碳限額與交易政策下不同權力結構綠色海運供應鏈博弈

梁志超　蔣冉

摘? ?要：在航運業碳減排背景下，為研究不同權力結構對采取不同減排措施的碼頭和船公司組成的兩級海運供應鏈決策的影響，分別構建了碳限額與交易政策下碼頭為主導者、船公司為主導者的博弈模型及Nash博弈模型，并進行了碳價對供應鏈決策影響的數值分析。通過分析表明，相同減排措施下，碼頭、船公司分別作為主導者的供應鏈的總服務價格更高，但利潤與碳排放更低；轉換低硫油的供應鏈因其碳排放更高，而且更易受限額與交易政策的影響，碳交易價格的上升使其利潤下降。

關鍵詞：限額與交易政策；海運供應鏈；權力結構；碳減排；博弈論

中圖分類號：F274；X196? ? ? 文獻標志碼：A? 文章編號：1673-291X（2023）04-0077-06

國際海事組織（IMO）2020年報告數據顯示，2012—2018年間，航運業二氧化碳（CO2）排放量從2012年的9.62億噸增加到2018年的10.56億噸，增長9.3％。為降低航運業碳排放，IMO于2018年4月13日通過了全球首份航運業溫室氣體減排初步戰略。以2008年碳排放為基準，提出到2030年和2050年分別將航運業碳排放強度降低40%和70%的目標。為實現港口區域的碳減排，許多國家實施了多種低碳政策，包括碳限額、限額與交易政策和碳稅等。其中，限額與交易政策因其靈活性已被廣泛接受[1]。因此，如何在限額與交易政策下實現港區的碳減排成為了重要的議題。

面對政府的減排政策及二氧化硫等大氣污染物的減排規定，碼頭、船舶常采用的清潔措施為使用岸電（SP），換用低硫油（LSFO）、液化天然氣（LNG）等清潔能源，其中比較有代表性的是SP與LSFO[2]。因此，本文也主要聚焦于這兩種減排措施。

碼頭和船公司是港區減排的兩大主體，本文研究對象為碼頭—船公司兩級海運供應鏈。碼頭之間、船公司之間、海運供應鏈之間以及碼頭與船公司之間存在著復雜的橫向和縱向競爭關系。碼頭作為海運供應鏈的運輸樞紐，有很強的區域壟斷地位，在一些情況下是整個海運供應鏈的主導者[3]。但是，隨著世界貿易增長放緩，船公司會整合為航運聯盟以減輕行業低迷的影響。航運聯盟的穩定運營逐步提高了船公司的主導地位，因此在其他一些情況下，船公司也可以作為整個海運供應鏈的主導者[4]。

基于上述背景，本文建立了考慮不同權力結構的兩條采用不同減排措施的碼頭-船公司組成的兩級海運供應鏈為主體的博弈模型，分別分析了碼頭主導的Stackelberg博弈、船公司主導的Stackelberg博弈，以及碼頭與船公司的Nash博弈的均衡策略。通過比較不同權力結構下的均衡結果，研究了不同的碳交易價格對于供應鏈參與者的最優定價和利潤的影響。研究的結果可以為政府（監管者）制定海運業的碳交易政策提供參考。

一、問題描述

在限額與交易政策下，碼頭與船公司都需要采取相應的減排措施的實現政府的環保要求。參考Yang等[1]的研究，假設每條海運供應鏈都由一個碼頭和對應的一家船公司組成，其中兩個碼頭隸屬于同一壟斷港口，但分屬于不同的碼頭運營商，碼頭的總體需求由共同腹地的集裝箱貨物進出所決定。碼頭面對CO2減排要求，其中一個注重環保的碼頭安裝了岸電設施（SP碼頭），而另一個碼頭不做改變（LSFO碼頭）。選取兩家提供同質運輸服務，通過價格進行競爭的船公司，其中，注重環保的船公司的船舶均安裝了岸電設施（SP船舶），而另一家船公司的船舶不做改變（LSFO船舶）。假設SP船舶僅?？吭赟P碼頭，并在?？康钠陂g使用岸電，而LSFO船舶停靠LSFO碼頭。

