雙責任閉環供應鏈生態設計策略及其差異化影響

黃 新，常香云

（華東理工大學管理科學與工程系，上海 200237）

1 研究背景

產品生態設計又稱“綠色設計”“環境意識設計”，是指將環境因素納入設計之中，通過改進設計把產品的全生命周期環境影響及未來產生廢棄物降低到最小程度［1］，最終引導形成更具有可持續性的生產和消費系統。當前在我國綠色發展大背景下，生態設計表現出諸多顯著優勢：可以減少資源消耗，實現可持續發展戰略目標；能夠滿足環保意識日益增強的消費者的綠色需求，提高產品銷量，促進企業獲得更高的收益、提高企業競爭能力等。尤其在閉環供應鏈中，生態設計是影響廢舊產品回收再利用的關鍵因素之一。廢舊產品可再制造性約有2/3取決于原始制造商在產品設計初期的再制造設計［2］。生產商若能在產品生命周期源頭關注產品生態設計，采取可拆解性設計、模塊化設計等，則可降低廢舊產品的回收處理難度，提高廢舊產品資源化效率以及末端的回收效率。如上汽通用汽車有限公司通過實施生態設計，使其新車型的材料可回收利用率達到95%［3］。

生態設計受到了我國政府的高度重視。工信部2019年發布的《汽車行業綠色供應鏈管理企業評價指標體系》明確將汽車綠色設計列為重要指標之一，要求企業在研發階段按照各自領域的綠色設計產品評價技術規范研發綠色產品。國務院于2016年發布的《生產者責任延伸制度推行方案》將生態設計列入生產者責任延伸的范圍，提出到2025年重點領域生產者責任延伸制度運行有序，產品生態設計普遍推行。另外，國家出臺的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》《工業綠色發展規劃（2016-2020年）》和《綠色制造工程實施指南（2016-2020年）》等政策文件中，均要求開展產品生態設計，促進生產方式、消費模式向綠色低碳轉變。

在政府和市場的雙重驅動下，我國眾多企業紛紛推進生態設計。京東集團、蘇寧易購集團等大型電商著眼于綠色包裝，通過生態設計提高包裝物的使用壽命及回收再利用性，從而降低包裝成本［4-5］。據筆調研，珠海格力電器股份有限公司、美的集團等家電行業則是將消費者綠色需求作為產品生態設計的主要目標，充分遵循“綠色”原則，采用綠色高效零部件如新型高效換熱器等生態設計方式，提高自身市場銷量；寧德時代新能源科技股份有限公司等新能源汽車電池生產企業則是將標準化設計及可拆卸設計作為其生態設計的重點，通過將電池規格標準統一、提高拆解性來提高電池末端的回收率［6］。可以發現，現實中這些企業采取的生態設計策略不盡相同，有的著眼于減低成本，有的以提高產品綠色度、提高銷量為目的，有的則關注循環利用、著眼于產品末端回收。

