“碳中和”背景下基于演化博弈與雙層規劃的供應鏈減排動力研究

邵舉平, 周將軍, 孫延安

(1.蘇州科技大學 商學院,江蘇 蘇州 215009; 2.蘇州優樂賽供應鏈管理有限公司,江蘇 蘇州 215021)

0 引言

近年來,伴隨全球經濟的發展,其產生的生態環境污染也越來越嚴重。2018年10月,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發表《全球升溫1.5℃特別報告》[1],要求將全球變暖控制在1.5℃以內,以避免一系列氣候變化的影響,這需要世界各國付出努力。為了應對全球變暖與環境惡化,歐盟、美國、日本、巴西等紛紛提出了在2050年之前達到“碳中和”的目標。2020年9月22日,中國政府在第七十五屆聯合國大會上提出在2030年達到碳峰值、2060年實現“碳中和”的目標。2021年3月5日,國務院政府工作報告提出要扎實做好“碳達峰”、“碳中和”的各項工作。2021年3月15日,習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議,研究實現“碳達峰”和“碳中和”的基本思路和主要舉措。在“雙碳”目標的背景下,研究傳統供應鏈如何主動向低碳轉型和發展,具有重要的理論及實踐意義。下文從供應鏈碳排放和低碳供應鏈運作兩方面對目前國內外學者的相關研究進行梳理。

供應鏈碳排放研究方面,陳章躍等[2]提出政府推廣低碳技術可以使企業選擇更高的碳減排水平,江佳秀等[3]認為提供碳補貼可以提高供應鏈企業的減排程度。WU和KUNG[4]研究了兩個不同碳排放技術的競爭供應鏈的非對稱雙寡頭模型,鼓勵金融機構向擁有升級碳排放技術的供應鏈提供優惠貸款。SUN等[5]研究了供應鏈企業間的碳排放轉移和減排問題,結果表明當減排技術的延遲時間和消費者低碳偏好在一定范圍內時,單位產品的碳減排和供應鏈利潤可以同時增加。DOU和CAO[6]研究了碳稅下閉環供應鏈的環境與經濟績效,研究發現如果再制造有利于環保,制造商將擴大生產規模,從而產生更多的碳排放。黃帝和張菊亮[7]考慮不同權力結構下供應鏈最優減排水平和定價決策問題,研究發現對于低排放的制造商,提高碳稅可以提高減排水平;對于高排放的制造商,提高碳稅會降低減排水平。YU等[8]研究信息共享策略及其對供應鏈碳減排的影響,提出需求信息共享對總碳排放沒有影響,但是可以減少浪費的碳排放。WANG等[9]將區塊鏈融入到供應鏈中,提出區塊鏈技術作為一種戰略管理手段,能夠促進供應鏈整合、跟蹤碳足跡,減少碳排放。

低碳供應鏈運作方面,LU等[10]研究碳稅政策下多階段生產-庫存模型,利用Stackelberg博弈計算得出制造商的最優生產、運輸和碳排放投資策略以及零售商的最優定價、補貨策略。AKTAS和TEMIZ[11]提出了一個考慮碳排放的多產品、多階段、不同運輸方式的生產分銷網絡模型,并通過一組隨機數據評估了該模型的有效性。WANG等[12]研究了可持續低碳供應鏈網絡的選址-庫存問題,還分析了需求不確定性對供應鏈網絡設計決策、庫存控制決策和碳排放量的影響。HASAN等[13]研究了某公司在低碳政策下的庫存水平和技術投資,在保證利潤最大化的同時對訂單規模和每周期的投資額做出最佳決策。馮海榮[14]研究了碳交易機制下低碳供應鏈多零售商合作的訂貨決策問題,結果表明合作決策下零售商的總費用更低,碳排放量更小。GHOSH等[15]研究了低碳管制下的雙渠道供應鏈模型,結果表明通過回購契約與減排責任分擔契約可以協調分散的雙渠道,使供應鏈中的制造商與零售商實現雙贏。PENG等[16]研究了需求不確定下低碳供應鏈的減排與采購策略,并提出了單向期權契約與雙向期權契約,結果表明雙向期權契約下制造商的減排量和零售商的訂貨量高于單向期權契約的情形。劉小紅等[17]研究了低碳供應鏈柔性資源配置問題,通過資源配置提高資源利用率、實現綠色低碳轉型,并提出了建議與對策。MISHRA等[18]通過廢物回收和再利用優化設計了一個低碳供應鏈成本最小化模型,提高供應鏈系統的盈利能力。

