Цели
В данной главе показаны возможности использования модели линейного программирования (ЛП) для определения плана производства. Эти возможности обобщаются для случая, когда закупка готовой продукции для последующей реализации может оказаться для производителя предпочтительнее, чем использование собственных мощностей. Рассматривается также задача производственного планирования, учитывающая динамику спроса, производства и хранения продукции. Наиболее часто такого рода задачи возникают на уровне агрегированного планирования и оперативного управления микроэкономическими объектами.
После того как вы выполните задания, предлагаемые в этой главе, вы будете уметь определять и использовать для экономического анализа:
• целевую функцию;
• ограничения;
• допустимый план;
• множество допустимых планов;
• модель линейного программирования;
• оптимальный план;
• двойственные оценки;
• границы устойчивости.
Общая постановка задачи планирования производства: необходимо определить план производства одного или нескольких видов продукции, который обеспечивает наиболее рациональное использование имеющихся материальных, финансовых и других видов ресурсов. Такой план должен быть оптимальным с точки зрения выбранного критерия — максимума прибыли, минимума затрат на производство и т.д.
Модели
Введем обозначения:
п — количество выпускаемых продуктов;
т — количество используемых производственных ресурсов (например, производственные мощности, сырье, рабочая сила);
аij — объем затрат i- го ресурса на выпуск единицы j -й продукции;
с j — прибыль от выпуска и реализации единицы j- го продукта;
bi — количество имеющегося i -го ресурса;
хj — объем выпуска j -го продукта.
Формально задача оптимизации производственной программы может быть описана с помощью следующей модели линейного программирования:
(1)
(2)
(3)
Здесь (1) — целевая функция (максимум прибыли);
(2) — система специальных ограничений (constraint) на объем фактически имеющихся ресурсов;
(3) — система общих ограничений (на неотрицательность переменных);
хj — переменная (variable).
Задача (1)—(3) называется задачей линейного программирования в стандартной форме на максимум.
Задача линейного программирования в стандартной форме на минимум имеет вид
(4)
(5)
(6)
Вектор х = (x 1, x 2,..., xn), компоненты хj которого удовлетворяют ограничениям (2) и (3) (или (5) и (6) в задаче на минимум), называется допустимым решением или допустимым планом задачи ЛП.
Совокупность всех допустимых планов называется множеством допустимых планов.
Допустимое решение задачи ЛП, на котором целевая функция (1) (или (3) в задаче на минимум) достигает максимального (минимального) значения, называется оптимальным решением задачи ЛП.
С каждой задачей ЛП связывают другую задачу ЛП, которая записывается по определенным правилам и называется двойственной задачей ЛП.
Двойственной к задаче ЛП (1)—(3) является задача
Соответственно, двойственной к задаче ЛП (7)—(9) является задача (1)—(3). Каждой переменной (специальному ограничению) исходной задачи соответствует специальное ограничение (переменная) двойственной задачи. Если исходная задача ЛП имеет решение, то имеет решение и двойственная к ней задача, при этом значения целевых функций для соответствующих оптимальных решений равны.
Компонента оптимального решения двойственной задачи (7)—(9) называется двойственной оценкой (Dual Value) ограничения исходной задачи ЛП.
Пусть j = max (), где хj — компонента допустимого решения задачи (1)—(3).
Тогда при выполнении условий невырожденности оптимального решения имеют место следующие соотношения:
Изменим значение правой части bi одного основного ограничения (RHS) исходной задачи ЛП.
Пусть — минимальное значение правой части основного ограничения, при котором решение у* двойственной задачи не изменится. Тогда величину называют нижней границей (Lower Bound) устойчивости по правой части ограничения.
Пусть — максимальное значение правой части основного ограничения, при котором решение y* двойственной задачи не изменится. Тогда величину называют верхней границей (Upper Bound) устойчивости по правой части ограничения.
Изменим значение одного коэффициента сj целевой функции исходной задачи ЛП.
Пусть — минимальное значение коэффициента целевой функции, при котором оптимальное решение x * исходной задачи не изменится. Тогда величину называют нижней границей устойчивости по коэффициенту целевой функции.
Пусть — максимальное значение коэффициента целевой функции, при котором оптимальное решение х * исходной задачи не изменится. Тогда величину называют верхней границей устойчивости по коэффициенту целевой функции.
Тема 2. Оптимальное смешение
Ситуация 3.
Компания «Синьор Помидор».
«Синьор Помидор» — средних размеров компания, занимающаяся производством и реализацией различной продукции высшего качества из овощей и фруктов.
2 сентября 2002 г. Михаил Горский, вице-президент компании «Синьор Помидор», пригласил начальников отдела сбыта, отдела технического контроля и производственного отдела, чтобы обсудить объемы заготовок консервов из помидоров. Закупленный на корню урожай томатов начал поступать на консервный завод, и операции по заготовке консервов должны были начаться в следующий понедельник.
Как только все собрались на совещание, начальник производственного отдела компании Василий Пузиков заявил, что он захватил с собой последние результаты оценки качества поступающих томатов. Согласно этим данным около 20% урожая имеет высшее качество А, а оставшаяся часть от всего урожая в 3 млн кг — качество В.
Горский поинтересовался у Павла Лукина, отвечающего за сбыт, о спросе на продукцию из томатов на следующий год. Лукин заявил, что компания может продать столько томатов в собственном соку, сколько она сможет произвести. В то же время ожидается, что спрос на томатный сок и томатную пасту будет ограничен.
Начальник отдела сбыта предоставил следующий прогноз спроса на продукцию фирмы:
Лукин напомнил собравшимся, что цены на продукты, производимые компанией, были установлены исходя из долгосрочной рыночной стратегии и что прогноз будущих продаж основан на этих ценах.
Владимир Панкратов, начальник отдела технического контроля, ознакомился с оценками спроса, сделанными Павлом Лукиным, и отметил, что с продуктами из томатов у компании «Синьор Помидор» в следующем году проблем, видимо, не будет. Расчеты показывают, что удельная прибыль от производства томатов в собственном соку выше, чем от производства других продуктов из томатов.
Ниже приведены полученные Лукиным результаты расчетов удельной прибыли (в руб.) для всех продуктов,производимыхкомпанией:
Эти расчеты были выполнены сразу после того, как компания подписала контракт на закупку урожая томатов по цене в среднем 0,6 руб. за 1 кг.
