數字經銷平臺統采共配雙層拍賣機制設計

孔祥天瑞 ,王 超 ,徐素秀 ,羅 浩

(1.深圳大學 經濟學院,廣東 深圳 518060;2.北京理工大學 管理與經濟學院,北京 100081)

在社區團購、直播帶貨和短視頻營銷等新模式助推下,中國快消品市場的變革不斷加速,需求側與供給側的全面數智化趨勢尤為突出。數據顯示,2021年行業營收增長的快消品企業占比為70.5%,相比上年大幅增長26.3%。2022年上半年全國線上零售額6.3萬億元,占社會消費品零售總額比重為25.9%[1]。驅動每個城市消費升級背后都有一個龐大且復雜的經銷渠道體系,支撐商品或服務的銷售與流通,把生產經營者與消費者聯系起來。城市經銷渠道體系是否高效決定了商品或服務價格及其流通效率,深刻且時刻影響著終端用戶體驗[2]。

本文研究的經銷商群體為集團加盟制中小經銷商,以及分布在國內社區終端的600多萬家零散“夫妻老婆店”。加盟經銷商僅在集團內部優化交易和運輸,并不會與其競爭門店或渠道共享貨物及運力信息,他們都各自獨立運行在一張成本高昂的“城配網”上。社區終端的小經銷商由于需求量小且缺失規模效應,目前存在“采購難,物流貴,利潤低”的痛點。在傳統經銷體系中,每個經銷商都擁有多家分布在城域范圍內的終端門店,他們以墊資買賣方式從上游制造商或供應商處采購商品[3-4]。同時,為了響應門店的補貨需求,經銷商往往需要在城市中心區位租倉并備有安全庫存。由于缺乏技術,無法應對目前快消品行業的碎片化訂單、多渠道履約以及高頻高時效配送要求[3]。不少學者通過協同的方式試圖解決此類問題[5-7]。但在實際業務中,由于同一快消品牌下的加盟經銷商是屬于同一市場的競爭者,他們往往并不愿意共享私有信息[8-10],導致基于集中化的共享與管理十分困難[11]。因此,實現信息與商品庫存共享的關鍵還需要尋找一種有效的市場機制。雙層組合拍賣是一種可行的交易機制[10],可用于商品與運力交易的分配及定價,無須透露關鍵信息[10-13]。Zhu等[14]在無線虛擬化研究中首次提出兩層組合拍賣模式,在實現資源共享的同時將基礎設施與其提供的服務分離。該理念與數字經銷平臺中將交易和交付分離的概念非常相似。通過雙層拍賣,有助于動態調整不同加盟經銷商的客戶需求,共享并降低營運成本。并且,雙層拍賣允許競標人投標多單元成組需求[15],尤其適合城配運力的采購交易,其所揭示的運輸范圍經濟被許多學者認為比運輸規模經濟更重要[16]。

本文設計了一種基于雙層拍賣的數字經銷平臺統采共配新機制,可以自動決策平臺參與方之間商品、信息、價格等要素交換,并激勵其參與共享與交易。具體包括:①設計基于雙層拍賣的數字經銷平臺統采共配模式;② 基于社會福利最大化構建勝者決定機制,證明占優策略均衡;③設計面向大規模統采共配問題的預測-拍賣-優化算法集成框架;④基于真實案例與數據驗證數字經銷平臺統采共配機制的有效性并量化績效提升水平。

依托數字經銷平臺,在上層拍賣中,平臺商作為拍賣方,加盟經銷商作為買方,標的物為管理平臺商多個SKU 庫存的權利。經銷商需要預測各自服務客戶的需求,從而決定符合預測值的標的物和期望價進行投標。在下層拍賣中,加盟經銷商作為賣方,承運商作為買方,平臺作為拍賣師,標的物為兩級城市物流中的所有運輸訂單組合。承運商根據自身的承運條件(邊際成本)選擇運輸訂單并出價。因此,上層拍賣交易實際是貨物所有權的分配與定價,下層拍賣是兩級城市物流運輸訂單的分配與定價。下層拍賣將運輸訂單分配給承運商后,承運商需要以最小化成本為目標,考慮車容和實時路況來規劃路徑。本平臺服務的訂單包括B2B訂單(門店補貨訂單)和O2O 訂單(終端消費者訂單)。上述雙層拍賣機制將通過理論推導,在滿足市場機制設計準則(即個人理性、預算平衡、激勵相容和有效分配)和充分考慮數字經銷物流的新特征情況下,證明機制占優均衡策略。為了驗證機制和算法的性能,本項目以全球最大的醫藥企業的實際業務數據為依據,設計了對比實驗,從而深度挖掘雙層拍賣機制下統采共配機制的有效性。實驗結果表明,該機制可以在經銷商之間有效分配貨權、在承運商之間有效分配運單且參與方均無須透露關鍵信息,同時降低了兩級城配物流成本,提高了全社會總效益。

