基于低碳背景下閉環供應鏈碳排放的研究

李晶雨 汪瑩 楊子和 張冰冰 郭雨凡

【關鍵詞】低碳經濟;閉環供應鏈;碳金融工具;碳稅政策

【中圖分類號】F224;F272.5【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0023-04

0 引言

進入21世紀以來，全球生態環境日益惡化，隨之而來的還有能源過度開采、余量不足等問題，人們逐漸意識到工業革命時期的發展模式極其不合理，如何高效合理地利用煤炭、石油、天然氣等不可再生資源，使其對環境產生更少的負面影響成為各國需要共同面對的課題。

合理開發和利用資源成為各國制定發展戰略時必須考慮的問題。著眼于實處，低碳經濟發展模式在供應鏈管理中體現如下：由能源問題引發的綠色供應鏈閉環設計到供應鏈網絡優化的全局研究，從產品生命周期全角度減排考慮更多因素的供應鏈優化設計。值得注意的是，20世紀末舉行的第三次締約大會制定了《京都議定書》，加上之前出臺的《聯合國氣候變化框架公約》 [1]可看出全球在應對環境問題方面已經達成共識。兩個國際公約的出臺促使“碳金融”概念興起，也為各國碳金融交易提供了基本政治環境和法律制度基礎 [2]。相關理論迅速發展，碳交易市場機制在不斷完善，碳金融工具日益豐富，這些為閉環供應鏈低碳化研究提供了更多思路。

近年來，我國針對環境問題出臺了許多規章政策。以北京市為例，自2013年以來，北京市出臺了《北京市碳排放權交易管理辦法（試行）》《北京市碳排放權交易核查機構管理辦法》等條例 [3]。宏觀層面而言，在低碳經濟的大背景下，實現閉環供應鏈再生產環節低碳化，借助碳金融工具降低運營成本響應了國家發展需要，為早日實現建成環境友好型社會主義現代化國家提供幫助。微觀層面而言，在碳交易市場機制建立后，企業成本及收益直接與碳排放量掛鉤，以整體運營成本最小化為目標的閉環供應鏈再生產環節優化得以實現。合理利用碳交易市場及碳金融工具將有利于企業降低整體運營成本，獲取更大的經濟利益。

低碳是全球背景下未來發展的必然之路，但目前閉環供應鏈模式構建過程中依然存在很多問題，如企業缺乏低碳意識、對閉環供應鏈認識不足、閉環供應鏈與碳減排結合應用不充分等。北京作為我國的首都，是我國的政治、經濟、文化中心，人口眾多，各個行業的發展在全國均名列前茅。但北京市環境問題較為嚴峻，因此以北京市為例可以為課題提供大量樣本數據，同時考慮到的因素較為復雜，面向大多數企業都具有適用性。考慮低碳經濟大背景下閉環供應鏈再生產環節優化問題，結合碳交易機制及碳稅等金融工具，通過構建合理模型達到經濟效益與環境保護的最優化平衡，在確保供應鏈高效運行的同時兼顧生態問題，符合科學發展觀和可持續發展戰略要求。

1 文獻綜述

與本文相關的研究有兩個方面：一是閉環供應鏈最優問題及碳交易機制，二是碳稅對供應鏈的效益影響。

近年來，國內外學者針對閉環供應鏈整體最優問題的研究如下：易余胤等人 [4]運用博弈理論在混合回收的情形下建立了單一制造商和單一零售商組成的再制造閉環供應鏈模型，研究了產品定價問題及回收渠道沖突對定價決策的影響，研究得出協調定價模型中整個系統的利潤可以達到集中化定價時的水準;Panda S等人 [5]研究了由承擔社會責任的生產者和經營回收業務的銷售者構成的閉環供應鏈，發現考慮社會責任承擔環境義務的供應鏈比考慮以經濟指標為決策目標的經典供應鏈更具有競爭優勢;Duma P等人 [6]提出了一個結合需求和生產能力不確定情形下的多階段閉環供應鏈優化模型的回購方案恢復框架，提高了產品回收率，滿足監管者制定的回收率門檻要求并最小化集成系統的總成本;張曉杰等人 [7]在供應鏈金融環境下構建了銀企資金供應鏈的收益分成契約模型，并通過Stackelberg模型研究銀行和企業在理性假定下的合作博弈行為，分析了其各自的最優行動策略及對應的契約參數范圍，研究得出在供應鏈分散決策模式下，銀行在設計收益分成契約時，只有將分成比率的取值限定于一定范圍內，才能在實現銀企合作關系的最優化。

