生鮮農產品供應鏈RFID技術投資決策及協調

楊 亞范體軍張 磊

(1.華東理工大學商學院,上海200237；2.青海大學財經學院,青海西寧810016)

1 引 言

盡管我國是生鮮農產品生產和消費大國,但是生鮮農產品在生產、加工及運輸等供應鏈運作環節損耗驚人.據報道,我國蔬菜和水果采摘后的平均損耗率高達25%～30%,其經濟損失每年超過1 000億元,遠遠高于西方發達國家5%左右的損耗率[1].這些損失直接影響我國農業產業的快速發展.

面對這些問題,我國政府高度重視.2004年至2015年中共中央“一號文件”連續鎖定“三農問題”.同時各大部委也發文制定相應的改革措施.事實上,盡管有政府政策的支持,但區別于其它產品供應鏈,生鮮農產品供應鏈具有自身的典型特征,如:生產的季節性和周期性、流通的易腐性和鮮活性、消費的時效性和品質性.正是這些特征導致生鮮農產品供應鏈運作的復雜性和困難性.特別是,上游生產商隱瞞生鮮農產品新鮮度信息等會造成上下游之間的協調困難,加劇耗損,進而導致生鮮農產品高比例損失.為此,如何有效降低生鮮農產品供應鏈環節的損失成為亟待解決的問題.

隨著無線射頻識別(簡稱RFID)技術這一物聯網核心技術的發展,明康匯、光明集團等農產品龍頭企業已開始在旗下相關產品中使用RFID標簽,通過對標簽信息的實時采集、傳輸和讀取不僅可以促進生鮮農產品供應鏈中的信息共享；而且大大改善了生鮮農產品生產、運輸、倉儲等環節的運作效率,縮短流通周期,減少了產品新鮮程度損失[2].

然而,盡管RFID技術在生鮮農產品行業有廣泛的應用前景,并且在部分農產品龍頭企業已有應用,但這種技術并沒能在生鮮農產品供應鏈行業普及和推廣,最主要的原因是相較于價值較低的生鮮農產品,RFID投資成本較高.更重要的是,RFID技術的投入會改變生鮮農產品供應鏈原有的成本和收益結構[3],因此,迫切需要研究生鮮農產品供應鏈投資RFID技術能否受益及如何協調投資RFID技術后的生鮮農產品供應鏈收益.

許多學者對生鮮農產品供應鏈及RFID技術的供應鏈應用進行了研究.在生鮮農產品供應鏈方面,Akkerman等[4]對生鮮產品供應鏈及其動力學性質進行了綜述.Rong等[5]對生鮮產品的生產和分銷建模,研究生鮮產品質量和成本.文獻[6,7]考慮不利天氣對農產品生產的影響,研究兩級農產品供應鏈協調及相關契約.林略等[8]從契約角度研究生鮮農產品供應鏈協調.熊峰等[9]對生鮮農產品供應鏈關系契約的穩定性進行研究.但他們的研究較少考慮RFID技術的引入對生鮮農產品供應鏈的影響.在RFID技術的供應鏈應用方面,大多針對制造業供應鏈,認為RFID技術的應用可以提高供應鏈庫存的準確性[10],解決庫存錯放問題[11],降低庫存損耗[12].并考慮RFID技術可實現供應鏈中信息共享,壓縮供應鏈提前期[13,14],對收益及RFID成本分攤進行了分析[10,15].圍繞RFID技術在生鮮農產品方面應用的研究大多集中于對農產品質量和運作效率的提高.如Wang等[16]研究生鮮農產品供應鏈基于RFID獲取實時信息進行質量監控.Karlsen等[17]研究基于RFID標簽進行生鮮產品信息跟蹤和追溯的關鍵追溯點.Jedermann等[18]對RFID標簽的數量和布局位置進行研究.盡管有少量學者考慮生鮮農產品供應鏈RFID應用的收益,如Zhang等[2]將RFID技術作為新興技術引入到生鮮農產品供應鏈中,研究相應成本效益.李琳等[19]研究RFID應用對生鮮農產品流通中雙重損耗的影響并構建收益模型.但他們的研究較少考慮生鮮農產品信息非對稱性,特別是更少考慮上游生產商隱瞞生鮮農產品的新鮮度信息.而事實上,新鮮度信息是影響生鮮農產品市場需求和零售商訂貨的重要信息,上下游新鮮度信息不對稱造成上下游企業之間的協調困難,加劇供應鏈耗損.