1 文獻綜述

1.1 城市物流研究前沿

日益增長的城市化使得在城市區域內貨物配送成為一項重大挑戰[17-18]。為了應對交通擁擠并降低碳排放,一種多級配送系統近幾年被提出。兩級物流系統,是指先將貨物在城郊的配送中心進行訂單拆零,然后再按時間窗及送貨地址將貨物聚類配載到一級車輛中,當運送到城市內較小設施(如零售門店)后再將貨物轉移配載到適合擁擠市中心運作的較小二級車輛上,并將貨物交付給最終客戶的過程[19]。Crainic等[20]首先提出兩級車輛路徑規劃問題(2E-VRP),設計了一個兩級貨運配送系統,并對中轉站在兩級物流中的作用有了較為明確的闡述[21]。但對于2E-VRP的研究熱潮是從2016年才明確和開始的[22]。許多學者都證明了兩級配送聯動的方式有利于提高城市物流的效率。Thompson等[23]描述了如何將一個現有的城市配送網絡轉變為一個多級協同網絡以減少車輛行駛的距離,降低污染排放。

協同被認為是解決兩級城配系統諸多負面影響的有力手段[8-9],協同運輸是一種承運商通過合作來提高運作效率并降低成本的方式。承運商通過合作從規模經濟中受益[22],但協同的參與者往往是同一市場的競爭者[8-10]。Hingley 等[25]發現,協同的主要障礙是由零售利益相關者之間的權力游戲造成的,這種權力游戲阻礙了橫向合作,而不管成本或其他收益如何。Guo等[12]為實時轉運網絡中的全渠道按需物流開發了一種支持拍賣的協作路由機制。Kelly等[26]提出了既考慮承運商長期決策(運價)又考慮貨主長期決策(運力采購量)和現貨市場補充采購決策的Stackelberg博弈模型,為海運業務提出了諸多建議。

由上述文獻可知,學術界對于城市物流的研究,多從承運商視角且強調物流資源的協同,即車輛和路線之間的協同。也有少部分研究從貨主的角度探究物流資源的共享協同,但未曾有學者在兩級城市物流背景下同時探究貨主和承運商的協同問題。

1.2 物流運力拍賣研究

基于拍賣的城市物流研究可以總結為貨主與承運商之間的訂單分配和定價以及承運商之間的訂單再分配和共享[12]。Figliozzi等[27]提出了一個基于拍賣的框架,在動態環境中將貨運工作從貨主分配給承運商,以解決卡車裝載和交付問題。在此框架基礎上,討論了對時間敏感的整車運輸的一系列擴展問題,包括使用順序拍賣的最佳分配策略。Mes等[28]通過一個多代理拍賣系統構建取貨和送貨的實時調度,在該系統中貨主和車輛代理使用利潤最大化策略。Zhu 等[14]在5G 蜂窩網絡虛擬化研究中,設計了一種雙層組合拍賣機制,實現了資源的有效配置目標。在上層拍賣中,拍賣標的物為網絡基礎設施,賣方和拍賣師是網絡基礎設施提供者,競拍者是虛擬網絡運營商;在下層拍賣中,拍賣標的物為5G 信道,賣方為虛擬網絡運營商,競拍人為訂閱的用戶。Morcos等[29]和Shi等[30]也分別應用雙層拍賣模型對網絡虛擬化進行研究。同樣地,城市快消品的分銷也具有類似5G 蜂窩網絡虛擬化資源管理的特性,在快消品的多級分銷系統中,貨主多個SKU 的庫存管理權力需要分配給經銷商,同時多級分銷還涉及運輸訂單承運[11]。因此,本文考慮設計有效的雙層拍賣機制應用于城市快消品的多級分銷體系。