另外，針對碳交易機制、碳稅對供應鏈效益影響的研究主要有以下學者：謝鑫鵬等人 [8]關于制造企業如何在政府實施碳排放規制下實施供應鏈的生產和減排決策研究中，通過博弈論和經濟學分析得到碳交易的價格會對企業碳減排的高低產生影響，研究得出減排較容易時減排率與碳交易價格呈正相關;趙道致等人 [9]根據對生產低碳產品的制造商和零售商所構成的供應鏈，通過分析、模擬試驗，探討得出不同的影響因素對供應鏈績效產生不同的影響，研究得出隨著減排量影響需求因子逐漸增大、低碳宣傳成本參數逐漸減小，整合的供應商、制造商及零售商的期望利潤均逐漸增大;蔡棟梁等人 [10]通過構建動態隨機一般均衡模型，比較了碳排放補貼、碳稅及兩者混合政策對環境質量的影響，研究得出混合政策可以在保持環境質量不變的條件下實現經濟的增長;郭軍華等人 [11]從供應鏈視角之下考慮社會福利的政府最優碳稅制定，研究了如何制定最優碳稅稅率使得社會總福利最大化。

2 模型構建

2.1 問題描述

根據文獻[12]可進行分析：現在普遍存在的雙渠道閉環供應鏈中，產品回收率和再制造成本差異是整體系統利潤的重要影響因素，據此，基于制造商回收的閉環供應鏈結構如圖1所示。其中，制造商直接生產新產品，單位新產品的生產成本為cn，同時簡單地從消費者手中回收廢舊產品進行再制造，廢舊產品的回收率為τm，單位再制造產品的成本為cr。制造商生產的所有產品，均通過線上線下兩個渠道進行銷售，線上渠道直銷價為pm，線下則以價格w批發給零售商進行銷售，零售價為pr。兩個渠道的產品需求量分別為qm和qr。

2.2 單周期靜態博弈模型構建

為方便問題的研究分析，現提出以下4個假設。

假設1：制造商要想達到回收率τm，則所需成本為η■，其中η為制造商回收成本系數 [13]并且不考慮其他成本影響因素。

假設2：再制造產品成本小于新產品的生產成本，即cr

假設3：單位產品的生產成本c由再制造產品的單位成本cr和新產品的單位成本cn按回收率的比例構成：c=τmcr+（1-τm）cn=cn-τm△。

假設4：再制造產品和新產品，線上以pm的價格出售，或以價格w批發給線下零售商進行線下渠道銷售，銷售價為pr。

由文獻[12]得出以下基礎模型。

直銷渠道和零售商渠道的產品需求量如下：

qm=α-β1 pm+γ1 pr（1）

qr=α-β2 pγ+γ2 pm（2）

公式（1）、公式（2）中：α為新產品和再制造產品的最大潛在需求量;β1、β2為需求量對自身價格的敏感系數;γ1、γ2為需求量對交叉價格的敏感系數。為了簡化運算，參照文獻[14]，此處假定β1=β2=β，γ1=γ2=γ。由于渠道的需求量對自身價格的依賴程度高于競爭渠道的價格，故而β>γ。

