復合型碳減排機制下企業低碳技術創新戰略的博弈分析

肖丁丁,田文華

(山東師范大學管理科學與工程學院，山東 濟南 250014)

復合型碳減排機制下企業低碳技術創新戰略的博弈分析

肖丁丁,田文華

(山東師范大學管理科學與工程學院，山東 濟南 250014)

基于低碳技術存量差異，本文構建了兩類企業選擇創新模式的演化博弈模型，在碳稅稅率與碳交易價格不同的情境下，通過數值仿真模擬了企業低碳技術創新模式的動態選擇過程。研究表明：技術能力與存量是企業低碳技術創新戰略選擇的根本約束，技術能力較弱的企業對碳稅稅率、碳交易價格變化相對敏感，技術劣勢迫使其選擇模仿創新，而技術能力較強的企業大多傾向于自主創新，通過碳交易機制獲取創新補償收益；適度稅率可以刺激低技術企業加強研發活動，同時為高技術企業提供創新補償，成為碳稅政策工具發揮價格控制功能的臨界條件；碳交易政策為不同技術水平企業運營提供了市場協調方式，與碳稅政策組合出差異化的補償機制與替代機制。

碳稅；碳交易；低碳技術創新；演化博弈；仿真

Abstract：Based on the stock difference of low carbon technology,the paper constructed an evolutionary game model about choosing innovation strategies for two kinds of enterprises,and simulated the dynamic selection process of the low carbon technology innovation model through numerical simulation in the context of different carbon tax rate and carbon trading prices.The main results show that:technology stock and capacity are the fundamental constraints for enterprise to choose low carbon technology innovation strategy.The weaker companies are sensitive to the carbon tax rate and trading price,which force the companies to adopt imitation innovation for the technological gap.But the stronger ones mostly prefer to in-house innovation,and gain compensation benefit through carbon trading mechanism.The modest tax rates can stimulate weaker enterprise to strengthen the R&D activities,and provide the stronger ones with innovation offset.The carbon trading policy offers a market coordinated way to firms with different technical level,which respectively shows the compensation and alternative mechanism combined with carbon tax policy.

Keywords:Carbon tax;Carbon trading;Low carbon technology innovation;Evolution game;Numerical simulation

1 引言

“創新驅動、綠色發展”是“中國制造2025”規劃的基本方針，也是履行《巴黎協定》締約方責任的必然選擇，碳稅與碳交易政策成為控制溫室氣體排放、激勵低碳技術創新以及優化產業結構的重要政策工具。為兌現碳減排承諾，我國產業升級必須走可持續發展的“低碳之路”，企業作為創新主體，必然要以低碳技術為支撐應對減碳降污、履行社會責任[1]。然而，企業如何將低碳政策帶來的成本挑戰轉化為低碳技術的提升過程，進而提高低碳經濟效益與市場競爭力，實施低碳技術創新戰略在此機遇轉變過程中尤為重要[2]。目前，我國在北京、天津等七省市啟動碳排放權交易試點工作，發改委、財政部等部門也在積極研究碳稅政策，這將成為推動企業實施低碳技術創新戰略的動力和保證。碳稅政策增加了企業的運營成本，而碳交易政策同時帶來了碳配額約束和低碳補償效益，因此，研究碳稅與碳交易雙重約束下的企業低碳技術創新戰略具有深刻的現實意義。

OECD國家的實踐表明，實施碳稅與碳交易結合的復合型低碳政策，對控制溫室氣體排放具有良好的促進作用[3]。英國在2003年頒布了《能源白皮書》，對航空等碳污染密集行業征收碳稅，并相繼建立了碳交易市場以及其他控制和減少溫室氣體排放的措施，這一系列碳減排政策不僅促進了低碳經濟的有序發展，還極大促進了低碳技術創新進程[4]；2006年，美國政府實施了《氣候變化技術項目戰略計劃》，支持各層次研究機構開發與應用低碳技術，后續頒布了碳交易、碳減排的配套政策，刺激了低碳技術的原始創新與商業化[5]。如果實施單一的環境稅政策，那可能僅僅推動低成本的技術創新，而在污染限額許可交易的情況下，便可推動企業節能減排技術的長足發展[6]，因此，英美日等發達國家的碳減排政策與實踐，為發展中國家碳稅與碳交易政策設計，以及企業低碳技術創新策略提供了寶貴經驗。