為此,本文考慮新鮮度信息不對稱下生產商隱瞞新鮮度信息的情況,使用單周期報童模型分別構建集中型和分散型供應鏈RFID技術應用前后的利潤模型,得到投資技術的標簽成本閾值,并提出RFID技術投資下供應鏈協調的回購契約形式.

2 集中型供應鏈RFID技術投資決策分析

考慮到生鮮農產品信息非對稱性,特別是上游生產商隱瞞生鮮農產品的新鮮度信息,將市場上生產某一類生鮮農產品的生產商作為整體,建立一個生產商和一個零售商組成的生鮮農產品二級供應鏈.生產商供應一種單位成本為c、新鮮度為θ的生鮮農產品,并根據產量和零售商可能的訂貨量決定批發價格w；零售商綜合考慮生產商信息和市場需求決定訂購q數量的農產品,并以固定價格p在市場出售(圖1).簡化起見,不考慮缺貨損失,且生鮮農產品的殘值為0.

圖1 生鮮農產品二級供應鏈結構圖Fig.1 Two-tier fresh agricultural supply chain system structure

生產商和零售商就批發價及訂貨量展開Stackelberg博弈.將決定產量的生產商作為博弈的領導者,零售商則為跟隨者.相關假設如下:

2)需求受新鮮度影響.當需求不確定時,定義擴展乘積形式的需求函數[20]D=θ(t)d,0≤θ(t)≤1,其中D為實際的顧客需求,d為新鮮度為1時的顧客隨機需求,f(·)和F(·)分別為隨機需求d的密度函數和分布函數.

3)生產商是生鮮農產品的供應者,具有準確的新鮮度信息.這一信息在供應鏈雙方之間不對稱時,生產商為了自身利益會向零售商隱瞞真實信息,公布出產時間為λt,0≤λ≤1.λ為隱瞞系數,其值越小隱瞞程度越大.應用RFID技術可消除新鮮度信息不對稱性的影響.

4)投資RFID技術的固定成本(如讀寫器及軟件系統等)隨技術的使用逐步稀釋.因此,僅考慮RFID標簽成本這個變動成本,記為,且由生產商和零售商共同承擔,其中生產商承擔比例為α,0≤α≤1.投資RFID技術后供應鏈流通周期縮短,生鮮農產品出產時間由t縮短到,有θ()＞θ(t).為保證生產商和零售商都有利可圖,假設c+α＜w＜p-(1-α).

其它參數設定見表1.

表1 參數設定Table 1 Setting of the model parameters

為了探究更多性質但不影響結果的有效性,假設d服從均勻分布U[a,b].則集中型供應鏈未投資RFID技術的供應鏈總利潤為

其中γ=bp/(b-a)-c且γ＞0.

投資RFID技術后,供應鏈總利潤變為

同樣,可得投資技術后的最優訂貨量和供應鏈最優利潤分別為

定理1集中型供應鏈下,有如下結果:

證明1)設=θ()(bp-(c+)(b-a))/(θ(t)(bp-c(b-a))),其中0＜＜γ.可得

證畢.

由定理1可知,投資RFID技術帶來新的成本,但卻可以縮短農產品出產時間,二者之間的關系決定了集中型供應鏈投資RFID技術后訂貨量的變化；并找到一個集中型供應鏈投資技術的條件,即標簽成本要小于閾值γ(1-η),且此條件下訂貨量也增加.而當γ(1-η)≤(1-η2)時,注意到投資技術只是增加訂貨量并未提高供應鏈利潤.

3 分散型供應鏈RFID技術投資決策分析

分散型供應鏈雙方各自決策,新鮮度信息在上下游之間不對稱,生產商存在隱瞞新鮮度的情況.首先,建立未投資RFID技術時新鮮度信息對稱下的基本模型.

3.1 新鮮度信息對稱下的供應鏈基本模型

該情況下生產商利潤為

零售商利潤為

易知在

處零售商收益最大.

