三維交易模式下企業(yè)協(xié)同低碳減排研究

邢恩鳳，史成東，閆秀霞，程順斌，林 靜，倪士萍

(1.山東理工大學管理學院，山東 淄博 255000；2.沂水縣馬站鎮(zhèn)政府辦公室綜合科，山東 臨沂 276000； 3.淄博熱力有限公司企審處，山東 淄博 255000； 4.中石油長慶油田第十二采油廠人事科，陜西 西安 710200)

1 引言

自進入工業(yè)時代以來，全球氣候變暖問題已經引起全世界的普遍關注，人類在經濟活動中產生的碳排放是導致溫室效應的主要原因也已成為全球性共識。溫室氣體減排已經成為全人類社會發(fā)展的重要議題。中國作為一個發(fā)展較快的制造業(yè)大國，經濟快速發(fā)展的同時帶來的是碳排放量的大量增加。因此經濟發(fā)展與社會效益之間的問題十分嚴峻。“十九大”報告提出的生態(tài)文明建設、綠色發(fā)展、“兩山論”等號召，表明了國家對低碳發(fā)展、生態(tài)文明建設的堅定信念。在低碳背景下，世界各國政府及企業(yè)都在積極響應低碳減排的號召，知名企業(yè)如沃爾瑪等早已要求其供應商提供碳標簽來響應低碳政策。我國作為一個能源消耗和碳排放量大國，政府也相繼制定了許多低碳政策，如實行碳稅、碳排放限額等[1]。然而，目前我國企業(yè)自主減排積極性不高，減排行為大多數為被動減排，且多為獨立減排活動，手段方式均比較單一，缺少多個企業(yè)的協(xié)同合作。而政府也主要以碳配額控制為主，很容易造成資源的浪費及減排的低效率。造成這一問題的深層原因是中國企業(yè)在開展減排活動的過程中，往往把目光局限于內部組織，忽視了再制造閉環(huán)供應鏈及其節(jié)點企業(yè)之間的低碳減排協(xié)調運行，缺乏相互的信息和資源共享。許多研究和實踐證明：在政府監(jiān)管、契約協(xié)調和市場機制的影響下，供應鏈低碳減排具有外部積極效應；節(jié)點企業(yè)通過雙贏、共贏的引導，實現(xiàn)資源的再利用、低碳產品的高市場占有率、生產服務的低碳化、低碳產業(yè)的發(fā)展及低碳技術的進步等[2-7]。

隨著環(huán)境問題愈發(fā)突出，國內外學者對低碳供應鏈的研究也越來越深入。孫嘉楠和肖忠東[8]在考慮消費者低碳偏好的基礎上，通過將消費者的渠道偏好進行區(qū)分以及不同決策模式的對比及數值算例分析，初步得出了低碳供應鏈最優(yōu)的減排邊界。李友東和趙道致[9]構建了納什博弈和Stackelberg博弈二級供應鏈模型，分析了兩種博弈形式下企業(yè)低碳研發(fā)合作和政府補貼策略的影響作用。吳義生[10]構建了演化模型來分析低碳供應鏈協(xié)同運作的演化過程，并通過應用仿真分析，得出了低碳供應鏈協(xié)同運作的機理。趙道致等[11]構建了Stackelberg微分博弈模型，得出制造商和供應商的最優(yōu)反饋均衡策略。史成東等[12]對消費者偏好、政府碳排放限額等因素對供應鏈協(xié)同的影響進行了研究。

張國興等[13]通過研究我國節(jié)能減排政策的現(xiàn)狀的不足，從我國節(jié)能減排政策協(xié)同現(xiàn)狀及效果評估、國外協(xié)同模式對我國的啟示和借鑒、最優(yōu)協(xié)同方式探尋等七個方面討論了我國節(jié)能減排政策協(xié)同的后續(xù)研究方向。程永偉等[14]研究了混合碳政策對供應鏈定價、利潤、混合策略等的影響，建立了碳交易-碳稅的兩階段供應鏈減排決策模型。謝鑫鵬和趙道致[15]對企業(yè)在減排過程中的相互作用、碳交易價格對減排效果的影響以及社會福利的比較等問題進行深入討論，為制造型企業(yè)做出合理的減排決策提供一定的智力支持。周熙登[16]通過考慮由單一制造商和單一零售商組成的兩級供應鏈系統(tǒng)，分析了集中式雙渠道供應鏈決策，以及基于Stackelberg博弈的分散式雙渠道供應鏈決策，得到了雙渠道供應鏈的最優(yōu)定價以及最優(yōu)減排量。趙道致和王楚格[17]研究了供應鏈企業(yè)面對低碳政策的減排決策方法，得出了企業(yè)的最優(yōu)減排量及最優(yōu)產量，并通過數值模擬說明了該模型在實踐中的應用。張佳雨[18]運用環(huán)境經濟學的相關理論和運籌學優(yōu)化、博弈論的相關方法，研究了刺激供應鏈企業(yè)合作研發(fā)的政策選擇與制定問題。謝家平等[19]研究了兩級閉環(huán)供應鏈中制造商和零售商分別主導的情況下收益共享契約機制策略問題。