同樣，學者們對生態設計的研究中考慮的企業生態設計策略也具多樣化。在生態設計減低制造成本方面，Chang等［7］認為制造商的生態設計在某些情況下可以降低自身的生產成本；Calcot等［8］發現生態設計可以減少產品相關材料使用量從而降低制造成本；張英英等［9］通過建立雙層規劃模型研究發現，生態設計在提高生產資源再利用率的同時可以降低單位制造成本。在生態設計提高產品銷量方面，Liu等［10］和Zhu等［11］較早關注生態設計對消費者偏好的影響，研究發現生態設計水平越高，消費者的購買意愿更強；Prakash等［12］發現偏好綠色產品的消費者更加愿意購買生態創新產品；Hao等［13］發現大多數消費者都擁有一定的環保意識和綠色產品支付意愿；Liu等［14］通過研究進一步證實了我國消費者目前對產品末端回收較為關注，擁有相當的環保意識；Hong等［15］研究了在不同契約下制造商制造設計綠色產品的環境績效，證實了消費者對具有環境保護功能產品的偏好；溫興琦等［16］通過建立一個單一綠色產品制造商和單一產品零售商的二級供應鏈模型，研究產品創新設計的研發投入對消費者偏好的影響。此外，石平等［17］和Guo等［18］在研究生態設計時側重于滿足消費者的綠色需求，從而提高產品的銷量；夏西強［19］則研究不同補貼下的產品生態設計效果，得出在制造商承擔設計費用的情況下，通過產品生態設計會提高產品的銷量。在產品末端提高廢舊產品回收（以下簡稱“回收”）率方面，Genovese等［20］通過研究發現，制造商在產品生產源頭進行生態設計可以提高產品回收階段的回收率；Zand等［21］也同樣發現，制造商開展生態設計可以提高回收率，并且與此同時，生態設計還能增加零售商的利潤，從而促進其回收積極性；Chen等［22］則研究了獎懲機制下的生態設計問題，發現通過將獎懲機制與生態設計結合，不僅能提高產品前端的生態設計水平，同樣也能提高產品末端的回收率；肖露等［23］通過建立一個二級供應鏈的兩階段博弈模型，研究產品設計對產品末端回收再利用的影響；Gui等［24］也同樣將生態設計的重點放在了促進產品末端的回收再利用。然而，目前大多數文獻僅僅針對特定的生態設計策略展開研究，對生態設計的多樣化策略及其對企業生產決策的差異化影響研究還不多見。

綜上，本研究將考慮3種生態設計策略，分別是減低制造成本的c策略、提高產品銷量的q策略和提高產品回收率的r策略，采用斯坦伯格博弈方法，面向產品生態設計和廢舊產品回收（以下簡稱“雙責任”）閉環供應鏈，探究不同生態設計策略對企業雙責任行為、利潤和環境等的影響，以期回答如下兩方面問題：一是在不同生態設計策略下，閉環供應鏈雙責任行為和定價決策的特征是什么；二是當雙責任閉環供應鏈的要素發生改變時，生態設計策略的影響又如何改變。

2 模型構建與求解

2.1 問題描述

本研究考慮由單一制造商和單一零售商組成的二階段閉環供應鏈系統（見圖1），相關參數及決策變量符號匯總見表1。其中，s、r、m、n為常見供應鏈參與者代號。

圖1 制造-回收閉環供應鏈系統

表1 變量參數說明

假定所有決策參與者進行的是完全信息的博弈，且均為經濟理性人，即制造商和零售商的決策目標為利潤最大化。其中：

（1）制造商。制造商作為產品制造者，在正向環節采取不同策略開展產品生態設計，決策生態設計水平為e，同時需要決策面向零售商的產品批發價ω，制造商的單位制造成本為cs，假定市場需求與價格呈線性關系，采用經典表達式（a-bp）；在逆向環節中，由零售商負責回收并轉移給制造商，制造商支付給零售商的單位回收轉移價格為A，制造商的單位回收處理成本為crs，單位回收收益為。那么，當制造商不進行產品生態設計時的利潤函數模型為：

而當制造商采取不同生態設計策略將帶來不同的成本和收益，也因此會導致制造商的基礎利潤函數也產生不同的改變，這將在后文詳述。

（2）零售商。零售商在正向環節負責新產品銷售，決策產品單位銷售價格為p，在逆向環節負責廢舊產品回收，決策回收率為τ；產品的單位銷售成本則為cm，零售商的單位回收價格為B、單位回收成本為crm。那么，當制造商不進行產品生態設計時所對應的零售商利潤函數模型為：

2.2 不同生態設計策略下的決策模型

本研究考慮3種生態設計策略（c策略、q策略和r策略），不同策略將產生不同的成本和收益。

（1）c策略。在c策略下，制造商開展產品生態設計的著力點是降低自身的單位制造成本，假定影響系數為k1，則降低的單位制造成本為k1e。制造商開展生態設計產生的固定研發成本，參考Chen等［22］、Zhu等［25］、Reimann［26］的研究，假定為那么，結合式（1）（2），則c策略下的決策模型（以下簡稱“c模型”）為：