將式(9)代入式(7),可求得生產商的最優批發價為

將式(10)代入式(9)、式(7)和式(8),得到零售商最優訂貨量及供應鏈雙方的最優利潤分別為

3.2 新鮮度信息不對稱下的供應鏈模型

新鮮度信息不對稱下生產商隱瞞新鮮度信息,公布農產品出產時間為λt,0≤λ≤1.此時新鮮度函數為θ(λt)=1-λ2t2/T2,0 ≤t≤T.

生產商利潤為

零售商不知道生產商隱瞞新鮮度信息,其決策利潤函數是

但實際利潤應為

對于生產商給定的批發價格和新鮮度信息,由式(12)可得零售商決策的最優訂貨量為

將式(13)代入式(11)得到生產商最優批發價格

這一批發價格和新鮮度信息對稱下的批發價格相同,并可得出零售商最優訂貨量及供應鏈雙方的最優利潤分別為

由θ(t)＜θ(λt)知,從而.即隱瞞新鮮度信息使得供應鏈訂貨量增加,生產商利潤增加,而零售商利潤減少.

3.3 RFID技術投資下的供應鏈模型

分散型供應鏈投資RFID技術,生鮮農產品出產時間縮短到,且可實現信息共享.生產商及零售商利潤分別為

同前,可得到生產商最優批發價格為

零售商最優訂貨量及雙方最優利潤分別為

對比技術投資前后供應鏈訂貨量和利潤的表達式,有如下結論.

定理2分散型供應鏈下,有下列結果:

3)投資技術后供應鏈雙方的最優利潤與分擔系數α無關,供應鏈投資RFID技術的條件為

表2 分散型供應鏈訂貨量比較Table 2 Comparison of decentralized supply chain order quantity

易知c3＜c4.當0＜＜c3時,生產商投資技術受益.

表3 分散型供應鏈生產商利潤比較Table 3 Comparison of decentralized supply chain producer profit

表4 分散型供應鏈零售商利潤比較Table 4 Comparison of decentralized supply chain retailer profit

證畢.

由定理2可知,1)分散型供應鏈下,RFID標簽成本在供應鏈雙方之間的分擔只影響最優批發價格.2)當新鮮度信息不對稱時,零售商會增加不必要的訂貨量且利潤降低,而投資RFID技術可消除信息不對稱的影響,此時零售商的訂貨量大小則取決于標簽成本的大小.3)分散型供應鏈是否投資RFID技術,主要瓶頸為生產商,只要生產商愿意投資技術,零售商也會受益.因此,當零售商應用RFID技術能獲得較大收益時,可采取補貼生產商的方式,促使其投資技術.4)θ(λt)和θ()越接近,c3越小.投資RFID技術后,生鮮農產品出產時間越能縮短,標簽成本允許的上界越大.5)新鮮度信息共享程度越高的供應鏈,其標簽成本上界越大.對于生產商來說,其越無法隱瞞新鮮度信息,越愿意投資RFID技術.6)投資RFID技術后的供應鏈訂貨量及各方利潤分別是

4 基于RFID技術投資的契約協調

投資RFID技術后,供應鏈各方成本和收益結構發生變化,考慮用契約進行協調.針對銷售季節性強、需求不確定導致訂貨量與實際需求不匹配、期末殘值較低的供應鏈時,實踐中常見的契約類型為回購契約[21].且該種契約不會額外增加管理成本,并能夠協調和靈活分配利潤,本文也使用回購契約進行RFID技術應用后的供應鏈協調.

將這一訂貨量與集中型供應鏈投資RFID后的最優訂貨量比較,令,得c+α,此時達到協調.有如下結論.

定理3投資RFID后的分散型供應鏈可由回購契約進行協調,契約形式為

其中α為生產商的RFID標簽成本承擔比例,0≤α≤1,β為利潤分配系數,(1-α)/(c+)＜β≤1,生產商與零售商通過談判可進行利潤分配.

證明

因為c+-p＜0,所以有β＞(1-α)/(c+-p),且右邊的部分是負值.又0＜β≤1,綜上,可得到利潤分配系數的范圍應為(1-α)/(c+)＜β≤1.分配系數的范圍與標簽成本分擔系數α有關.

證畢.