在城市物流中的拍賣算法研究方面,Feng等[31]引入了一個反向拍賣框架來模擬平臺和智能手機之間的交互,嚴格地證明了確定最優中標價是NP-hard問題。Shin等[32]設計了一種基于拍賣的無人機多機群充電時間控制機制。該研究對充電時段進行拍賣。Tsaousoglou 等[33]提出了一個基于Ausubel的鎖定拍賣機制和交互協議,證明既保證效率又保證用戶的真實參與。該結果證實了預期特性達成,同時表明,在參與者不是特別靈活的市場中真實性變得更加重要。Ehsanfar等[34]研究并開發了適配于分布式計算聯邦網絡的多種拍賣算法,包括4種反向競價和雙面拍賣:①首價拍賣;② 順序非線性定價拍賣;③最小最大定價拍賣;④ 平衡的最大化封閉式定價拍賣。

拍賣作為一種有效率的交易方式,在交易過程中無須透露過多信息[10-13],已經有大量學者將拍賣應用于物流領域,但是現有的物流拍賣研究多是單層拍賣。雙層拍賣相關研究仍局限于網絡資源分配領域的應用,雖然已經被證明是一種高效的資源配置方法,但是目前還沒有學者將其應用在物流領域。在拍賣算法研究領域,雖然存在一些在多項式時間內運行的近似拍賣機制,但這些機制的解決方案質量很低,無法以高質量的方案解決現實物流作業中的大規模問題,且同時滿足激勵相容[35-36]。

1.3 研究動態評述

由上述研究現狀可知,大量學者在城市物流領域有了較為深入的研究,且已經有學者應用拍賣和各類算法于物流領域以提升物流資源配置效率。但是:

(1) 鮮有學者關注兩級城市物流背景下商流和物流的雙融合協同研究,不曾有學者將雙層拍賣應用于城市快消品的多加盟商多級分銷體系。

(2) 缺乏同時考慮并集成2E-CVRP路徑規劃算法、O-VCG 的勝者決定算法且在多項式時間內高效求解并運行的雙層拍賣機制。

(3) 以高質量的方案解決兩級城市物流領域的大規模現實問題,并且可以滿足激勵相容占優策略、社會福利最大化的相關研究少有學者關注。

2 機制描述與模型構建

圖1 數字經銷平臺統采共配雙層拍賣機制運作模式

2.1 經銷商與承運商成本模型構建

對于每個承運商c,在每個周期拍賣結束后需要對獲取的兩級運輸訂單提供物流服務。由于承運商可能原本擁有一定初始訂單,這是核算邊際成本Ec的依據,初始訂單的不同決定了承運商競拍策略差異,故對于承運商c而言,當前訂單池Oc除了拍賣贏得的訂單組合,還包括原本擁有的訂單組合。參考一般VRP 模型,每個承運商的成本主要取決于兩級城配成本。

2.1.1 假設 結合兩級城配實際業務場景做出如下假設:

(1) 雙層拍賣的交易過程是非常迅速的,相對于運輸時間而言可以忽略不計。

(2) 一級物流采用貨車補貨,二級物流采用騎手配送。

(3) 忽略車輛裝卸貨時間和等待時間。

(4) 道路沒有任何意外狀況發生,運輸車輛不會在運輸過程中發生故障。

2.1.2 成本模型 基于上述假設,對于承運商,本文構建了一個以最小化總運輸成本Fc為目標的模型。承運商拍賣成本模型參數及其含義如下:

