Вопросы по теме.

1. Назовите автора первой экономико-математической модели.

2. Назовите имена наиболее видных зарубежных ученых-экономистов, внесших весомый вклад в развитие экономико-математического моделирования.

3. Назовите имена наиболее видных отечественных ученых-экономистов, внесших весомый вклад в развитие экономико-математического моделирования.

4. Назовите российских экономистов, работавших в области экономико-математического моделирования, ставших лауреатами нобелевской премии.

Раздел II Экономико-математические модели планирования и анализа производственно-хозяйственной деятельности предприятия.

В современных условиях выбор оптимальных вариантов планирования и управления производством представляет серьезную проблему. В рыночных условиях проявляется жесткая конкуренция товаропроизводителей внутри страны, а также усиливаются потоки товаров, услуг и капиталов из зарубежных стран. Поэтому нельзя принять обоснованные решения без переработки большого количества информации, характеризующей эффективность использования трудовых, материальных и денежных ресурсов. Такая задача может быть решена только с использованием ЭВМ и соответствующих экономико-математических моделей и методов. На уровне промышленных предприятий накоплен немалый опыт решения экономических задач, результаты которых успешно используются в целях планирования и управления. К ним относятся модели формирования производственной программы предприятия, оптимального использования производственных мощностей, оптимизации технологической подготовки производства (модели раскроя промышленных материалов, составления смесей) и др. В настоящее время мощности современных доступных ЭВМ и стандартное программное обеспечение позволяют реализовать эти модели на любом предприятии, фирме.

2.1 Экономико-математические модели составления производственной программы предприятия.

Рассмотрим методологические и методические вопросы составления портфеля заказов предприятия в применении к простым по экономическому содержанию моделям и методам.

2.1.1Пример составления экономико-математической модели задачи формирования производственной программы предприятия.

Постановка задачи: цех выпускает три вида изделий, производственные возможности цеха характеризуются следующими данными:

- суточный фонд времени работы оборудования ­ 780 часов;

- суточный расход сырья 850 тонн;

- суточный расход электроэнергии 790 квт-час.

Нормы затрат производственных ресурсов на единицу различных изделий приведены в таблице 2.1:

Таблица 2.1

Составить план производства, обеспечивающий максимальный объем выпуска продукции в стоимостном выражении.

Запись условия задачи в виде представленной таблицы 2.1 с объяснением данных является экономической моделью задачи.

Математическая модель задачи может быть представлена в следующем виде:

Пусть х1, х2 и х3 – искомые объемы выпуска 1-го, 2-го и 3-его видов изделий.

Требуется найти неотрицательные значения переменных х1, х2 и х3, обеспечивающих максимальный по стоимости выпуск продукции.

Совокупность выражений (2.1)÷(2.7) представляет собой математическую модель задачи.

Математическая модель задачи выражений состоит из критерия оптимальности (2.1) и системы ограничений (2.2)÷(2.7). В последней можно выделить ограничение неотрицательности (2.5)÷(2.7), показывающее, какие значения могут принимать переменные., а также основные ограничения (2.2)÷(2.4), указывающие, какие преобразования можно проводить с переменными. Система ограничений определяет множество допустимых значений переменных, из которых с помощью критерия оптимальности и отыскиваются наилучшие (по данному критерию) значения.

Запишем экономико-математическую модель рассмотренной задачи в общем виде, т.е. в символах.

Введем обозначения:

­ индекс ресурсов ( = 1, 2, …., );

­ индекс изделия ( = 1, 2, …., );

­ наличный объем -го ресурса;

­ норма затрат -го ресурса на производство единицы -го

изделия;

­ оптовая цена единицы изделия -го вида;

­ искомый объем производства -го изделия.

В данных обозначениях задача запишется следующим образом.

Найти значения переменных , максимизирующие целевую функцию вида

при выполнении ограничений на использование ресурсов:

и неотрицательности переменных:

Выражение (2.8) максимизирует совокупный эффект от всего объема выпущенных изделий всех видов. Выражение (2.9) означает, что для любого из ресурсов его суммарный расход на производство изделий всех видов не превосходит всего имеющегося объема (выделенного лимита). Левая часть выражения показывает используемый в оптимальном плане обьем i-го ресурса, а правая часть ­ имеющийся обьем этого же ресурса. Выражение (2.10) означает неотрицательность выпусков изделий.

