《历史法下钢铁供应链合作减排决策研究》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

历史法下钢铁供应链合作减排决策研究

范文

武艳玲廖志高陈玉

摘要：研究两级钢铁供应链企业在独立决策、减排成本分担、利润分享和完全合作等4种方式下的减排决策问题。首先建立4种方式下的斯坦伯格博弈模型，并运用逆向归纳法对模型进行求解，然后通过模型分析与数值仿真探讨不同碳交易价格、减排投资成本系数对企業定价、减排决策等的影响。研究结果表明：销售价格、减排率与碳交易价格呈正相关，与减排投资成本系数呈负相关;完全合作下的减排率和利润最优，其次是利润分享和减排成奉分担，最后是独立决策。总之，完全合作对企业来说是有利可图的。该文的研究成果可以为钢铁供应链的减排提供一定的借鉴。

关键词：钢铁供应链;合作减排;定价;历史法

中图分类号：X196DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.017

0 引言

温室气体排放所造成的气候问题给全球经济可持续发展带来了严峻挑战。为了应对环境的变化，国际上推出了诸多环境保护政策，其中碳交易政策更能降低碳减排成本、提高企业利润和降低碳排放量。我国于2017年12月19日启动了全国碳排放交易市场。钢铁行业作为能耗高、碳排放总量大的重点行业，预计将很快纳入全国碳交易市场。在此背景下，钢铁行业面临碳减排的巨大挑战，而碳减排时需要考虑到减排成本、需求量、交易后的收益等因素，因此碳减排问题应该从整个供应链运营着手，其中供应链企业合作减排是目前最重要的热点问题之一。

有关供应链合作减排的研究主要包括减排研发合作、减排成本分担、所增利润分享、持股投资等。其中魏守道引入碳排放量的动态变化并侧重于从水平研发溢出率和垂直研发溢出率研究4种供应链企业减排研发的策略选择;张乐等在成本分担契约下对供应链运输模式进行了比较研究，发现制造商和零售商可以通过制定成本分担契约使得双方利润实现帕累托改进;李友东等分析了在分享减排所增收益与分担减排投资成本两种契约下，主体的最优减排水平及最优利润;刘名武等在碳交易政策下，引入零售商持股、制造商减排投资战略，发现零售商持股既能减少碳排放，又能实现供应链成员的利润增长。但零售商持股比例不是越大越好而是存在合适的比例。

与本研究相关的另一类文献是碳政策下供应链定价决策问题。其中，xu等探讨了制造商在限额交易和碳税政策下的联合生产和定价问题，他们比较了两项政策对碳排放总量、企业利润和社会福利的影响，发现在碳限额交易制度下，排放交易价格和上限在最优生产数量上起了决定性作用;焦建玲等为了研究地方政府和企业的演化博弈均衡，在碳减排奖惩机制下，应用数值仿真讨论了不同变量对企业定价决策的影响，研究结果表明：碳交易价格对地方政府监督的积极性有影响;碳交易价格的增加使得企业从购入碳排放权转为出售碳排放权。

供应链企业在进行合作减排时会对其产品价格、生产成本产生一定的影响，而同时考虑合作减排、产品价格和生产成本的文献却较少。虽然李辉等研究了闭环供应链中制造商和零售商不同的合作减排模式对减排率、回收率、定价等的影响，但未能探讨碳交易政策对其的影响，同时只是将生产成本作为常数考虑。另外，免费分配作为初始碳排放配额的方式之一，有助于改善国家福利，提高企业利润。目前我国碳交易市场大多采用免费分配，免费分配有两种方式：历史法、基准法。钢铁行业因其产品多样性，大多选用历史法进行分配。基于此，本文研究在历史法下当生产成本受减排率影响时，钢铁供应链不同合作减排模式对企业减排率、定价、利润等的影响，为钢铁供应链实现合作减排提供参考。

1 问题描述和基本假设

1.1问题描述

为了研究在历史法下钢铁供应链不同合作减排方式对企业决策的影响，本文构建了一个钢铁制造商和批发商组成的两级供应链，其中钢铁制造商是控排企业，钢铁批发商是非控排企业。钢铁制造商作为核心企业，具有议价能力，优先进行决策，其根据自身的成本和市场的情况决定所生产产品的批发价格和企业的减排率，下游钢铁批发商根据制造商的批发价格、市场情况和自身的成本决定产品的销售价格。为了方便研究，本文构建了历史法下钢铁供应链结构图，如图1所示。

1.2基本假设

2）随着消费者的低碳意识增强，消费者需求量满足Q=a-bpr+cτm，其中，a——该产品的原市场需求量，b——价格对市场需求量的影响因子，pr——批发商的单位销售价格，c——消费者对碳排放的敏感度，且a>0，b>0，a>bpr，pr>0，c>0.

