基于數(shù)據(jù)挖掘的采購決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐山學(xué)院 杜芳芳

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，信息技術(shù)發(fā)展日新月異，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益國際化，企業(yè)面臨的競爭對手越來越多，競爭也越來越激烈。在殘酷的市場競爭中，企業(yè)如何才能立于不敗之地？企業(yè)如何獲取利潤、降低成本，就成了企業(yè)管理中最為關(guān)注的內(nèi)容。

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，原料采購是非常重要的一環(huán)。企業(yè)的訂單一旦確定，制定好生產(chǎn)計(jì)劃，只有通過采購生產(chǎn)所需要的原料，才能夠保證生產(chǎn)有效、順利地進(jìn)行。原料采購管理的好壞將直接影響到企業(yè)的信譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)通過合理地組織采購，才可以確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，保障資金周轉(zhuǎn)等。目前許多企業(yè)的采購決策是憑采購人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺。但隨著越來越多的企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化管理，優(yōu)化采購管理的信息化也日漸被提上日程。

本文利用數(shù)據(jù)技術(shù)，站在優(yōu)化的角度，通過建模和信息化手段，開發(fā)了可靈活運(yùn)用的采購優(yōu)化系統(tǒng)，輔助采購決策人員進(jìn)行采購決策，具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)概述

1.1 數(shù)據(jù)挖掘的概念

較公認(rèn)的定義是：數(shù)據(jù)挖掘(DM，Data Mining)就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又潛在的有用信息和知識(shí)的過程[1]。常用的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有統(tǒng)計(jì)分析、聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則等。設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模式是數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)模式實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的挖掘。

1.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的延伸和擴(kuò)展。借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘方法[2]，可以進(jìn)行市場研究，對市場的研究可以分為探測性研究、描述性研究、因果性研究和預(yù)測性研究。此外，利用聚類分析、判別分析、因子分析等方法還能對經(jīng)濟(jì)活動(dòng)進(jìn)行分析，例如：采用因子分析方法，利用企業(yè)經(jīng)營狀況的大量指標(biāo)來確定影響經(jīng)濟(jì)效益的潛在因素；根據(jù)經(jīng)營狀況采用聚類分析方法對企業(yè)或部門進(jìn)行分類等。

截至目前，預(yù)測型數(shù)據(jù)挖掘還沒有一種被共同接受的理論框架。預(yù)測型數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)現(xiàn)方法大致可以分為：基于距離的方法、基于邏輯的方法和基于數(shù)學(xué)的方法。其中基于數(shù)學(xué)的方法被廣泛的使用，主要有經(jīng)典的參數(shù)估計(jì)方法、經(jīng)驗(yàn)非線性方法(如前向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的實(shí)現(xiàn)方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論是專門研究有限樣本情況下的統(tǒng)計(jì)問題。這種理論體系下的統(tǒng)計(jì)推理規(guī)則，處理有限樣本的統(tǒng)計(jì)問題時(shí)要考慮對漸近性能的要求，同時(shí)追求得到最優(yōu)結(jié)果。

本文利用統(tǒng)計(jì)方法，建立所要解決問題的模型，將數(shù)學(xué)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計(jì)，然后將參數(shù)估計(jì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜函數(shù)的優(yōu)化問題，尋找合適的最優(yōu)化方法對模型中的參數(shù)進(jìn)行估算。

1.3 數(shù)值優(yōu)化方法

從不同的角度出發(fā)，可以把優(yōu)化方法分為不同類別。根據(jù)優(yōu)化問題有無約束條件，可以分為無約束優(yōu)化方法和有約束優(yōu)化方法。本文在解決問題的時(shí)候有約束條件的限定，而約束非線性優(yōu)化問題求解的常用方法有復(fù)合形法、逼近規(guī)劃法、懲罰函數(shù)法等。近幾年又有模擬退火算法、遺傳算法等新方法出現(xiàn)。但這些通用算法都存在一些問題，比如算法復(fù)雜，計(jì)算量大，優(yōu)化過程時(shí)間長等。本次設(shè)計(jì)選用了算法結(jié)構(gòu)簡單、解決約束非線性優(yōu)化問題的最常用的方法——復(fù)合形法。復(fù)合形法是一種直接局部搜索算法，它是通過對單純形法的改進(jìn)而形成的。下面介紹復(fù)合形法的基本思想：在可行集內(nèi)構(gòu)建一個(gè)初始復(fù)合形，通過比較各個(gè)頂點(diǎn)的函數(shù)值，在可行域中找到一個(gè)目標(biāo)函數(shù)值有所改善的新點(diǎn)，并用其替換目標(biāo)函數(shù)值較差的頂點(diǎn)，構(gòu)成新的復(fù)合形。不斷地剔除最壞點(diǎn)，用滿足約束條件的新點(diǎn)代替，復(fù)合形不斷的變形、轉(zhuǎn)移、縮小，逐步逼近最優(yōu)點(diǎn)。