Особенность экономико-математической модели (2.8)÷(2.10) состоит в том, что она справедлива для любого количества видов продукции и ресурсов, для самых разнообразных численных значений лимитов ресурсов и норм затрат ресурсов. Коэффициенты при неизвестных в целевой функции означают эффективность от выпуска единицы продукции (прибыль, цена).

Таким образом, экономико-математическая модель (2.8)÷(2.10) соответствует любой экономической задаче по отысканию максимума эффекта от выпуска продукции при ограничениях на количество используемых ресурсов (при условии линейной зависимости эффекта и использования ресурсов от объема выпуска).

Задача формирования производственной программы может быть поставлена и на минимум целевой функции. Например, необходимо

отобрать в план такие изделия, чтобы суммарные затраты на изготовление продукции были минимальными. Если принять, что ─ затраты на производство одной единицы j-го вида продукции, то простую модель с критерием оптимальности ­ минимум затрат на весь объем выпуска можно представить так:

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Для модели такого вида существует простое оптимальное решение ­ все неизвестные равны нулю. Действительно, при все ограничения выполняются, т.е. решение допустимо и дает наименьшее значение критерия оптимальности, т.е. затраты равны нулю. Такое правильное математическое решение приводит к абсурдному с экономической точки зрения выводу: ничего не производить и все ресурсы останутся неиспользованными.

В этой упрощенной модели не учтена цель производства ­ получение результата в виде конечной продукции, а в процессе производства необходимо сопоставление затрат и результатов. Очевидно, необходимо ввести дополнительное ограничение, которое позволило бы не сводить к нулю затраты. В данном случае задача должна быть поставлена следующим образом: минимизация затрат при фиксированном уровне результата.

Рассмотрим экономико-математическую модель задачи на минимум затрат при фиксированных планах производства.

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Но любой сверхплановый выпуск увеличит значение критерия оптимальности. Ясно, что наименьший уровень затрат возможен лишь при строгом выполнении плановых заданий, т.е. при , а значит данная модель теряет смысл, т.к. оптимальный план известен ­ он определяется набором .

Ограничить минимум затрат снизу можно при другой постановке задачи. Пусть цена на продукцию -го вида, а ­ план по валовой продукции, т.е. запланированный уровень валового дохода от выпуска продукции. Тогда модель на минимум затрат запишется так:

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Постановка задачи на минимум затрат имеет смысл и в том случае, если существует несколько способов производства одноименной продукции. Например, изделия проходят обработку на токарных станках, но рабочими разной квалификации, или с использованием разных технологических способов (приспособлений). В модели

(2.21)

(2.22)

(2.23)

(2.24)

плановое задание по выпуску продукции осуществляется подбором разных величин , для которых отбираются те рабочие или организационно-технологические приемы (обозначенные как s), которые обеспечивают минимум затрат.

2.1.2 Экономическая интерпретация результатов решения задачи формирования портфеля заказов

Для решения задач линейного программирования существует универсальный метод – симплекс-метод, который может быть, в частности, реализован в EXCEL с помощью надстройки «Поиск решения». Важное значение имеет не только решение с целью получения вычисленных значений переменных, но и анализ полученных результатов и устойчивость найденного решения к возможным изменениям внутренних и внешних условий. Рассмотрим интерпретацию результатов реализации в ЕXCEL задачи формирования производственной программы на примере модели (2.8)÷(2.10).

Основные результаты решения задачи содержатся в двух отчетах: отчете по результатам и отчете по устойчивости (оба отчета представлены на рис. 2.1).

В отчет по результатам, состоящий из трех небольших таблиц, включаются конечные значения целевой функции и переменных, дополнительные сведения об ограничениях.

В отчете по устойчивости (состоит из двух маленьких таблиц) содержатся сведения о чувствительности полученного решения к малым изменениям коэффициентов целевой функции или в формулах ограничений.

Выводы по отчету по результатам. Оптимальным планом предусматривается выпуск только двух видов изделий: 1-го и 3-го вида в количестве 200 и 95 единиц соответственно.

Рис. 2.1 Содержимое отчетов, созданных по результатам решения задачи в EXCEL.

При таком плане общая стоимость выпущенной продукции будет максимальной и составит 2170 тыс.руб. При этом фактическое использование ресурсов составит: по оборудованию – 780 часов, по сырью – 675 тонн, а по электроэнергии –790 квт-часов, т.е. ресурсы оборудования и электроэнергии используются полностью, а сырье недоиспользуется в объеме 175 тонн.

