三维交易模式下企业协同低碳减排研究

邢恩凤，史成东，闫秀霞，程顺斌，林 静，倪士萍

(1.山东理工大学管理学院，山东 淄博 255000；2.沂水县马站镇政府办公室综合科，山东 临沂 276000； 3.淄博热力有限公司企审处，山东 淄博 255000； 4.中石油长庆油田第十二采油厂人事科，陕西 西安 710200)

1 引言

自进入工业时代以来，全球气候变暖问题已经引起全世界的普遍关注，人类在经济活动中产生的碳排放是导致温室效应的主要原因也已成为全球性共识。温室气体减排已经成为全人类社会发展的重要议题。中国作为一个发展较快的制造业大国，经济快速发展的同时带来的是碳排放量的大量增加。因此经济发展与社会效益之间的问题十分严峻。“十九大”报告提出的生态文明建设、绿色发展、“两山论”等号召，表明了国家对低碳发展、生态文明建设的坚定信念。在低碳背景下，世界各国政府及企业都在积极响应低碳减排的号召，知名企业如沃尔玛等早已要求其供应商提供碳标签来响应低碳政策。我国作为一个能源消耗和碳排放量大国，政府也相继制定了许多低碳政策，如实行碳税、碳排放限额等[1]。然而，目前我国企业自主减排积极性不高，减排行为大多数为被动减排，且多为独立减排活动，手段方式均比较单一，缺少多个企业的协同合作。而政府也主要以碳配额控制为主，很容易造成资源的浪费及减排的低效率。造成这一问题的深层原因是中国企业在开展减排活动的过程中，往往把目光局限于内部组织，忽视了再制造闭环供应链及其节点企业之间的低碳减排协调运行，缺乏相互的信息和资源共享。许多研究和实践证明：在政府监管、契约协调和市场机制的影响下，供应链低碳减排具有外部积极效应；节点企业通过双赢、共赢的引导，实现资源的再利用、低碳产品的高市场占有率、生产服务的低碳化、低碳产业的发展及低碳技术的进步等[2-7]。

随着环境问题愈发突出，国内外学者对低碳供应链的研究也越来越深入。孙嘉楠和肖忠东[8]在考虑消费者低碳偏好的基础上，通过将消费者的渠道偏好进行区分以及不同决策模式的对比及数值算例分析，初步得出了低碳供应链最优的减排边界。李友东和赵道致[9]构建了纳什博弈和Stackelberg博弈二级供应链模型，分析了两种博弈形式下企业低碳研发合作和政府补贴策略的影响作用。吴义生[10]构建了演化模型来分析低碳供应链协同运作的演化过程，并通过应用仿真分析，得出了低碳供应链协同运作的机理。赵道致等[11]构建了Stackelberg微分博弈模型，得出制造商和供应商的最优反馈均衡策略。史成东等[12]对消费者偏好、政府碳排放限额等因素对供应链协同的影响进行了研究。

张国兴等[13]通过研究我国节能减排政策的现状的不足，从我国节能减排政策协同现状及效果评估、国外协同模式对我国的启示和借鉴、最优协同方式探寻等七个方面讨论了我国节能减排政策协同的后续研究方向。程永伟等[14]研究了混合碳政策对供应链定价、利润、混合策略等的影响，建立了碳交易-碳税的两阶段供应链减排决策模型。谢鑫鹏和赵道致[15]对企业在减排过程中的相互作用、碳交易价格对减排效果的影响以及社会福利的比较等问题进行深入讨论，为制造型企业做出合理的减排决策提供一定的智力支持。周熙登[16]通过考虑由单一制造商和单一零售商组成的两级供应链系统，分析了集中式双渠道供应链决策，以及基于Stackelberg博弈的分散式双渠道供应链决策，得到了双渠道供应链的最优定价以及最优减排量。赵道致和王楚格[17]研究了供应链企业面对低碳政策的减排决策方法，得出了企业的最优减排量及最优产量，并通过数值模拟说明了该模型在实践中的应用。张佳雨[18]运用环境经济学的相关理论和运筹学优化、博弈论的相关方法，研究了刺激供应链企业合作研发的政策选择与制定问题。谢家平等[19]研究了两级闭环供应链中制造商和零售商分别主导的情况下收益共享契约机制策略问题。

综上所述，多数研究以制造商和销售商构成的二级低碳开环供应链为对象，对考虑由第三方回收商所构成的低碳再制造闭环供应链所进行的研究较少；多数研究考虑影响低碳减排因素较少，且以二维交易模式为主，对综合考虑多种影响因素和三维交易模式所进行的研究较少。本文的主要贡献有3点：一是考虑销售和回收均为随机市场情况下，用均值方差法刻画节点企业风险规避特性，构建了低碳减排模型；二是将资源-产品二维交易模式拓展成资源-产品-碳排放权的三维交易模式；三是设计了三维交易下低碳减排的成本共担与收益共享契约，实现了低碳供应链的优化和协调。

2 基本假设

本文基于上述理论和文献研究，形成以下假设。

假设1 低碳再制造闭环供应链由一个低碳制造商、一个销售商及一个第三方回收商构成，制造商、销售商、第三方回收商均具有风险规避特性，正向渠道销售商驱动、逆向渠道制造商驱动。