Данные о количестве сырья (свежих томатов), необходимого для производства одной упаковки продукции, приведены в следующей таблице:
Василий Пузиков обратил внимание вице-президента на то, что, несмотря на имеющиеся резервы мощностей, нельзя производить только томаты в собственном соку, так как лишь небольшая часть урожая имеет качество А. Компания использует шкалу количественных оценок качества как сырья, так и готовой продукции. Это шкала от 1 до 10, причем наибольший номер соответствует наивысшему качеству. По этой шкале каждый килограмм томатов качества А оценивается в 9 баллов, а томатов качества В — в 5 баллов.
Пузиков напомнил, что минимально допустимый уровень качества готовой продукции — 8 баллов на 1 кг томатов в собственном соку и 6 баллов на 1 кг томатного сока. Томатная паста может производиться целиком из томатов качества В. Это означает, что томатов в собственном соку может быть произведено не более 800 тыс. кг.
Вице-президент заявил, что не считает это реальным ограничением. Недавно компания потерпела неудачу в попытке приобрести 80 тыс. кг томатов качества A по цене 0,85 руб. за 1 кг. Однако, по мнению вице-президента, эти томаты еще можно купить. Лукин, проделавший в это время некоторые расчеты, сказал: «Я согласен с тем, что компанию ожидает благополучие, однако достичь его удастся не за счет продажи консервированных помидоров в собственном соку. Мне представляется, что издержки на закупку должны быть распределены с учетом не только количества, но и качества томатов».
Результаты проведенных им расчетов предельной прибыли одной упаковки продукта (в руб.) приведены ниже:
Из этих результатов следует, что компания должна использовать 2 млн кг томатов качества B для производства томатной пасты. Оставшиеся 400 тыс. кг томатов качества В и все томаты качества А следует использовать для производства томатного сока. Если прогноз спроса на продукцию компании оправдается, то переработка урожая томатов принесет компании 480 тыс. руб.
Пояснения. Пусть z — стоимость закупки 1 кг томатов качества А, у — стоимость закупки 1 кг томатов качества В.
Решая систему двух линейных уравнений
получаем: z = 0,932 руб., у = 0,518 руб.
Задания
1. Структурируйте задачу. Постройте модель.
2. Определите наилучшую производственную стратегию компании.
3. Проанализируйте вариант, который предусматривает возможность приобретения фирмой дополнительно 80 тыс. кг томатов качества А.
Рекомендации к Теме 2. (Ситуация 3)
Цели
В данной главе показаны возможности использования модели линейного программирования для решения задач оптимального смешения. Наряду с рассмотренной в главе 1 задачей планирования производства это одна из наиболее известных областей приложения модели линейного программирования. Модели оптимального смешения имеют много общего с моделями оптимального планирования производства. В то же время существуют и некоторые особенности.
После того как вы выполните задания, предлагаемые в этой главе, вы будете уметь формулировать и использовать для экономического анализа следующие понятия:
• смесь;
• ингредиент смеси;
• компонент смеси;
• рецепт смешения.
Модели
Важный класс прикладных оптимизационных задач образуют задачи о смесях. Такие задачи возникают при выборе наилучшего способа смешения исходных ингредиентов для получения смеси с заданными свойствами. Смесь должна иметь требуемые свойства, которые определяются количеством компонентов, входящих в состав исходных ингредиентов. Как правило, известны стоимостные характеристики ингредиентов и искомую смесь требуется получить с наименьшими затратами. Для многопродуктовых задач, в которых требуется получить несколько смесей, характерным является критерий максимизации прибыли.
Задачи оптимального смешения встречаются во многих отраслях промышленности (металлургия, парфюмерия, пищевая промышленность, фармакология, сельское хозяйство). Примерами задач о смесях могут служить определение кормового рациона скота на животноводческих фермах, составление рецептуры шихты на металлургическом производстве и т.п.
Рассмотрим сначала однопродуктовые модели оптимального смешения.
Введем обозначения:
п — количество исходных ингредиентов;
т — количество компонентов в смеси;
хj — количество j -го ингредиента, входящего в смесь;
аij —количество i -го компонента в j -м ингредиенте;
сj —стоимость единицы j -го ингредиента;
bi — количество i -го компонента всмеси.
Модель А:
Здесь (1) — целевая функция (минимум затрат на получение смеси);
(2)— группа ограничений, определяющих содержание компонентов в смеси;
(3) — ограничения на неотрицательность переменных.
В задаче могут присутствовать также ограничения на общий объем смеси и ограничения на количество используемых ингредиентов. Эти группы ограничений, а также ограничения (2) характерны для задачи планирования производства, рассмотренной в главе 1.
Введем обозначения:
п — количество исходных ингредиентов;
т — количество компонентов в смеси;
w — количество условий, отражающих содержание j -го ингредиента в смеси;
хj — количество j- го ингредиента, входящего в смесь;
аij — доля j -го компонента в j -м ингредиенте;
bi — минимально допустимая доля i -го компонента в смеси;
сj — стоимость единицы j -го ингредиента;
drj — коэффициент, отражающий r -е условие на содержание j -го ингредиента в смеси.
Модель В:
Здесь (4) — целевая функция (минимум затрат на получение смеси);
(5) — группа ограничений, определяющих содержание компонентов в смеси;
(6) — группа ограничении на содержание ингредиентов в смеси;
(7) — ограничение на количество смеси;
(8) — ограничения на неотрицательность переменных.
Ограничения (5) и (6) отличают задачу смешения от задачи оптимального планирования производства. Заметим, что значения правых частей этих ограничений равны нулю. Вектор х* с компонентами, являющийся решением этой оптимизационной задачи, называют рецептом приготовления смеси или рецептом смешения.
В многопродуктовых задачах ингредиенты используются для приготовления не одной, а нескольких смесей. При этом в качестве переменной xkj, такой задачи рассматривается количество ингредиента j, используемое для приготовления смеси k. Критерий задачи — максимизация прибыли.
