生物質燃料供應鏈協同優化研究

檀勤良，魏詠梅，李旭彥，鄧艷明，楊海平

(1.華北電力大學,北京　102206；2.北京能源發展研究基地,北京　102206；3.科學技術部基礎研究管理中心,北京　100862；4.山東電力工程咨詢院有限公司,山東　濟南　250000)

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生物質燃料供應鏈協同優化研究

檀勤良1,2，魏詠梅1，李旭彥3，鄧艷明1，楊海平4

(1.華北電力大學,北京102206；2.北京能源發展研究基地,北京102206；3.科學技術部基礎研究管理中心,北京100862；4.山東電力工程咨詢院有限公司,山東濟南250000)

本文通過引入契約機制、信息共享機制和收益分配機制來構建新的協同合作模式，并基于shapley值對供應鏈上各利益主體的收益進行協同分配。研究表明，在三種機制保障下各利益群體的經濟效益均有所增加，可以實現帕累托改進。敏感性分析表明，上網電價是影響供應鏈收益的最敏感因素，因此構建合理的生物質發電上網電價形成機制是促進該產業發展的重要因素。另外，政府的政策引導以及積極加入CDM可以有效增加各利益群體收益。

生物質能源；生物質燃料供應鏈；shapley值；協同優化

1　引言

生物質發電產業的發展不僅可以替代化石能源和緩解環境問題，同時也可以有效促進農村發展。盡管中國制定了生物質發電的相關政策，但生物質發電產業的發展并不順利。究其原因，主要是生物質發電燃料收集困難、燃料供應鏈不穩定，因而產業效益比較低。許多學者針對這種情況進行了研究，其中，生物質供應鏈利益群體之間的收益分配是研究的焦點之一[1-4]。Giannoccaro[5]分析了各成員企業之間利益的分配問題，以實現各成員企業同步合作。Li等[6]將灰色關聯分析和粗糙集理論相結合解決合作伙伴選擇的決策問題。雷勛平等[7]針對獨立供應商定價決策和制造商訂貨決策問題，分析制造商和供應商建立戰略合作伙伴關系的必然性和可能性。王炬香等[8]針對兩級供應鏈系統中的單一制造商和單一零售商，研究了面對產品銷售價格浮動時的供應鏈協調問題。王玉燕[9]運用博弈理論研究了閉環供應鏈的定價與利益協調激勵機制。晚春東等[10]分析了制造商與零售商的共享收益合作區間，提出了基于共享契約的供應鏈合作伙伴收益分配協調機制。高愛穎[11]對供應鏈下采購商合作伙伴關系進行了模糊評價，探討了其協調機理，并在不完全信息條件下設計了企業采購協調機制。Guardiola[12]以由一個供應商和多個零售商所構成的二級供應鏈為研究對象，主要研究其在分散控制下的行動協調與供應鏈收益分配問題，并基于相關合作博弈模型提出了一個相對穩定的解決方案。Yao[13]基于報童模型與數值分析方法，研究了由一個生產商和兩個零售商構成的二級供應鏈中的收益分享合同問題。Lerner等[14]從委托-代理機制的角度充分考慮道德風險問題，對收益共享進行了探討。陸杉[15]對供應鏈關系資本的影響因素以及關系資本與供應鏈協同之間的關系進行分析，提出概念模型及研究假設，進行探索性因子與驗證性因子分析，用結構方程模型來分析各變量之間的關系并進行假設檢驗。蔡淑琴等[16]分析了信息共享在不同條件下存在的價值差異，探討了供應鏈協同與信息共享的內在關聯。研究結果表明，信息共享是供應鏈協同實現的必要但不充分條件。在某些條件下，信息共享并不能解決供應鏈中的協同問題,相反還可能增大協同工作量。要避免這種情況發生，提前進行合理的信息共享設計是必需的。張成堂[17]等以三級供應鏈為研究對象，探討了價格敏感型需求下的聯盟博弈及其收益分配問題，結果表明應用 Shapley 值法協調后的大聯盟在使全局得到優化的同時，也使各成員企業的收益較非合作決策時均有大幅提升。衛鋒[18]構建了博弈視角下基于信息共享的供應鏈收益分配機制。