（2）q策略。在q策略下，制造商開展產品生態設計的著力點是提高產品綠色度，旨在滿足消費者綠色需求、提高產品銷量，假定影響系數為k2，則提高的產品銷量為k2e。同樣假定制造商開展生態設計產生的固定研發成本為那么，結合式（1）（2），則q策略下的決策模型（以下簡稱“q模型”）為：

（3）r策略。在r策略下，制造商開展產品生態設計的著力點是末端回收，旨在提高回收率，假定影響系數為k3，則提高的回收率為k3e。同樣假定制造商開展生態設計將產生固定研發成本那么，結合式（1）（2），則r策略下的決策模型（以下簡稱“r模型”）為：

2.3 模型求解

制造商和零售商的決策目標均為利潤最大化。首先，制造商決策產品批發價格和生態設計水平之后，零售商根據生產商的決策行為決策產品零售價和回收率。采取逆推歸納法求解，令解得在給定生態設計水平和單位批發價格時的零售價和回收率，如表2所示。其中，代表零售商開展回收活動的單位收益。

表2 給定生態設計水平和批發價格的產品零售價格及回收率

對于本研究的問題1，即在3種生態設計策略下制造商的產品生態設計如何影響零售商決策行為及其影響范圍、方向和力度是什么，觀察表2中3種生態設計策略下的零售價和回收率最優解可以發現性質1：在3種生態設計策略下，上游制造商的生態設計水平對下游零售商決策（新品零售價和舊件回收率）的影響范圍和影響方向具差異性。其中，在c策略下，生態設計水平不影響零售商的零售價和回收率，即不影響零售商決策；在q策略下，生態設計水平同時影響零售商的零售價和回收率決策，當時零售價隨生態設計水平的提高而提高，反之則降低，回收率隨生態設計水平的提高而提高；在r策略下，生態設計水平同時影響零售商的零售價和回收率決策，零售價隨生態設計水平的提高而降低，回收率隨生態設計水平的提高而提高。

這是因為：（1）c策略即當生態設計降低單位制造成本時，生態設計水平僅影響制造商的制造成本及收益，因此零售商的決策完全不受制造商生態設計決策的影響。（2）q策略即當生態設計提高銷量時，生態設計水平既直接影響正向銷售量，也間接影響逆向回收量（回收量=回收率×銷量），因此也影響下游零售商決策，對回收率具積極的正向促進作用；而對零售價的影響方向則受制于，當時，生態設計水平對零售價具正向影響，反之則相反，這是因為回收成本較高或回收收益較低時回收需要付出更高成本而帶來更低收益，零售商只能通過提高零售價的方式保證自身的收益，反之，當回收能帶來更多收益時零售商會讓利給消費者、降低零售價。（3）r策略即當生態設計提高回收率時，生態設計水平能在一定程度上促進回收，從而為回收帶來更高的收益，此時零售商會讓利給消費者、降低零售價。

進一步分析，在q策略和r策略下回收率均與生態設計水平正相關，那么在何種策略下生態設計水平對回收的影響力度更大呢？假定通過計算，可得性質2：當時，q策略下生態設計水平對回收的影響力度更大；反之，則r策略下生態設計水平對回收的影響力度更大。

表3 3種策略下的零售商最優均衡解

表4 3種策略下的制造商最優均衡解

3 不同生態設計策略比較分析

3.1 生態設計策略與生態設計水平

對于本研究的問題1中，何種生態設計策略能夠取得更高的源頭生態設計水平，進一步對表4中的生態設計水平大小進行比較（限于篇幅證明略），可得性質3：價格對需求的影響系數和回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤及其乘積決定了3種生態設計策略下生態設計水平的不同大小關系。其中，當當；當當當當性質3的直觀展示如圖1所示，3種策略下生態設計水平的大小關系存在6種情景。