Введем обозначения:
п — количество исходных ингредиентов;
т — количество компонентов в смеси;
w — количество условий, отражающих содержание j -го ингредиента в смеси;
s — количество смесей;
хkj — количество j -го ингредиента, входящего в k -ю смесь;
аij — доля i -го компонента в j -м ингредиенте;
bik — минимально допустимая доля i -го компонента в k- й смеси;
сj — стоимость единицы j -го ингредиента;
рk — стоимость единицы k- й смеси;
drkj — коэффициент, отражающий r -е условие на содержание j -го ингредиента в k- й смеси;
иj — количество имеющегося j -го ингредиента.
Модель С:
Здесь (9) — целевая функция (максимум прибыли);
(10) — группа ограничений, определяющих содержание компонентов в смеси;
(11) — группа ограничений на содержание ингредиентов в смеси;
(12) — ограничения на количество ингредиентов;
(13)— ограничения на неотрицательность переменных.
Тема 3. Транспортная задача
Ситуация 4.
«Фургоны под жилье».
Фирма «Фургоны под жилье», возглавляемая Тони Риццо, занимается переделкой стандартных фургонов в бунгало для жилья. В зависимости от объема работы такая переделка обходится заказчику от 1000 до 5000 долл. За последние четыре года Тони Риццо расширил свое небольшое дело в Гери, Индиане и открыл филиалы в Чикаго, Милуоки, Миннеаполисе и Детройте.
Нововведения — основной фактор, позволивший добиться успеха в превращении маленькой фирмы в процветающее предприятие. Тони удалось придумать и создать множество приспособлений, пользующихся повышенным спросом у покупателей фургонов под жилье, например душевую кабину, сконструированную Тони через шесть месяцев после того, как была создана фирма. Эта кабина занимает вдвое меньше места, чем обычная, и может быть размещена не только в фургонах любого типа, но и в других местах рядом с фургоном. Душевая кабина сделана из фибергласа и снабжена вешалкой для полотенец, встроенным душем и держателем для шампуня. На производство каждой душевой кабины уходит два галлона фибергласа и три часа рабочего времени.
Большинство душевых кабин производилось в Гери, где была основана фирма. Фабрика в Гери может выпускать до 300 душевых кабин в месяц, но этого количества всегда было недостаточно. Все четыре магазина фирмы выражали недовольство недостаточным объемом поставок душевых кабин. К тому же Тони отдавал трем магазинам преимущество в снабжении по сравнению с четвертым в Миннеаполисе, так как последний находился дальше всех от Гери. Это приводило в бешенство менеджера фирмы в Миннеаполисе, и после длительных дискуссий Тони решил открыть другую фабрику по производству душевых кабин в Форт Вайне. Эта фабрика способна производить 150 душевых кабин в месяц. Новая фабрика в Форт Вайне все же не смогла полностью обеспечить спрос на душевые кабины. Тони знал, что в ближайшие годы спрос на них может только увеличиваться. После консультаций со своим адвокатом и банкиром Тони принял решение как можно скорее открыть две новые фабрики. Каждая из них должна иметь такую же производительность, как фабрика в Форт Вайне. Был проведен предварительный анализ возможных мест расположения новых фабрик, и Тони решил, что две новые фабрики могут быть размещены в одном из трех мест: Детройте (штат Мичиган), Рокфорде (штат Иллинойс) или Мэдисоне (штат Висконсин). Тони знал, что выбрать место для расположения новых фабрик непросто. Важно учесть транспортные издержки для каждого возможного варианта размещения. Магазином в Чикаго управлял Билл Барч. Этот фирменный магазин был первым филиалом, открытым Тони, и его возможности превосходили возможности других магазинов. Фабрика в
Гери поставляла туда 200 душевых кабин в месяц, в то время как Билл знал, что может продать 300 кабин. Издержки на транспортировку одной душевой кабины из Гери в Чикаго составляют 10 долл., и, несмотря на то что удельные транспортные издержки от Форт Вайна вдвое выше, Билл всегда хотел добиться от Тони поставки оттуда 50 кабин. Две новые фабрики могли бы обеспечить Биллу поставку тех 100 кабин, которых ему недоставало. Транспортные издержки, разумеется, будут зависеть от того, где Тони откроет фабрики. Для Детройта удельные транспортные издержки составят 30 долл., для Рокфорда — 5 долл., а для Мэдисона — 10 долл.
Вилма Джексон, менеджер фирменного магазина в Милуоки, выражала недовольство недостаточным объемом поставок душевых кабин. В настоящее время спрос составлял 100 кабин и лишь наполовину удовлетворялся поставками с фабрики Форт Вайна. Она не могла понять, почему Тони не присылает ей все 100 кабин из Гери. Удельные транспортные издержки для Гери составляют 20 долл., в то время как для Форт Вайна — 30 долл. Вилма надеялась, что одним из мест размещения новой фабрики станет Мэдисон. Тогда она сможет получать необходимое количество душевых кабин при транспортных издержках всего 5 долл. Если не Мэдисон, то новая фабрика в Рокфорде тоже может удовлетворять потребности ее магазина. Правда, транспортные издержки в этом случае вдвое выше, чем для Мэдисона. Вилма не питает надежды на поставки из Детройта. Если новую фабрику откроют там, то транспортные издержки составят 40 долл.
Управляющим фирменным магазином в Миннеаполисе был Том Пански. Он получал 100 душевых кабин из Гери. Спрос составлял 150 шт. Том имел наибольшие удельные транспортные издержки. Для Гери они составляли 40 долл. Если бы душевые кабины транспортировались из Форт Вайна, удельные транспортные издержки были бы на 10 долл. больше. Том надеялся, что в Детройте новой фабрики не будет, так как в этом случае транспортные издержки составили бы 60 долл. за одну кабину. Для Рокфорда и Мэдисона они будут 30 и 35 долл. соответственно.
Положение магазина в Детройте было таким же, как в Милуоки, только спрос удовлетворялся всего наполовину. Все 100 душевых кабин, которые получает Детройт, поступают из Форт Вайна. Для Форт Вайна транспортные издержки составляли 15 долл. за штуку, а для Гери — 25 долл. Дик Лопес, менеджер магазина в Детройте, высоко оценивал шансы строительства новой фабрики в Детройте. Она размещалась бы в пригороде, и удельные транспортные издержки составили бы всего 2 долл. Он мог бы получать 150 душевых кабин с новой фабрики в Детройте, а оставшиеся 50 кабин — из Форт Вайна. Два других места размещения фабрики представлялись ему неудачными. Рокфорд имел удельные транспортные издержки 35 долл., а Мэдисон — 40 долл.
