的數(shù)據(jù)部分效果見表4。

（3）得到模型矩陣。對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，空白位置補(bǔ)0，并且除去行標(biāo)簽和列標(biāo)簽按年分別新建表格，存儲為模型需要的1 000*305矩陣。部分矩陣形式見表5。

表4 0號倉庫部分倉庫數(shù)據(jù)透視表

表5 0號倉庫2020年部分商品矩陣

2.3 MATLAB求解

將上面處理好的矩陣導(dǎo)入到MATLAB中，依照模型構(gòu)建過程中提出的算法編寫MATLAB程序，采用程序分別運(yùn)行上面的數(shù)據(jù)，進(jìn)而預(yù)測2022年1月份的銷售量。通過運(yùn)行以上程序，得到0號倉庫1月份1 000種商品預(yù)測銷售量，結(jié)果顯示為1 000*31的矩陣。由于矩陣顯示不太直觀，對結(jié)果矩陣進(jìn)行編程轉(zhuǎn)換，調(diào)用MATLAB程序?qū)Y(jié)果矩陣進(jìn)行重新排序。

排序結(jié)束即可得到2022年1月0號倉庫的銷售量預(yù)測值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，用date表示1月具體日期，dc_id表示所在倉庫，item_sku_id表示商品編號，quantity表示當(dāng)天銷售數(shù)量。預(yù)測數(shù)據(jù)部分結(jié)果見表6。

表6 0號倉庫1月份部分商品銷售量預(yù)測結(jié)果

2.4 對比分析

利用上述分析方法截取數(shù)據(jù)中1號倉庫2021年的數(shù)據(jù)預(yù)測12月的庫存量，分別利用線性回歸預(yù)測、灰色指數(shù)預(yù)測、灰色線性回歸組合模型預(yù)測三種方法進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果見表7。

表7 三種方法預(yù)測結(jié)果對比

通過以上的預(yù)測結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，線性預(yù)測出現(xiàn)的結(jié)果誤差最大，灰色預(yù)測出現(xiàn)的結(jié)果誤差次之，組合模型預(yù)測的結(jié)果優(yōu)于以上兩種方法。灰色線性回歸組合模型在電商倉庫庫存量預(yù)測中具有明顯的優(yōu)勢，通過倉庫商品的銷售量數(shù)據(jù)對商品未來的庫存量進(jìn)行預(yù)測，可以進(jìn)一步優(yōu)化倉庫庫存管理。

3 結(jié)語

本文基于需求預(yù)測對電商庫存量進(jìn)行研究，將灰色模型與線性回歸模型組合建立灰色線性回歸組合模型，通過模型對電商平臺商品銷售量進(jìn)行預(yù)測，合理地預(yù)測下月的商品銷售量，也可根據(jù)商品整年的銷售情況，定期地進(jìn)行備貨，降低倉庫庫存費(fèi)用，對優(yōu)化倉庫庫存管理起到很好的指導(dǎo)作用。同時與常用方法對比發(fā)現(xiàn)，該模型簡單易懂，操作方便，能夠很大程度上降低預(yù)測難度，對于數(shù)據(jù)容量較大的數(shù)據(jù)批量處理時速度也比較快。模型在不考慮商品促銷的情況下，可以廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的商品倉庫庫存量預(yù)測中。在今后的研究中，主要考慮打折因素、季節(jié)因素等多方面的促銷信息，對該模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高預(yù)測結(jié)果的擬合精度。