復(fù)合形法是一種試驗(yàn)最優(yōu)化方法，經(jīng)常用于目標(biāo)函數(shù)梯度難以計(jì)算的問題的求解。此方法不但不被約束條件個(gè)數(shù)、約束性質(zhì)限制，而且具有算法思路清晰、程序結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算量不大等優(yōu)點(diǎn)，因而可以用來求解經(jīng)濟(jì)模型，為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)，廣泛應(yīng)用于一些領(lǐng)域。

2 采購優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為降低企業(yè)采購成本，增加企業(yè)利潤，輔助采購決策人員進(jìn)行采購決策，方便企業(yè)更高效快捷的管理采購工作，本文將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)的采購，開發(fā)了可靈活運(yùn)用的采購優(yōu)化系統(tǒng)。下面將詳細(xì)介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程。

2.1 總體設(shè)計(jì)

采購優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)，主要用于輔助決策者制定采購計(jì)劃之用，因此本系統(tǒng)主要完成以下目標(biāo)：

(1)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，配合產(chǎn)品物料清單，進(jìn)行物料需求決策，確定物料需求量和需求時(shí)間。

(2)建立供應(yīng)商評價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，利用企業(yè)原有的ERP系統(tǒng)提供的供應(yīng)商基本信息，對供應(yīng)商進(jìn)行評價(jià)和選擇決策，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從而為企業(yè)選擇恰當(dāng)?shù)墓?yīng)商。

(3)在物料需求量，需求時(shí)間以及供應(yīng)商確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行采購優(yōu)化決策，明確向各供應(yīng)商采購的數(shù)量和時(shí)間。

根據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)和功能，采購優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采購優(yōu)化系統(tǒng)利用由客戶訂單生成的主生產(chǎn)計(jì)劃，庫存基本信息、物料基本信息以及供應(yīng)商基本信息完成物料需求決策、供應(yīng)商評價(jià)、供應(yīng)商選擇決策和訂貨優(yōu)化決策，并將最終的優(yōu)化決策提供給管理者查看。此外，本系統(tǒng)還有一些輔助功能：各種數(shù)據(jù)的錄入、瀏覽、查詢以及打印報(bào)表等。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，本文將數(shù)據(jù)庫分為三個(gè)功能庫：即采購主題功能庫、采購模型功能庫和采購決策功能庫。采購主題功能庫主要存放從其他位置處(管理信息系統(tǒng)等)遴選的所需數(shù)據(jù)，采購模型功能庫中存放采購決策需要的各種決策模型數(shù)據(jù)，最后建立的決策方案則存儲(chǔ)到采購決策功能庫中。

2.3 主要模塊設(shè)計(jì)與介紹

2.3.1 物料需求決策模塊

本模塊的主要功能是確定生產(chǎn)各種產(chǎn)品所需物料的數(shù)量以及物料需求時(shí)段。

首先確定每種產(chǎn)品的物料結(jié)構(gòu)表，進(jìn)而完成單位產(chǎn)品所需要物料基本信息的確定：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖，確定產(chǎn)品所用的物料清單，通過添加各節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。也可以對己構(gòu)建好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行調(diào)整。使用“重新生成”功能可以對已經(jīng)建立了需求表的產(chǎn)品修改，重新確定產(chǎn)品所需最終物料、數(shù)量和提前期。

隨后，根據(jù)生產(chǎn)管理部門提供的主生產(chǎn)計(jì)劃，結(jié)合本企業(yè)的物料庫存信息以及物料結(jié)構(gòu)表，確定各個(gè)產(chǎn)品的物料需求數(shù)量以及需求的時(shí)間。最后按時(shí)間段歸結(jié)各物料的需求情況。

2.3.2 供應(yīng)商評價(jià)、選擇決策模塊

此模塊的功能是確定物料的最終供應(yīng)商。

首先，完成供應(yīng)商評價(jià)指標(biāo)的建立，物料不同，對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系也不同。接著確定指標(biāo)體系中各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：根據(jù)ERP系統(tǒng)中的供應(yīng)商供貨能力、供貨價(jià)格和質(zhì)量報(bào)表提供的數(shù)據(jù)以及供應(yīng)商的其他考核指標(biāo)，對供貨供應(yīng)商進(jìn)行綜合的考察和評估，評估的最后結(jié)果保存到系統(tǒng)中。供應(yīng)商供貨的質(zhì)量、交貨準(zhǔn)時(shí)率，采購總量、總金額、采購價(jià)格等信息通過查看或報(bào)表的形式反映出，并把此作為評價(jià)供應(yīng)商的依據(jù)。ERP系統(tǒng)對供應(yīng)商評價(jià)否認(rèn)信息基本都停留在定性分析的層次上。本文引入數(shù)據(jù)挖掘的方法，建立一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ停瑧?yīng)用數(shù)值計(jì)算方法，確定最終的供應(yīng)商。如果決策者不滿意系統(tǒng)的決策結(jié)果，則由采購管理者與系統(tǒng)交互確定最終供應(yīng)商。

