基于改進突變級數法的農產品冷鏈物流風險評估模型

張 浩,邱 斌,唐孟嬌,何明珂

(1.北京工商大學商學院,北京100048;2.北京交通大學經濟管理學院,北京100044;3.中國農業大學經濟管理學院,北京100083)

1 引 言

我國是農業生產與農業消費大國,隨著國民生活水平的提高,人們對食品安全的重視度也不斷加強.鑒于農產品自身易腐特點,冷鏈物流在農產品保質保優方面無凝扮演著舉足輕重的角色.雖然近年來我國物流業發展取得了巨大成就,但冷鏈物流依舊是物流行業一大短板,其發展相對滯后.農產品冷鏈物流系統的穩定性、安全性直接關系到人們的身體健康,同時,農產品冷鏈的突發性“斷鏈”的風險相對較高,影響程度較大.對農產品冷鏈物流系統風險進行研究,對于提升我國農產品冷鏈物流風險的管理水平、構建安全穩定的農產品冷鏈物流體系具有重要研究價值及意義.但目前對農產品冷鏈物流的研究中,缺少關于評估風險模型的研究.為了解決此問題,本文基于一類改進的突變級數法,深入研究農產品冷鏈物流風險特性,提出一種較為科學、完善的農產品冷鏈物流風險評估模型,為農產品冷鏈物流的風險評估問題提供了參考.

近年來,國內外不少學者紛紛投入到農產品冷鏈物流和物流風險的學術研究中,并已形成了一定的研究體系,但現有關于農產品冷鏈物流的研究主要聚焦于發展對策建議、冷鏈績效優化和溫度監控模式等定性層面,運用定量方法研究農產品冷鏈物流風險的文獻可謂鳳毛麟角.Hans等[1]通過實驗表明,溫度上較小的波動對整體供應鏈影響較小,但對微生物活性影響很大,從而影響生鮮農產品的質量安全.Abad等[2]對洲際鮮魚物流鏈進行了實時追蹤驗證,提出了一種新的冷鏈應用技術RFID智能標簽農產品溯源和冷鏈監測.Qi等[3]為易腐食品冷鏈管理設計了一種基于無線傳感器網絡的綜合冷鏈保質期決策支持系統,并驗證了系統的有效性.Marija等[4]認為產品生產和物流設施存在于供應鏈起始點和銷售市場中的任何一個組成部分,供應鏈中任何一次時間、距離或溫度被擾動都可能對整個過程的凈現值及附加價值產生巨大的負面影響,說明控制易腐食品冷物流鏈的穩定性非常重要.Victoria等[5]以生鮮農產品出口到發展中國家等新興市場的業務關系為研究對象,提出了通過供應鏈合作伙伴的長期信用,來促使潛在私人市場為新興市場提供冷鏈服務.張馳等[6]通過云服務及組件集成技術設計了生鮮農產品冷鏈物流云服務系統以減少研發投入,降低企業負擔.汪旭暉等[7],將物聯網技術應用到生鮮農產品冷鏈物流的體系建設中,構建了多個物聯網系統和信急平臺在內的生鮮農產品冷鏈物流體系框架,以推進冷鏈企業的物聯網化.

在物流風險方面,現階段眾多學者做了大量的研究,Xie等[8]分析了現階段導致中小企業失敗的主要因素,提出了用“標簽卡管理”(label-card management)來解決相應問題,即基于標簽卡系統的中小企業物流風險預警模式,該預警可以監控整個過程中物品數量和質量的變化,文章以動態的方式,建立了預警和早期控制系統.Larry等[9]從采購管理的角度理解風險管理,首次基于模糊理論來構建風險評估模型,為之后模糊理論在物流風險評估中的應用奠定了基礎.此后,Kok等[10]將模糊理論運用于目標的重要性排序,Chen等[11]將模糊理論運用于質量投資水平和產品預期總成本的偏差計算上.Tsao[12]在增資政策的條件下考慮了貿易信貸和物流風險,并開發了一個貿易信貸和物流風險非瞬時傳遞的庫存模型.Claudia等[13]對各敏感物流節點的潛在風險進行了分析,然后為降低敏感物流節點不可預見破壞事件發生后的損失程度,提出了一種基于協作的跨供應鏈框架模型.龐燕等[14]運用系統動力學對農產品物流倉單質押風險的形成機理進行了研究,并構建了系統因果反饋環路來找出系統內主要風險影響因素.李劍鋒等[15]在市場需求非確定及集成商風險規避狀況下討論期權在物流服務供應鏈中的應用,利用條件風險值建立了物流與供應鏈風險規避模型,并驗證了期權在物流服務供應鏈中分散風險的有效性.