綜上所述，多數研究以制造商和銷售商構成的二級低碳開環(huán)供應鏈為對象，對考慮由第三方回收商所構成的低碳再制造閉環(huán)供應鏈所進行的研究較少；多數研究考慮影響低碳減排因素較少，且以二維交易模式為主，對綜合考慮多種影響因素和三維交易模式所進行的研究較少。本文的主要貢獻有3點：一是考慮銷售和回收均為隨機市場情況下，用均值方差法刻畫節(jié)點企業(yè)風險規(guī)避特性，構建了低碳減排模型；二是將資源-產品二維交易模式拓展成資源-產品-碳排放權的三維交易模式；三是設計了三維交易下低碳減排的成本共擔與收益共享契約，實現(xiàn)了低碳供應鏈的優(yōu)化和協(xié)調。

2 基本假設

本文基于上述理論和文獻研究，形成以下假設。

假設1 低碳再制造閉環(huán)供應鏈由一個低碳制造商、一個銷售商及一個第三方回收商構成，制造商、銷售商、第三方回收商均具有風險規(guī)避特性，正向渠道銷售商驅動、逆向渠道制造商驅動。

假設 2 低碳再制造產品與低碳新產品完全相同[20]，并以同樣批發(fā)價w銷售給銷售商。

假設3 參考文獻[21-22]，將廢舊產品回收量設為：G(b3p)=t+hb3p。其中：t=t0+ε，ε∈N(0,σ2)。t代表消費者的環(huán)保意識，h為消費者對于回收價格b3p的供給敏感程度。

假設5 低碳產品的市場需求量與消費者對低碳產品的敏感系數和碳排放量及銷售價有關，參考文獻[22-23]，將市場需求量函數設為：D(p)=α-βp-λe；α0，β是參數，且α0>0，β>0，α為市場容量，β為消費者對銷售價的敏感程度，p為銷售價，λ為消費者對低碳產品的敏感系數，e為實施減排技術后制造商生產單位產品的碳排放量。其中：α=α0+ε。α表示低碳產品的最大市場之潛在需求。ε表示了市場需求/供應波動的隨機變動量，且ε∈N(0,σ2)。

文中其它參數、變量、函數等含義如表1所示。

表1 其他參數的含義

3 供應鏈低碳化運作決策分析

3.1 分散決策模型分析

(1)

(2)

(3)

再制造閉環(huán)供應鏈中的分散決策模型是指銷售商、制造商和第三方回收商僅以自身利潤最大化為目標分散決策出其最優(yōu)減排量及最優(yōu)定價。此模型的博弈為正向以銷售商為主、逆向渠道以制造商為主，利用Stacklberg博弈，得出博弈的穩(wěn)定點(均衡解)如式(4)、(5)所示；節(jié)點企業(yè)的最優(yōu)期望效用如式(6)所示。詳細求解過程略。

(4)

(5)

(6)

定理1分散化決策下，碳排放交易價格與銷售價和批發(fā)價成正比，與銷售量和市場占有率成反比；消費者對低碳產品的敏感系數與銷售價和批發(fā)價成反比，與銷售量和市場占有率成正比；碳排放量與銷售價和批發(fā)價成正比，與銷售量和市場占有率成反比。

證明：將穩(wěn)定點(均衡解)式(4)、(5)，對相應參數λ、n、e求偏導數即得到定理1。

定理2分散決策下，碳排放交易價格與制造商、銷售商的期望效用呈負相關；消費者對低碳產品的敏感程度與制造商、銷售商的期望效用呈負相關；同樣，碳排放量與其期望效用也呈負相關的關系。

證明：將式(6)分別對n、e、λ、ki求偏導數，即得定理2。

3.2 集中決策模型分析

再制造閉環(huán)供應鏈中的集中決策模型是指供應鏈節(jié)點企業(yè)在定價與減排策略問題上均以供應鏈系統(tǒng)利潤最大化為目標進行合作決策。此時供應鏈系統(tǒng)的總體期望效用目標函數πc為：