Перед тем как созвать на совещание менеджеров своих магазинов, Тони несколько недель размышлял о том, где разместить новые фабрики. Проблема была комплексной, но цель ясна — минимизация общих издержек. Совещание, на котором присутствовали все менеджеры, кроме Вилмы, состоялось в Гери.
Тони: Благодарю за то, что приехали. Как вам известно, я решил открыть две новые фабрики в Рокфорде, Мэдисоне или Детройте. Это, разумеется, изменит положение, и вы сможете получить недостающее количество душевых кабин. Я знаю, что вы могли бы продавать больше, чем сейчас, и чувствую себя ответственным за эту ситуацию.
Дик: Тони, я много размышлял над этой проблемой и считаю, что местом размещения одной из новых фабрик должен стать Детройт. Сейчас я получаю лишь половину того количества кабин, которое могу продать. Мой брат Леон очень заинтересован в пуске фабрики, и я думаю, он хорошо справился бы с этой работой.
Том: Дик, я убежден, что Леон был бы на высоте, и я знаю, какие у вас проблемы из-за спада в автомобильной промышленности. Однако нам следует принимать во внимание издержки, а не персоналии. Я убежден, что новые фабрики надо открыть в Рокфорде и Мэдисоне. Мой магазин слишком удален от других фабрик, и такое размещение позволит существенно снизить транспортные издержки.
Дик: Может быть, это и верно, но надо учитывать другие факторы. Детройт — один из основных потребителей фибергласа, и я интересовался ценами на него. Новая фабрика в Детройте сможет получать фиберглас на 2 долл. дешевле, чем в любом другом месте.
Том: В Мэдисоне прекрасная рабочая сила благодаря студентам Мэдисонского университета. Студенты — отличные рабочие, и они согласятся получать на 1 долл. в час меньше.
Билл: Хватит спорить. Ясно, что так мы не договоримся о том, где размещать новые фабрики. Давайте проголосуем и выберем два города.
Тони: Не думаю, что голосование — лучший способ выбора. К тому же Вилма не смогла приехать. Нам следовало бы учесть все эти факторы формальным образом.
Задания
1. Оцените избранную Тони стратегию поставок при двух действующих фабриках в предположении, что существующий объем поставок душевых кабин в магазины фирмы не может быть уменьшен. Обеспечивает ли она минимальные транспортные издержки?
2. Разработайте модель математического программирования, учитывающую все факторы, влияющие на принятие решения.
3. Проведите расчеты и определите наилучшие места для размещения новых фабрик. Обоснуйте ваши выводы результатами расчетов.
Ситуация 5.
«Мечта автомобилиста».
Фирма «Мечта автомобилиста» изготовляет сменные стекла для всех типов российских автомобилей. Фирма разработала и внедрила сложную систему прогнозирования спроса, использующую данные за последние годы для определения фактора сезонности и долгосрочных трендов. В таблице представлен агрегированный (для всех видов стекол) понедельный прогноз спроса на текущий год (в кг):
Фирма «Мечта автомобилиста» использует прогнозы спроса для планирования объемов производства. При составлении плана производства фирма должна учесть издержки найма или увольнения рабочих, оплату сверхурочных, субподряда, издержки хранения готовой продукции.
Издержки хранения составляют 0,12 руб. за 1 кг в неделю. Согласно смете производственные издержки в настоящее время равны 20 руб. за 1 кг в неделю. Сумма затрат на каждого нанимаемого рабочего, приходящаяся на 1 кг продукции, составляет 5,63 руб. (данные издержки рассчитываются на основе затрат на обучение и средней производительности труда одного рабочего). Сумма затрат на каждого увольняемого, приходящаяся на 1 кг продукции, составляет 15,73 руб. (рассчитывается исходя из размера компенсационных выплат при увольнении и с учетом уменьшения престижа фирмы). При нормальном режиме работы (без сверхурочных) фирма может производить до 1900 кг стекла в неделю. Кроме того, может быть произведено до 100 кг при использовании субподряда, и еще 250 кг стекла в неделю «Мечта автомобилиста» может произвести на своих мощностях сверхурочно. Издержки для стекла, производимого сверхурочно, на 8 руб. за 1 кг больше, чем для производимого в обычное время. Издержки производства по субподряду на 2 руб. за 1 кг больше, чем при производстве сверхурочно (т.е. на 10 руб. за 1 кг выше, чем при производстве в обычном режиме).
В настоящее время запасы стекла на складе составляют 73 кг. Производство работает на полную мощность, выпуская 1900 кг продукции в неделю.
Задание
Составьте агрегированный план производства для фирмы «Мечта автомобилиста» в целях минимизации совокупных издержек. Примите во внимание различные предположения и варианты реализации производственной политики и покажите, как эти различия отразятся на вариантах планов.
Рекомендации к Теме 3.(Ситуации 4, 5)
Цели
В данной главе рассматривается задача транспортировки продукта, который в определенных количествах предлагается различными производителями. Известны потребности нескольких потребителей в этом продукте. Требуется определить, от каких производителей и в каких объемах должны получать продукт потребители. Поставки должны осуществляться таким образом, чтобы совокупные издержки на транспортировку продукта были минимальными.
После того как вы выполните задания, предлагаемые в этой главе, вы будете уметь составлять и использовать для экономического анализа:
• замкнутую и открытую транспортные задачи;
• транспортную задачу с запретами;
• транспортную задачу с фиксированными перевозками;
• транспортную задачу с ограничениями на пропускную способность;
• транспортную задачу с фиксированными доплатами;
• транспортную таблицу.
Модели
Обозначения:
аi — величина предложения продукта в пункте i (i = 1,..., n);
bj — величина спроса на продукт в пункте j (j = 1,..., т);
cij — затраты на транспортировку единицы продукта из пункта i в пункт j;
xij — количество продукта, перевозимого из пункта i в пункт j.
Модель транспортной задачи:
Здесь (1) — целевая функция (минимум затрат на транспортировку продукта);
(2) — ограничения по величине предложения в каждом пункте производства;
(3) — ограничения по величине спроса в каждом пункте потребления;
(4) — условия неотрицательности объемов перевозок.
