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处理农业供应链管理的不确定性：最先进的技术
作者：Valeria Borodin. Jean Bourtembourg. Faicel Hnaien. Nacima Labadie
内容摘要：鉴于农业部门的发展及其面临的新挑战，有效管理农业供应链已成为研究人员和从业人员的一个有吸引力的话题。在这种背景下，不确定方面的整合不断增加了管理决策的重要性因为它可以提高效率，响应能力，业务集成，最终提高在市场的竞争力。为了适当地捕捉大多数农业文化现实生活应用的不确定性，越来越多的研究工作专门用于处理这种不确定。 特别是，定量建模方法已在农业供应链管理中得到广泛应用。本文概述了该领域的最新进展和发展应用运筹学方法来处理农业中发生的不确定性供应链管理问题。它旨在：提供主要的代表性概述研究课题，强调最相关和最广泛使用的框架，以及讨论农业部门新出现的业务研究进展。通过广泛的审查从三个最相关的方面进行分类和呈现：不确定的建模类型，编程方法和功能应用领域。 最后，指出了主要研究结果，并提出了未来的研究方向。
关键字：农业 最先进的 不确定性 建模 供应链管理
1.文章介绍
农业是用来表示养活许多人的最广泛的术语，通过提供食品，饲料，生物能源和工业材料产品，农作物和家畜来维持全球人口的方式。 该部门包括非常广泛的活动，如种植，驯化，园艺，树木栽培和蔬菜栽培，以及牲畜管理等形式。另一方面，农业部门目前正面临双重压力：可持续经营，即能够在不损害子孙后代实现自己目标的能力的情况下满足当前的需要，以及提供食物，能源和工业资源，以满足不断增长的世界人口的需求。在日益复杂的情况下农业管理问题，以前农业通过实验和经验得出的经验判断来进行基础农业管理，而运筹学提供了另一种强大的工具来支持决策。
不确定性决策是农业部门的主要问题之一。在上游业务中，农业生产管理在质量和数量上都面临着天气条件，区域间气候差异，土壤质量，季节性因素随时间变化，资金利用率等因素的影响；在生产链的下游，农业市场特别不稳定，异质，对经济和金融波动极为敏感。这些因素中的一些是可测量的，可以从生产者经历的现有历史信息或农业经理预测中量化。对现有信息的考虑可能会提供有价值的建议，并有助于支持适应全球竞争压力，严格的法规，全球化，不断变化的市场需求，价格不稳定，气候变化等。因此，正如从文献中看到的那样，不确定方面的整合在业务规划，战术和战略层面上不断为农业部门的管理决策提供相关性，从这个意义上讲，运营研究越来越多地与农业领域合作，寻求强有力的决策支持工具。
自20世纪40年代后期以来，运营研究已应用于农业研究，研究文献富含OR应用。尽管如此，农业供应链的不确定因素仅在过去二十年才得到学术界的关注。根据上述论述，本文试图提供运营状况研究实施的总体情况，以处理不同类型的不确定性，以实现有效的农业供应链管理。
本综述集中于SCOPUS索引的论文，其中包括标题，摘要或关键词有农业的不确定性。这使我们在各种类别中共获得了2904份资料。 在那之后，我们将选择限制在按主题区域用英语写成的文章中，仅保留数学，计算机科学和决策科学中的数据库，自运营领域以来，重点是这些研究（OR）的领域是有针对性的。在此程序之后，本文修订后共收录了101篇文章和7篇评论。接下来，没有任何面向OR的文章被删除，其他一些文章被确定如下：
bull; 我们通过查找44篇文章继续我们的搜索过程，分别在数学、计算机科学和决策科学类别，在其标题、摘要或关键字中具有农业和编程上进行筛选
bull;在下一阶段，我们检查了所有以前检索过的论文的参考文献列表以及引用它们的文章。
最后，本文回顾了111种出版物的集合（包括3本农业书籍和2本OR书籍）。虽然许多额外的研究工作值得考虑，但我们认为所选择的文献列表提供了关于农业供应链中不确定性考虑的信息和相关技术，使用了属于运营研究领域的模型和方法。 图1描绘了分布期刊发表论文。 请注意五种期刊（欧洲“运筹学期刊”，“国际生产经济学期刊”，“农业计算机与电子学”，“国际生产研究期刊”和“运筹学会期刊”）约占审查出版物总数的50％。
事实上，本文的目的是：（1）对如何处理农业供应链管理中的不确定性进行全面的技术阐述，（2）从建模和使用的方法论的角度对其进行分析 （3）比较相关文献，并为未来的研究提出可能的方向。
本文的其余部分的结构如下。 下一节将当前的评论置于相关文献背景的框架内。 第3节介绍了文献中的主题和方法，这些主题和方法在以下四个部分中进行了深入讨论。第8节讨论了这项工作的结果，并根据已发现的经验方法为未来的重新搜索提供了许多机会。 最后，第9节总结了这篇评论文章。