圖1 3種生態設計策略下的生態設計水平大小關系

3.2 關鍵要素與雙責任行為

從性質3和圖1可知，價格對需求的影響系數和回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤是影響決策的關鍵因素，那么，隨著這兩個關鍵因素的變化，不同生態設計策略下企業的雙責任行為會發生什么樣的改變呢？對于本研究的問題1中，隨著價格對需求的影響系數和回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤的變化，不同生態設計策略下企業的雙責任行為特征是什么，進一步作仿真分析分別見圖2和圖3，其中取值為：a=1，cs=0.2，cm=0.2，λ=1.6，k1=k2=k3=1，θ=2，M=0.5。根據圖2和圖3，可以得到性質4：在3種生態設計策略下，生態設計水平和回收率隨價格對需求的影響系數增大而降低，隨回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤增大而提高，但增降的幅度具有差異性。其中，在c策略下，隨著價格對需求的影響系數增大，生態設計水平均勻下降，回收率下降但不明顯，而隨著回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤增大，生態設計水平和回收率均有所提高，但變化均不明顯；在q策略下，隨著價格對需求的影響系數增大，生態設計水平先急后緩明顯下降，回收率下降但變化不明顯，而隨著回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤增大，生態設計水平和回收率均有所提高，但變化不明顯；在r策略下，隨著價格對需求的影響系數增大，生態設計水平先緩后急明顯下降，回收率明顯下降，而隨著回收為整體供應鏈帶來的單位回收利潤增大，生態設計水平和回收率均明顯提高。

圖2 b-N-e 關系

圖3 b-N-τ 關系

可見，在c策略和q策略下，企業雙責任行為對關鍵要素b的變化較敏感、對N的變化不敏感，而在r策略下，企業雙責任行為對b和N的變化均較為敏感。進一步分析，當b和N變化帶來雙責任行為變化時，會不會對企業利潤產生不利影響呢？將表3、表4的最優決策代入各策略下制造商和零售商的利潤函數，可以得到各策略下制造商和零售商的最大利潤，直觀展示見圖4，可見制造商利潤在各策略下幾乎相同，而r策略為零售商帶來最大的收益。因此，綜合考慮供應鏈雙責任行為以及企業利益，當制造商選擇c策略和q策略時，應著重考慮消費者價格敏感性的變化，而供應鏈回收收益的影響可以忽略不計；當制造商選擇r策略時，則應在考慮消費者價格敏感性的同時，對回收收益加以考量。

圖4 b-N 對利潤的影響

3.3 生態設計要素與雙責任行為

對于本研究的問題2，即當生態設計要素發生改變時，3種生態設計策略下企業雙責任行為如何變化，進一步作仿真分析如圖5所示，其中取值為：a=1，cs=0.2，cm=0.2，λ=1.6，k1=k2=k3=1。k1、k2和k3在下文統一簡稱“k”。通過觀察圖5，可以發現性質5：隨著生態設計研發固定成本影響系數增大，3種策略下的生態設計水平和回收率均降低，但降幅不明顯；而隨著生態設計對制造成本、市場需求和回收量的影響系數提高，3種策略下的生態設計水平和回收率均提高，其中生態設計水平明顯提高，而回收率僅在r策略下有明顯提高。

圖5 k- θ 與供應鏈雙責任行為關系

可見，較之生態設計研發固定成本影響系數，生態設計對制造成本、市場需求和回收量的影響系數對企業雙責任行為的影響更大。這意味著對于制造商而言，從提高生態設計水平和回收率、促進供應鏈層面履行雙責任視角，應重點關注生態設計對制造成本、市場需求和回收量的影響系數，也即關注生態設計對各目標的影響系數，并重點根據其變化動態選擇生態設計策略。