綜上所述,現有文章主要研究了供應鏈碳排放與低碳供應鏈運作的問題,供應鏈企業參與低碳建設的動力機制少有研究。在低碳供應鏈中,各企業的職責與分工不同?；诖?本文建立了碳稅政策下制造商負責減排投資、零售商負責低碳宣傳的兩級供應鏈,通過演化博弈研究雙方的低碳主動性問題,并通過雙層規劃模型研究低碳供應鏈的運營與決策。

1 模型假設與符號說明

1.1 模型假設

為研究方便,本文做出如下假設:

(1)考慮由制造商與零售商構建的兩級供應鏈系統。其中,制造商是上層決策者,制造商的策略為減排投資與不進行減排投資;零售商是下層決策者,零售商的策略為低碳宣傳與不進行低碳宣傳。

(2)制造商與零售商都產生碳排放,本文僅研究制造商生產環節產生的碳排放,不考慮其它環節的碳排放。為簡化計算,假設制造商的生產成本為零。

(3)供應鏈為市場提供一種普通商品(非低檔商品),市場為完全競爭市場。產品需求是價格的線性減函數,是減排率與低碳宣傳水平的線性增函數[19]。

(4)由于碳稅具有見效快、實施成本低、稅率穩定等優勢[20]。政府通過在零售端征收碳稅激發供應鏈減排。

1.2 符號說明

表1 模型基本參數

2 供應鏈低碳化動力模型

本文應用演化博弈理論構建供應鏈低碳動力模型。演化博弈理論將傳統的博弈理論與動態演化過程結合。博弈主體在掌握有限信息和具備有限理性的前提下,在不斷學習和試錯的過程中調整策略、優化決策,最終達到動態均衡。

在低碳供應鏈建設中,企業很難在一次決策中提出最優減排策略。制造商與零售商需通過動態調整,達到自身參與低碳供應鏈建設的均衡決策。

當政府為減少碳排放,對低碳產品征收碳稅時,制造商與零售商的支付矩陣如表2所示。

表2 碳稅情形下制造商與零售商的支付矩陣

U1n=y{ω[α+β2s-γ(p+te)]}+(1-γ){ω[α-γ(p+te)]} =yωβ2s+ω[α-γ(p+te)],

U2n=x{(p-ω)[α+β1τ-γ(p+te-teτ)]}+ (1-x){(p-ω)[α-γ(p+te)]} =x(p-ω)(β1τ+γteτ)+(p-ω)[α-γ(p+te)],

根據演化博弈的復制動態公式[24],可得制造商與零售商的復制動態方程分別為:

(1)

(2)

圖1 制造商減排投資動態選擇復制相位圖

圖2 零售商低碳宣傳動態選擇復制相位圖

命題1碳稅政策下制造商進行減排投資的條件為減排投資的收益大于減排投資的成本,零售商進行低碳宣傳的條件為低碳宣傳的收益大于低碳宣傳的成本。

命題1說明供應鏈企業是否主動減排取決于減排收益與成本之差。當減排收益大于減排成本時,企業將積極主動參與減排。對于制造商而言,減排收益來自于消費者對低碳產品的認可與節約的碳稅成本;對于零售商而言,減排收益只來自消費者對低碳產品的認可。因此,消費者對低碳產品的認可與支持將極大地促進供應鏈企業的減排積極性。