假设 2 低碳再制造产品与低碳新产品完全相同[20]，并以同样批发价w销售给销售商。

假设3 参考文献[21-22]，将废旧产品回收量设为：G(b3p)=t+hb3p。其中：t=t0+ε，ε∈N(0,σ2)。t代表消费者的环保意识，h为消费者对于回收价格b3p的供给敏感程度。

假设5 低碳产品的市场需求量与消费者对低碳产品的敏感系数和碳排放量及销售价有关，参考文献[22-23]，将市场需求量函数设为：D(p)=α-βp-λe；α0，β是参数，且α0>0，β>0，α为市场容量，β为消费者对销售价的敏感程度，p为销售价，λ为消费者对低碳产品的敏感系数，e为实施减排技术后制造商生产单位产品的碳排放量。其中：α=α0+ε。α表示低碳产品的最大市场之潜在需求。ε表示了市场需求/供应波动的随机变动量，且ε∈N(0,σ2)。

文中其它参数、变量、函数等含义如表1所示。

表1 其他参数的含义

3 供应链低碳化运作决策分析

3.1 分散决策模型分析

(1)

(2)

(3)

再制造闭环供应链中的分散决策模型是指销售商、制造商和第三方回收商仅以自身利润最大化为目标分散决策出其最优减排量及最优定价。此模型的博弈为正向以销售商为主、逆向渠道以制造商为主，利用Stacklberg博弈，得出博弈的稳定点(均衡解)如式(4)、(5)所示；节点企业的最优期望效用如式(6)所示。详细求解过程略。

(4)

(5)

(6)

定理1分散化决策下，碳排放交易价格与销售价和批发价成正比，与销售量和市场占有率成反比；消费者对低碳产品的敏感系数与销售价和批发价成反比，与销售量和市场占有率成正比；碳排放量与销售价和批发价成正比，与销售量和市场占有率成反比。

证明：将稳定点(均衡解)式(4)、(5)，对相应参数λ、n、e求偏导数即得到定理1。

定理2分散决策下，碳排放交易价格与制造商、销售商的期望效用呈负相关；消费者对低碳产品的敏感程度与制造商、销售商的期望效用呈负相关；同样，碳排放量与其期望效用也呈负相关的关系。

证明：将式(6)分别对n、e、λ、ki求偏导数，即得定理2。

3.2 集中决策模型分析

再制造闭环供应链中的集中决策模型是指供应链节点企业在定价与减排策略问题上均以供应链系统利润最大化为目标进行合作决策。此时供应链系统的总体期望效用目标函数πc为：

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

(7)

最优销售价、回收价、期望效用分别如式(8)、(9)和(10)所示。

(8)

(9)

(10)

定理3低碳再制造闭环供应链化集中决策模中，碳排放交易价格、碳排放量与低碳产品的销售价呈正相关，与销售量和市场占有率呈负相关；消费者对低碳产品的敏感系数与销售价呈负相关，与销售量和市场占有率呈正相关。

证明：通过对公式(4)、(5)、(8)、(9)进行比较，即得定理4。根据定理4可以得出结论1到结论4

结论1 分散决策时的低碳产品的最优销售价高于其集中决策时的低碳产品最优销售价，导致销售量降低，正向渠道没有达到协调状态

结论2 分散决策时的低碳废旧产品回收价格低于其集中决策时的低碳废旧产品回收价格，导致回收量降低，逆向渠道没有达到协调状态。

结论3 分散决策时的销售价和回收价均没有达到其集中决策模型的水平，供应链未达到最优。

3.3 减排合作博弈模型分析

(11)

(12)

(13)

再制造闭环供应链低碳减排合作博弈模型中，节点企业的期望效用如式(14)所示。

(14)

定理6减排合作博弈模型中，碳排放交易价格、消费者对低碳产品的敏感系数、碳排放量与低碳制造商、销售商的期望效用均为负相关

证明：根据式(4)、(8)、(9)，即得定理7。根据式(14)、定理6和定理7，可以得到结论5到结论7。

结论5 低碳化后影子成本减少了n(e0-e)，低碳制造商和销售商的期望效用相应的提高，但批发价和销售价却降低了。

结论6 低碳减排合作过程中，节点企业的风险规避特性、碳排放交易价格、消费者对低碳产品的敏感程度、碳排放量等因素与制造商和销售商的期望效用相关。

结论7 低碳减排合作过程中，废旧低碳产品的回收价格的提高，达到了集中决策模型中废旧低碳产品回收价水平，因此废旧品的回收量增加；低碳产品销售价的降低，达到了集中决策模型中低碳产品的销售价水平，因此销售量增加，市场占有率也随之提高。

4 算例分析

假定某电子产品制造业闭环供应链参数：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 数值仿真研究

取km=kr=k3p=0.4，并将有关参数代入以上三种不同的决策模型推导公式中，当进行低碳化和非低碳化(此时供应链企业无任何低碳减排行为)运作时，供应链节点企业的最优销售价、批发价、废旧低碳产品回收价、最优期望效用如表2所示。