集合

NS——平臺商集拼倉的集合,NS={1,2,…,m}

NR——經銷商門店的集合,NR={m+1,m+2,…,m+h}

Ncr——末端客戶的集合,Ncr={m +h+1,m+h+2,…,m+h+n}

N1——Tier 1節點的集合,N1=NS∪NR

N2——Tier 2節點的集合,N2=NR∪Ncr

Ks——承運商在一級物流中支配的車輛集合,s∈Ns,Ks={1,2,…,ks}

Kr——承運商在二級物流中支配的車輛集合,r∈Nr,Kr={1,2,…,kr}

U(·)——Us、Ur分別表示Tier 1和Tier 2訂單SKU

集合

參數

dij——節點i、j之間的距離

c1——Tier 1的單位距離運輸成本

c2——Tier 2的單位距離運輸成本

f——Tier 1車輛的發車固定成本

M1——Tier 1車輛的車容,默認1 500

M2——Tier 2車輛的車容,默認50

Hru(·)——經銷商每個SKU 的單位庫存成本

中間變量

Lijk——從節點i～j之間車輛k所載的貨物

決策變量

xijk——車輛k從節點i～j=1,否則=0,k∈Ks,i,j∈N1

yijk——車輛k從節點i～j=1,否則=0,k∈Kr,i,j∈N2

zrk——車輛k為經銷商r送貨=1,否則=0,r∈NR,k∈Ks

zik——車輛k為客戶i送貨=1,否則=0,k∈Kr,i∈Ncr

單個承運商c的運輸總成本包含一級物流發車成本、兩級物流運輸成本,即:

其中:約束式(2)表示所規劃VRP 的訂單必須是屬于自己的訂單;式(3)、(4)表示任意一輛車只能執行一次運輸任務;式(5)、(6)表示任何車輛在倉庫裝貨量都不超過其核定載貨量;式(7)表示任意車輛經過節點時卸貨的數量應滿足其需求量;式(8)、(9)為貨量限制和補貨限制,表示一級物流中運輸的訂單不超過管理權的范疇,所有二級物流中的運輸需求不超過總持有量。

經測算，機組90%THA、75%THA和50%THA負荷工況鍋爐給水溫度分別提高6 ℃、12.1 ℃和18.1 ℃；汽輪機熱耗下降5、13和44 kJ/kWh；鍋爐排煙溫度升高1.5、3和5 ℃，鍋爐效率下降0.05%、0.15%和0.25%。汽輪機回熱系統優化后，各負荷工況鍋爐脫硝裝置入口煙氣溫度提升至310 ℃以上，有利于部分負荷工況脫硝系統的安全運行[16]，確保SCR脫硝裝置在全負荷范圍內處于催化劑的高效區運行。

經銷商r的成本包括自身倉庫內貨物的庫存成本、贏得平臺商庫存所支付的拍賣費用以及向承運商支付的物流服務費用。因此,本文建立如下經銷商r的成本模型:

2.2 雙層拍賣勝者決定機制

理性的參與者需要以自身效用最大化為目標。本節探討經銷商和承運商在雙層拍賣場景中的競標策略和出價策略,介紹雙層拍賣的WDP 機制以及對機制可行性的證明。

2.2.1 上層組合拍賣的勝者決定 已知經銷商r向上層拍賣平臺投標的標的物為對于每個經銷商r都有一個估值函數Vr,表示其對標的物的效用,對于未中標的標的物本文認為效用無窮大。假設每個經銷商都是理性的且具有自我意識,即經銷商為了實現自身效用最大化而參與拍賣。假設經銷商r在上層拍賣中具有一個擬線性效用函數,表示經銷商r以Pr價格獲取標的物所得到的效用,其中,τup表示若為0利潤,則經銷商r愿意投注在上層拍賣中的預算占總收益的比重。假設平臺商以γs(公共知識)成本提供貨物,則平臺商s的擬線性效用為

式中:xr=1表示經銷商r贏得標的物表示未中標。并且,由于庫存成本不論貨物儲存在何處,都是由經銷商承擔,所以上層拍賣可以忽略。

綜上所述,上層拍賣的WDP模型可以總結為:

2.2.2 下層組合拍賣的勝者決定 同理,對于每一個承運商c向下層拍賣平臺投標Bc=[Pc,qc],且都有一個估值函數Vc。假設承運商c具有一個擬線性效用函數,經銷商的收益函數αr為公共知識,則經銷商r在下層拍賣中具有擬線性效用函數,即

其中,τlow為下層拍賣的預算比重,則總效用為

yrc=1表示經銷商r與承運商c有交易,反之則無交易。綜上所述,下層拍賣的WDP 模型可以總結為:

2.3 基于單邊VCG 拍賣的雙層拍賣機制證明

根據VCG 的規則,一個代理人的效用是由其對全社會的邊際貢獻決定的。假設最大的社會福利為Π(I),無代理人i的最大社會福利為Π(Ii),則代理人i的邊際貢獻為Π(I)-Π(Ii)。因此設定以下定義。

如果平臺商的效用是負數Vs<0,則交易失敗。

定義2下層O-VCG 拍賣的收益如下:①經銷商公布其待運輸貨品的價值函數αr;② 每個承運商c向平臺上傳密封的成本函數Fc;③平臺解決

為了證明兩層拍賣的性能,在此引入事后納什均衡(一種弱占優策略)。

定義3對于經銷商r,如果假設其他經銷商在NR{r}中真實投標,則經銷商r通過真實投標可以使其效用最大化;對于承運商c,如果假設其他承運商在NC{c}中真實投標,則承運商c通過真實投標可以使其效用最大化。因此,在兩層O-VCG 拍賣中,真實的投標都是事后納什均衡。

在O-VCG拍賣中,每一個承運商/經銷商會根據其他承運商/經銷商的意圖和策略來最大化自己的效用,因此,事后納什均衡也是一種貝葉斯納什均衡。

推理1雙層O-VCG 拍賣是激勵相容的(真實投標是一個事后納什均衡)。

證明

(1) 上層拍賣中,如果每個經銷商r都以αr投標,則其都需要支付VCG 付款

與Π(NR)為有效分配的實事相違背,因此,假設A 不成立,上層拍賣推理得證。

(2) 下層拍賣中,如果每個承運商c都以Fc投標,則分銷商需要支付VCG 價格

同理,假設B 不成立,下層拍賣推理得證。推理1表明,不論其他投標人的投標策略如何,每個經銷商/承運商都會以真實的信息投標。

推理2雙層O-VCG 拍賣具有分配效率、預算平衡和個人理性。

證明根據Xu等[37]的研究:

(1) 有效分配。平臺根據投標人的投標組合以及WDP模型最大化整個系統的總效用,推理1證明了經銷商/承運商會根據真實情況投標,即易知在所有投標人真實出價的情況下,拍賣會最大化社會福利,有效分配得證。

推理2表明,兩級城市物流中的雙層O-VCG拍賣是有效的,該機制不僅具有較好的分配效率,并且每個投標人都可以通過拍賣獲得非負效用。

3 算法框架及案例分析

3.1 基于雙層拍賣的統采共配算法框架

采用3個算法形成算法集成框架,包括經銷商根據時間序列(加權ARIMA)算法預測需求量,承運商根據基于高德API實施路徑數據的混合退火算法求解2E-CVRP問題,輸出運輸距離、路線和成本作為投標和履約的依據,平臺采用CPLEX 求解雙層拍賣分配(WDP)問題,如圖2所示。其中,模擬退火算法是一種來源于固體退火原理的概率算法,本文設置算法初始溫度為最大偏差值的20倍,采用2-opt法對初始解進行2 000次加熱,溫度下降速率為0.99,終止溫度為0.01,內循環次數為4 000次。同時,通過調用高德API實時路況數據的方式代替傳統路徑規劃中的直線距離,從而保障數據更符合實際需求。

圖2 基于雙層拍賣的數字經銷平臺統采共配算法邏輯

圖2中,雙層拍賣和路徑規劃相互影響。一方面,由于經銷商庫存限制,拍賣結果會影響運輸需求的分布情況,繼而影響路徑規劃;另一方面,承運人需要以路徑規劃(2E-CVRP)的結果作為下層拍賣投標的依據,即路徑規劃結果會影響下層拍賣承運商的投標組合和投標價格形成。

3.2 基于大型藥企真實數據的仿真模擬實驗

藥品集中采購是我國醫改深化的必由之路[38]。如圖3所示,基于某全球最大的醫藥流通集團2022年6月某日的實際業務數據(1個供貨總倉、5個經銷商、20個門店以及714個末端客戶),通過設置對比實驗,分析采用數字經銷平臺統采共配雙層拍賣機制相比于現有模式的社會福利、物流成本等指標變化。該藥企在上海原本的物流模式如圖4所示,每個經銷商需要自己負責藥品采購和兩級物流運輸,運輸模式通常為高成本的點對點運輸。