3 供應鏈主動減排決策模型

3.1 模型構建

只有當減排收益大于減排成本時,減排決策才能成為制造商與零售商的演化穩定策略,即制造商與零售商才能積極主動投入低碳供應鏈建設。由命題1可知,政府征收碳稅情形下制造商主動減排投資的條件為:

政府征收碳稅情形下零售商主動低碳宣傳的條件為:

由表2可知,制造商進行減排投資、零售商進行減排宣傳時,制造商的目標函數為:

零售商的目標函數為:

因此,可以把動態演化穩定策略的條件作為雙層規劃模型約束條件,據此構建低碳供應鏈決策雙層規劃模型:

上層模型

下層模型

3.2 模型求解

3.3 結果分析

命題2表明當碳稅稅率較小時,提高碳稅稅率能增加制造商的減排率。當碳稅稅率達到一定值時,由于減排難度增加,碳稅稅率增加不再能增加制造商的減排率。政府在零售端增收碳稅并不能增加零售商的宣傳力度,因為零售商已經把碳稅的成本轉移給制造商和消費者。

4 數值分析

麻省理工大學的一項研究發現,生產一款9號男士運動鞋將釋放出13.6千克(0.0136噸)的碳排放量[25],據此記e=0.0136?！恫ㄌ靥m商業雜志》報道某品牌運動鞋的批發價格為50美元,約為324元人民幣、零售價格為100美元,約為648元人民幣[26]。據此,記ω=324,p=648。參照樊世清等[27]的研究,并根據本文實際,記α=2000,β1=9,β2=10,γ=1,μ1=9000,μ2=8000。

由圖3和圖4可知,當碳稅價格從0(不征收碳稅)上升至2000元/噸時,低碳產品的價格先上升后下降再保持穩定,與不征收碳稅時的價格相等;低碳產品的需求先下降后上升再保持穩定,大于不征收碳稅時的需求。由命題2可知,隨著碳稅稅率的增加,制造商減排率先增加后穩定。在碳稅稅率與減排率的作用之下,低碳產品的含稅零售價格先升后降最后保持穩定。在減排率、低碳產品含稅價格的作用之下,低碳產品的市場需求先降后升最后保持穩定。由此說明,在一定范圍內征收碳稅對低碳產品市場具有促進的作用。

圖3 碳稅稅率變化對低碳產品價格的影響

圖4 碳稅稅率變化對低碳產品需求的影響

5 結論與建議

本文利用演化博弈與雙層規劃模型,研究了政府征收碳稅情形下供應鏈企業的減排動力,有以下結論及相關的政策建議:

(1)供應鏈企業的低碳主動性通過收益與成本之差體現。當制造商減排投資收益大于減排投資成本時,制造商選擇主動減排,以獲得減排收益。當零售商低碳宣傳收益大于低碳宣傳成本時,零售商選擇低碳宣傳,引導消費者購買低碳產品。因此,政府應向減排企業提供利好政策,激發供應鏈企業的減排意愿。

(2)實施碳稅政策有助于制造商提高減排率,但是零售商的最優宣傳水平不會改變。在碳稅政策之下,零售商將提升低碳產品的零售價格,將稅費轉移給消費者。消費者對碳稅的認可與接受程度將影響低碳產品的銷量。因此,消費者對低碳產品的購買力是企業減排與政府低碳政策的源動力。

(3)碳稅稅率變動會造成一系列影響。碳稅稅率上升時,低碳產品的價格先上升,后下降到不征收碳稅的情形并保持穩定;低碳產品的市場需求先降后升,再保持穩定。政府需要根據希望達成的目標合理制定碳稅稅率。

本文重在研究碳稅政策對供應鏈企業減排動力的影響,因此沒有考慮其它減排政策。此外,為簡化研究問題,本文僅考慮由一個制造商與一個零售商構成的兩級供應鏈,未來研究可以考慮多級供應鏈或多個制造商與多個零售商構成的供應鏈系統。