E(U(πc))=(p-cm-ne)(α0-βp-λe)+(Δ-b3p)(t0+hb3p)-k3p(Δ-b3p)σ-kr(p-cm-ne)σ

(7)

最優(yōu)銷售價、回收價、期望效用分別如式(8)、(9)和(10)所示。

(8)

(9)

(10)

定理3低碳再制造閉環(huán)供應鏈化集中決策模中，碳排放交易價格、碳排放量與低碳產品的銷售價呈正相關，與銷售量和市場占有率呈負相關；消費者對低碳產品的敏感系數與銷售價呈負相關，與銷售量和市場占有率呈正相關。

證明：通過對公式(4)、(5)、(8)、(9)進行比較，即得定理4。根據定理4可以得出結論1到結論4

結論1 分散決策時的低碳產品的最優(yōu)銷售價高于其集中決策時的低碳產品最優(yōu)銷售價，導致銷售量降低，正向渠道沒有達到協(xié)調狀態(tài)

結論2 分散決策時的低碳廢舊產品回收價格低于其集中決策時的低碳廢舊產品回收價格，導致回收量降低，逆向渠道沒有達到協(xié)調狀態(tài)。

結論3 分散決策時的銷售價和回收價均沒有達到其集中決策模型的水平，供應鏈未達到最優(yōu)。

3.3 減排合作博弈模型分析

(11)

(12)

(13)

再制造閉環(huán)供應鏈低碳減排合作博弈模型中，節(jié)點企業(yè)的期望效用如式(14)所示。

(14)

定理6減排合作博弈模型中，碳排放交易價格、消費者對低碳產品的敏感系數、碳排放量與低碳制造商、銷售商的期望效用均為負相關

證明：根據式(4)、(8)、(9)，即得定理7。根據式(14)、定理6和定理7，可以得到結論5到結論7。

結論5 低碳化后影子成本減少了n(e0-e)，低碳制造商和銷售商的期望效用相應的提高，但批發(fā)價和銷售價卻降低了。

結論6 低碳減排合作過程中，節(jié)點企業(yè)的風險規(guī)避特性、碳排放交易價格、消費者對低碳產品的敏感程度、碳排放量等因素與制造商和銷售商的期望效用相關。

結論7 低碳減排合作過程中，廢舊低碳產品的回收價格的提高，達到了集中決策模型中廢舊低碳產品回收價水平，因此廢舊品的回收量增加；低碳產品銷售價的降低，達到了集中決策模型中低碳產品的銷售價水平，因此銷售量增加，市場占有率也隨之提高。

4 算例分析

假定某電子產品制造業(yè)閉環(huán)供應鏈參數：Cm=26,Cr=16,h=20,t0=50,α0=2000,β=10,e=50,e0=70,σ=8,λ=4,n=2,l=0.5,M=100。

4.1 數值仿真研究

取km=kr=k3p=0.4，并將有關參數代入以上三種不同的決策模型推導公式中，當進行低碳化和非低碳化(此時供應鏈企業(yè)無任何低碳減排行為)運作時，供應鏈節(jié)點企業(yè)的最優(yōu)銷售價、批發(fā)價、廢舊低碳產品回收價、最優(yōu)期望效用如表2所示。

表2 低碳化和非低碳化時，有關變量的變化情況

從表2可以看出，當企業(yè)實行低碳化運作時，低碳產品銷售價、批發(fā)價均相應減少，制造商和銷售商期望效用均相應提高，即正向渠道的制造商和銷售商的期望效用分別受到不同程度的影響，而逆向渠道的第三方回收商不受影響，因此可以設置積極的低碳政策(如低碳補貼)，來調動供應鏈企業(yè)減排積極性，此外，可以通過恰當的利用收益共享和成本共擔的協(xié)調機制，實現(xiàn)供應鏈整體的協(xié)調。

當km=kr=k3p=ki時，隨著風險厭惡程度的變化，供應鏈中有關變量的變化情況見表3所示。

表3 風險厭惡程度改變時，有關變量的變化情況

從表3可以看出，分散決策下再制造閉環(huán)供應鏈低碳化運作過程中，風險厭惡程度的提高，使產品銷售量、批發(fā)價及銷售商、低碳制造商、第三方回收商期望效用均降低，轉移價、回收價提高；低碳合作減排運作狀態(tài)下，產品銷售價降低、回收價提高，回收量增加，整個鏈條及節(jié)點企業(yè)的期望效用有所降低，因此政府要注意對風險的管控。