5 算例分析

設有某生鮮農產品的二級供應鏈,產品單位成本c=1元,單位零售價格p=7元,生命周期T=18d,送達到零售商處的實際出產時間為t=8d.當新鮮度為1時,該產品單位時間的顧客需求量在[1 000,3 000]kg間隨機等概率取值.

圖2描繪了相關參數變化對集中型供應鏈訂貨量及總利潤的影響

圖2 相關參數變化對集中型供應鏈訂貨量及總利潤的影響Fig.2 The impact of parameters change on order quantity and total profit in centralized supply chain

標簽成本分擔系數不同時,RFID標簽成本變化對批發價格影響不一致,如圖3.α＞0.5時,最優批發價格變大,且隨著RFID標簽成本的增加而增加；α＜0.5時,最優批發價格變小,且隨RFID標簽成本的增加而減少.

圖3 RFID標簽成本變化對分散型供應鏈批發價格的影響Fig.3 The impact of RFID tag cost change on wholesale price in decentralized supply chain

RFID標簽成本變化對分散型供應鏈訂貨量和成員利潤的影響如圖4所示.

圖4 RFID標簽成本變化對分散型供應鏈訂貨量和成員利潤的影響Fig.4 The impact of RFID tag cost change on order quantity and member’s profit in decentralized supply chain

由圖4,分散型供應鏈投資RFID技術,標簽成本越大,零售商訂貨量越小,生產商和零售商的利潤也將越小.并且在新鮮度信息對稱和不對稱情形下,分別存在一個RFID技術投資的閾值.且供應鏈上下游可接受的技術標簽成本投資區間并不一致.

隱瞞系數變化下的生產商利潤見圖5.圖5表明,隱瞞新鮮度信息使得生產商利潤增加,隱瞞程度越大,生產商利潤越高.但當供應鏈信息共享程度較高(λ＞0.8)時,生產商反而通過投資RFID技術可獲得更多收益,生產商更傾向投資技術.

圖5 生產商利潤與隱瞞系數的關系Fig.5 The relationship between producer profit and concealment coefficient

回購契約中的利潤分配系數變化對供應鏈各方利潤及各價格的影響如圖6所示.

圖6 回購契約中的利潤分配系數變化對供應鏈各方利潤及各價格的影響Fig.6 The impact of profit distribution coefficient change on profits and prices under buyback contract

由圖6可知,回購契約可協調RFID技術投資后的分散型供應鏈.隨著利潤分配系數的增加,批發價格和回購價格均降低,生產商利潤減少,零售商利潤增加.可通過調節利潤分配系數進行成員間利潤分配.契約中對利潤分配系數進行了控制,存在實施契約的利潤分配系數范圍,只有0.17＜β≤1(取α=0.4)時,.

6 結束語

本文考慮RFID技術應用能解決生鮮農產品供應鏈新鮮度信息不對稱問題,并縮短農產品出產時間,提高農產品新鮮度.運用報童模型、博弈論、優化理論和供應鏈契約理論,建立集中和分散型供應鏈下RFID技術投資模型,研究RFID技術投資決策及協調契約.特別地,本文引入了一個與農產品出產時間相關的新鮮度函數,將需求與新鮮度函數相關.這樣生鮮農產品上下游信息非對稱性的價值能夠有效揭示,進而能夠進行RFID投資價值的分析和比較；隱瞞新鮮度信息的情況也可以用新鮮度函數進行表示,方便模型的計算及性質分析.

在模型性質分析中,著重對比RFID技術投資前后的訂貨量及利潤.對于集中型供應鏈,RFID標簽成本越低,供應鏈訂貨量和利潤越大.并且存在一個標簽成本與技術采用后出產時間的關系閾值,當標簽成本小于這個閾值時,供應鏈投資RFID技術受益.對于分散型供應鏈,是否投資RFID技術主要在于標簽成本是否被生產商接受.而零售商若采用RFID技術能獲較大利益時,可采取補貼生產商的方式,進行RFID技術推廣.

最后,本文僅考慮簡化的兩階段生鮮農產品供應鏈,且假設上游企業為博弈的領導者,并且將產品的價格假設為一個固定值,而更為現實的情況則是生鮮農產品價格與產品新鮮度密切相關.進一步的研究可以考慮下游企業為博弈領導者的情況,以及在需求與新鮮度相關的基礎上,加入價格變動的影響.