Чернов В.П. Математические модели и методы в экономике и менеджменте

Подождите немного. Документ загружается.

121

Аналогичным образом формируются доходы по периодам времени.

Обозначим доходы, полученные в периоде времени t от реализации

проектов, посредством c

. Эта величина определяется условием:

M t

t m,t k 1 mkt

m 1 k 1

c x d

 

 

 

 

Модели

Мы построим и исследуем несколько вариантов моделей формиро-

вания портфеля проектов, от сравнительно простых к более сложным.

Первоначальные варианты отличаются относительно небольшим

объемом исходной информации и простотой структуры модели. Расчет

по таким моделям начинается с предварительного ввода какого-то ва-

рианта расстановки проектов во времени. Моделирование нацелено на

дальнейшую оптимизацию такого варианта. Полученный результат

может быть изменен и опять предложен модели в качестве нового ис-

ходного варианта. Такой процесс последовательного изменения и

уточнения может продолжаться до получения приемлемого портфеля

проектов. Итоговый вариант решения получается в результате последо-

вательного уточнения, в результате диалога пользователя с компьютер-

ной реализацией модели.

Дальнейшие, усложняющиеся варианты моделей предполагают бо-

лее значительный объем исходной информации и более автоматизиро-

ванную процедуру поиска оптимального портфеля проектов. Разумеет-

ся, и здесь возможен диалог пользователя с компьютерной реализацией

модели, но при этом программа работает с большим объемом инфор-

мации и берет на себя значительно больший объем работы.

Модель с целевым доходом (Модель 1)

Данная модель нацелена на то, чтобы пользователь мог сам расста-

вить проекты по периодам времени, в соответствии со своими пред-

ставлениями об уместных сроках начала их исполнения. Заранее опре-

деленный совокупный объем затрат может быть распределен по перио-

дам времени в соответствии с потребностями.

Компьютерная реализация модели автоматически выбирает из всей

предъявленной совокупности проектов оптимальный портфель. Такой

портфель проектов вписывается в заранее определенный совокупный

122

объем затрат и обеспечивает в этих рамках максимальный суммарный

эффект.

Предположения Модели 1

1. Финансовые затраты по реализации проектов и доходы от их

реализации не зависят от времени, то есть не меняются при переносе

проектов на другие периоды времени. Платежи не дисконтируются

(ставка дисконтирования q равна 0). Такие условия естественны для

относительно стабильных ситуаций, при небольшом горизонте плани-

рования T, когда дисконтированием финансовых потоков можно пре-

небречь.

2. Для каждого периода времени t определен допустимый объем

затрат W

на реализацию проектов в данном периоде.

3. Для каждого проекта m известен срок его начала. Таким обра-

зом, среди переменных x

для данного проекта m заранее определен

номер t периода начала реализации проекта.

4. Целью является максимизация суммы доходов от реализации

проектов к концу периода T.

Обозначения переменных и параметров, введенные для моделей

общего вида, можно упростить применительно к Модели 1 в соответст-

вии с ее предпосылками. Введем эти упрощения.

Обозначения переменных. Согласно пункту 3, вместо переменных

можно использовать переменные x

, поскольку для заданного про-

екта m номер начального периода t определен.

Обозначения затрат. Поскольку начальный период реализации

проекта определен, то известно начало отсчета этапов реализации про-

екта, и тем самым известна привязка номеров этапов к номерам перио-

дов времени в перечне от 1 до Т. Затраты по данному проекту в перио-

дах до начала и после окончания его реализации можно заранее поло-

жить равными 0.

Обозначениям u

mkt

, определяющим затраты в периоде t по реали-

зации k-го этапа проекта m, можно придать более простой вид. Номер

проекта m и номер периода времени t однозначно определяют номер

этапа проекта k. Индекс k в этих условиях является избыточным. Дос-

таточно использовать индексы m и t, опустив номер этапа k. Вместо

mkt

будем использовать обозначение v

. Величина v

– это затраты по

реализации того этапа проекта m, который приходится на период вре-

мени t. Связь между обозначениями можно выразить следующей фор-

мулой:

= u

m,k,t-k+1

123

Обозначения доходов. В условиях 1 и 4 общий доход, подлежащий

максимизации, можно представить как простую сумму доходов от реа-

лизации проектов, вошедших в итоговый портфель. Поэтому во вве-

денных обозначениях доходов d

mkt

можно в Модели 1 опустить индек-

сы k и t и использовать более простое обозначение d

Модель 1 в этих обозначениях является задачей линейного про-

граммирования с булевыми переменными x

, и системой ограничений

в соответствии с допустимыми объемами затрат в каждом периоде

времени.

m m

m 1

m1 m 1

m 1

m2 m 2

m 1

mT m T

m 1

d x max

v x W

......................

v x W

x {0;1}, m 1 M.























