農業(yè)系統(tǒng)工程System2.ppt

第2章資源分配 本章的基本內容 2 1資源分配的系統(tǒng)分析 2 2資源的靜態(tài)線性分配 2 3分配模型 2 1資源分配系統(tǒng)分析 本節(jié)主要講述下列3段內容 2 1 1基本概念 2 1 2資源分配過程 2 1 3分配過程的基本特征 2 1 1基本概念 主要涉及3個基本概念 1 資源 2 活動 3 效益 1 資源a 定義 消耗和占用 b 經濟特征 b 1 可得性 b 2 稀缺性 c 期間性 單期間的 多期間的 2 活動a 定義 消耗和占用資源的載體 在農業(yè)生產中 就是各個農事行為對象 b 特征 b 1 現實性 b 2 規(guī)模 水平 b 3 分類 互競的 互補的 互競態(tài)為一般 3 效益a 定義 經營者追求的目標或遵循的約束 b 區(qū)分 單獨的 總體的 2 1 2資源分配過程 運用 2 1 1中的基本概念 可以得出資源分配過程的主要概念有3個 1 分配目標與方案 2 靜態(tài)分配與動態(tài)分配 3 一般模型 1 分配目標與方案a 目標 追求效益最大或成本最小 b 方案 可行的 最優(yōu)的 2 靜態(tài)分配與動態(tài)分配a 靜態(tài)分配資源的單期間性考慮 一次性分配 b 動態(tài)分配資源的多期間性考慮 永續(xù)利用 綜合最優(yōu)性分配 多期間最優(yōu)分配 實際上是空間與時間綜合考慮的最優(yōu)配置問題 在農業(yè)經濟中 具有一般意義 因此 理想地講 在技術允許的情況下 動態(tài)最優(yōu)分配應該是農業(yè)經濟考慮的主要方向 然而 限于技術情況 目前 我們還很難做到這一點 3 一般模型3 1 對于多期間可利用的資源 其分配過程是動態(tài)的 因而有關描述模型是動態(tài)的 為簡單起見 我們可以把多期間分配問題的 概念性地直接描述如下 也就是得出一個動態(tài)模型 Maxs t 式中 總分配目標 第i期間的最優(yōu)分配目標 第j種活動 第i期間的技術函數集 第k期間的要求 第i期間的資源可得量 向量 Maxs t 再從整體上看看這個模型的經濟意義 它的總目標是各個期間最優(yōu)分配的和 各個期間的最優(yōu)目標必須滿足本期間給定的資源條件和技術條件 這些條件都與以后各個期間的要求有關 3 2 如果不考慮以后各個期間的要求 而只考慮一個期間的資源分配問題 那么 就是單期間的分配問題 對于單期間分配 從模型描述來講 就是從多期間模型中去掉以后各個期間的要求 而最優(yōu)總目標 也相應地變成只求一個期間的單獨最優(yōu) 由此得出單期間的模型為 Maxs t 式中 分配目標 目標函數 第j種活動 技術函數集 資源可得量 向量 這便是靜態(tài)的資源分配模型 無論是對于動態(tài)模型來說 還是對于靜態(tài)的模型來說 如果目標函數和技術函數都是線性的 那么這個模型就是線性的 否則 便是非線性的 由此 人們可以看出 根據期間考慮和模型內方程的性質 可以把資源分配問題劃分為以下類別 如下圖所示 資源分配 動態(tài) 靜態(tài) 非線性 線性 非線性 線性 2 1 3分配過程的基本特征 資源分配過程的基本特征 可以歸納為以下4點 即 1 有明確的經濟目標 2 存在多種可選擇方案 3 資源有限 4 活動 資源與總效益相關聯 1 有明確的經濟目標 在市場經濟條件下 資源分配一般總是朝向利潤 收益 總產值最大 或是成本最小的 一 般地講 只通過粗略的調查就可以確定模型的目標 目標明確形式比較簡單 2 存在多種可選擇方案 即在滿足資源條件的情況下 活動組合可以有多種方式 它們構成最優(yōu)化的基礎 最優(yōu)化的結果 實際上是這些可行組合的最佳協調 3 資源有限 所考慮的資源都是稀缺性的 可得性受限制 供給量有限 對互競性活動的水平有制約作用 4 活動 資源與總效益相關聯 各項活動的水平 與資源和總效益存在直接關聯 要求這種關聯能夠數量化 并且可以用代數形式表示出來 2 2資源的靜態(tài)線性分配 本節(jié)主要涉及2段 2 2 1內容與過程 2 2 2分配的基本假設條件 2 2 1內容與過程 通過一個例子來說明 例2 1某一個蔬菜生產實驗單位 