一般而言，供應鏈合作伙伴關系中都有主導企業，而生物質發電燃料供應鏈卻表現了與一般供應鏈不同的特征，即供應鏈中的核心成員——電廠并不處于主導地位，一方面燃料供應受制于眾多農戶和經紀人，另一方面上網電價受到嚴格的監管。燃料收集難和供應不穩定成為阻礙生物質發電產業發展的主要因素。因此，本文根據生物質發電燃料供應鏈的具體特征，研究供應鏈上各利益群體協同合作收益分配問題，在提出合理的生物質燃料供應模式的基礎上對各利益群體的利益分配進行分析，并在此基礎上探討政府扶持和激勵對于各利益群體收益的影響。

2　利益群體間的協同收益分析

2.1協同機制的建立

在傳統的生物質發電原料供應環節中，主要體現在燃料的移動，由于缺少必要的信息傳遞和機制保障，物流運作效率低、成本高。首先，在傳統供應鏈中由于沒有進行必要的信息交流，農作物的種植范圍又比較分散，因而運輸成本較高。其次，電廠與經紀人之間的契約缺乏剛性約束，由于電廠燃料主要來源于經紀人，所以經紀人惡意抬高秸稈的價格會導致電廠的發電成本增加。最后，在缺乏政府政策建議和激勵的條件下，電廠利益很難得到保障，農戶的合作意愿低下，秸稈原料供不應求。

圖1說明了協同優化后的生物質燃料收集供應模式。首先，構建三個機制：契約機制、信息共享機制和利益分配機制。電廠、經紀人與農戶三方之間簽訂契約，契約機制是電廠、經紀人和農戶之間進行信息共享機制和利益分配機制的前提與保障，契約既能保證電廠利益又能保證農戶收益。在契約的約束下，經紀人要按時向電廠供應秸稈，農戶會把收獲的秸稈交給經紀人處理，從而達到一個有序的狀態。信息共享機制使各利益群體之間達成更有效的溝通，農戶與經紀人可以了解到電廠燃料的需求情況，從而調配燃料的供應進度與供應量。利益分配機制使各利益群體間的合作程度更加緊密，是維持整個供應鏈穩定運行的紐扣，各利益群體都處于理性狀態，都趨于各自的利益最大化。所以，本文在構建協同模型的基礎上，重點探討了利益群體間的收益分配問題，通過shapley值法對供應鏈的收益進行再分配。其次，通過引入政府，一方面給予電廠補貼，另一方面出臺政策約束與激勵農戶的秸稈供應，規避一些風險因素，增加農戶的合作意愿度。最后，燃燒生物質秸稈進行發電會減少因排放有害氣體而帶來的環境污染，帶來巨大的環境效益，電廠通過發展CDM項目可以得到額外的收益，通過增加額外收益使電廠效益得到保障，刺激供應鏈上的主體行為，進一步提高供應鏈運作效率。

圖1　協同優化后生物質發電供應鏈

2.2基于shapley值的利益分配模型

(1)shapley模型。Shapley值法是用于解決n個人合作對策問題的一種方法。當n個人從事某項經濟活動時，他們之中若干人組合的每一種合作都會得到一定效益。當人們之間的利益是非對抗性時，合作中人數的增加不會引起效益的減少，那么n個人的合作將會帶來最大效益。n個人的集合及各種合作的效益就構成n個人合作對策，Shapley值法是分配這個最大效益的一種方案。定義如下：設集合I={1,2,…,n}，如果對于I的任一子集s都對應著一個實值函數υ(s)，滿足υ(?)=0，υ(s1∪s2)≥υ(s1)+υ(s2)，s1∩s2=?，則稱[I,υ]為n合作對策，s為n人集合中的一個合作，υ(s)為合作s的效益，即為對策的特征函數。

(1)