下面詳細(xì)介紹一下供應(yīng)商的選擇方法：

大多數(shù)企業(yè)在選擇原料供應(yīng)商時(shí)，首要考慮是貨物質(zhì)量，其次是貨物單價(jià)和交貨提前期。綜合考慮多數(shù)企業(yè)的實(shí)際采購情況，本文采用供貨質(zhì)量等級、貨物價(jià)格、交貨時(shí)間、運(yùn)輸成本、以及供應(yīng)商信譽(yù)度等作為供應(yīng)商評價(jià)指標(biāo)。

質(zhì)量和交貨期都符合本企業(yè)要求的供應(yīng)商，進(jìn)一步比較分析本次采購成本的差別。一般情況下，采購成本為貨物總價(jià)、采購花費(fèi)以及運(yùn)輸費(fèi)等支出的累計(jì)。采購成本比較法是通過計(jì)算分析不同供應(yīng)商的采購成本，從中選擇成本較低的供應(yīng)商的一種方法。

在建立優(yōu)化系統(tǒng)模型前，需要做如下假設(shè)：(1)運(yùn)輸時(shí)間與距離成正比：采購訂單確定之后，供應(yīng)商立即發(fā)貨，即交貨時(shí)間與運(yùn)輸時(shí)間相同。(2)運(yùn)輸成本與運(yùn)輸距離、運(yùn)輸貨物量成正比，采購方承擔(dān)運(yùn)費(fèi)。各種原材料的運(yùn)輸成本各自獨(dú)立。(3)庫存量、采購量之和大于預(yù)計(jì)的需求消耗量。

供應(yīng)商的信譽(yù)度定為1~10個(gè)不同的信譽(yù)等級，對應(yīng)的供貨質(zhì)量也有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ五個(gè)質(zhì)量等級，可以量化成1~5對應(yīng)的值。

基于以上的分析，利用系統(tǒng)中的評價(jià)數(shù)據(jù)，量化指標(biāo)，建立的采購優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)如下：

其中，后面三個(gè)式子表示約束條件。上式中各符號(hào)表示的意義如下：xij—從第j供應(yīng)商處訂購第i類原材料數(shù)量；Lij—原材料的成本價(jià)格；bj—為常數(shù)；dj—交通距離；Gj—信譽(yù)等級；Qij—供貨質(zhì)量等級；Tj—交貨時(shí)間，其中Tj= cj*dj，cjw為常數(shù)；Mi—第i類原料所需采購量；Oi—現(xiàn)庫存量；Ni—計(jì)劃時(shí)間內(nèi)需求量；ji—第i類原材料的供應(yīng)商家數(shù)目；Cij—供應(yīng)商j的供應(yīng)能力；Yij—最低采購量；。Klj—交貨時(shí)間Tj的影響因子；K2j—信譽(yù)度Gj的影響因子，質(zhì)量等級Qij的影響因子是K3ij。從上面的式子可以看到，當(dāng)Qij和Gj的值越大，即供應(yīng)商的質(zhì)量等級和信譽(yù)度越高，總采購成本越低，函數(shù)取值最小。利用前面介紹的數(shù)值優(yōu)化方法中的復(fù)合形法，結(jié)合采購量必須滿足生產(chǎn)需要的數(shù)量、供應(yīng)商的供應(yīng)能力等約束條件，求得此函數(shù)的最小值，從而完成對供應(yīng)商的選擇。

2.3.3 訂貨優(yōu)化決策

本模塊的任務(wù)是確定每次采購的貨物數(shù)量和訂貨時(shí)間。

根據(jù)前面確定的物料需求數(shù)量和需求的時(shí)間，選用優(yōu)化選定的供貨供應(yīng)商，結(jié)合本模塊采用的優(yōu)化決策模型，確定物料的采購數(shù)量和采購時(shí)間，同時(shí)給出相應(yīng)采購物料的成本信息。“訂貨優(yōu)化決策”模塊采用最小的總成本法、最小單位費(fèi)用法作為優(yōu)化模型。通過比較，找到相對較好的方案。如果決策者不滿意優(yōu)化系統(tǒng)給出的決策方案，那么系統(tǒng)允許決策者手工操作確定最終的決策方案。

3 結(jié)語

本文利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，開發(fā)了帶有優(yōu)化決策功能的采購系統(tǒng)。它能為企業(yè)提供各種采購管理信息以及采購優(yōu)化方案，全面地反映決策過程，有效地、智能地解決企業(yè)采購的難題，從而減輕管理者的負(fù)擔(dān)，使他們能更加專注在最需要決策智慧和經(jīng)驗(yàn)的工作上，使企業(yè)決策的質(zhì)量和效率進(jìn)一步提高。采購優(yōu)化系統(tǒng)能彌補(bǔ)一般ERP系統(tǒng)不具有優(yōu)化決策模型的弊端，增加決策的針對性。同時(shí)本系統(tǒng)既可以由系統(tǒng)推薦方案，又允許用戶手工選擇參數(shù)確定方案，增加了系統(tǒng)的靈活性，具有一定的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Han J W,Kamber M.Data Mining:Concepts and Techniques,2000.

[2]馬江洪,張文修,徐宗本.數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)庫知識(shí)發(fā)現(xiàn):統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)[J].工程數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),2002.