1. Замкнутая транспортная задача. Общее предложение равно общему спросу:
Это необходимое и достаточное условие существования допустимого плана задачи (1)—(4).
Открытая транспортная задача.
а) — излишек продукта
Способ сведения к замкнутой задаче. Пусть bm +1 — величина избытка продукции, т.е. - штраф за единицу продукта, не реализованного в пункте i; уi — количество продукта, не реализованного в пункте i.
Замкнутая транспортная задача имеет вид
б) — дефицит продукта.
Способ сведения к замкнутой задаче. Пусть аn +1 — величина дефицита продукции, т.е. - штраф за единицу продукта, недопоставленного в пункт j; уj — количество продукта, недопоставленного в пункту.
Замкнутая транспортная задача имеет вид
3. Транспортная задача с запретами. Пусть Е — множество пар индексов (ij), таких, что из пункта i в пункт j допускается транспортировка продукта. Между любыми другими двумя пунктами транспортировка не допускается.
Пусть М— большое число, например
Тогда
В оптимальном плане { } транспортной задачи при ограничениях (2)—(4) xij = 0, если (i,j) Ï Е.
4. Транспортная задача с фиксированными перевозками. Если объем перевозок между пунктами i и j задан, то в задаче (1)—(4) вводится дополнительное ограничение: xij = vij, где vij — заданный объем перевозок.
5. Транспортная задача с ограничениями на пропускную способность. Если объем перевозок из пункта i в пункт j ограничен величиной wij, то в задаче (1)—(4) вводится дополнительное ограничение: xij £ wij.
6. Транспортная задача с фиксированными доплатами. Предположим, что в открытой транспортной задаче имеет место дефицит продукта и для его устранения в пунктах i = п + 1,..., k возможно создание новых мощностей di.
Пусть переменные zi = 1, если в пункте i (i = п + 1,..., k) вводятся мощности di и zi = 0, если в пункте i мощности не вводятся. Издержки на ввод мощностей d, в пункте i (i = n + 1,..., k) составляют иi.
С учетом возможности создания новых мощностей транспортная задача может быть записана в следующем виде:
Здесь (5) — целевая функция (минимум затрат на транспортировку и ввод мощностей);
(6) — ограничения по величине предложения в каждом существующем пункте производства;
(7) — ограничения по величине предложения в каждом новом пункте производства;
(8) — ограничения по величине спроса в каждом пункте потребления;
(9) — условия неотрицательности объемов перевозок.
Помимо непрерывных переменных xij в модель включены булевы переменные zi,. Задача (5)—(9) является задачей линейного программирования со «смешанными» переменными.
Все приведенные модели описывают транспортную задачу в виде задачи линейного программирования. В такой форме она может быть решена стандартными средствами линейного программирования, например симплекс-методом.
Для решения транспортной задачи могут быть использованы также и менее трудоемкие (по объему вычислений) алгоритмы, например метод потенциалов.
Большинство специальных алгоритмов решения транспортной задачи использует исходную информацию в форме транспортной таблицы:
Оптимальный план перевозок имеет вид
Тема 4. Сетевой анализ проектов. Метод СРМ
Ситуация 6.
Программа «Здоровье жителей пригородной зоны».
Программа «Здоровье жителей пригородной зоны» создана более года назад как коммерческая корпорация. Эта корпорация должна стать основой организации здравоохранения открытого типа НМО. Цель НМО — обеспечить абонентов из пригородной зоны услугами медицинской помощи по полной предоплате.
В соответствии с законом США от 1973 г. работы по планированию и организации НМО обеспечиваются федеральными грантами. Организационные работы включают три обязательных этапа: основание НМО (6 месяцев), планирование (12 месяцев) и начальное развитие (12 месяцев). Правительственные гранты выделяются на каждый этап и автоматически не продлеваются.
В соответствии с законом предусмотрено два типа НМО: закрытый и открытый. НМО закрытого типа организуется на базе медицинского центра, обеспечивающего амбулаторное обслуживание. Как правило, врачи работают в НМО закрытого типа на постоянной основе и получают зарплату.
НМО открытого типа не имеет своего медицинского центра. В этом случае НМО заключает контракт с Независимой ассоциацией врачей IPA. Медицинское обслуживание осуществляется как на производстве, так и в домашних условиях. Обычно работа по контракту с НМО открытого типа составляет лишь небольшую долю практики врачей из независимой ассоциации.
Для контроля издержек и выполнения налоговых обязательств новые НМО создают отдел маркетинга, который возглавляет директор по маркетингу. Задача этого отдела — привлечь новых абонентов, как индивидуальных, так и коллективных. Причем не только домохозяев и персонал фирм, работающих в сфере действия НМО, но и предпринимателей.
Сотрудник любой фирмы может воспользоваться либо услугами НМО, либо услугами альтернативной медицинской помощи, которую предоставляет наниматель. Поэтому для НМО важно заключить контракт с предпринимателем прежде, чем предлагать свои услуги персоналу фирмы.
Программа «Здоровье жителей пригородной зоны» ориентирована на создание НМО открытого типа и поэтому предполагает сотрудничество с IPA. Услуги, связанные с госпитализацией, предоставляются по контракту с окружным госпиталем.
В текущем году федеральный грант предоставлен программе для выполнения работ по планированию. Грант действует 12 месяцев. Этап начального развития, следующий за этапом планирования, также должен быть завершен за 12 месяцев. Таким образом, работа НМО может начаться после завершения обоих этапов, общая продолжительность которых составляет два года. В настоящее время руководство программы готовит заявку на фант для выполнения работ на этапе начального развития.
Джон Томас, исполнительный директор программы, разрабатывает перечень мероприятий, которые необходимо провести на этапе начального развития компании с тем, чтобы этот этап действительно мог быть завершен в 12-месячный срок. На предыдущем этапе планирования деятельность Джона Томаса была связана в основном с организацией и координацией работы врачей. Пришлось приложить значительные усилия для создания IPA. На этапе планирования он использовал сети СРМ для координации работ и собирается вновь применить их на заключительном, третьем этапе, который должен начаться через месяц.