表2 低碳化和非低碳化时，有关变量的变化情况

从表2可以看出，当企业实行低碳化运作时，低碳产品销售价、批发价均相应减少，制造商和销售商期望效用均相应提高，即正向渠道的制造商和销售商的期望效用分别受到不同程度的影响，而逆向渠道的第三方回收商不受影响，因此可以设置积极的低碳政策(如低碳补贴)，来调动供应链企业减排积极性，此外，可以通过恰当的利用收益共享和成本共担的协调机制，实现供应链整体的协调。

当km=kr=k3p=ki时，随着风险厌恶程度的变化，供应链中有关变量的变化情况见表3所示。

表3 风险厌恶程度改变时，有关变量的变化情况

从表3可以看出，分散决策下再制造闭环供应链低碳化运作过程中，风险厌恶程度的提高，使产品销售量、批发价及销售商、低碳制造商、第三方回收商期望效用均降低，转移价、回收价提高；低碳合作减排运作状态下，产品销售价降低、回收价提高，回收量增加，整个链条及节点企业的期望效用有所降低，因此政府要注意对风险的管控。

低碳减排合作博弈决策时，制造商和第三方回收商的成本分担博弈规律如图1，制造商和销售商的收益分担博弈规律如图2。

图1 第三方回收商和低碳制造商的博弈规律

图2 销售商和低碳制造商的博弈规律

从图1、图2中可以得出，节点企业在供应链上的地位和影响力，是具体决定企业期望效用的关键因素。

4.2 灵敏度分析

对参数λ、n、e(敏感系数、碳排放交易价格、碳排放量)进行灵敏度分析时，有关变量的变化情况分别如表4、表5、表6、图3、图4、图5所示。

从表4、图3可以看出，当消费者对低碳产品的敏感系数增大时，除低碳运作集中决策模型下的批发价不变，其余的低碳运作分散决策模型、低碳运作集中决策模型和低碳运作合作博弈模型中，其低碳产品销售价、批发价、供应链整体期望效用及制造商、销售商期望效用均降低。

表4 消费者对低碳产品的敏感系数改变时，有关变量的变化情况

表5 碳排放交易价格改变时，有关变量的变化情况

表6 碳排放量改变时，有关变量的变化情况

图3 λ变化时，销售商和低碳制造商的期望效用变化图

图4 n变化时，销售商和低碳制造商的期望效用变化图

图5 e变化时，销售商和低碳制造商的期望效用变化图

从表5、图4可以看出，当提高碳排放交易价格时，三种决策模型下的低碳产品销售价、批发价提高，供应链整体期望效用及制造商、销售商期望效用降低。

从表6、图5中可以看出，当碳排放量减少时，低碳产品销售价、批发价降低，而供应链期望效用提高了。这说明当碳排放量减少时，销售价降低，从而提高了低碳产品的市场占有率，而且同时提高了制造商、销售商的期望效用，从而起到提高低碳减排积极性的作用。

5 结语

本文就碳排放问题，以销售商驱动的低碳化再制造闭环供应链为研究对象，从三维交易的视角综合考虑了消费者对低碳产品的敏感系数、碳排放交易价格、碳排放量以及供应链节点企业风险厌恶程度(风险规避特性)等影响因素的作用，进行了系统分析和研究。研究结果表明：

(1)当进行碳排放治理时，低碳产品的销售价、批发价均降低，因此产品的市场占有率随之增加，同时销售商和制造商的期望效用均提高。市场占有率和期望效用的提高正说明了低碳减排活动带来的正面效应，对企业进行低碳减排有着积极的影响，也对政府制定低碳减排政策提供了重要的启示。

(2)再制造闭环供应链低碳减排合作过程中，制造商、销售商、第三方回收商部分期望效用的取舍，克服了供应链风险规避造成的不利影响，换取了低碳供应链的Pareto最优、低碳产品销售价格的降低和废旧低碳产品回收价格的提高，提高了市场占有率、减少了废旧产品的资源浪费和环境污染。

(3)消费者对低碳产品的敏感系数的增加，降低了低碳产品销售和批发价格，降低了低碳产品的市场占有率，降低了制造商和销售商的期望效用。这一系列的降低说明了消费者的敏感系数对制造商的压力比较大，制造商要想提高市场占有率和期望效用，必须通过加大研发力度等方法来降低低碳制造成本。

(4)碳排放交易价格的提高，提高低碳产品的销售价，降低了市场占有率，销售商和制造商的期望效用也随之减少，因此要控制碳排放交易价格，同样需要加大研发力度、积极寻求创新性方法来降低碳排放成本，以此制约碳排放交易价格的变动。

(5)碳排放量的减少，降低了低碳产品销售价格，增加了低碳产品的市场占有率和制造商和销售商的期望效用。说明了低碳减排技术起到了提高低碳减排积极性的作用，可以对低碳政策的制定提供启示。

本文研究了低碳再制造产品与低碳新产品完全相同时由第三方回收商回收的再制造闭环供应链的情形，未来研究中将继续考虑当消费者对二者具有不同偏好时的供应链协调机理。