  







Модель предписывает из всей рассматриваемой совокупности вы-

брать такой портфель проектов, который удовлетворяет ограничениям

по затратам в каждом периоде времени и при этом дает максимальный

совокупный размер дохода.

Рассмотрим сначала вариант модели, когда горизонт планирования

ограничен одним периодом, то есть когда Т = 1. В такой ситуации во

всех обозначениях можно опустить указание на номер периода времени

t. Модель примет более простой вид:

m m

m 1

m m

m 1

d x max

v x W

x {0;1}, m 1 M.















  





124

Отметим, что даже такой простейший вариант модели уже позво-

ляет обнаружить любопытные эффекты и отвергнуть часто используе-

мые ложные предпосылки решений.

Напрашивающимся и обычно используемым способом построения

портфеля в таких рамках является следующий. Определим сначала

рентабельность каждого проекта, вычислив отношение дохода к затра-

там. Для m-го проекта величина рентабельности p

определится фор-

мулой:

= d

/ v

Затем упорядочим проекты от наиболее рентабельных к наименее

рентабельным. Далее будем включать в портфель проекты последова-

тельно, один за другим, начиная от наиболее рентабельных к менее

рентабельным. При этом будем суммировать затраты по включенным в

портфель проектам. Формирование портфеля закончим тогда, когда

включение очередного проекта выводит за рамки допустимого объема

затрат W. Описанное правило формирования портфеля назовем «пра-

вилом выбора по рентабельности».

Такое простое и, на первый взгляд, естественное правило может

дать неверный результат. Приведем соответствующий пример.

Пусть имеется 10 проектов, то есть M = 10. Исходные характери-

стики проектов по затратам и результатам, а также расчетная величина

рентабельности приведены в таблице 2.1.

Наибольшую рентабельность имеет 6-й проект, за ним следует 5-й

и так далее, вплоть до 1-го.

Предположим, что общая сумма затрат W определена величиной

1900. Тогда по правилу выбора по рентабельности в портфель следует

включать последовательно проекты с номерами 6, 5, 7, 10, 4.

Таблица 2.1

Номер

проекта

m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Затраты

50 600 650 190 240 350 560 1160 580 135

Доход

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

Рентаб.

0,100

0,333

0,323

0,421

0,542

0,600

0,536

0,302

0,379

0,444

125

Суммарные затраты будут при этом равны 1475. Дополнительная

попытка включения 9-го проекта сделает сумму затрат равной 2055, то

есть выведет ее за пределы ограничения в 1900.

Таким образом, портфель проектов, сформированный по правилу

рентабельности, содержит пять наиболее рентабельных проектов.

Суммарный эффект при этом равен 780.

Этот эффект не максимален, то есть сформированный по правилу

рентабельности портфель не оптимален. Действительно, исключим из

портфеля 4-й проект и включим вместо него менее рентабельный 9-й.

Суммарные затраты по новому варианту портфеля равны 1865, то есть

по-прежнему вписываются в ограничения. Суммарный эффект равен

920, он превосходит эффект 780 предыдущего варианта.

Мы видим, что на первый взгляд естественные правила, типа пра-

вила рентабельности, не пригодны уже в простейшей модели. Тем бо-

лее они не пригодны в более сложных случаях. Причина здесь кроется,

естественно, в дискретности переменных модели. Проекты в портфель

целиком включаются или целиком не включаются.

Для построения оптимального портфеля следует использовать спе-

циальные методы оптимизации. Для простейшей модели естественно

воспользоваться методами решения задач линейного программирова-

ния с булевыми переменными. Соответствующие алгоритмы, основан-

ные на соединении симплекс-метода с методом ветвей и границ, реали-

зованы в виде встроенной процедуры «Поиск решения» в табличном

процессоре Excel. Продемонстрируем решение приведенного выше

примера.

В таблице 2.2 дано представление исходных данных для решения

задачи в Excel.

Ячейки второй строки «Портфель» соответствуют переменным x

Первоначально они пусты. В остальных заполненных ячейках столбцов

B – K содержатся исходные данные по номеру проекта, а также по за-

тратам и доходам от его реализации. В ячейке M3 допустимая сумма

затрат W по реализации портфеля проектов. Это числовые данные.