在國內，包括碳稅與碳交易在內的碳減排政策尚處于試點階段，碳交易與適度碳稅兼容的復合政策，可以確保實現減排目標，同時使較為分散的排放源承擔適當的減排義務，降低機制覆蓋行業的減排壓力。新常態背景下，依靠企業主動選擇低碳策略具有不確定性，政府必須設計合理有效的碳減排政策，提升碳稅與碳交易機制下企業對能源價格的敏感度，督促其實施低碳技術創新戰略，并確定恰當的征收強度與時機，以保證環境經濟效益、產業轉型升級的雙贏局面。在復合型碳減排框架下，政府和企業如何平衡減排與低碳效益的關系問題，成為碳減排理論研究、以及低碳技術創新與擴散的關鍵[7-8]。因此，結合碳稅與碳交易的復合減排政策更加符合中國國情，也更有利于企業基于自身技術能力選擇最優的低碳技術創新戰略。

綜上，學者們側重于論證碳稅與碳交易政策的兼容性，以及碳減排政策對經濟、產業發展的宏觀影響[1-2,6]，但針對中國企業創新資源缺乏、技術水平偏低的現狀，從微觀層面探討碳稅與碳交易雙重機制下企業低碳技術創新戰略的研究相對較少。基于此，本文區分了高低技術能力水平的樣本企業，構建了兩類企業選擇低碳技術創新模式的多群體演化博弈模型，在缺乏客觀數據的前提下，嘗試通過數值仿真模擬不同碳稅強度與碳交易價格下，企業低碳技術創新模式的動態選擇過程。研究結論將為企業創新資源配置、低碳技術戰略選擇提供理論支撐，也為產業結構升級、低碳技術追趕提供參考依據。

2 情境描述與模型構建

2.1 情景描述

從創新驅動機制來看，作為低碳生產的主體，企業選擇低碳創新戰略受到內、外部驅動力的影響。外部驅動力包括碳排放配額、碳稅水平、低碳市場需求、環保力度等，分別從市場協調、政策約束、供需平衡等方面間接影響企業低碳創新行為；內部驅動力包括企業吸收能力、技術存量、交易價格敏感度、企業家精神等，分別通過知識基礎、市場策略、創新導向等要素直接決定企業創新活動，并作為外部驅動力的中介影響企業創新戰略[9]。

(1)碳稅稅率。不同于一般稅收的經濟調節效果，征收碳稅側重于引導企業利用低碳技術、控制溫室氣體排放，以實現減碳降污、保護環境的目標，其實質是通過影響能源價格來控制企業的生產成本，進而影響其低碳技術創新戰略的選擇[10]。征收碳稅將導致能源價格上漲，部分研發基礎好的企業(尤其是高能耗企業)將通過低碳技術創新戰略持續獲利，例如提高能源利用率、降低產品碳含量等，以彌補碳減排政策所引致的成本上升[1]，因此，碳稅稅率的高低影響了企業的生產方式與競爭策略，并最終決定了低碳技術創新戰略的實施路徑。

(2)碳交易價格。由于碳稅政策對能源價格的絕對影響，容易導致能源密集型以及技術力量薄弱企業的強烈反對[10]。相比碳稅政策的政府單方受益，碳交易的靈活性與多變性更容易被企業、產業部分接受[1]。在碳交易市場中，一方面，部分企業通過出售碳配額獲利，以補償實施低碳技術創新戰略的成本增加；另一方面，為高能耗企業的碳減排任務提供了緩沖市場，幫助其依據減排成本合理選擇創新模式。碳交易的價格水平、交易機制會改變企業之間的競爭地位，也將對產業機構升級、綠色經濟發展產生間接影響。

(3)低碳技術存量。低碳技術存量是當期進行低碳技術創新的基礎[8]，與發達國家相比，我國企業的碳減排技術與意識整體落后，大量高能耗、高排放的工藝技術長期存在，同時囿于創新難度大、收益預期不明確等特點，提升了低碳技術的創新成本與推廣難度[11-12]。碳稅與碳交易的復合碳減排政策為打破“鎖定效應”提供了契機，同時也對企業低碳技術存量提出了更高要求，只有知識基礎雄厚、人員結構合理的企業，才能有效執行低碳技術創新戰略。