圖3 業務及客戶分布拓撲圖

圖4 原業務模式物流拓撲圖

3.3 實驗結果分析

在下層拍賣中(見表2),承運商投標組合qc和投標價格Pc受自身承運條件(初始)影響。一方面,承運商會選擇與初始訂單臨近的訂單組合(否則Ec較高,見表3);另一方面,承運商可以犧牲初始訂單的收益從而具備更強的價格優勢。因此,下層拍賣中擁有初始訂單的承運商贏得了最終訂單(如承運商1～4),而不具備優勢的承運商容易落標(如承運商6～8)。

表1 上層拍賣投標成交

表2 下層拍賣投標成交

表3 承運商兩級城配成本對比

雙層拍賣中各參與方效用變化如表4所示。基于雙層拍賣的數字經銷統采共配機制對比原模式可以提高10.3%的總社會效用,平臺商收益提高8.8%,經銷商利潤至少提高17.3%,承運商成本下降63.5%。

表4 數字經銷平臺統采共配雙層拍賣機制實行前后收益成本對照

其中,對于平臺商而言,雖然上層拍賣經銷商的投標價格降低了,但樂觀的預測結果Dr增加了經銷商的采購量,從而使得上層拍賣的總交易量和平臺商的利潤都增高。對于經銷商而言,一方面,上層拍賣的投標價格未增加采購成本;另一方面,下層拍賣承運商成本的下降(投標價下降),降低了運輸成本。對于承運商而言,一方面,下層拍賣實現兩級物流信息共享;另一方面,2E-CVRP 合理規劃運輸路線,改變舊經銷物流割裂模式為統一運輸規劃,降低物流資源浪費和總運輸距離,也為承運商出價策略提供依據。對于社會福利而言,短期內銷售總額未發生變化,社會福利的增加主要來源于下層拍賣將運輸訂單共配產生的規模效應。由圖4可見,原本5個經銷商各自管理5條供應鏈,且二級物流模式為高成本的點對點運輸模式,需要大量資源和人力。相比新經銷統采共配模式僅需2條運輸路線,兩級物流優化為成本更低的串點運輸(見圖5)。

圖5 統采共配物流拓撲圖

綜上可知,根據仿真模擬,基于雙層拍賣的數字經銷統采共配機制具有良好的社會效益,關鍵管理洞見包括:①上層拍賣可以在經銷商之間以合理的價格有效分配貨權,經銷商無需向競爭者透露關鍵信息也能達到合作共贏的目的。② 下層拍賣可以在承運商之間以合理價格高效分配運單,承運商無需向競爭者透露關鍵信息也能獲取具有承運優勢的訂單組合。并且下層拍賣優化了物流運單的承運關系,通過組合競拍的方式體現了物流運輸的規模經濟效益,從而降低了全社會的總物流成本。

4 結語

本文首先提出一種旨在實現“統一大市場”統籌管理傳統經銷渠道中零散的貨物、物流資源和運力,實現在一個數字經銷平臺中完成商品采購和運力履約的新運作模式。引入O-VCG 拍賣和事后納什均衡理論,設計基于雙層拍賣的數字經銷平臺統采共配新機制,證明雙層拍賣符合弱占優均衡,即激勵相容、預算平衡、個人理性和有效分配。通過實際業務數據仿真證明該機制可以降低社會物流成本、提高經銷商收益、合理分配貨物并決定交易價格,提高全社會總效益。該機制適用于依托經銷體系的快消品采購和運輸業務,為行業提供了一套新的采購和物流一體化策略,為面向數字零售的城市物流研究提供了新的研究范式。

本文存在一定局限。目前雖已證明該機制符合占優策略且具有良好的社會效益,但關于經銷商和承運商在投標決策時的關鍵策略博弈以及影響投標策略的關鍵因素、客戶對于時效需求、動態滾動周期下考慮多貨主協同的雙層拍賣機制分析等還未深入研究。