3）减排投资能够降低产品生产成本。设每提高一个减排率百分点，能够降低传统边际成本为n（n为减排率对降低企业边际成本的贡献率）。

2模型构建与求解

2.1独立决策

在独立决策的情况下，制造商由于受到历史法的约束，意识到传统的生产方式大大增加了企业碳交易成本，给企业带来了较大的成本压力，为了减小成本压力，企业只有通过减排技术大大降低碳排放量，使其碳配额有所剩余，并在碳交易市场中卖掉获得收益。这时制造商的利润主要由销售收入、碳配额交易成本（收益）和碳减排成本3部分组成，而批发商没有受到历史法的制约，以自身利润最大化为目标决策销售价格，本文不考虑批发商的成本，因此批发商的利润只包括销售收入。二者的利润函数如下：其中，pm——制造商的单位批发价格;cm——无减排时制造商的单位生产成本;Q——消费者需求量;

em——减排前单位产品产生的碳排放量;ζm——历史法下政府按照总量分配的碳配额;Pe——单位碳交易价格;πm1——制造商的利润;πr1——批发商的利润。

逆向归纳法对模型进行求解，式（2）对pr求二阶导数，可以得到-2b<0，式（2）存在唯一最优解，令其

2.2减排成本分担

为了实现钢铁供应链的整体减排，企业之间应该进行合作。制造商减排投资增加利润，但其自身的利润增长低于不受碳交易约束的批发商的利润增长，“搭便车”现象存在。因此批发商应该承担制造商的一部分碳减排成本，制造商的成本减少利润就会增加，从而促使其加大减排投资，减排量增加。在此背景下，博弈顺序为：批发商决定分担比例;制造商决定批发价和减排率;批发商决定销售价格。此时，制造商和批发商的利润函数如下：

其中，λ为减排成本分担率。

采用逆向归纳法进行求解，式（4）对pr求二阶导数，可以得到-26<0，式（4）存在唯一最优解，令其一阶偏导数等于0，可以求得批发商的最优销售价格和需求量。将求解出的Q代入πm2，由于海赛矩阵一阶顺序主子式小于0，二阶顺序主子式为4bβm（1-λ）-（c+bn+bempe）2，所以当4bβ（1-λ）-（c+bn+bemPe）2>0时，海赛矩阵为负定，此时式（3）存在局部最优解。式（3）对Pm、τm求一阶偏导，令其为0，求得最优批发价和减排率，将其代入之前求解的最优销售价格和需求量，将这4个变量代入式（4），对λ求二阶导，得到当5（c+bemPe）2一8（b+2bλ）βm<0时，式（4）存在唯一最优解，令其一阶偏导数等于0，可以求得最终分担率为：

将λ1代入上面的约束条件及上述的4个变量和利润函数中，

可求得在满足8bβm-3（c+bn+bemPe）2>0的条件下，最终的减排率、需求量、批发价格、零售价格、批发商利润、制造商利润分别为：

2.3利润分享

利润分享是指批发商将自己销售利润的一部分分享给制造商，从而促进制造商减排，并增加产品需求量，进而增加利润。博弈顺序为：批发商决定利润分享率;制造商决定批发价和减排率;批发商决定销售价格。此时，制造商和批发商的利润函数如下：其中，θ为减排成本分担率。

采用逆向归纳法进行求解，过程同2.2类似，求得在满足2bβm-（c+bn+bemPe）2>0条件下，解得最终批发价格、销售价格、减排率、需求量、批发商利润、制造商利润分别为：

2.4完全合作

完全合作是指制造商和批发商之间建立了充分信任的合作联盟，企业之间的批发价格已经不复存在，他们以供应链上的总利润最大化为目标进行决策，共同决定产品的销售价格和减排率。其利润函数如下：

式（7）的海赛矩阵一阶顺序主子式小于0，而二阶顺序主子式为2bβm-（c+bn+bemPe）2，所以当2bβm-（c+bn+bemPe）2>0时，海赛矩阵为负定，此时式（7）存在局部最优解。解得最终减排率、销售价格、需求量、供应链利润分别为：