擬試驗生產新品種的西紅柿和刀豆 試生產任務交給一個生產作業(yè)組來執(zhí)行 執(zhí)行的條件是 撥給土地15畝 既可以種植西紅柿也可以種植刀豆 勞動力250小時 固定作業(yè)費用1000元 另外 受機械作業(yè)的限制 種植的刀豆不得超過10畝 實驗過程的收入和費用自負盈虧 該小組根據試算 得出的技術數據有 種植一畝西紅柿需用勞動力25小時 種植一畝刀豆用5小時 不包括領取的實驗費用在內 種一畝西紅柿可得凈收入400元 種一畝刀豆可得凈收入300元 試想 對土地 勞動力和機械作業(yè)進行怎樣的分配 可以使這個小組的凈收入最大 設兩項活動的水平分別為 x1 西紅柿 x2 刀豆 兩項活動共占用的土地 兩項活動共使用的勞動力 機械作業(yè) 兩項活動共獲凈收入 將上述分析結果綜合起來 得出經營者的行為模型為 Maxs t 模型的結果為 最大凈收入為 模型結果表明 如果這個單位選擇種植西紅柿8 75畝 種植刀豆6 25畝 那么將是資源的最優(yōu)分配 最大的凈收入達6375元 2 2 2分配的基本假設條件 在農業(yè)資源分配研究中 靜態(tài)的資源分配模型所必須遵從的假設條件 總結為如下7條 1 目標函數服從線性條件 2 活動水平與其所耗費的資源量成固定比例 3 活動數目與資源約束條件的數目是有限的 4 活動水平對所耗費的資源數量可除 5 各項活動所耗費的資源可加 6 活動非負 7 期望值單一 2 3分配模型 這一節(jié)主要涉及以下3段內容 2 3 1模型的形式 2 3 2模型設計技術 2 3 3應用發(fā)展趨勢 2 3 1模型的形式 常用的靜態(tài)線性的資源分配模型 主要形式有3種 1 一般形式 主要用于課堂教學 2 標準形式 主要用于結構分析和闡述 3 矩陣表列形式 主要用于既定的程序 1 一般形式最常見的如下 Maxs t 1 2 3 4 式中 活動水平 資源擁有量 活動單位資源耗費系數 也稱技術系數 活動的利益系數 簡稱價格系數 目標函數 2 標準形式是通過一般形式變化得出的 基本變化就是把約束條件中的非 一律變化為 例如 初始模型中有 通過加上一個 的松弛變量 變?yōu)?對于 的約束條件 則加入 的松弛變量 把它變?yōu)?例如 初始模型中有 通過加入一個 的松弛變量 變?yōu)?這樣 把所有的約束條件都變化為 之后 初始模型變化為 Maxs t 并由此可以得出一個一般的表示 Maxs t 這里 目標 利益系數向量 活動向量 技術系數矩陣 資源擁有量向量 3 矩陣表列形式實際上是一般形式的直接書寫 它是根據計算需要發(fā)展起來的 這種表列 顯然有FORTRAN語言和當年卡片輸入技術的影子 但是 值得注意的是 這種表列似乎如今已經與EXCEL和GAMS等計算技術聯系起來 成為一種很便利的計算技術的輸入形式 其基本結構如下表 表中 行的類型 是指所在行的性質 區(qū)分為 目標函數 N 與 約束條件 R0i i 1 2 m 其中 約束條件的類型分為3種 L 表示 E 表示 G 表示 在列中 B 表示約束條件右端項 其元素為 bi i 1 2 m P0j j 1 2 n 表示所在列為利益系數或技術系數 利益系數的元素為 ci i 1 2 n 技術系數的元素為 aij i 1 2 m j 1 2 n 具體表述這個模型時 實際上就是在給定的計算機電子表格中填寫有關數據 在目前先進的GAMS程序中 這種填寫更接近于我們所熟悉的這種模型的一般書寫形式 好記好懂 使用起來很方便 2 3 2模型設計技術 因為模型中含有2個大部分 4個組成成分 因而模型的設計技術 實際上是有關這些部分和成分的工作規(guī)范 基本原則或經驗 Maxs t 由模型的標準形式可以看出 這個模型由2大部分 一個是目標函數 另一個是約束條件 4個組成成分 C X A B 組成 顯然 所謂模型設計 實際上是針對這些部分和成分的分析與綜合 下面 把這種設計分2個大的部分來闡述 1 目標 分析優(yōu)化目標的選擇和有關數據的確定 主要涉及利益向量C 2 約束條件 分析約束條件的識別和綜合 主要涉及活動向量X 技術矩陣A和資源向量B 1 目標a 一般原則與注意成為目標函數的 應該是最突出的目標 它的直觀 易于理解和便于決策人掌握 并且容易與已有的輸出模塊耦合 