國外大部分學者對農產品冷鏈物流的研究主要聚焦于冷鏈技術方面,對農產品冷鏈物流的基礎理論知識研究相對較少.相比于國外,我國對農產品冷鏈物流研究起步較晚,優秀研究成果相對較少,大部分專家、學者把農產品冷鏈物流的研究方向主要集中于現狀、制約因素和建議對策上,對其相關技術、物流模式研究不夠完善,尚未形成完整的農產品冷鏈物流理論研究體系,尤其對農產品冷鏈物流風險評價的研究更是乏善可陳.目前關于物流風險的評估,眾學者們已提出了多種研究方法,如:層次分析法[16]、BP神經網絡[17]、模糊綜合評價[18]、主成分分析及灰色聚類分析等.雖然這些方法都有各自特點和優勢,但大都存在決策與結果的主觀性偏差和計算容量大的特點.

綜上所述,針對農產品冷鏈物流風險研究少和風險評估方法單一的問題,本文在利用分解分析法對農產品冷鏈物流風險關鍵要素進行系統分析的基礎上,結合專家咨詢確定了17個關鍵風險因素,設計了農產品冷鏈物流風險評估指標體系.運用離差最大化法對突變級數評估中的指標重要性排序問題進行改進,構建了基于改進突變級數法的農產品冷鏈物流風險評估模型以求實現對農產品冷鏈物流風險客觀、準確的評估.

2 農產品冷鏈物流風險評估模型

2.1 基于分解分析法的冷鏈物流風險評估指標體系構建

分解分析法是指將某一較為復雜的系統或事物分解為多個較為簡單的、具體的要素、子系統或者子事物,通過對各要素詳細分析以實現對整個系統的認識.對農產品冷鏈物流風險進行識別,首先要將其流程進行詳細分析以找出系統的各組成要素.當前,美國的蔬菜冷鏈物流模式是世界上最具代表性的農產品冷鏈物流流通模式,從采摘完成后蔬菜便進入了一條由“過程預冷–氣調冷儲–冷鏈運輸–冷藏銷售–超市保溫–家庭冷柜”構成的完整的鏈條,其整個運作流通模式主要如下圖1所示.

通過對上述流通模式作進一步分析,可以發現該流程主要由冷凍加工、冷凍儲藏、配送運輸及冷儲銷售4個環節組成,這些環節主要涉及:技術操作、人員組織、設施設備和外部環境等四大要素.1)技術操作:由于冷鏈物流的全過程要求其所處環境必須低于規定溫度之下,所以技術的先進性和操作過程的標準性將嚴重影響農產品在冷鏈物流過程中的質量品質.2)人員組織:衡量人員組織過程的好壞可以從單位時間內冷鏈故障的發生率、人力資源結構即參與人員專業水平和相關管理制度的完善度等方面考慮.3)設施設備:設施設備作為冷鏈物流全過程的載體,是不可或缺的組成成分.過程中使用的主要設備有:控溫設備、運輸設備、搬運設備、分揀設備、加工設備和儲藏設備,在冷鏈物流整個過程中扮演了非常重要的作用.4)外部環境:外部環境因素主要有供應商與需求商的穩定性、相關法制法規的健全、交通道路的擁堵狀況和天氣氣候狀況等因素,當前國內頻發的“斷鏈”現象很大程度上是由這些外部因素的不確定性造成.