在完全合作形式下，企业不仅关心供应链总利润，更关心在合作中能够分得多少份额的收益。由于shapley法拥有必定存在，且是唯一的，又易于被用作量化计算的特点，是一个在博弈学、经济学和其他社会科学上最被广泛使用的解法，因此本文采用此方法来对供應链合作利润进行分配，另外此法根据合作中各企业对合作联盟的贡献值的多少而得出分配的比例，公平、合理且能够让企业接受。

本节用πm4和πr4分别表示制造商和批发商利润分配的shapley值。其中制造商利润的shapley值计算如表1所示。其中，s表示在此合作模式下合作企业间组成的集合的任一子集，π（s）表示相应子集通过合作获得的利润，π（s＼m）表示相应子集中去除参与企业制造商的合作利润，π（s）-π（s＼m）表示参与企业制造商在相应子集中所带来的利润贡献，…表示相应子集中的参与企业数量，ω（|s|）表示加权因子，w（|s|）[π（s）-π（s＼m）]表示参与企业制造商在每个子集中通过shapley值法获得的利润分配值。

将上表最后一行的数据进行加和，可得制造商在完全合作时的利润分配额为：

3博弈结果分析

结论1当2bβm-（c+bn+bemPe）2>0时，τm1<τm2<τm3<τm4。

证明在同时满足2bβm-（c+bn+bemPe）2>0、4bβm-（c+bn+bemPe）2>0和8bβm-3（c+bn+bemPe）2>0的条件下，

而在3个约束条件中，2bβm-（c+bn+bemPe）2最小，所以，当2bβm-（c+bn+bemPe）2>0时，τm1<τm2<τm3<τm4命题得证。

结论1说明在历史法下，完全合作时制造商的减排率是最高的，其次是利润分享，再次是减排成本分担，最后是独立决策，可以得出相互合作制造商的减排率要高于不合作制造商的减排率的结论。所以，钢铁供应链在实施减排时，应加强制造商与批发商的减排合作，只有通过这种方式才能取得较好的减排效果。

结论2说明完全合作下的决策（需求量、制造商利润、批发商利润、供应链总利润）大于利润分享大于减排成本分担大于独立决策，可以得出相互合作的决策大于不合作的决策。所以，合作对于供应链企业来说是有利的。

结论3说明在历史法下减排成本分担率、利润分享率与碳交易价格成正比，与减排投资成本系数成反比，而制造商减排率与减排成本分担率、利润分享率成正比，因此提高碳交易价格可以提高批发商对制造商的减排成本分担率、利润分享率，从而提高制造商减排率。

4算例分析

下面通过数值算例验证结论，并进一步分析碳交易价格和减排投资成本系数对不同合作方式下供应链各决策变量的影响。在满足最优解的条件下，令a=100，b=1.25，ζm=55，cm=15，n=0.002，em=3，c=2.不同碳交易价格下供应链企业的最优决策和利润如表2-表4所示，这里令βm=200.

通过观察表2-表4可以看出：

1）不管在哪种合作方式下，減排率都随着碳交易价格的增加而增加，这主要是由于市场的碳交易价格增加，使得制造商为了减少从碳市场购买所需的碳配额，考虑加大减排投资力度，从而使得减排率增加。另外，结论1中τm1<τm2<τm3<τm4成立，说明合作减排有利于制造商进行碳减排，完全合作时减排力度最大，且远大于其他合作方式下的减排率，独立决策时减排率最小。

2）在独立决策、减排成本分担方式下，随着碳交易价格的增加，销售价格增加、需求量减少;在利润分享、完全合作方式下，随着碳交易价格的增加，销售价格先增加后减少、需求量增加。这说明在独立决策、减排成本分担方式下碳交易价格的增加提高了产品的成本，不利于产品的销售，而在利润分享、完全合作下碳交易价格的增加有利于产品的销售。另外pr2>pr1>pr3>pr4，Q1234，说明利润分享、完全合作时的销售价格低于在独立决策、减排成本分担时的销售价格，合作有助于产品的销售，完全合作时需求量最大，且远大于其他合作方式下的需求量，独立决策时需求量最小。