(2)利益群體的利益分配方案。在生物質發電燃料供應鏈上利益群體主要包括農戶A、經紀人B和電廠C。所以I={A,B,C}，則三個行為主體的合作方式有:

s={{A},{B},{C},{A,B},{A,C},{B,C},{A,B,C}}

(2)

其中，υ({A})、υ({B})、υ({C})代表農戶、經紀人、電廠在無協同合作情況下各自的收益。υ({A,B})代表農戶和經紀人協同合作的總收益，υ({A,C})代表農戶與電廠協同合作總收益，υ({B,C})代表經紀人與電廠協同合作得到的總收益，υ({A,B,C})代表農戶、經紀人與電廠在一個有序協同的系統下的總收益。農戶、經紀人與電廠在整個協同合作系統下的收益分配分別為：

(3)

(4)

(5)

3　利益群體間的協同收益模型

3.1協同合作前燃料供應鏈的收益模型

農戶收益為：

υ({A})=Cpu2q-Creq

(6)

其中，Cpu2代表農戶秸稈出售價格；Cre代表農戶秸稈操作成本。

經紀人收益為：

υ({B})=(Cpu1-Cpu2)q-Ctrlq-Cpeq

(7)

其中，Cpe代表單位人工操作成本；Ctr代表單位距離單位秸稈的運輸費用；l代表運輸距離；Cpu1代表經紀人出售給電廠的秸稈價格。

電廠收益為：

υ({C})=(Con-Cop)ELuitq-Cpu1q-Cstq

(8)

其中，Con代表上網電價；Cop代表單位發電運營維護成本；Cst代表單位存儲成本；Cpu代表單位購買成本；Ctr代表單位運輸成本；ELuit代表單位秸稈發電量；q代表秸稈供應量；l代表運輸距離。則供應鏈利益群體的整體收益為：

υ′({A,B,C})=Cpu2q-Creq+(Cpu1-Cpu2)q-Ctrlq-Cpeq+(Con-Cop)ELuitq-Cpu1q-Cstq

(9)

3.2協同合作后燃料供應鏈的收益模型

農戶與經紀人協同合作后的經濟效益為：

υ({A,B})=Cpu1q-Ctrlq-Cpeq-Creq

(10)

此時的農戶與經紀人合作，農戶直接把秸稈賣給經紀人，縮短經紀人的收購周期，經紀人收購意向明顯，效率增加。

農戶與電廠協同合作后的經濟效益為：

(11)

經紀人與電廠協同合作后的經濟效益為：

υ({B,C})=(Con-Cop)ELuitq-Cpu2q-Cpeq-Ccostq-Ctrlq

(12)

此時，經紀人與電廠之間有著信息共享機制的保障，不會把所有秸稈都堆積在電廠，定期進行派送，降低電廠的存儲成本。

農戶、經紀人與電廠三方協同合作后的經濟效益為：

υ({A,B,C})=(Con-Cop)ELuitqco-Ctrlqco-Ccostqco-Cpeqco-Creqco

(13)

其中，qco代表受到政府激勵機制后農戶秸稈的供應量。

按照協同收益分配機制對農戶、經紀人和電廠的收益進行分配，此時三者的收益分別為：

農戶收益：

(14)

其中，Psub為政府補貼對農戶帶來的收入，可以表示為Psub=?·Cpu2qco。

經紀人收益：

Creqco-(Con-Cop)ELuitq+Ccostq+Ctrlq+Creq]

(15)

電廠收益：

(16)

其中，Pco2為電廠實施CDM項目帶來的額外收益，額外收益估算模型可以表示為：

Pco2=ΔOco2×Rco2×q，ΔOco2

代表單位生物質發電替代燃煤發電后減排的CO2量，可以表示為：

Rco2代表單位CO2的減排價值，則電廠額外收益為：

3.3非協同收益與協同收益對比分析

由式(6)～(9)與式(13)～(16)可以得到協同收益分配后農戶、經紀人、電廠和整體供應鏈收益的增加值分別為：

Δυ({A})=ψA(υ)-υ({A})

(17)

Δυ({B})=ψB(υ)-υ({B})

(18)

Δυ({C})=ψC(υ)-υ({C})