- 以往文献的见解
为了从本研究中获得相关支持，并将其置于现有科学研究的背景下，本节总结了与农业供应链管理相关的一些相关的前期研究。
在消费最终产品之前，农业供应链包括几个操作，主要是：生产，储存，加工和分配（参见图2）。 其有效的协调需要从战略到业务层面的活动管理。因此，农业部门中最受关注和讨论的主题之一就是针对规划问题就不足为奇了。 Ahumada和Villalobos（2009）对不同农产品供应链商品的生产和分销规划模型进行了评估。作者提出并讨论了基于最相关特征的分类，例如所使用的优化方法（线性和随机规划），所涉及的农产品商品类型以及目标研究目标。Hayashi（2000）已经提出了另一项关于多标准分析的重要调查，再次提到面向农业的规划模型。在过去几十年中，农业供应链通过影响其每个合作伙伴而发生了巨大变化（参见图2）。 一些评论专门用于讨论农场一级的研究贡献。 在这方面，基于文献综述和作者的经验，Woodward，Romera，Beskow和Lovatt（2008）讨论了用于支持农业系统创新的基于模拟的方法。Glen（1987）以前适用于农作物和畜牧业，提供了一项针对农业规划中涉及的问题的运营研究调查，特别是在农场一级。通过四个主题讨论了作物生产部门：种植政策，采伐作业，作物生产的资本投资，害虫和疾病控制。分别对畜牧业生产一下方面进行了审查：饮食配方，口粮配方，集约化畜牧生产的饲养政策，牧场畜牧生产，牲畜饲养/更换，废物处理和畜牧生产单位的规划。
Lucas和Chhajed（2004）综述了基于运筹学的技术在除了位置决策和土地利用规划之外的应用，Witlox（2005）还概述基于计算机不同类型的系统，并试图评估每个系统对城市规划者的有用性。应用于所谓的特殊作物行业（水果，蔬菜，葡萄和葡萄酒，观赏植物苗圃和花卉栽培，坚果，浆果和干果），张和威廉（2011年）给出了另一个关于决策支持或模型的有趣评论。
在全球化，不断增长的人口，不断变化的营销技巧，消费趋势，气候变暖和现代技术的压力下，不仅经济方面受到严格审查，而且社会和环境也受到影响。 所有三个方面，经济，社会和生态都包含在框架内，可持续农业，目前是国际政策领域的一个主题。鉴于其范围和重要性，农业供应链管理作为最杰出的研究领域之一代表了决策过程中的可持续性视角，同时涉及经济盈利能力，环境健康，社会和经济公平。Beske，Land和Seuring（2014）所述的这一主题相关，在过去十年中，研究和实际应用都在大幅增长。 为了描述可持续供应链管理实践如何允许公司监督其供应链并通过实施动态能力获得竞争优势，Beske等人（2014）进行了一项关注食品行业的文献综述。此外，定量运营 Akkerman，Farahani和Grunow（2010）指出了食品分配管理的管理方法。早些时候，Schweigman，Bakker和Snijders（1990）讨论了分析发展中国家农民粮食安全问题的运营研究。
从一般观点来看，希金斯等人（2010）提供了运营研究应用的关键库存，并强调了他们解决农业价值链固有复杂性的能力，特别是在弹性和可持续性是关键系统目标的情况下。此外，值得一提的是Thornley（2007）编写的书，其中包含对农业学家可用的数学模型的回顾，旨在解决处理作物和动物的决策经理所面临的现实问题，包括生长速率和光合作用对作物产量的影响。
根据之前描述的研究背景，已经提出了许多不同的OR研究工具，用于从种植者到消费者的不同决策层面的农业供应链管理，包括主要业务：（1）位置和生产;（2）储存和加工;（3）分配。Hovelaque，Duvaleix-Treacute;guer和Cordier（2009）研究突出显示管理农业供应链的决策因素非常复杂，受到众多限制。这些后来者必须在其下游市场中高效且具有竞争力，以便重新获得主要利润（个体种植者），或者向其合作伙伴（合作社）提供最原始的原材料价格。农业供应链的宝贵协调预示着下游和上游流动条件下的生产计划，其中很大一部分是随机的（参见图3）。另一方面，零售商强加的合同通常涉及许多要求（例如 特定数量的交付或某种质量规格），有时农民很难满足。差异化生产（由于市场政策或加工技术而具有特定特征的增值生产）向基本生产（具有标准特征的低附加生产）的退化具有有害的经济后果。 因此，供应和采购系统都受到各种不确定性的影响，忽视这些不确定性可能会造成实质性的偏见。