Джон Томас убежден, что на этапе начального развития можно и нужно разрабатывать сети СРМ для анализа работ в области маркетинга и финансов. Однако, несмотря на то, что эти виды деятельности связаны друг с другом, он сомневается в том, что удастся провести их комплексный анализ. Поэтому он попросил директора по маркетингу Билла Харли и директора по финансам Джека Дункана независимо друг от друга разработать сети СРМ для контроля мероприятий в соответствующей сфере деятельности.
В следующей таблице описана сеть СРМ для мероприятий, выполненных IPA на этапе планирования:
Окончание таблицы
Определив критический путь для данной сети, Джон Томас пришел к выводу, что этап планирования действительно может быть завершен за год (52 недели). Он установил также, какие работы могут быть отложены и на сколько без увеличения срока выполнения данного этапа проекта.
Джон Томас попросил директоров по маркетингу и финансам определить все работы, которые должны быть выполнены на этапе начального развития, оценить время, необходимое для их выполнения, и установить взаимозависимость этих работ.
Маркетинг. Билл Харли, директор по маркетингу, решил составить список всех работ и затем представить их в виде сети. Первая из намеченных работ — работа А — нанять и обучить новый персонал, занимающийся маркетингом. На выполнение этой работы требуется 5 недель.
После завершения этой работы планируется провести одновременно четыре работы:
В — сформировать набор медицинского оборудования для предоставления медицинской помощи (3 недели);
С — организовать информирование местного населения и формирование общественного мнения (10 недель);
D — связаться с предпринимателями в сфере действия НМО (6 недель);
Е — разработать рекламный проспект для предпринимателей (3 недели).
Работа F — разработка планов ежемесячной регистрации абонентов (4 недели) — может быть начата после завершения работ В и D.
После того как будет разработан рекламный проспект для предпринимателей, его необходимо распространить. На эту работу G нужно 4 недели.
После того как будет распространен рекламный проспект и разработаны планы ежемесячной регистрации абонентов, могут одновременно выполняться две работы:
Н — провести переговоры о заключении контрактов с предпринимателями на обслуживание персонала фирм (8 недель);
I — подготовить рекламные материалы для персонала фирм (6 недель).
После выполнения работы H могут быть заключены контракты с предпринимателями (работа J, 6 недель). После выполнения работы I следует напечатать рекламные материалы для персонала фирм (работа К, 3 недели).
После того как заключены контракты с предпринимателями и напечатаны рекламные материалы для персонала фирм, можно начать работу L по привлечению индивидуальных абонентов. Эта работа может проводиться до конца второго этапа, но требует не менее 16 недель на выполнение.
Далее остается предусмотреть выполнение двух работ. Это организация симпозиума НМО (работа М, 16 недель) и его проведение (работа N, 2 недели). Организация симпозиума не может начаться, пока не будет завершена работа С.
Финансы. Джек Дункан, финансовый директор программы, составил следующий перечень из 12 работ, которые должны быть выполнены на этапе начального развития:
Вы приглашены в качестве помощника Джона Томаса, исполнительного директора, чтобы помочь рассчитать время выполнения комплекса работ по маркетингу и финансам на начальной стадии развития медицинского центра.
Задания
1. Нарисуйте сеть работ на этапе планирования. Определите критический путь и резерв времени для каждой работы. Верен ли вывод Джона Томаса о том, что этап планирования можно выполнить за год?
2. Нарисуйте сеть работ по маркетингу. Рассчитайте критический путь для этой сети. Могут ли работы по маркетингу быть выполнены в течение года?
3. Нарисуйте сеть работ по финансам. Рассчитайте критический путь для этой сети. Могут ли работы по финансам быть выполнены в течение года?
4. После координационного совещания Томаса, Харли и Дункана выяснилось, что работы по маркетингу и финансам взаимосвязаны: работа D финансового отдела может проводиться только после того, как завершена работа J отделом маркетинга. Определите критический путь для всех работ на этапе начального развития НМО. Верно ли утверждение, что весь комплекс работ может быть выполнен за год?
Рекомендации к Теме 4. (Ситуация 6)
Цели
В данной главе показаны возможности использования метода СРМ (Critical Path Method — метод критического пути) для контроля сроков выполнения проекта. Таким проектом может быть разработка нового продукта или производственного процесса, строительство предприятия, здания или сооружения, ремонт сложного оборудования и т.д.
При реализации проекта составляется график выполнения работ. Для того чтобы проект был завершен вовремя, необходимо контролировать сроки выполнения этих работ. Усложняющим фактором является то, что работы взаимосвязаны. Одни работы зависят от выполнения других и не могут начаться, пока предшествующие работы не будут завершены.
Важной предпосылкой применения метода СРМ является предположение о том, что время выполнения каждой работы точно известно.
В результате использования метода СРМ удается получить ответы на следующие вопросы:
1. За какое минимальное время можно выполнить проект?
2. В какое время должны начаться и закончиться отдельные работы?
3. Какие работы являются «критическими» и должны быть выполнены точно в установленное время, чтобы не был сорван срок выполнения проекта?
4. На какое время можно отложить срок выполнения «некритической» работы, чтобы она не повлияла на срок выполнения проекта в целом?
После того как вы выполните задания, предлагаемые в этой главе, вы будете уметь определять и использовать для экономического анализа:
• наиболее раннее и наиболее позднее время начала работы;
• наиболее раннее и наиболее позднее время окончания работы;
• критический путь;
• длину критического пути;
• запас времени на выполнение работы.
Модели
Исходным шагом для применения метода СРМ является описание проекта в виде перечня выполняемых работ с указанием их взаимосвязи. Для описания проекта используются два основных способа: табличный и графический.
Рассмотрим следующую таблицу, описывающую проект:
В первом столбце указаны наименования всех работ проекта. Их четыре: А, В, С, D. Во втором столбце указаны работы, непосредственно предшествующие данной. У работ А и В нет предшествующих. Работе С непосредственно предшествует работа В. Это означает, что работа С может быть начата только после того, как завершится работа В. Работе D непосредственно предшествуют две работы: А и С. Это означает, что работа D может быть начата только после того, как завершатся работы А и С. В третьем столбце таблицы для каждой работы указано время ее выполнения. На основе этой таблицы может быть построено графическое описание проекта (рис. 1).