是設計中應該注意的 b 利益系數數據的采集與整理經驗表明 利益系數數據的采集和整理 通常是模型使用者自己很關心的 模型建立者應該盡量吸收使用者的意見 并盡量運用他們提供的原始數據 整理出利益系數向量中的各個分量 2 約束條件a 約束條件與活動之間的數量對應關系為了說明這個問題 需要回憶一下簡單的代數知識 設有3個方程組如下 1 2 3 對它們在非奇異情況下的解 可以分析如下 先看第 1 個方程組 1 a 顯然 這個方程組有解 是無窮解 b 如果這個模型變化為 Maxs t Maxs t 那么 一般情況下 在它的解集中 不為0的解 至多有2個 不可能有3個 再看第 2 各方程組 2 a 這個方程組的解 有2種情況 3種可能 1 無解 方程矛盾 2 有解 而且有2種可能 2 1 唯一解 2 2 無窮解 b 如果在這個方程組的基礎上得出模型 Maxs t Maxs t 那么 一般情況下 在它的解集中 不為0的解 至多有3個 也就是說 有3個是可能的 再看第 3 各方程組 a 這個方程組的解 也有2種情況 3種可能 1 無解 方程冗余 2 有解 而且有2種可能 2 1 唯一解 2 2 無窮解 3 b 如果在這個方程組的基礎上得出模型 Maxs t Maxs t 那么 一般情況下 在它的解集中 不為0的解 至多有3個 也就是說 有3個是可能的 但這個模型有了無解的可能性 根據上述討論 我們可以粗略地得出這樣的結論 在約束條件集合中 方程個數與變量個數之間 實際存在著對應關系 這種對應關系 對于我們要解決實際問題 也就是首先在邏輯上確定實際觀察到的活動 在模型中是否能夠完全存在 是非常重要的 具體地 表現在模型設計方面 這種對應關系主要體現在活動元素數量與資源種類數量的一致性方面 設活動向量X的規(guī)模 即其中的元素個數 為N 資源向量B的規(guī)模 也就是約束條件的個數 為M 上述分析結果表明 在邏輯上保證活動元素完全存在的可能性 必須有 而從模型的簡練性上來看 最好是 因為活動與約束條件存在這樣的關系 導致在模型設計中 應該注意活動與資源 在數目方面 要逐步展開 經驗表明 在資源分配模型的描述過程中 活動的分析往往是比較容易的 而相應的資源種類的確定 卻不很容易 因此 當模型的規(guī)模比較大時 通常需要注意以下2點 1 活動不要一開始就劃分得過細 而是隨著資源條件的逐步確定 再一步一步地劃分至細 2 對資源條件 根據實際情況劃分為基礎資源與派生資源2種或多種 并根據它們與具體活動的關系 推導出資源之 間實際存在的運動聯系 以便滿足活動與約束條件之間的對應關系 對于這2點 通過下列闡述 可能會加深理解 b 活動設置因為模型是靜態(tài)的 只有同一時間的同一類型的農事活動才可以定義為同 一個活動 否則便是不同的活動 因而 在活動設置過程中 應該注意的是 在不同時間發(fā)生的同一個農事活動 會是不同的活動 當然 在同一時間發(fā)生的不同的農事活動 是自然容易被識別為不同活動的 在個別情況下 有些按常規(guī)看起來無疑是同一個的活動 為便于描述或者便于收集有關數據 也需要把它們處理為不同的活動 c 資源分析一般地 某些基礎性資源 是比較容易確定的 而有了基礎資源和派生資源的概念之后 根據活動對應的關系 將派生資源回推到基礎資源 或者有基礎資源出發(fā)沿著有關活動的結果 按照邏輯推導出派生資源的供給方式 也不是很困難的 一般地 把基礎資源轉變?yōu)榕缮Y源的過程 稱為資源轉移 其中所涉及的活動 稱為轉移活動 結果 隨著不斷有新的活動出現 基礎資源不斷向中間資源轉移 系統(tǒng)內部出現一系列平衡關系 這些平衡關系 稱為轉移平衡 在資源分析過程中 能夠有效地注意到這 些轉移關系 確定資源的轉移平衡 對于建立模型來說 通常是重要的 d 技術系數的確定數據 關系到模型具體結構的精確化 當然也關系到模型結果與實際情況的吻合程度 因此 數據的準確程度和精確程度 直接關系到實際決策的準確 程度和精確程度 正因為如此 數據的準備 特別是技術數據的準備 往往構成模型建立工作中最耗費精力和時間的部分 收集和整理數據時 所依據的基本原則之一是數據權威性原則 即 權威數據出自權威機構 具體的 權威性有下列3個層次 即 技術 專業(yè) 職能 依次而降 例如 一項技術參數 