基于上述流程對系統進行分解分析基礎上,選取技術設備風險、人員組織風險、產品加工風險、產品供應風險和外部環境風險5個一級指標來衡量農產品冷鏈物流系統風險大小,并在此基礎上細分出17個二級指標以構建農產品冷鏈物流風險評估指標體系,如圖2所示.

對構建的農產品冷鏈物流風險評估指標體系作進一步分析可得,所選取的5個一級指標和17個二級指標是基于分解分法對農產品冷鏈物流運作過程進行分析的基礎上,通過參考與借鑒現有文獻,結合高校和冷鏈委專家咨詢所得到的結果,故構建的評估指標體系的具有合理性.本文所選取的各評估指標具有典型的代表性,它們在避免相互重疊、過于繁瑣的同時,以科學性、全面性為原則,避免了信急的遺漏,各指標能客觀真實地反映農產品冷鏈物流運作過程中的主要特征和狀態,能客觀全面反映出各指標之間的真實關系.綜上所述,本文構建的農產品冷鏈物流風險評估指標體系具有科學性、合理性和全面性.

圖2 農產品冷鏈物流風險評估指標體系Fig.2 Agricultural products cold chain logistics risk evaluation index system

2.2 突變級數評估法基本模型

2.2.1 突變模型的分歧方程

突變理論指出,突變類型的不同主要由控制變量與狀態變量個數的多少決定,當控制變量個數多于4時,突變將不能用數學模型加以描述和解釋.已經證明[19]當狀態變量數目低于3個,控制變量數目不超過4個時,只存在7種突變類型,它們是尖點突變、燕尾突變、折迭突變、蝴蝶突變、橢圓臍點突變、雙曲臍點突變和拋物臍點突變,每個突變類型都有與之對應的勢函數V(x).平衡曲面即為突變模型勢函數V(x)的全部臨界點的集合,其方程表達式由勢函數的一階導數V′(x)=0所得.令勢函數的二階導數等于零,即V′(x)=0,便得該平衡曲面的奇點集方程.再將V′(x)=0與V′′(x)=0聯立起來消去狀態變量,即得到該系統的分歧點集方程(或者分叉集),它是突變理論的重點研究對象及核心內容,當各控制變量符合該方程時目標系統便會以突變形式發生變化.

1)分歧方程推導過程-以尖點突變為例:尖點突變模型勢函數為

令V′(x)=0得平衡曲面表達式為

令V′′(x)=0得奇點集方程為

將式(2)與式(3)聯立,得分解形式的分歧點集方程a=?6x2,b=8x3,將這兩個分歧點集方程合并,得到分歧方程

同理,可以推導燕尾模型、蝴蝶模型和棚屋模型分解形式的分歧點集方程如下:

2)燕尾模型V(x)=x5+ax3+bx2+cx的分解形式分歧點集方程為a=?6x2,b=8x3,c=?3x4.

3)蝴蝶模型V(x)=x6+ax4+bx3+cx2+dx的分解形式分歧點集方程為

4)由于棚屋突變(印第安茅舍型)不屬于初等突變模型(狀態維數為1,控制維數為5),因而對其研究相對較少,然而在突變級數評價法中經常使用.其勢函數為 V(x)=x7+ax5+bx4+cx3+dx2+ex.

所以,其分解形式的分歧點集方程為 a=?x2,b=2x3,c=?2x4,d=4x5,e=?5x6.

2.2.2 歸一公式

進一步對上述分解形式的分歧點集方程進行推導,可得到4種突變模型歸一化公式,并將突變理論與模糊隸屬函數結合,從而把系統內各指標不同的質態化為具有可比性的同一質態[20].通過對系統內各指標進行遞歸計算,求出各控制變量的突變級數值,可獲得表示某系統狀態特征的總突變隸屬函數值.

以尖點突變為例,對其突變模型分解形式的分歧點集方程變換可得其中xa表示a對應的x值,xb表示對應b的x值.