綜上，使用不同減排措施的碼頭與船公司形成了一一對應關系，組成了使用SP的海運供應鏈（SP供應鏈）與換用LSFO的海運供應鏈（LSFO供應鏈）。供應鏈的具體結構如圖1所示。

本文所需相關上下標、參數和決策變量如表1所示。

根據圖1，在限額與交易政策下，政府分配給不同減排措施的碼頭不同的碳排放配額。SP船舶停泊期間，連接岸電設施過程中會產生少量CO2排放；LSFO船舶停泊期間，全過程都會產生CO2排放。如果碼頭區域的碳排放總量超過配額，碼頭必須在碳交易市場上以一定的碳價購買額外的配額；相反地，碼頭可以出售多余的配額。碳價由碳交易市場決定，可視作外生變量。

為便于后續的建模和分析，有兩個關鍵假設及其解釋如下：

假設1單位集裝箱通過碼頭產生的初始碳排放量為一定的常數，總碳排放量與集裝箱總量成線性關系[5]。

假設2需求是總服務價格的線性函數，線性需求函數廣泛應用于碼頭供應鏈的需求建模[1]。

二、博弈模型

三、模型求解

（一）碼頭主導的Stackelberg博弈

（二）船公司主導的Stackelberg博弈

（三）權力均等的Nash博弈

四、數值模擬

本節對博弈結果進行數值模擬。相關參數的數值及來源說明如下。

因為目前航運業碳價無可參考標準，結合現行國際碳價及其未來上漲的趨勢[15]，假定碳價的變化范圍為0—300 USD，對其進行靈敏度分析，分析其變化對供應鏈及其成員的服務價格和利潤的影響。

（一）碳價對供應鏈總服務價格的影響

圖2展示了三種不同權力結構下不同減排措施的供應鏈的總服務定價關于碳價的變化情況。不同減排措施的供應鏈在不同權力結構下的總服務定價都隨碳價的上升而上升。其中LSFO供應鏈的服務定價的上升趨勢更明顯，表明LSFO供應鏈受碳價變化的影響更大。各權力結構中LSFO供應鏈的服務定價都要高于同結構SP供應鏈的服務定價。

此外，如圖2所示，j=T、j=S兩種權力結構下，相同減排措施的海運供應鏈的總服務定價是一致的，都高于j=N權力結構的供應鏈的服務定價。這表明，當供應鏈成員雙方處于權力均等時，其更傾向設定更低的服務價格，以吸引更多的客戶。

（二）碳價對碳排放的影響

圖3展示了采用SP、LSFO兩種減排措施下，不同權力結構的海運供應鏈的碳排放總量關于碳價的變化情況。SP供應鏈在不同權力結構下的碳排放都隨碳價的上升而上升，LSFO供應鏈在不同權力結構下的碳排放都隨碳價的上升而下降。其中LSFO供應鏈碳排放的下降趨勢更明顯，表明LSFO海運供應鏈受碳價變化的影響更大，體現了碳交易政策的效果。

此外，j=T、j=S兩種權力結構下，相同減排措施的供應鏈的碳排放是一致的，都低于j=N權力結構的供應鏈。這表明，當供應鏈成員權力均等時，競爭更充分，傾向設定更低的服務價格以吸引更多的客戶，進而產生更多的碳排放。在各權力結構中LSFO供應鏈的碳排放都要高于同結構SP供應鏈的碳排放。LSFO的碳清潔能力有限，換用LSFO本是為應對SO2減排要求的措施。以監管者的角度來看，如果為了進一步降低碳排放，可以推廣岸電設施，提高岸電船舶與岸電碼頭的數量，以及提升岸電設施的使用率。

（三）碳價對供應鏈利潤的影響

由均衡結果可知，服務價格及碳排放量不受碳排放限額的影響，但是碼頭利潤與供應鏈利潤均受碳排放限額影響。目前海運業的限額與交易政策實施尚處于探索階段，其碳排放限額給定方式尚無定論。為了便于研究，參考目前數值模擬出的供應鏈碳排放量，根據不同的減排措施給定兩個碳排放限額的數值KE=1 200t、KF=70 000t，以便進行后續的利潤計算與分析。該設置考慮SP是一種更清潔的減排方式，考慮促進SP的推廣和使用，使不同權力結構的SP供應鏈都可以有多余配額出售，提升其利潤；不同權力結構的LSFO供應鏈都需要額外從碳交易市場購買配額，增加其成本。