Выводы по отчету по устойчивости. Табличка «Изменяемые ячейки» содержит помимо результата решения задачи (колонка «Результирующее значение») нормированную стоимость единицы каждого вида изделия. Нормированная стоимость показывает, на какую величину изменится значение критерия оптимальности при увеличении объема выпуска данной продукции на одну единицу. Поскольку критерий (целевая функция) в данной задаче на максимум - то отрицательное значение теневой цены характеризует невыгодность продукции; если же теневая цена положительна ­ то соответствующая продукция выгодна. Невыгодной к выпуску является 2-ой вид изделия, выпуск каждой единицы 2-го изделия приведет к снижению значения целевой функции на 3,75 тыс.руб., поэтому выпуск этого вида изделия оптимальным планом не предусмотрен.

Три последних колонки содержат значение коэффициентов целевой функции (оптовая цена единицы каждого вида продукции) и предельные значения приращения целевых коэффициентов, при которых сохраняется найденное оптимальное решение. Например, допустимое увеличение цены на изделие 2-говида равно 3,75 тыс. руб/единицу, а допустимое уменьшение ­ практически неограниченно. Это означает, что если цена изделия второго вида вырастет более чем на 3,75 тыс. руб./единицу, то оптимальное решение изменится: станет целесообразным выпускать второй вид изделия. А если цена этого изделия будет снижаться вплоть до нуля, то оптимальное решение (200, 0, 95) останется прежним.

Во второй части отчета по устойчивости содержится информация, относящаяся к ограничениям. В колонке «Результирующее значение» повторяется объемы использованных ресурсов. В следующей колонке приводится значение теневой цены (двойственной оценки) каждого из ресурсов. Теневая цена показывает ценность дополнительной единицы ресурса и показывает, на сколько изменится значение критерия оптимальности при увеличении количества данного ресурса на одну единицу. Чем больше значение теневой цены, тем более дефицитен ресурс, тем больше возрастает критерий оптимальности при увеличении этого ресурса на одну единицу. Теневая цена рассчитывается только для дефицитных видов ресурсов. Дефицитные ресурсы используются в оптимальном плане полностью. В нашей задаче ресурсы оборудование и электроэнергия имеют отличные от нуля теневые цены 0,25 и 2,5 ­ эти ресурсы используются полностью и поэтому являются дефицитными. Ограниченное количество оборудования и электроэнергии является сдерживающим фактором при оптимизации производственной программы: увеличение этих видов ресурсов привело бы к более хорошему варианту оптимального плана – за счет производства большего объема продукции и суммарная стоимость была бы больше.

Сырье полностью не используется в оптимальном плане, этот ресурс не является дефицитным и его увеличение не влияет на план выпуска продукции, поэтому его теневая цена равна нулю. Недефицитность ресурса возникает из-за невозможности его полного использования в полученном оптимальном плане. Суммарный расход сырья в количестве 675 тонн меньше его общего количества 850 тонн, поэтому план производства этим видом ресурса не лимитируется, Рассчитаем коэффициент использования сырья путем деления фактически используемого в оптимальном плане сырья на объем сырья, имеющегося в наличии: К=675/850=79,4%.

Необходимо отметить, что теневые цены ресурсов нельзя отождествлять с действительными ценами при закупке ресурсов. Теневая цена ресурса характеризует ценность ресурса относительно полученного оптимального решения.

Значения трех последних колонок (значение правой части ограничения, допустимое увеличение и допустимое уменьшение правой части) определяют диапазон изменения запасов ресурсов, в пределах которого можно рассчитать другие оптимальные решения, но сама структура оптимального плана не меняется (изделия, которые были убыточны, по-прежнему не будут входить в новые планы), а значения двойственных оценок ресурсов сохраняются.

По дефицитному ресурсу, который используется полностью, можно определить – на сколько нужно увеличить его объем для получения другого оптимального решения, которое было бы более хорошим по сравнению с рассматриваемым, т.е. обеспечило бы получение большей прибыли.

Например, в рассматриваемом примере дефицитным ресурсом является электроэнергия, в оптимальном плане этот ресурс используется полностью – все 790 квт-час. При увеличении лимита электроэнергии на 100 квт-час может быть получено более хорошее оптимальное решение, поскольку можно будет произвести больше продукции и увеличить общую стоимость произведенной продукции.