(4)技術能力。技術能力是企業低碳技術創新模式選擇的決定性因素[13]。企業的初始投入越高、技術積累越多，在執行低碳技術創新時的后續投入越少，即企業低碳技術創新的直接成本是其技術能力的遞減函數。面對同一水平的碳稅與碳交易價格，技術能力較強的企業可能選擇自主創新、集成創新等模式，而技術能力偏弱的企業更傾向于模仿創新，從而實現自身資源投入與減排收益之間的平衡。

2.2 基本假設

(1)依據Cournot和Stackelberg雙寡頭模型中的市場逆需求函數，假定市場上存在兩家生產無差異產品的企業1和企業2，為控制生產過程中的溫室氣體排放量，政府向二者征收碳稅，同時對其開放碳交易市場，兩家企業都有利用低碳技術的生產意愿。假設企業1和企業2的產量分別為q1，q2，總供給量為Q=q1+q2，則其市場逆需求函數為P(Q)=a-Q(a是大于零的常數)。假設企業i產量為qi時的總成本為Ci(qi)=cqi(i=1,2)，即企業不存在固定成本，邊際成本均為c，且a-c>0，Q≤a-c，則企業i的利潤函數為πi=(a-c-Q)qi。

(2)假定企業i生產單位產品的碳排放量為ei，則總碳排放量為:Ei=ei·qi。

(3)為控制溫室氣體排放，政府根據企業生產單位產品的碳排放量征稅，督促企業實施低碳技術創新戰略，假定本行業碳稅稅率為t，那么企業i需繳納的碳稅為：Ti=t·eiqi。

(4)政府規定本行業的單位產品基準碳排放量為e0，單位碳交易配額的價格為m，那么企業i在碳交易市場中購買碳配額所支付的生產成本，或賣出碳配額獲得的創新補償為：Mi=(ei-e0)qi·m。

綜上，企業i在碳稅和碳交易政策下利潤函數為：

(1)

2.3 模型構建

在雙寡頭市場中，企業1和企業2的技術能力、環保意識、社會責任的履行程度存在差異，當企業選擇不同的低碳技術創新模式時，其市場地位也會發生變化。

(1)兩家企業選擇相同的創新模式。假設企業1和企業2均選擇模仿創新，那么二者符合Cournot雙寡頭模型，此時兩家企業的市場份額不會發生變化，則企業i的利潤函數為：

(2)

(3)

將公式(3)帶入利潤函數(2)，則兩家企業均選擇模仿創新時的利潤為：

(4)

(5)

(2)兩家企業選擇不同的創新模式。假設企業1和企業2選擇不同的低碳技術創新模式，首先選擇自主創新的企業會率先攻克前沿的低碳生產技術，從而搶占低碳產品的市場份額，并成為新產品的市場領導者，后進入企業則處于跟隨者地位，按照先后順序進入市場的兩家企業符合Stackelberg雙寡頭競爭模型。

(6)

那么，企業1和企業2的利潤函數為：

(7)

(8)

此時，企業1和企業2的利潤函數為：

(9)

綜上，在雙寡頭壟斷的市場中，當一方進行低碳技術創新的戰略決策時，另一方的市場地位會隨之發生改變，二者的創新收益矩陣如表1所示。

(3)演化博弈模型。在有限理性條件下，把某一行業的所有企業劃分為技術能力較弱(現有低碳技術相對落后，碳排放量較高)的群體1和技術能力較強(現有低碳技術相對先進，碳排放量較低)的群體2。假定群體1企業選擇自主創新的概率為x，那么選擇模仿創新的概率為1-x；群體2企業選擇自主創新的概率為y，那么選擇模仿創新的概率為1-y。依據復制子動態方程的定義和求解方法[3]，可以得到群體1企業的復制子動態方程為：

(10)

令F(x)=0，可解得：

x1=0，x2=1，

同理，群體2企業的復制子動態方程為：

(11)

令F(y)=0，可解得：

x1=0，x2=1,

3 數值仿真

本文采用Matlab進行數值仿真，分析碳稅稅率和碳交易價格發生變化時，技術能力存在差距的兩類企業進行低碳技術創新模式選擇的演化路徑。

3.1碳稅和碳交易價格均較低時企業創新模式選擇

首先，假定碳稅和碳交易價格的水平一致，取值t=m=0.05，0.10，0.15，其他主要變量的初始賦值：a=5，c=1，e1=10，e2=8，e0=9，b=(0.4—0.6)，ri=(0.3-0.7)。基于方程(10)和(11)，當y=0.5時，通過模擬得到圖1，當x=0.5時得到圖2。