尽管文献中存在与农业供应链管理相关的各种评论，但农业供应链的随机性方面仅在1993年后被提出（Yinsheng＆Dejun，1993）。在这方面，我们通过把重点放在运营研究用于处理不确定性的问题上，努力填补这种不足并为农业供应链文献做出贡献。
- 主题和方法
首先，让我们对所讨论的主要农业领域进行识别和分类。 农业是欧洲主要经济部门之一。它包括：（1）农业本身;（2）供应业，特别是为农业生产提供投入的化学工业;（3）食品加工和贸易;（4）零售作为与消费者的最终联系，是食品价值链的终极客户。实际上，食品领域，它最关注处理不确定性；请注意，饲料不是食物，因为它不被认为对人类消费是安全的。人们越来越关注生物质作物作为替代农业活动，但对商业盈利能力的巨大不确定性可能导致行业扩张放缓，此外，还为工业农业用材料（例如纤维纸）处理了若干不确定性来源。
对固有农业环境的考虑预先假定处理各种不确定性。 基本上，可以区分三种不同的格式来表达不确定的数据：
bull;基于确定性：不确定性由参数与定义，在这些参数域中它们可以变化，即通过间隔（也称为灰色数字）或清晰集合。
bull;概率：通过概率分布（即已知的概率测量）描述不确定性，描述特定事件发生的可能性。
bull;可能性：不确定性由模糊元素/集合（即模糊度量）表示，描述特定事件是否合理或可信的可能性或成员等级。
虽然适合于利用不完全的数据知识来操纵，但已经实现了各种操作研究技术以辅助来自农业部门的决策问题，即：随机编程和基于模拟的编程。在以下四个部分中，通过不同的处理农业供应链不确定性的方法，即随机规划（第4节），稳健优化（第5节），基于模拟的方法，讨论了大量的应用研究。 （第6节），以及联合和其他方法（第7节）
- 随机规划
随机规划正变得越来越流行，用于在已知概率信息的不确定性下建模决策。可以制定等效线性规划对应的随机规划范例是：（I）机会约束编程（或概率）问题（CCP）; （二）随机规划问题：无追索权（SP）或追索权（一种两阶段规划，TSP）注意，在随机参数独立分布的假设下，已知两阶段随机规划问题是NP难的，但是可以合理的精度求解。 同时，一般来说，多阶段随机程序是难以处理的。
最常见的方法似乎是无追索权的随机规划，包括优化预期约束下的预期目标函数。 例如，在Flaten and Lien（2007），Tan和脟枚mden（2012）以及Burer，Jones和Lowe（2008）随机参数被其预期值取代; 基于平均值，GolenkoGinzburg等人（1996）概率目标由确定性同系物1取代; 在Lodree Jr.和Uzochukwu（2008）中，预期利润目标函数得到优化。同样，进行不同的编程变化以更好地解决研究问题。 如Heikkinen和Pietola（2009）所述，通过将完美信息的经典期望值（决策理论中的信息价值的标准度量）修改为动态设置，可以研究投资农场决策问题的动态不确定成本。 Janovaacute;（2012）提出了一种基于均值方差理论的SP优化模型，用于作物规划优化问题。
一些应用使得两阶段随机规划成为不确定性下农业决策的强大优化工具（Ahumada，Villalobos，＆Mason，2012; Borodina等，2012; Cholette，2009; Costa，dos Santos，Alem，＆Santos） ，2014; Darby-Dowman，Barker，Audsley，＆Parsons，2000; Dono＆Mazzapicchio，2010; Flaten＆Lien，2007; Huh＆Lall，2013; Maatman，Schweigman，Ruijs，＆Van Der Vlerk，2002; Wiedenmann＆Geldermann，2015）。 在此框架中，在揭示不确定性之前采取第一阶段或此处和之后的决策，而在实现不确定参数之后采取第二阶段或等待观察的决策。
当没有明确的追索权可以考虑或定性，需要不确定性表达式，使用机会约束编程。 这种方法允许用户通过选择置信度（可靠性）水平来交换保守性与绩效。在联合（或综合）机会约束规划（JCCP）的框架中，所有软约束同时满足给定的置信水平（Borodin，Bourtembourg ，Hnaien，＆Labadie，2014;Pentilde;aHaro，Pulido-Velazquez，＆Llopis-Albert，2011; Kampas＆Wh
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