Однако, если получить дополнительно 400 квт-час электроэнергии, то электроэнергия в количестве 400-380=20 квт-час останется неиспользованной.

Если же ресурс является недефицитным и используется в оптимальном плане не полностью, то по данному ресурсу допустимое увеличение не определяется, а допустимое уменьшение определяется как разность между имеющимся объемом ресурса и фактически используемым его объемом.

Результаты решения моделей оптимизации производственной программы могут быть использованы для решения конкретных практических задач. Например, определить, какие виды продукции нерентабельны или какому ресурсу следует отдать предпочтение при решении задачи предельного увеличения запаса ресурсов.

Для того, чтобы изделие вошло в оптимальный план, его цена должна быть равна суммарной стоимости ресурсов, которые затрачены на производство единицы изделия, рассчитанной по двойственной оценке ресурсов. Такие изделия эффективны, выгодны с точки зрения принятого критерия оптимальности (в нашей задаче это изделия первого и и третьего видов). Если стоимость ресурсов, затраченных на производство одного изделия, больше его цены, то это изделие не войдет в оптимальный план из-за его убыточности.

Так, для производства единицы второго изделия используется 3 ед. ресурса оборудования, 4 ед. ресурса сырье и 4 ед. ресурса электроэнергия. Отвлечение 1 ед. дефицитного ресурса ведет к уменьшению критерия оптимальности на величину двойственной оценки.

Тогда производство единицы второго вида продукции ведет в целом к снижению критерия оптимальности на 3 ´0,25 + 4´0+ 4´2,5=10,75. Это больше, чем цена на единицу второго изделия на (10,75-7)=3,75. Таким образом, производство второго изделия нерентабельно, т.к. затраты ресурсов на него больше цены на 3,75 ед. Эта величина приведена в колонке «нормируемая стоимость» стандартной распечатки по результатам решения. При принудительном выпуске единицы нерентабельной продукции второго вида критерий оптимальности снизится на величину нормируемой стоимости – т.е. на 3,75 тыс.руб.

Сравним суммарную стоимостную оценку ресурсов, используемых при производстве единицы первого и третьего изделий, с их ценой.

По первому изделию: 2 ´0,25 + 1´0+ 3´2,5 =8= (8 тыс руб. цена первого изделия);

По третьему изделию: 4 ´0,25 + 5´0+2´2,5 =6=(6 тыс.руб. цена третьего изделия).

Таким образом, суммарная стоимостная оценка ресурсов, используемых при производстве единицы каждого из изделий первого и третьего вида, равна их цене, это рентабельные виды продукции, поэтому они включены в оптимальный план.

Перейдем к ответу на вопрос, какому ресурсу следует отдать предпочтение при решении задачи предельного увеличения запаса ресурсов.

При решении задачи предельного увеличения запаса ресурсов с целью максимизации выпуска продукции предпочтение следует отдать ресурсу, увеличение которого обеспечивает максимальный рост значения критерия оптимальности. Так, увеличение дефицитного ресурса электроэнергия на 1 квт-ч. приводит к росту критерия оптимальности на 2,5 тыс. руб.. Максимально (предельно) электроэнергию можно увеличить на 380 квт-ч., что приведет к росту критерия оптимальности на 2,5х380=950 тыс.руб. По оборудованию – 0,25х107,69=26,92 тыс. руб. Следовательно, руководству цеха выгодно добиться увеличения лимита на электроэнергию на 380 квт-ч.

2.1.3 Возможные критерии оптимальности и виды ограничений.

Важнейшей частью построения оптимизационной модели формирования портфеля заказов предприятием или фирмой являются обоснование и выбор в качестве критерия оптимальности того или иного экономического показателя, подлежащего оптимизации. Чаще всего в качестве критериев оптимальности в таких моделях используются следующие показатели:

· прибыль;

· объем реализации;

· объем добавленной стоимости;

· трудоемкость изготовления продукции;

· объем товарной продукции.

Каждый из приведенных выше показателей обладает определенными, свойственными только ему преимуществами и недостатками. До настоящего времени среди экономистов дискуссируется вопрос о согласовании показателей оценки эффективности функционирования предприятия с целью выработки единого критерия, объективно отражающего уровень эффективности производства. Большинство экономистов в настоящее время считают, что для оценки эффективности функционирования предприятия необходимо использовать систему показателей, с разных сторон характеризующих его деятельность. Соответствующие экономико-математические модели приобретают в этом случае многоцелевой характер. Существуют специальные методы решения многоцелевых задач, например, выбор одного локального критерия оптимальности и перевод всех других критериев в ограничения.