圖1 碳稅和碳交易價格較低時對x的影響

圖2 碳稅和碳交易價格較低時對y的影響

由圖1可知，對于技術能力較弱的群體1企業，當碳稅與碳交易價格較低(t=m=0.05，0.10，0.15)時，雖然企業選擇自主創新的初始概率不同，但是其低碳技術戰略最終都向模仿創新模式(x=0)方向演化，并且碳稅與碳交易價格的水平越高，初始選擇自主創新模式的概率越小，低碳技術創新系統向模仿創新演化的速度越快。結果表明，對于技術能力較弱的企業群體，選擇自主創新戰略的成本較高，即使較低水平的碳減排政策也會帶來較高的研發成本；面對不斷上漲的碳稅與碳交易價格，群體1企業會果斷放棄自主創新、轉向模仿創新，而較低的碳交易價格促使部分模仿創新企業購買碳配額，轉嫁污染方式以避免政府處罰。

與此同時，對于技術能力較強的群體2企業，當碳稅與碳交易價格較低時，盡管企業選擇自主創新的初始概率不同，系統最終會向自主創新模式(y=1)方向演化，并且初始選擇自主創新的概率越高，系統演化越快。這說明，企業低碳技術創新戰略的成功概率是其技術能力的遞增函數，對于群體2企業而言，由于自身技術存量較高、能力水平較強，選擇自主創新模式的直接成本較低，更容易在低碳技術競爭中形成馬太效應；較低水平的碳減排政策不利于該類企業參與市場競爭，它們將利用創新優勢提高低碳技術的準入門檻，從而平衡碳交易機制下的創新補償效應[16]。

3.2碳稅和碳交易價格均較高時企業創新模式選擇

當碳稅與碳交易價格較高(t=m=0.80，0.85，0.90)時，兩類企業在低碳技術創新戰略選擇上趨勢相同，但是對碳稅與碳交易水平變化的反應速度存在差異。從圖3來看，群體1企業對碳稅稅率或交易價格的敏感性較高，規制嚴格的碳減排政策大大增加了該類企業的運營成本，促使其快速放棄自主創新戰略，而趨向于以技術購買、集成為主的模仿創新戰略。相比于群體1，群體2企業向(x，y=0)演化的速度逐漸放緩，一定程度的低碳技術存量成為緩沖高碳稅、高交易價格的知識基礎，并可以利用富余的碳配額在碳交易市場和共享專利方面獲得短期利潤，但最終還是放棄自主創新、轉向模仿創新的戰略。因此，碳稅與碳交易價格均較高的市場機制，對企業研發、生產等環節產生了較大壓力，即使可以通過拍賣碳排放許可抵消扭曲性稅收，但最終還是會放棄高風險、長周期的自主創新戰略，這將對企業成長、產業升級產生長期的消極影響[17]。

圖3 碳稅和碳交易價格較高時對x的影響

圖4 碳稅和碳交易價格較高時對y的影響

3.3碳稅較低、碳交易價格較高時企業創新模式選擇

當碳稅較低、碳交易價格較高(t=0.05，0.10，0.15；m=0.80，0.85，0.90)時，群體1企業對碳稅稅率的反應依舊敏感(見圖5)，較高的碳交易價格一方面壓縮了其自主創新的資源投入，加速了創新模式向x=0方向的演化進程，另一方面也阻止了該類企業在碳交易市場上購買碳配額，避免了轉嫁環境污染、逃避社會責任的可能性。與之相反，較低碳稅為群體2企業提供了充足的自主創新資源，而較高碳交易價格也為其帶來了豐富的創新補償利潤，隨著時間的推移，群體2企業最終會選擇自主創新模式，并且碳交易價格越高，系統向y=1方向的演化速度越快(見圖6)。綜上，較低碳稅對兩類企業而言都是機遇，二者都可以選擇適宜性的創新戰略，群體1和2分別選擇模仿創新、自主創新，以滿足短期內的經濟利益；而較高碳交易價格僅對群體2企業有利，促使其堅定走自主創新的“低碳之路”，并從低碳技術創新中持續獲利。