圖4展示了三種不同權力結構下不同減排措施的供應鏈的利潤關于碳價的變化情況。SP供應鏈在不同權力結構下的利潤都隨碳價的上升而上升，LSFO供應鏈在不同權力結構下的利潤都隨碳價的上升而下降。其中LSFO供應鏈的利潤隨碳價下降的趨勢更明顯，表明LSFO供應鏈的利潤更易受碳價變化的影響。SP供應鏈可以通過出售多余配額獲利，LSFO供應鏈因購買額外配額成本上升而利潤降低。此外，兩條供應鏈的總定價雖然都會隨碳價的上升而上升，但LSFO供應鏈定價受碳價變化影響更明顯，上升更快。結合碳排放模擬結果易知LSFO貨運量下降，SP貨運量稍有上升。因此各權力結構中SP供應鏈的利潤都要高于同權力結構的LSFO供應鏈的利潤。

此外，如圖4所示，j=T、j=S兩種權力結構下，相同減排措施的供應鏈的總利潤是一致的，都低于j=N權力結構的供應鏈的總利潤。這表明，當供應鏈成員雙方處于權力平衡時，其更傾向設定更低的服務價格，以吸引更多客戶，獲得更高利潤。

五、結論與展望

本文研究了限額與交易政策下分別采用SP、LSFO措施的兩條碼頭—船公司兩級海運供應鏈在不同的權力結構下進行港內競爭時的決策。通過對三種權力結構下的博弈求解，分析了碳交易價格對供應鏈及其成員的定價、利潤、碳排放的影響，并得出以下主要結論。

1.考慮服務定價，LSFO供應鏈的總服務價格高于SP供應鏈。因其碳排放更高，更易受限額與交易政策影響，所以更傾向提高服務價格、降低貨運量，從而降低碳排放。此外，權力均等的供應鏈競爭更為充分，所以傾向設定更低的服務價格以吸引更多的客戶。貨主（貨代）可以考慮選擇權力均等的SP供應鏈使總服務費用更低。

2.考慮碳排放，LSFO供應鏈的碳排放總是高于SP供應鏈。因為換用LSFO是常用的硫清潔措施，該措施CO2減排效果較弱。此外，同減排措施下，權力均等的供應鏈的碳排放總是高于權力不均等的兩種供應鏈。政府（監管者）出于降低碳排放的考量，可以進一步推廣岸電設施的安裝與使用，并鼓勵供應鏈處于權力不均等的結構。

3.考慮利潤，從供應鏈整體上看，權力均等的供應鏈總利潤更高。監管者可以鼓勵供應鏈處于權力均等的結構，提升供應鏈的整體利潤。

本研究考慮的模型中的每條供應鏈由一個碼頭和一個船公司組成，更現實的海運供應鏈則需要考慮多個船公司。本研究假定了兩條供應鏈分別采用兩種不同的減排措施。未來的研究中可以考慮更多的減排措施，可以考慮一個碼頭對應多個采用不同減排措施的船公司。

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Game Analysis of Green Maritime Supply Chains with Different Power Structures under Cap-and-trade Policy

Liang Zhichao Jiang Ran

（1. Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Antai College of Economics and Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China）

Abstract： In the context of carbon emission reduction in the shipping industry， this study investigates the influence of different power structures on the decision making of the two-echelon maritime supply chains composed of terminals and shipping companies that adopt different emission abatement measures. Three different game models with different power structures （a terminal-dominated game， a shipping company-dominated game， and a Nash game） are proposed， and a numerical analysis of the influence of carbon price on the supply chain decision making is conducted. The analysis shows that under the same emission reduction measures， the total service price of the supply chain in which the terminal and shipping company are the leading players is higher， but the profit and carbon emissions are lower. In addition， the supply chain switching to low-sulfur oil is more vulnerable to the cap-and-trade policy because of its higher carbon emissions， which makes it less profitable with increasing carbon trading price.

Key words： cap-and-trade policy; maritime supply chain; power structure; carbon emission reduction; game theory

[責任編輯? ?柯? ?黎]