3.4 固定成本要素與雙責任行為

對于本研究的問題2中，當固定成本要素發生改變時3種策略下的企業雙責任行為如何變化，進一步對表3、表4中最優決策的生態設計水平、回收率、單位產品售價、產品單位批發價分別求生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數偏導（詳細證明略，有需要可向作者索取），可得如下結果：根據圖6，可以得到性質6：在3種策略下，隨著生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數增大，生態設計水平和回收率均小幅下降。其中，c策略下的產品批發價和零售價均呈上升趨勢；q策略下的產品批發價和零售價均呈下降趨勢；r策略下的產品批發價降低而零售價提高。

圖6 θ-v 對生態設計、回收及產品價格的影響

可見，生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數分別對不同策略的不同目標的影響有所差異，制造商應結合自身目標及關鍵影響因素的變化來動態選擇生態設計策略。在3種生態設計策略下，若制造商生態設計的主要目標為提高生態設計水平，應重點關注生態設計固定成本；若以提高回收率為主要目標，則應關注回收固定成本。而當制造商生態設計的主要目標為提高零售價或者提高批發價，在不同生態設計策略下所關注的重點則有所差異：當制造商選擇c策略時，關注生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數僅能對產品批發價產生一定的影響；當制造商選擇q策略時，生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數則會對零售價和批發價均產生影響；相反，當制造商選擇r策略時，生態設計研發固定成本影響系數和回收固定成本影響系數應不作為影響零售價和批發價的考慮重點。此外，結合產品銷售價格及消費者綠色偏好來看，消費者或愿意購買采用r策略下生態設計的產品，可以較低的價格購買回收率較高的綠色產品。而從制造商視角，在考慮行業環境因素以外，還可以將下游零售商偏好作為策略選擇的參考因素之一：下游零售商若重點關注產品批發價，應優先選擇c策略；若重點關注產品售價，應優先選擇q策略；若重點關注產品的末端回收率，r策略則是最優的選擇。

4 結論

為探究多樣化生態設計策略對雙責任閉環供應鏈決策的差異化影響，本研究考慮生態設計面向降低制造成本、提高產品銷量和提高回收率的3種生態設計策略，分別建立由單一制造商和單一零售商構成的二級閉環供應鏈博弈模型，剖析不同生態設計策略的影響機制，以及供應鏈要素變化帶來的影響機制變化所在。主要研究結論如下：

（1）在3種生態設計策略下，生態設計水平對零售商決策的影響范圍和方向具有差異性：c策略下，生態設計水平不影響零售商決策；q策略下，生態設計水平對回收率具有正向影響，對零售價的影響則存在閾值；r策略下，生態設計水平對回收率同樣具有正向影響，但對零售價則具有負向影響。

（2）制造商應根據閉環供應鏈市場特征的變化選擇不同的生態設計策略。為了更好地履行供應鏈層面的雙責任行為，當消費市場處于初期階段、回收市場處于成熟階段時，應優先選擇r策略；當消費市場和回收市場均處于初期階段時，若以提高生態設計水平為主要目標，應優先選擇c策略，而若以提高末端回收率為主要目標時，則仍應優先選擇r策略；當消費市場處于成熟階段、回收市場也相應進入成熟階段時，應避免選擇c策略；若消費市場進入成熟階段而回收市場處于初期階段時，當制造商以提升生態設計水平為主要目標時，應優先選擇q策略，而若以提高供應鏈整體收益或提高末端回收率為主要目標時，應優先選擇r策略。

（3）從促進雙責任履行視角，制造商應結合自身需求或目標關注閉環供應鏈層面的關鍵要素。在3種生態設計策略下，消費者價格敏感性應作為重點考慮因素，因其對生態設計水平和回收率均產生較大的影響；此外，若制造商以提高生態設計水平為目的，均應優先考慮生態設計固定成本因素，若以提高回收率為目的，則應優先考慮回收固定成本因素。當制造商選擇c策略時，生態設計固定成本和回收固定成本將是影響產品批發價的關鍵影響因素；當制造商選擇q策略時，生態設計固定成本和回收固定成本則是對產品銷售價格以及批發價產生影響的關鍵因素；而當制造商選擇r策略時，行業內回收收益的變化情況則是影響生態設計水平的重要因素。