為了與模糊數學隸屬函數結合,使各控制變量與狀態變量的取值在同一范圍,即將它們的取值限定在[0,1].為此,令 a=6a′(絕對值),b=8b′,得從而將 a′,b′和 x 的值都限定在[0,1],實現了模糊數學與突變模型的結合.

同理可得突變級數法中常用突變模型的歸一化公式如下表所示.

表1 突變級數法中常用突變模型的歸一化公式Table 1 Mutation progression method commonly used in mutation model of the normalization formula

2.2.3 控制變量的重要性排序

突變級數評估法的最大特點在于它規避了傳統評價模型中指標權重的確定,與之相反的考慮了評價體系中各評價指標的相對重要程度,這種潛在要求由其勢函數結構所決定.以尖點突變為例,從其勢函數的表達式中可以看出系數a是影響系統突變的最主要因素,而系數b則為次因,所以a的重要性大于b,即a＞b;同理,在燕尾模型中,其控制變量重要程度為a＞b＞c;蝴蝶突變則為a＞b＞c＞d;棚屋突變則為a＞b＞c＞d＞e.目前,大多數研究人員對于突變級數評價過程中各控制變量的排序都采用專家評估法和問卷調查法等主觀性較強的方法,這不僅在評價中增加了人為主觀因素,而且固定的、靜態的評價指標體系對于系統風險的評估也有本質缺陷,不能根據各控制變量(各指標)的相對變化程度作出相應改變,使評估結果缺乏科學性、合理性.本文在現有突變級數評估法基礎上首次引入離差最大化法來實現對各層各指標重要性進行排序,以客觀獲得農產品冷鏈物流風險評估指標體系.

2.2.4 突變決策的選擇原則

運用突變級數法進行對象的綜合評估時,經常遇到突變決策的選擇問題,例如對于多層評估指標體系(三層指標以上),運用歸一化公式對底層控制變量計算后中間狀態變量的決策選擇.依據系統中各控制變量對狀態變量不同的影響方向,在突變決策時遵循兩個基本原則:“互補”原則與“非互補”原則[20].

1)互補原則:當系統中各控制變量對狀態變量起相互補足的作用,即相互關聯時,中間狀態變量x應取各控制變量初始突變級數值得平均數,即

2)非互補原則:當系統中各控制變量對狀態變量不起互相補足的作用,即不相互關聯時,則中間狀態變量x應對初始突變級數值采用“大中取小”原則,即x=min{x1,x2,...,x5},其中x為狀態變量,x1,x2,...,x5分別為下層控制變量1,2,...,5的突變級數值.

2.3 基于離差最大化法對突變級數評估法的改進

為了克服傳統主觀打分造成的結果主觀性偏差,本文采用離差最大化法來客觀的解決突變級數評估法中多指標重要性的排序問題.離差最大化法的基本原理在于通過計算對指標體系中第k個指標的總離差與全部指標總離差的比值大小來體現該指標的重要性,比值越大重要程度越高,比值越小則重要程度越低[21].

該方法的一般性程序可分為以下幾個步驟:

1)根據各指標類型的不同,進行底層數據的無量綱化處理得到標準化處理后的各數zij用以構造規范化矩陣,對于效益型(數值越大越好)指標、成本型(數值越小越好)指標一般采用Min-Max標準化處理;

設各指標的權重向量為W=(w1,w2,...,wm),記標準化處理后的決策矩陣Z=(zij)n×m,則可以求得加權后的規范化決策矩陣為

對于指標k,設Hij(w)為其某一方案i的指標值與其它所有方案指標值的離差和,則其總離差為

由式(5)可以構造如下目標函數

通過上述分析,結合相關條件可以構造一個離差最優化模型

解該離差最優化模型,并結合歸一化處理過程可得最優參數

2.4 基于改進突變級數法的冷鏈物流風險評估模型分析程序

結合突變級數法原理、離差最大化法步驟和農產品冷鏈物流的特點,本文提出的基于改進突變級數法的農產品冷鏈物流風險評估模型步驟如下:

1)依據突變理論系統的內在作用機理,將農產品冷鏈物流風險系統分解成由多個因素指標分主次組成的遞階層次結構,并運用離差最大化法通過計算最優加權向量從而對各層次指標進行重要性排序;

2)根據突變級數法基本原理,按控制維數的多少確定突變評估指標體系中不同的突變系統類型.本文設計的農產品冷鏈物流風險評估指標體系所對應的突變系統類型如下圖3所示;

圖3 農產品冷鏈物流風險評估指標體系突變系統類型Fig.3 Risk assessment index system of agricultural products cold chain logistics mutation system type

3)將底層控制變量的原始數據進行標準化處理,得出初始突變模糊隸屬函數值(對于定量指標采用Min-Max標準化處理,對于定性指標先采用模糊量化法或者專家打分法處理);

4)根據不同突變模型分歧點集方程導出的歸一化公式對經過標準化處理后的初始突變模糊隸屬函數值進行相應計算,得到初始突變級數值,具體公式見表1;

5)依據各控制變量對系統狀態變量影響方向的不同對中間突變指標值進行決策,得出不同層次指標的中間突變級數值(決策過程中利用“互補”或“非互補”原則);

6)對于各中間突變級數值,重復步驟(4),步驟(5)得到總突變級數值,即總突變值;

7)將總突變級數值與農產品冷鏈物流風險可接受標準進行對比,并分析評價指標體系中各指標突變級數值的大小,從而對評價目標進行評估.

2.5 改進突變級數法與其他方法的比較

為了說明改進突變級數法的意義所在,本文將其與文獻[22]所提出的基于TOPSIS和灰色關聯的改進距離協同評估法進行對比.表2是運用改進突變級數法對文獻[22]的實證計算所得到的結果.

表2 基于改進突變級數評估方法的皖江城市綜合發展度計算結果Table.2 Evaluation method based on improved mutation series of wan jiang city comprehensive development degree of the calculation results

通過對表2的結果進行分析可得到與文獻[22]相一致的結論,即2006年～2010年皖江城市的綜合發展度總體上呈上升趨勢,在2009年達到了頂峰,相比上一年,綜合協同發展度增長最快.雖然,使用這兩種方法所得到的結論一樣,但與改進突變級數法相比,改進距離協同法評估過程中需要運用AHP法對各子指標、子系統權重進行主觀判斷.目前,眾學者對于評價方法的研究大多采用與文獻[22]相類似的做法,這也在一定程度上造成了評估結果的主觀性偏差,而本文提出的改進突變級數法克服了主觀賦權的局限,又減少了評估過程中決策分析的主觀性,使得風險評估結果更加準確、有效,計算簡單,具有重要的實用意義.

3 算例分析

3.1 樣本選取及計算

本文以雙匯集團及北京新發地的生鮮農產品冷鏈物流為研究對象,通過對兩個企業近5年冷鏈物流相關數據收集,結合冷鏈委相關專家的訪談與近三年中國冷鏈物流發展報告獲取的數據來進行橫向與縱向對比,通過評估其風險大小以對模型加以驗證.

表3是原始數據經過Min-Max標準化處理后,利用離差最大化對各層次指標進行賦權排序后的結果.其中一級指標的排序主要由與之對應的所有二級指標的平均總離差決定.本算例中各一級指標的重要性為:技術設備風險(36.1)＞人員組織風險(35.9)＞產品加工風險(35.5)＞產品供應風險(35.2)＞外部環境風險(34.3).

表3 原始數據標準化處理及其賦權排序結果Table 3 Original data standardization and empowerment sorting result

再利用各突變模型所對應的歸一公式進行量化遞歸計算,可得各指標的初始突變級數值.

在獲得初始突變級數值的基礎上依據突變級數的決策選擇原則,采用“互補”原則,所以總突變級數值x與中間狀態變量(一級指標A/B/C/D/E)的取值應取各控制變量初始突變級數值的平均數,即其中k為某層次控制變量個數.