Рис. 1
На рис. 1 проект представлен в виде графа с вершинами 1,2, 3, 4 и дугами А, В, С, D. Каждая вершина графа отображает событие. Событие 1 означает начало выполнения проекта. Иногда такое событие обозначают буквой s (start). Событие 4 означает завершение проекта. Для обозначения такого события иногда используют букву f(finish). Любая работа проекта — это упорядоченная пара двух событии. Например, работа А есть упорядоченная пара событий (1, 3)(см. рис. 1). Работа D — упорядоченная пара событий (3,4). Событие проекта состоит в том, что завершены все работы, «входящие» в соответствующую вершину. Например, событие 3 состоит в том, что завершены работы А и С.
Рассмотрим другой проект, представленный следующей таблицей:
Графическое описание проекта, построенное по этой таблице, имеет вид, показанный на рис. 2.
Рис.2
В этом графическом описании проекта, кроме тех работ, которые указаны в таблице, использованы две «фиктивные» работы (3, 4) и (5, 6). На рисунке они показаны штриховыми линиями. Эти работы не требуют времени на их выполнение и используются в графическом представлении проекта лишь для того, чтобы правильно отобразить взаимосвязь между работами. Получив графическое представление проекта, мы обеспечили себе возможность провести расчеты методом СРМ.
Определения:
Путь — последовательность взаимосвязанных работ, ведущая из одной вершины проекта в другую вершину. Например, { A, D, G } и { В, С, Е, С } — два различных пути, ведущие из вершины 1 в вершину 7 (см. рис. 2).
Длина пути — суммарная продолжительность выполнения всех работ пути.
Критический путь — путь, суммарная продолжительность выполнения всех работ которого является наибольшей.
Ясно, что минимальное время, необходимое для выполнения любого проекта, равно длине критического пути. Именно на работы, принадлежащие критическому пути, следует обращать особое внимание. Если такая работа будет отложена на некоторое время, то и срок окончания проекта будет отложен на то же время. Если необходимо сократить время выполнения проекта, то в первую очередь нужно сократить время выполнения хотя бы одной работы на критическом пути.
Для того чтобы найти критический путь, достаточно перебрать все пути и выбрать тот или те из них, что имеют наибольшую суммарную продолжительность выполнения работ. Однако для больших проектов реализация такого подхода связана с вычислительными трудностями. Метод СРМ позволяет получить критический путь намного проще.
Пусть i и j — вершины, или события, проекта, (i,j) — работа проекта, s — событие «начало проекта» (start), f — событие «окончание проекта» (finish), Т — длина критического пути.
Введем следующие обозначения:
t(i,j) — время выполнения работы (i, j);
ES(i,j) —наиболее раннее время начала работы (i,j);
EF(i,j) —наиболее раннее время окончания работы (i,j);
LS(i,j) —наиболее позднее время начала работы (i,j),
LF(i,j) — наиболее позднее время окончания работы (i,j),
Ei — наиболее раннее время наступления события i;
Li — наиболее позднее время наступления события i;
R(i,j) — полный резерв времени на выполнение работы (i,j) (время, на которое может быть отложена работа (i,j) без увеличения продолжительности выполнения всего проекта);
r(i,j) — свободный резерв времени на выполнение работы (i,j) (время, на которое может быть отложена работа (i,j) без увеличения наиболее раннего времени Еi наступления последующего события j).
Если (i,j) — работа проекта, то имеют место соотношения:
для любого j ES(i,j) = Еi;
для любого i LF(i,j) = Lj.
Для того чтобы использовать метод СРМ для нахождения критического пути, необходимо для каждой работы (i,j) определить наиболее раннее время начала и окончания работы (ES(i,j) и EF(i,j)) и наиболее позднее время начала и окончания работы (LS(i,j) и LF(i,j)).
Метод СРМ описывается следующими соотношениями:
(1)
для любой работы (s,j), выходящей из стартовой вершины s проекта;
(2)
т.е. наиболее раннее время окончания любой работы (i,j) превышает наиболее раннее время начала этой работы (время наступления предшествующего события i) на время ее выполнения;
(3)
т.е. наиболее раннее время начала работы (q, j) равно наибольшему из значений наиболее раннего времени окончания непосредственно предшествующих ей работ;
(4)
т.е. длина критического пути равна наиболее раннему времени завершения проекта;
(5)
т.е. наиболее позднее время окончания любой работы, завершающей проект, равно длине критического пути;
(6)
т.е. наиболее позднее время начала любой работы меньше наиболее позднего времени окончания этой работы (времени наступления последующего события) на время ее выполнения;
(7)
т.е. наиболее позднее время окончания работы (/, q) равно наименьшему из значений наиболее позднего времени начала непосредственно следующих за ней работ;
(8)
т.е. полный резерв времени на выполнение любой работы равен разности между наиболее поздним и наиболее ранним временем ее начала или разности между наиболее поздним и наиболее ранним временем ее окончания;
(9)
т.е. свободный резерв времени на выполнение любой работы равен разности между наиболее поздним временем наступления последующего события и наиболее ранним временем окончания работы.
Из приведенных выше определений и соотношений непосредственно вытекают следующие утверждения:
1. Длина критического пути равна Т.
2. Если R(i,j) = 0, то работа (i,j) лежит на критическом пути;
если R (i,j) > 0, то работа (i,j) не лежит на критическом пути.
3. Если время начала работы (i,j), не лежащей на критическом пути, отложить на срок меньший, чем r(i,j), то наиболее раннее время наступления последующего события не изменится.
4. Если время начала работы (i,j), не лежащей на критическом пути, отложить на срок меньший, чем R(i,j), то время, необходимое на выполнение всего проекта, не увеличится.
Тема 5. Анализ затрат на реализацию проекта
Ситуация 7.
Компания «Космо».
В рамках подготовки старта космического корабля по программе совместных исследований с Национальным бюро аэронавтики (НБА) США российская компания «Космо» готовит к подписанию проект модернизации ракетного стартового комплекса на космодроме Байконур. Этот контракт предусматривает строительство центрального здания телеуправления (ЦЗТ). Финансирует проект американская сторона.
Первоначальный граф проекта строительства ЦЗТ приведен на рис. 3 (на схеме работы, лежащие на критическом пути, отмечены полужирной стрелкой).