(19)

Δυ({A,B,C})=υ({A,B,C})+Psub+PCO2-υ′({A,B,C})

(20)

在進行協同合作后，燃料庫存成本有所下降，其余成本保持不變，由于政府的激勵機制導致農戶秸稈供應量增加。同時又由于政府補貼和開展CDM項目帶來的額外收益，使整條供應鏈的收益增加，即Δυ({A,B,C})>0。對于各個利益群體來說，農戶、經紀人和電廠通過合作使整體收益最大化，應用shapley值法進行收益分配保證了各自收益處于非減狀態，即Δυ({A})≥0,Δυ({B})≥0,Δυ({C})≥0。進一步通過分析可以得到，農戶供應量增加，同時政府給予補貼，所以收益增加，即Δυ({A})>0；經紀人在成本保持不變的情況下運輸量增加，從而收益增加，即Δυ({B})>0；電廠庫存成本下降，其余成本保持不變，供應量增加，且通過實施CDM項目帶來額外收益，收益增加，即Δυ({C})>0。在供應鏈進行協同分配后每個成員的收益都增加了，實現了帕累托改進，可以保持整個供應鏈的穩定運行，而且能激勵存在聯結依賴關系的利益群體盡最大努力創造額外收益，使整體達到最優。

4 實證分析

選取河北省一個25MW的生物質發電廠為例，該廠正常生產每年需要秸稈量大約28萬噸。該地區的秸稈量為337.5萬噸，面積為1.2萬平方公里，所以秸稈密度為337.5t/km2。但實際可用于秸稈發電的秸稈只占到20%左右，即可利用密度為67.5t/km2。相關的數據如表1所示(根據統計年鑒和調研數據整理)

表1　經濟參數

項目所在地作物為一年一季，即只有一種作物，其他指標根據統計年鑒和相關調研數據進行整理。按照本文所建模型可以得到利益群體在進行協同合作前后收益變化情況，如表2所示。

表2　協同合作前后收益變化

從表2可以得出，在協同合作前整條供應鏈的收益為2400萬元,協同合作后由于秸稈供應量增加、庫存費用減少和政府激勵、開展CDM項目帶來的額外收益，使供應鏈的收益達到3085萬元，增加28.55%。在協同合作前，農戶收益為600萬元，占比25.00%；經紀人的收益為1000萬元，占比41.67%；電廠的收益為800萬元，占比33.33%。生物質發電供應鏈的核心成員——電廠在供應鏈中收益所占的比例明顯小于經紀人，處于弱勢地位，不利于整體產業的發展。在協同合作后，農戶的收益為873萬元，占比28.28%；經紀人的收益為1028萬元，占比33.32%；電廠的收益為1184萬元，占比38.39%。在進行合理的收益分配后，電廠的收益有了較為明顯的增加，處于供應鏈的領先位置，有利于電廠對于供應鏈中出現突發情況做出及時的戰略調整。如在燃料供應緊張的時期，電廠可以讓利給農戶，激發農戶秸稈供應量。從表2還可以看出，電廠的收益增加了48.08%，農戶收益增加了45.41%，經紀人的收益增加了2.80%。農戶屬于供應鏈燃料的生產者，電廠屬于供應鏈原料的消費者，電廠和農戶的收益都有了較大的增長，對于供應鏈的穩定運行起到了極大的推動作用。對于供應鏈的中間者經紀人雖然收益增加比不大，但也有所收獲，所以不會對供應鏈的運行產生負面影響。

圖2　供應鏈收益增長率對比分析

為了更加直觀地反映收益變化情況，對影響收益分配的主要因素進行敏感性分析。把秸稈供應量、秸稈購買價格、上網電價分別增大5%、10%、15%、20%、25%、30%后，計算收益變化情況。如圖2所示，上網電價對整體供應鏈收益的影響遠大于其他因素的影響。由于生物質燃料的熱值低、密度小，在燃料的收集、運輸和存儲以及電廠的發電設備上產生較大的成本。秸稈量也是影響生物質發電產業鏈發展的重要因素，長期以來生物質電廠面臨燃料不足的困惑，要花費大量的成本來收集原料。從源頭上解決秸稈供應難的問題，是促進生物質發電產業發展的關鍵。