將各中間狀態變量(一級指標)看作總狀態變量(總突變隸屬函數)的控制變量,運用棚屋突變模型的歸一公式進行遞歸計算.

3.2 結論分析及模型驗證

通過上述計算,可以得到雙匯集團和北京新發地近5年不同時間段內的農產品冷鏈物流總風險突變隸屬函數值及相關變化趨勢,通過橫向與縱向數據對比,來對其實際風險狀態作出模糊綜合評估.

分析得到如下結論:

1)隨著雙匯集團和北京新發地的近幾年在其冷鏈物流建設方面的大量投入,極大的增強了其冷鏈物流的彈性和抗風險能力,如新發地于2014年底建成并投入使用的11×104t冷庫項目,雙匯建設現代化物流配送體系等.另外,雙匯冷鏈確實擁有較大優勢,據國家冷鏈委這幾年發布的冷鏈物流50強名單,雙匯排名也遠遠高于新發地排名(2014年雙匯冷鏈排名第四,北京新發地排名48),這也從側面反應了模型的可靠性.

2)據統計,伴隨著近幾年冷鏈物流的快速發展,各冷鏈物流企業在技術設備、過程標準及人員素質等方面得到了迅速改善,過去作為“斷鏈”高發區的技術設備問題得到了較好控制.而外部環境與產品供應則受多方面制約,其變化趨勢有較大的不確定性,如道路交通狀況、天氣氣候等因素.

3)雙匯冷鏈屬于運輸型冷鏈物流模式,其冷鏈物流總體水平及要求相對較高,運作靈活.而與之相反,新發地農副產品冷鏈卻屬于庫存型冷鏈物流,其冷鏈物流總體水平及要求相對較低.另一方面,新發地主要服務于北京,其天氣氣候與交通便利度等存在較大的不確定性,而雙匯的網點遍布全國,在不少指標上擁有較大的穩定性.

綜上所述,本文提出的改進突變級數評估模型可以科學、合理的對農產品冷鏈物流風險問題進行評估,該改進模型對解決農產品冷鏈物流風險問題具有指導意義.

3.3 管理啟示

通過上述分析可得,無論是運輸型冷鏈物流企業,還是庫存型冷鏈物流企業,技術設備和人員組織是導致其“斷鏈”風險發生的兩個關鍵要素.因此,農產品冷鏈物流企業在進行冷鏈物流管理時,要依照其本身需求與運作特點,硬軟結合,統籌規劃.一是要保證技術設備的先進性,加大技術、設施、設備的開發和投入,以推進冷藏設施設備的完善和提高;利用先進的信急技術,創建冷鏈物流信急共享機制,建立動態的冷鏈物流信急共享機制,以實現冷鏈過程中的信急交換、傳遞及反饋的及時性、有效性.二是要進行上下游的整體規劃和整合,要發揮區域冷鏈產業集群的優勢,通過資源整合、多方聯動實現冷鏈過程中的無縫對接和各利益主體的互利共贏.三是要企業要加大操作型、管理型和研究型人才的引入和培養,不斷探尋與完善人才培養模式,以保證冷鏈物流過程中人員組織的有序性,提高農產品冷鏈物流企業競爭力.

4 結束語

如何構建有效的評估模型和方法,對農產品冷鏈物流的風險進行有效科學的評估是現階段物流領域的重要研究課題之一.本文依據農產品冷鏈物流風險突發性強的特點,基于突變理論思想,將突變模型與模糊數學函數的結合,運用突變級數法和離差最大化方法,建立了基于改進突變級數法的農產品冷鏈物流風險評估模型,旨在對農產品冷鏈物流系統風險作出有效的、合理的評估,為企業及相關部門制定行業規則和管理規范提供一定的思路,也為相關冷鏈物流企業提供冷鏈物流業務的風險防范參考.通過實例分析,結果表明:本文提出的改進突變級數評估模型克服了主觀賦權局限,又具有科學性及操作性,能很好地解決農產品冷鏈物流風險評估問題.