Рис.3
Руководитель проекта менеджер компании «Космо» Владимир Алексеев определил время выполнения и сметные затраты для каждой работы проекта:
Оказалось, что критический путь для данного проекта составляют работы A, D и G. При нормальном времени выполнения всех работ проект может быть реализован за 12 недель. Сметная стоимость проекта в этом случае составляет 61 тыс. долл.
Заказчика работ предлагаемый компанией «Космо» срок не устраивает. Все работы необходимо завершить за 9 недель. При этом бюджет проекта не должен превысить 80 тыс. долл. Проведя дополнительные расчеты, Владимир Алексеев оценил минимальное время на выполнение каждой работы (в неделях) и затраты при минимальном времени выполнения (в тыс. долл.):
Используйте метод PERT/COST для анализа продолжительности проекта и затрат на его реализацию.
Задания
1. Определите, можно ли выполнить проект за 9 недель. Если да, то с какими минимальными затратами? Сколько критических путей будет в этом случае и какие работы будут критическими?
2. Определите, можно ли выполнить проект за 7 недель. Если да, то с какими минимальными затратами?
Ситуация 8.
Строительная компания Хоупа.
Строительная компания Хоупа активно занимается подготовкой нового проекта строительства фабрики для корпорации SBPA. Пару лет назад президенту корпорации SBPA Эрику Кляйну понравился предварительный план проектирования и строительства фабрики, подготовленный Хоупом, и он решил отдать предпочтение его строительной компании.
Хоуп поручил начальнику проектного отдела Деврону Вильямсу провести сетевой анализ работ в рамках проекта с учетом предполагаемых издержек. Вильяме дал указание своим сотрудникам разделить проект строительства фабрики на отдельные работы и установить их взаимосвязь. Для каждой работы следовало определить нормальное время ее выполнения и соответствующие затраты. Требовалось также оценить минимальное время выполнения работы и соответствующие этому времени затраты.
Результаты, представленные сотрудниками отдела, приведены в таблице (время выполнения работ указано в неделях, затраты — в тыс. долл.):
Окончание таблицы
Результаты анализа взаимосвязи работ представлены Вильямсу в следующем докладе:
1. Начальная работа А — спроектировать фабрику.
2. После выполнения проектных изысканий следуют работы В — подготовить спецификацию машин и оборудования для строительных работ, С — организовать бригаду строителей и D — закупить стандартные блоки заводских конструкций.
3. После завершения работ В и С строительной бригаде необходимо выполнить работу Е — подготовить место для строительства здания фабрики. В то же время, пока ведется подготовка места для строительства, можно приступить к работам F— закупке фабричного оборудования и G — строительству фундамента фабрики.
4. После подготовки места для строительства необходимо выполнить работу H — подготовить зону парковки.
5. Работу I — возведение здания фабрики — можно выполнить после того, как будут закуплены стандартные блоки заводских конструкций, подготовлено место для строительства, закуплено фабричное оборудование и построен фундамент фабрики.
6. После завершения строительства здания фабрики и подготовки зоны парковки компания Хоупа может приступить к работе J — проведению испытания всех систем. Затем проводится уборка (работа К) и фабрика передается корпорации SBPA.
Корпорация SBPA крайне заинтересована в том, чтобы строительство фабрики было завершено как можно быстрее. По предложению Эрика Кляйна в контракт включен пункт, предусматривающий премию в 25 тыс. долл. за каждую неделю сокращения срока выполнения проекта по сравнению с годом. В то же время контрактом предусмотрен штраф в 25 тыс. долл. за каждую неделю превышения срока выполнения проекта по сравнению с годом.
После подписания контракта Хоуп озабочен тем, чтобы завершить проект как можно раньше. По его указанию расчетный отдел провел калькуляцию накладных расходов. Первый тип накладных расходов — обычные накладные расходы в размере 22,5% от прямых затрат на выполнение работ. Накладные расходы второго типа зависят от продолжительности проекта в целом. Эти накладные расходы увеличиваются на 1500 долл. каждую неделю. Например, сокращение продолжительности проекта на 10 недель означает сокращение накладных расходов второго типа на 15 тыс. долл.
Прибыль строительной компании оценивается в размере 10% от стоимости контракта. В стоимость контракта включаются прямые затраты на выполнение работ, премиальные и штрафные санкции и накладные расходы двух типов.
Задания
1. Нарисуйте сетевой график проекта, найдите критический путь и общую стоимость контракта при нормальной продолжительности работ.
2. Определите продолжительность выполнения проекта, при которой прибыль строительной компании оказывается максимальной. Сроки выполнения каких работ следует сократить по сравнению с нормальными?
3. Ответьте на вопросы предыдущего пункта, если при определении стоимости контракта не учитываются накладные расходы второго типа.
4. Определите, за какое минимальное время можно выполнить проект.
Рекомендации к Теме 5. (Ситуации 7, 8)
Цели
Предположим, что ожидаемое время выполнения проекта нас не устраивает и мы хотели бы его уменьшить. Сокращение времени выполнения проекта, как правило, связано с использованием дополнительных ресурсов, таких, как увеличение количества рабочих, организация работы в сверхурочное время. Следовательно, при сокращении срока выполнения проекта увеличиваются затраты на его реализацию. В результате требуется искать компромисс между сокращением времени выполнения той или иной работы и экономией дополнительных затрат на проект. Для расчета минимальных затрат, необходимых для сокращения времени реализации проекта, может быть использована модель линейного программирования.
Для планирования затрат, составления графика расходования средств и осуществления контроля за этим расходованием может быть использован метод анализа затрат PERT/COST. Конечная цель применения метода PERT/COST состоит в том, чтобы затраты на реализуемый проект соответствовали принятой смете, Составление сметы расходов на реализацию проекта обычно предполагает выявление всех затрат на проект и дальнейшее их распределение во времени. На этапах выполнения проекта фактические затраты можно сравнить с планируемыми (или сметными). Если фактические затраты превышают планируемые, можно предпринять необходимые действия, направленные на то, чтобы привести фактическую сумму затрат на проект в соответствие с планом.
Применение метода минимизации затрат и метода PERT/COST позволяет получить ответы на следующие вопросы:
1. При каких минимальных затратах можно уменьшить время выполнения проекта до заданной величины?
2. На сколько следует сократить продолжительность времени выполнения каждой работы проекта?
3. Соответствуют ли фактические затраты на выполнение проекта сметным затратам?
4. Соответствуют