Рассмотрим основные показатели, используемые в качестве критериев оптимальности.

Максимум выпуска продукции в натуральных единицах: если на предприятии возможно соизмерение различных видов продукции через натуральные показатели ­ штуки, тонны, метры, тонны условного топлива и др. (как правило, это предприятия химической отрасли, металлургии, топливной промышленности, пищевой отрасли), то целевая функция может принять следующий вид:

(2.25)

Чаще всего в качестве критериального показателя используются различного рода стоимостные величины.

Максимум прибыли. При такой постановке задачи в качестве исходных параметров дана прибыль от реализации единицы продукции .

Формализованная запись целевой функции представлена в виде уравнения 2.26

(2.26)

Но возможна и другая запись целевой функции:

(2.27)

где:

­ оптовая цена одного изделия j-го вида;

­ себестоимость изготовления одного изделия j-го вида.

Максимум выпуска товарной продукции в стоимостном выражении:

(2.28)

Максимум производительности труда:

(2.29)

где:

S ­ среднегодовая списочная численность промышленно-производственного персонала.

Более точно критерию максимума производительности труда соответствует целевая функция вида:

(2.30)

где:

t ­ годовой фонд времени одного рабочего,

dj ­ трудоемкость изготовления одного изделия j-го вида,

r ­ процент перевыполнения норм.

Система ограничений экономико-математической модели задачи определения производственного плана предприятия должна учитывать ограниченность производственных ресурсов и специфические условия работы предприятия, а также народно-хозяйственные потребности в его продукции. Основными видами ограничений являются:

· ограничения по затратам материалов, топлива, энергии и т.д.;

· ограничения по ресурсам основных фондов (прежде всего, технологического оборудования и производственных площадей), в частности, загрузка оборудования должна соответствовать его пропускной способности;

· ограничения по затратам труда с учетом профессионального состава работников;

· ограничения по финансовым активам;

· ограничения, характеризующие спрос на продукцию (объемные ограничения);

· критериальные ограничения (или ограничения по технико-экономическим показателям).

Ресурсные ограничения: расход ресурсов не должен превышать их установленных фондов, формализованная запись такого ограничения приведена в (2.9).

· Ограничения по оборудованию – отражают максимальное количество часов работы по группам оборудования и могут быть выражены в следующей форме:

( ) (2.31)

где - нормы затрат времени работы h-той группы оборудования по производству единицы j- того вида продукции,

- эффективный фонд времени работы h-той группы оборудования,

- объем производства j – той продукции (в натуральном выражении).

В случае, если задана производительность h - той группы оборудования по выпуску единицы j - той продукции ( ), то ограничение будет выглядеть следующим образом:

( = ) . (2.32)

Важность объемных ограничений определяется необходимостью учета при формировании производственной программы спроса на производимую предприятием продукцию.

Форма записи может быть: , (2.33)

где – нижний (верхний) пределы спроса на j-ый вид продукции.

Если спрос задается по укрупненной номенклатуре, а промышленное предприятие определяет для себя объемные параметры выпуска по более детализированной номенклатуре, то ограничение по спросу принимает следующий вид:

, (2.34)

где ­ индекс группы изделий;

­ количество групп изделий;

­ минимальное (максимальное) суммарное количество изделий в -ой группе;

­ индекс последнего изделия в группе .

И, наконец, ограничения по технико-экономическим показателям в моделях формирования производственной программы – это ограничения по показателям, которые задаются промышленным предприятием самостоятельно и определены в его планах. В качестве ограничений по технико-экономическим показателям выделяют следующие ограничения:

1) Ограничения по объему продаж: (2.35)

где - задаваемый нижний уровень объема продаж.

2) Ограничение по прибыли: (2.36)

где – задаваемый нижний уровень прибыли.

3) Ограничение по себестоимости: (2.37)

где - себестоимость единицы j – той продукции,

– задаваемый верхний уровень себестоимости.

4) Ограничения по капитальным вложениям: (2.38)

-цена единицы h-того вида оборудования,

- количество единиц приобретаемого h-того вида оборудования,

- общий объем капитальных вложений.

Приведенная система ограничений достаточно полная, дополнительные ограничения могут определяться в связи со спецификой предприятия.