圖5 較低碳稅和較高碳交易價格時對x的影響

圖6 較低碳稅和較高碳交易價格時對y的影響

3.4碳稅較高、碳交易價格較低時企業創新模式選擇

當碳稅較高、碳交易價格較低(t=0.80，0.85，0.90；m=0.05，0.10，0.15)時，群體1企業會逐漸選擇模仿創新戰略，但相較于圖3和圖5來說轉變速度有所減緩(見圖7)，較高碳稅嚴重壓縮了該類企業的自主創新成本，即使可以通過一定數額的碳交易維持市場份額，但是無法彌補碳稅上升的成本負擔，加速了系統向x=0方向的演化進程。相比而言，在預設情境下群體2企業呈現出不同的發展趨勢，在碳稅與碳交易價格差距較小(t=0.80；m=0.15)時，較高碳稅擠壓了創新資源投入，較低碳交易價格使其在碳交易市場中的創新補償下降，從而致使部分企業的創新模式向y=0方向演化；而當碳稅與碳交易價格差距較大(t=0.90；m=0.05)時，由于企業廣泛采用積累的低碳技術進行生產，大幅度減少了碳排放量，為企業節省了大量的碳稅成本，從而超過了中等差距(t=0.85，m=0.10)時在碳交易市場上的收益，系統則轉向y=1的方向演化，即堅持選擇自主創新模式。因此，除了碳稅稅率和碳交易價格水平之外，企業內部也平衡創新成本支出與低碳創新收益之間的關系，從而驅使低碳技術存量較高的企業做出不同戰略選擇。

圖7 較高碳稅和較低碳交易價格時對x的影響

圖8 較高碳稅和較低碳交易價格時對y的影響

3.5 結果討論

(1)企業技術能力與存量是其低碳技術創新戰略選擇的根本約束。從對比效果來看，無論碳減排政策的規制強度高低，群體1最終都會選擇模仿創新，僅在演化速度方面存在差別，而群體2在多數情境下會堅持自主創新，這種戰略差異取決于企業自身的技術能力與存量。創新活動具有較強的不確定性，企業自身技術存量能增加吸收能力、緩沖研發風險，從而提升其應對技術、環境變化的敏感性與適應性[16]。因此，只有具備一定的研發基礎，才能夠在低碳創新戰略決策中占據主動權，即使碳減排政策發生變化，企業仍然有能力適應新標準、新要求，從而實現研發支出與創新補償之間的平衡[18]。

(2)適度稅率成為碳稅政策工具發揮價格控制職能的臨界條件。碳稅水平對技術能力較弱的群體1企業影響較大，隨著碳稅稅率上升，系統向x=0方向的演化速度越快，即企業選擇模仿創新的意愿越迫切。征收碳稅迫使群體1自主創新的成本提升，壓縮了其進行自主創新、集成創新的資源投入，加之低碳技術存量較低的劣勢，該類企業會快速轉向模仿創新。盡管碳交易價格較低時，系統向x=0方向的演化速度有所放緩，但是也放任了部分企業的肆意污染行為，這對經濟發展和社會福利產生了負面影響。同時，較高碳稅也不利于群體2企業的自主創新，部分企業會選擇成本與風險較低的模仿創新。較高碳稅擠出了企業的自主創新投入，并抵消了低碳技術轉移和碳交易獲得的利潤空間，從而迫使其放棄自主創新[19]。因此，對于任何技術水平、低碳技術存量的企業，適度的碳稅稅率是協調低碳技術創新戰略的前提基礎，也是維持其價格調控功能的關鍵條件。