由一個地區(qū)的統(tǒng)計部門 農業(yè)部門和科學研究部門得出了3個不同的數據 則依據數據權威性的層次原則 以科學研究部門提供的為準 經驗表明 有關農業(yè)的數據 通常都比較粗略 往往其中存在不少錯誤有 待糾正 甚至有些長時期以來被認為是常識性的 已經被人們多次引用作為參數或者常量的 也存在這樣的錯誤或紕漏 再有 就是農業(yè)上的某些統(tǒng)計數據存在虛假或者夸大 并且可能由于歷史較長 以訛傳訛 造成偏差 而且難以糾正 但它們對科學性較強的模型卻有 相當的危害 不可忽視 虛假和夸大通常隱藏在籠統(tǒng)和很少經過科學計算的地方 根據一般的科學常識 經過并不復雜的計算 有時就可以發(fā)現它們 因此 在有關模型數據的準備過程中 對于技術參數 通常要做相當仔細的核實 以免錯誤或失真 2 3 3應用發(fā)展趨勢 1 總趨勢靜態(tài)線性資源分配模型 是開發(fā)較早 應用較廣泛的經濟手段 大到國家經濟系統(tǒng)的布局 小到舍飼畜牧業(yè)的飼料配方 都可以用這種模型來解決 因此 它的應用范圍越來越大 并隨著有關技術的成熟和普及 在宏觀領域和微觀領域 出現了不同的發(fā)展趨勢 a 在微觀領域 某些應用已經硬件化 固化和傻瓜化 和有關技術捆綁在一起 成了農業(yè)經營中的日常 器件 例如 在舍飼畜牧業(yè)中 某些控制機制的情況 就屬于這種情況 某些飼料加工或者食品加工企業(yè)所運用的最佳營養(yǎng)配合等 也屬于這種情況 b 在宏觀領域 突出的現象是 資源 分配問題正與一些新的應用技術 例如與GIS GPS等結合起來 逐步開發(fā)出更加精細的模型 加強了多方面的應用 例如 德國近期發(fā)展的DIES就屬于這種情況 2 技術依托狀況從技術服務的角度來看 農業(yè)資源分配模型 正日益與信息系統(tǒng)結合起來 為農業(yè)提供越來越多 越來越可靠的服務信息 之所以能夠做到如此 主要依托了2項技術的發(fā)展 a 模型開發(fā)技術 b 統(tǒng)計數據庫技術 這兩項技術是密切聯系在一起的 a 模型開發(fā)技術a 1 GAMS GeneralAlgebraicModelingSystem GAMS 語言的產生 導致模 型的描述更加便捷 這是一種面向經濟學家使用的計算機語言 其語法和所涉及的概念 短語和圖表等 都是從經濟學出發(fā) 或者是盡量接近經濟學常規(guī)的 很便利于經濟學家使用 a 2 模型庫的發(fā)展GAMS系統(tǒng)的初版 就帶有模型庫 ModelLibrary 方法庫 Approach Base 和若干種標準的輸出表格 這些為而后各個獨立子系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎 現在 GAMS系統(tǒng)已經發(fā)展為 3庫 并存的結構 導致應用模型庫的開發(fā)進一步專業(yè)化 而已有的模型范例 可以為建立新的模型提供很大的便利 令許多模型的建立工作 可以通過修改某些范例模型的結構或參數來完成 目前 3庫并存的結構如下圖所示 數據庫 模型庫 方法庫 可選擇的輸出形式 模型設計者的工作 GIS GPS等 b 統(tǒng)計數據庫技術上圖中的 數據庫 主要是指統(tǒng)計數據庫 隨著國際經濟統(tǒng)計的標準化發(fā)展 各個經濟體的國民經濟統(tǒng)計數據庫日益發(fā)展 有力地支持了有關農業(yè)經濟資源分配模型的開發(fā) 現在 農業(yè)資源分配模型的開發(fā) 除了上文一再闡述的模型描述之外 還 包括數據準備模型的開發(fā)和實驗 所謂數據準備模型 是這樣的模型 即它們能夠保證可以從統(tǒng)計數據庫里調出有關基礎數據 并能夠把它們處理成合適的參數 再輸給資源分配模型 其基本功能 見下圖 統(tǒng)計數據庫 數據準備模型 系數矩陣參數矩陣 形參模型 本章作業(yè) 習題二第3題第5題 本章結束 謝謝 附錄1 經營最優(yōu)化與資源分配 設農業(yè)實物生產函數為 式中 產出 生產函數 投入因子 由此得出經營函數為 式中 利潤 農產品價格 投入因子的價格 經營者的行為是追求利潤最大 即 Max這個模型的一階條件是 這個等式 表示的是邊際