從圖3可以看出，秸稈量對農戶收益的影響明顯比其他因素顯著。因此通過政府激勵，不斷增加秸稈供應量對于提高農戶的收益具有關鍵的作用。政府的激勵措施可以通過兩種方式實現，一是通過補貼的形式，根據農戶提供的秸稈量對其進行補貼；二是通過剛性限制與扶持的方式，比如嚴格限制農戶焚燒秸稈，鼓勵秸稈的綜合利用。秸稈購買價格對農戶收益影響也較明顯，但是，秸稈購買價格過高會直接影響生物質電廠的收益，不利于供應鏈核心成員(電廠)的發展。

圖3　農戶收益增長率對比分析

從圖4可以看出，秸稈購買價格對經紀人收益影響遠遠高于秸稈量和上網電價的影響。經紀人既不是燃料的提供者也不是燃料的消費者，作為燃料的傳送者，經紀人可以增大供應鏈的運作效率，并且通過合理的規劃設置，降低原料的運輸成本。所以，經紀人在供應鏈中起著至關重要的作用。

圖4　經紀人收益增長率對比分析

從圖5可以看出，電廠的收益同上網電價與秸稈量呈正相關關系，同購買價格呈負相關關系。上網電價在現有水平上增加10%，電廠的收益將增加50%以上。所以，適當提高上網電價是解決目前生物質電廠面臨效益低下的有效手段。此外，通過合理規劃電廠，解決燃料遠距離運輸的問題，降低燃料運輸成本，從而降低秸稈購買價格是生物質發電企業長期發展的根本。

圖5　電廠收益增長率對比分析

5　結論與建議

本文從協同合作與收益共享角度研究了生物質發電燃料供應鏈的協同收益分配問題，也對各利益群體收益的影響因素進行了比較。從結果中可以得知上網電價是影響收益分配的最主要影響因子，上網電價的提高不僅可以使得生物質電廠利潤提高，更可以通過價格機制傳遞到農戶方，提高了秸稈的收購價格，這樣既能夠極大刺激農戶供應秸稈的供應量，又能夠保證生物質發電廠持續有效的生產運營。

根據本文研究結論，提出以下建議：

①遵循契約精神，提高契約的剛性；②構建暢通的信息溝通機制和合理的利益共享機制；③形成合理的電價分攤機制，必須充分考慮生物質發電節能減排的環境效益和促進農村發展的社會效益，這種環境和社會效益的宏觀性，決定了生物質發電的部分成本要在全社會進行分攤；④引入高效物流系統。

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(責任編輯沈蓉)

A Synergetic Optimization of the Biomass Fuel Supply Chain

Tan Qinliang1,2,Wei Yongmei1,Li Xuyan3,Deng Yanming1,Yang Haiping4

(1.North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Research Center for Beijing Energy Development,Beijing 102206,China;3.Science and Technology Basic Research Management Centre,Beijing 100862,China;4.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.,LTD,Jinan 250000,China)

This paper establishes a collaboration model by introducing three mechanisms including contract mechanism,information sharing mechanism,and returns allocation mechanism.And it proposes the collaboration distribution based on the Shapley value algorithm in the supply chain.Research results show that all stakeholders’ benefits increase under the framework of the three mechanisms,that is,Pareto improvement can be fulfilled in this model.The sensitivity analysis shows that on-grid electricity price is the most sensitive factor that affects the supply chain benefits.Therefore,constructing a reasonable on-grid electricity price formation mechanism of biomass power is an important factor to promote the development of this industry.In addition,the policy guidance and actively participation in the CDM groups can effectively increase the benefits of each stakeholder.

Bio-energy;Bio-fuel supply chain;Shapley value algorithm;Synergetic optimization

國家自然科學基金(71373077)，新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0850)，教育部博士點基金項目(20110036120013)，北京市共建項目(GJ2013012)。

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