3）无论在哪种合作方式下，制造商的利润都随着碳交易价格的增加而增加，批发商的利润都随着碳交易价格的增加而减少，供应链总利润都随着碳交易价格的增加而增加，这说明碳交易价格的增加对于制造商来说是有利的，对于批发商来说是不利的，而对于供应链整体来说是有利的。另外πm1<πm2<πm3<πm4，πr1<πr2<πr3<πr4，π1<π2<π3<π4，结论2成立，说明合作既能提高供应链总利润，也能提高供应链各个企业的利润，其中完全合作时利润最大，且远大于其他合作方式下的利润，独立决策时利润最小。

综上所述，减排成本分担合作、利润分享合作、完全合作在理论上都具有可行性，这些合作方式既有利于企业增加减排又有利于企业增加利润，完全合作方式下效果最优，如果企业较难做到完全合作，也可以选择利润分享合作。

不同减排投资成本系数下供应链企业的最优决策和利润如表5-表7所示，这里令Pe=1.

通过观察表5-表7可以看出：

1）不管在哪种合作方式下，减排率都随着减排投资成本系数的增加而减少，这主要是由于减排投资成本系数的增加，使得制造商的减排成本增加，企业不愿花大量金钱进行碳减排而转去碳市场购买碳配额，从而使减排率降低，另外，结论1中πm1<πm2<πm3<πm4成立，说明合作减排有利于制造商进行碳减排，完全合作时减排力度最大，且远大于其他合作方式下的减排率，独立决策时减排率最小。

2）在独立决策、减排成本分担方式下，随着减排投资成本系数的增加，销售价格减少、需求量减少;在利润分享、完全合作方式下，随着减排投资成本系数的增加，销售价格增加、需求量减少。这说明不管在哪种合作方式下，减排投资成本系数的增加都不利于产品的销售。另外，Pr2>Pr1>Pr3>Pm4，Q1234，说明不管碳交易价格、减排投资成本系数如何变化，利润分享、完全合作时的销售价格都低于在独立决策、减排成本分担合作时的销售价格，利润分享、完全合作时的需求量都高于在独立决策、减排成本分担合作时的需求量。

3）无论在哪种合作方式下，制造商的利润、批发商的利润、供应链总利润都随着减排投资成本系数的增加而减少，这说明减排投资成本系数的增加对于企业利润是不利的。另外，πm1<πm2<πm3<πm4，πr1<πr2<πr1<πr1，π1<π2<π3<π4，結论2成立，说明合作既能提高供应链总利润，也能提高供应链各个企业的利润，其中完全合作时利润最大，且远大于其他合作方式下的利润，独立决策时利润最小。

碳交易价格和减排投资成本系数对减排成本分担率和利润分享率的影响如图2和图3所示。

5 结论

本文构建了在历史法下，以钢铁制造商为主导者，批发商作为跟随者的两阶段斯坦伯格博弈模型，研究在独立决策、减排成本分担、利润分享和完全合作下供应链成员的最优决策。通过算例分析在不同碳交易价格、减排投资成本系数下，4种合作方式对钢铁供应链的定价、减排决策、需求量及利润的影响。研究发现：不管在哪种合作方式下，碳交易价格的增加都有助于减排率、制造商利润、供应链利润的增加;而减排投资成本系数的增加都使减排率、制造商利润、批发商利润和供应链利润降低。减排成本分担合作、利润分享合作、完全合作在理论上都具有可行性，这些合作都既有利于企业增加减排率又有利于企业增加利润。完全合作下的企业决策优于利润分享优于减排成本分担优于独立决策，虽然完全合作方式下效果最优，但现实中企业较难做到完全合作，因此企业可以选择利润分享合作，总之尽可能合作对企业来说是有利可图的。

根据本文的研究结论，提出如下建议：1）对于政府而言，应该制定相关措施促使碳交易价格提高，对钢铁批发商进行补贴或减免税等措施鼓励其主动与制造商进行合作。由于目前钢铁行业产品质量良莠不齐，政府应该给予核心制造商一定的补贴鼓励其提高技改建立统一的产品质量标准。2）对于钢铁制造商而言，作为供应链中的核心企业应该主动与下游企业进行合作谈判，建立长期合作伙伴关系，为了让下游批发商同自己合作共同降低碳排放，制造商应该给予批发商一些优惠，例如：在下一年度提货后结算发票时进行价格优惠折让;送货上门;给予计算机系统及信息技术支持降低配送成本等。

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。