126

Таблица 2.2

A B C D E F G H I J K L M

Номер

проекта m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Портфель

Требуе-

мая

сумма

Допу-

стимая

сумма

Затраты v

50 600 650 190 240 350 560 1160 580 135 0 1900

Доход d

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

В ячейке L3 введена формула: =СУММПРОИЗВ(B$2:K$2; B3:K3),

выражающая на языке Excel левую часть ограничения по затратам. В

ячейке L4 введена формула: =СУММПРОИЗВ(B$2:K$2; B4:K4), выра-

жающая на языке Excel целевую функцию задачи. Знаки $ закрепляют

ссылки и позволяют вводить формулы путем копирования. Кроме того,

они полезны при дальнейших модификациях модели.

При обращении к процедуре «Поиск решения» следует в качестве

целевой ячейки указать $L$4 и потребовать ее максимизировать. В по-

лях ограничений ввести неравенство $L$3 <= $M$3 и указать, что пе-

ременные булевы (на языке Excel – двоичные).

После нажатия кнопки «Выполнить» получим решение задачи. Ре-

зультат решения представлен в таблице 2.3.

Мы еще раз видим, что «правило выбора по рентабельности» не

действует. Полученное оптимальное решение совпадает с тем, которое

было предложено нами выше.

Таблица 2.3

A B C D E F G H I J K L M

Номер

проекта m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Портфель 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1

Требуе-

мая

сумма

Допу-

стимая

сумма

Затраты v

50 600 650 190 240 350 560 1160 580 135 1865 1900

Доход d

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

920

Несложные модификации построенной компьютерной модели по-

зволяют получать новые, существенно отличающиеся варианты. Так,

она легко модифицируется для варианта, когда реализация проекта

127

требует нескольких периодов времени и допустимые объемы затрат W

заданы для каждого периода отдельно. Для этого в ней следует доба-

вить T – 1 новую строку с числовыми данными по затратам в отдель-

ных периодах и протянуть по столбцу L ячейку с уже существующей

формулой затрат. В полях ограничений процедуры «Поиск решения»

ввести единое неравенство между диапазонами ячеек с требуемой и

допустимой суммой затрат. Целевая ячейка остается прежней. Модель

готова к работе.

В виде иллюстрации продолжим наш пример. Предположим те-

перь, что горизонт планирования T охватывает пять периодов. По каж-

дому периоду задана своя величина допустимых затрат. Для сопоста-

вимости новых результатов с предыдущими предположим, что объемы

затрат по проектам и допустимые объемы затрат остались в сумме

прежними, но распределились теперь по пяти периодам.

Модель в Excel строится из предыдущей введением четырех новых

строк, заполнением новыми числовыми данными и протягиванием

формульных ячеек столбца L на четыре новые ячейки.

В таблице 2.4 приведен пример такой модели.

Применение процедуры «Поиск решения» дает портфель проектов,

приведенный в таблице 2.5.

Как мы видим, портфель существенно изменился. Он состоит те-

перь из пяти проектов с номерами 2, 4, 5, 9, 10.

По сравнению с предыдущим вариантом из портфеля вышли про-

екты 6 и 7, а вместо них вошли проекты 2, 4. Общий доход от реализа-

ции проектов уменьшился на 230 единиц.

128

Таблица 2.4

A B C D E F G H I J K L M

Номер

проекта m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Портфель

Требуе-

мая

сумма

Допу-

стимая

сумма

Затраты 1-го

периода v

0 0 0 0 240 0 0 0 0 0 0 300

Затраты 2-го

периода v

0 300 0 100 0 100 0 500 200 0 0 600

Затраты 3-го

периода v

0 300 550 40 0 150 300 300 230 0 0 600

Затраты 4-го

периода v

30 0 100 50 0 100 130 360 150 0 0 250

Затраты 5-го

периода v

20 0 0 0 0 0 130 0 0 135 0 150

Доход d

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

Таблица 2.5

A B C D E F G H I J K L M

Номер

проекта m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Портфель 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1

Требуе-

мая

сумма

Допу-

стимая

сумма

Затраты 1-го

периода v

0 0 0 0 240 0 0 0 0 0 240 300

Затраты 2-го

периода v

0 300 0 100 0 100 0 500 200 0 600 600

Затраты 3-го

периода v

0 300 550 40 0 150 300 300 230 0 570 600

Затраты 4-го

периода v

30 0 100 50 0 100 130 360 150 0 200 250

Затраты 5-го

периода v

20 0 0 0 0 0 130 0 0 135 135 150

Доход d

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

690

Можно попытаться улучшить портфель, переставляя проекты на

другие периоды времени или перераспределяя объемы допустимых за-

трат.