低碳減排合作博弈決策時，制造商和第三方回收商的成本分擔博弈規(guī)律如圖1，制造商和銷售商的收益分擔博弈規(guī)律如圖2。

圖1 第三方回收商和低碳制造商的博弈規(guī)律

圖2 銷售商和低碳制造商的博弈規(guī)律

從圖1、圖2中可以得出，節(jié)點企業(yè)在供應鏈上的地位和影響力，是具體決定企業(yè)期望效用的關鍵因素。

4.2 靈敏度分析

對參數λ、n、e(敏感系數、碳排放交易價格、碳排放量)進行靈敏度分析時，有關變量的變化情況分別如表4、表5、表6、圖3、圖4、圖5所示。

從表4、圖3可以看出，當消費者對低碳產品的敏感系數增大時，除低碳運作集中決策模型下的批發(fā)價不變，其余的低碳運作分散決策模型、低碳運作集中決策模型和低碳運作合作博弈模型中，其低碳產品銷售價、批發(fā)價、供應鏈整體期望效用及制造商、銷售商期望效用均降低。

表4 消費者對低碳產品的敏感系數改變時，有關變量的變化情況

表5 碳排放交易價格改變時，有關變量的變化情況

表6 碳排放量改變時，有關變量的變化情況

圖3 λ變化時，銷售商和低碳制造商的期望效用變化圖

圖4 n變化時，銷售商和低碳制造商的期望效用變化圖

圖5 e變化時，銷售商和低碳制造商的期望效用變化圖

從表5、圖4可以看出，當提高碳排放交易價格時，三種決策模型下的低碳產品銷售價、批發(fā)價提高，供應鏈整體期望效用及制造商、銷售商期望效用降低。

從表6、圖5中可以看出，當碳排放量減少時，低碳產品銷售價、批發(fā)價降低，而供應鏈期望效用提高了。這說明當碳排放量減少時，銷售價降低，從而提高了低碳產品的市場占有率，而且同時提高了制造商、銷售商的期望效用，從而起到提高低碳減排積極性的作用。

5 結語

本文就碳排放問題，以銷售商驅動的低碳化再制造閉環(huán)供應鏈為研究對象，從三維交易的視角綜合考慮了消費者對低碳產品的敏感系數、碳排放交易價格、碳排放量以及供應鏈節(jié)點企業(yè)風險厭惡程度(風險規(guī)避特性)等影響因素的作用，進行了系統(tǒng)分析和研究。研究結果表明：

(1)當進行碳排放治理時，低碳產品的銷售價、批發(fā)價均降低，因此產品的市場占有率隨之增加，同時銷售商和制造商的期望效用均提高。市場占有率和期望效用的提高正說明了低碳減排活動帶來的正面效應，對企業(yè)進行低碳減排有著積極的影響，也對政府制定低碳減排政策提供了重要的啟示。

(2)再制造閉環(huán)供應鏈低碳減排合作過程中，制造商、銷售商、第三方回收商部分期望效用的取舍，克服了供應鏈風險規(guī)避造成的不利影響，換取了低碳供應鏈的Pareto最優(yōu)、低碳產品銷售價格的降低和廢舊低碳產品回收價格的提高，提高了市場占有率、減少了廢舊產品的資源浪費和環(huán)境污染。

(3)消費者對低碳產品的敏感系數的增加，降低了低碳產品銷售和批發(fā)價格，降低了低碳產品的市場占有率，降低了制造商和銷售商的期望效用。這一系列的降低說明了消費者的敏感系數對制造商的壓力比較大，制造商要想提高市場占有率和期望效用，必須通過加大研發(fā)力度等方法來降低低碳制造成本。

(4)碳排放交易價格的提高，提高低碳產品的銷售價，降低了市場占有率，銷售商和制造商的期望效用也隨之減少，因此要控制碳排放交易價格，同樣需要加大研發(fā)力度、積極尋求創(chuàng)新性方法來降低碳排放成本，以此制約碳排放交易價格的變動。

(5)碳排放量的減少，降低了低碳產品銷售價格，增加了低碳產品的市場占有率和制造商和銷售商的期望效用。說明了低碳減排技術起到了提高低碳減排積極性的作用，可以對低碳政策的制定提供啟示。

本文研究了低碳再制造產品與低碳新產品完全相同時由第三方回收商回收的再制造閉環(huán)供應鏈的情形，未來研究中將繼續(xù)考慮當消費者對二者具有不同偏好時的供應鏈協(xié)調機理。