(3)不同水平下碳交易與碳稅組合出差異化的補償機制與替代機制。碳交易機制兼具價格與數量控制的雙重作用，與碳稅政策組合出差異化的協調機制[20]。從圖3～6來看，當碳交易價格較高時，群體1企業會逐漸放棄自主創新戰略，利用低碳稅補償低碳技術交易成本上升，兩種碳減排政策表現為補償機制；而群體2企業在高碳稅時選擇模仿創新，從而平衡“雙高”情境下成本支出與碳交易收益，二者表現為補償機制，但是當碳稅較低時，該類企業將堅持貫徹自主創新戰略，通過低碳技術授權與轉化規避低碳稅的沖擊，從而實現了價格對數量控制的替代效應。對比圖1～2和圖7～8發現，當碳交易價格較低時，群體1企業仍然選擇模仿創新，碳稅較高時系統演化速度越快，即碳稅與碳交易之間表現為補償機制；碳稅對群體2企業的影響存在差異，低碳稅時二者表現為替代機制，系統逐漸向自主創新的方向演化，而高碳稅時則同時存在替代機制與補償機制。總之，碳交易機制為群體1企業提供了緩沖地帶，可以補償征收碳稅帶來的額外成本，而為群體2企業創造了實施低碳技術創新戰略的市場機遇，但是稅率和交易價格均應在適度水平，否則會迫使該類企業放棄可持續的“低碳之路”。

4 結論與啟示

基于低碳技術存量差異，本文構建了兩個企業進行創新模式選擇的演化博弈模型，在碳稅稅率與碳交易價格不同的情境下，通過數值仿真模擬了企業低碳技術創新模式的動態選擇過程。研究表明：①技術能力與存量決定了企業低碳技術創新策略，技術能力較弱的群體1企業對碳稅稅率、碳交易價格變化相對敏感，自身劣勢也迫使其最終選擇模仿創新的道路，相對而言，群體2企業大多傾向于自主創新，通過碳交易市場獲得創新補償收益，以彌補征收碳稅而壓縮的研發成本，以此為契機打破低碳技術的“鎖定效應”[1]。②適度稅率可以刺激低技術企業加強研發活動，同時為高技術企業提供創新補償，成為碳稅政策工具發揮價格控制職能的臨界條件。稅率過低意味著放任群體1企業的高能耗、低技術生產行為，而稅率過高也將加重群體2企業的研發負擔，阻礙低碳技術創新的持續開發。③碳交易政策為不同技術水平企業運營提供了市場協調機制，與碳稅政策組合出差異化的補償機制與替代機制。當碳交易價格較高時，群體1企業往往表現為補償機制，而隨著碳稅稅率上升，群體2企業由替代機制轉變為補償機制；當碳交易價格較低時，群體1企業轉向模仿創新的速度放緩，但總體表現為補償機制，群體2企業在碳稅低時表現為補償機制，在高碳稅時同時存在替代機制與補償機制。

在倡導“創新驅動、綠色發展”的背景下，上述研究結論對企業自身和相關政府部門均具有一定啟示作用：①基于行業、區域等約束條件，試行差異化的碳稅與碳交易政策。一方面適當降低碳稅稅率，節約企業低碳技術創新的研發成本，另一方面提高碳交易價格，增加低碳技術創新企業的補償收益，也避免企業通過單一購買碳配額轉移污染的行為。②優化低碳創新補償力度與范圍，扶持企業克服自主創新“成本瓶頸”[7]。任何規制政策都會直接壓縮企業的創新投入，碳交易政策是彌補研發成本的市場機制，同時更需要專項資金、研發退稅等財政政策與之相匹配，從而推動企業、產業選擇低碳創新模式。③構建低碳技術擴散系統，提升全行業技術存量與水平。通過低碳技術的共享與轉化，突破低碳技術普遍落后的“鎖定效應”，促進更多企業實施清潔生產、低碳創新等戰略，而非一味地轉嫁污染[10]。④企業應根據技術能力匹配創新模式，通過產學合作獲取前沿低碳技術。技術能力存量與水平決定了低碳技術的創新戰略，后發企業更需要加強技術資源積累，以尋求二次創新、自主創新的機遇，與學研機構的協同合作則是行之有效的途徑之一。

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(責任編輯 沈蓉)

GameAnalysisofCarbonTaxandCarbonTradingontheStrategyofEnterprise’sLowCarbonTechnologyInnovation

Xiao Dingding,Tian Wenhua

(School of Management Science& Engineering,Shandong Normal University,Jinan 250014,China)

F270

A

國家自然科學基金重點項目(71233003),國家自然科學基金青年項目(71403153),教育部哲學社會科學研究重大課題攻關項目(12JZD042),山東省自然科學基金青年項目(ZR2016GQ03)。

2016-12-07

肖丁丁(1984-)，男，山東濱州人，博士，山東師范大學管理科學與工程學院講師;研究方向：創新管理。