Рассмотрим сначала возможности перестановки проектов.

Переставим выполнение проекта номер 10 с 5-го периода на 3-й и

проведем процедуру оптимизации. В результате портфель изменится, в

129

него теперь войдут 5, 6, 7 и 10 проекты, при этом общий суммарный

доход портфеля повысится на 10 единиц (таблица 2.6).

Таблица 2.6

A B C D E F G H I J K L M

Номер

проекта m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Портфель 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1

Требуе-

мая

сумма

Допу-

стимая

сумма

Затраты 1-го

периода v

0 0 0 0 240 0 0 0 0 0 240 300

Затраты 2-го

периода v

0 300 0 100 0 100 0 500 200 0 100 600

Затраты 3-го

периода v

0 300 550 40 0 150 300 300 230 135 585 600

Затраты 4-го

периода v

30 0 100 50 0 100 130 360 150 0 230 250

Затраты 5-го

периода v

20 0 0 0 0 0 130 0 0 0 130 150

Доход d

5 200 210 80 130 210 300 350 220 60

700

Можно и далее изменять расстановку проектов по периодам в по-

пытках увеличить суммарный доход от портфеля. Такая смешанная че-

ловеко-машинная процедура позволяет постепенно, шаг за шагом, ме-

тодом проб и ошибок, сформировать приемлемый или даже оптималь-

ный портфель проектов. Достоинство такой процедуры в том, что в ней

наиболее трудоемкую часть, связанную с выбором оптимального порт-

феля при данной расстановке проектов, берет на себя компьютерная

программа. Человек анализирует полученный результат, при желании

меняет расстановку и предоставляет дальнейшую оптимизацию про-

грамме.

Вмешательство человека позволяет перевести часть общей много-

шаговой процедуры формирования оптимального портфеля на уровень

человеческого анализа, на уровень «здравого смысла», оперативно вно-

сить коррективы и, самое главное, коренным образом сократить мас-

штабную подготовку исходной информации, необходимую при полно-

стью автоматизированной процедуре формирования портфеля.

Модель с логическими связями (Модель 2)

Дополним Модель 1 логическими условиями и ограничениями.

Проекты, отбираемые для включения в портфель, могут быть связаны

130

разнообразными логическими связями. Напомним основные виды та-

ких связей.

1. Некоторые проекты могут быть соединены конъюнктивно, сою-

зом «и», то есть в портфель должны быть обязательно включены все

проекты заранее заданной группы. В частности, это может относиться

и к отдельным проектам, в обязательном порядке включаемым в порт-

фель.

2. Некоторые проекты могут быть соединены дизъюнктивно, сою-

зом «или», то есть в портфель должен быть включен по крайней мере

один проект из заранее заданной группы.

3. Некоторые группы проектов могут быть подчинены отрицанию

«не», то есть заранее исключены из будущего портфеля. Такие проекты

можно сразу устранить из модели.

4. Некоторые проекты могут быть подчинены импликации, то

есть могут быть реализованы лишь при определенных условиях. Ти-

пичным из таких условий является предварительное выполнение неко-

торых других проектов.

Предположения Модели 2

1. Финансовые затраты по реализации проектов и доходы от их

реализации не зависят от времени, то есть не меняются при переносе

проектов на другие периоды времени. Платежи не дисконтируются

(ставка дисконтирования q равна 0).

2. Для каждого периода времени t определен допустимый объем

затрат Wt на реализацию проектов в данном периоде.

3. Для проектов заранее не известен возможный срок начала.

4. Учитываются логические связи указанных выше типов между

проектами, из которых формируется итоговый портфель.

5. Целью формирования портфеля является максимизация суммы

дохода от реализации проектов к концу периода T.

Обозначения затрат. В данной модели потребуется наиболее общее

формальное описание затрат в виде величины u

mkt

, обозначающей ве-

личину затрат по реализации k-го этапа проекта m, приходящихся на

период времени t. Суммарная величина затрат w

, приходящаяся на пе-

риод времени t, определяется формулой:

t m,t k 1 mkt

k 1

w x u

 



 