集中決策下的供應鏈系統利潤如下：

πc（pm，c，pr，c，τm，c）=（pm，c-cn+τm，c△）qm，c+（pr，c-cn+τm，c△）qr，c-η■ /2（3）

公式（3）中：πc為集中決策下的系統利潤，下標c表示集中決策。

通過查閱文獻可知，整體系統利潤在滿足η>（β-γ）△2且供應鏈系統利潤最大時，存在唯一的最優直銷價■、最優零售價■和最優回收率■，最優系統利潤如下：

而當Cn

2.3 改進模型

2.3.1 碳金融技術融合后的模型

假設回收產品的二次制造需要消耗的碳排放額度比企業生產新產品所需的少h個單位，企業將富余的碳排放額度進行碳排放權交易，每交易單位碳排放額度將產生g個單位的經濟效益。建立模型得兩渠道的產品需求量同上，集中決策下的供應鏈系統利潤如下：

πc（pm，c，pr，c，τm，c）=（pm，c-cn+τm，c△）qm，c+（pr，c-cn+τm，c△）qr，c-η■ /2+（qm，c+qr，c）hg （5）

2.3.2 碳稅約束下的閉環供應鏈模型

此部分探究雙渠道閉環供應鏈中碳稅對混合制造系統生產決策的影響，研究在碳稅增長情況下，集中決策時雙渠道總需求量Q及系統期望利潤的變化情況。

假設1：生產單位新品和再制造品的碳排放量分別為e1、e2，e1>e2，單位碳排放需要加納稅款為λ。

假設2：假定市場的總需求量Q就是企業的產量。

改進模型得兩渠道的產品需求量同上，集中決策下的系統利潤如下：

公式（6）中：τm，c為回收率（0<τm，c<1），π為集中決策下的系統利潤，下標c表示集中決策，式中最后兩項分別為新產品和再制造產品生產所需要繳納的碳排放稅。

需求量對自身價格的敏感系數β和需求量對交叉價格的敏感系數γ與直銷渠道需求量qm和零售商渠道需求量qr的關系如下：

3 仿真結果分析

3.1 碳金融技術融合后的模型仿真模擬

設最大潛在需求量α為1，自身價格的敏感系數β為0.01，交叉價格的敏感系數γ為0.001、0.005、0.01。利用Matlab進行驗算得到在表示直銷渠道價格和零售商渠道價格共同影響下利潤與產品需求量的關系，設置了不同的交叉價格敏感系數γ。

根據圖2的等高線圖、三維圖可以看出，在直銷渠道價格和零售商渠道價格兩變量的共同影響下，產品需求量仍存在最大值，驗證了建立的新模型是有最優解的，即有最大利潤。

由圖3可以得到，回收率在0～1的取值范圍內，兩變量在某一特定條件下（即所有常數值為某一特定值時），利潤隨著回收成本降低、回收率增高而增大，可以取到最大值。

3.2 碳稅約束下的閉環供應鏈模型仿真模擬

對公式（6）進行數值分析，探究在碳稅增長情況下，集中決策時雙渠道總需求量Q及系統期望利潤的變化情況。對系統利潤模型中的各參數設置如下：α=840，β>γ，cn=50，cr=40，Δ=cn-cr=10，qm，c=240，qr，c=200，η=10 000，λ=4，e1=1.5 t，e2=1 t。

利用Matlab進行驗算得：當τm，c=0.6時，敏感系數對系統利潤的影響如圖4所示。圖4表示回收率一定時，需求量對自身價格的敏感系數β和需求量對交叉價格的敏感系數γ對系統利潤的影響情況。可見：自身價格的敏感系數β不變，交叉價格的敏感系數γ增大時，pm、pr增大，系統利潤增大;交叉價格的敏感系數γ不變，自身價格的敏感系數β增大時，pm、pr降低，系統利潤減少。

設定β=5，γ=3，利用Matlab探究τm，c與系統利潤的關系（如圖5所示）。由圖5可見，當價格系數一定時，系統利潤π（pm，c，pr，c，τm，c）隨著回收率τm，c的增加而先增大后降低。這是因為系統利潤受回收成本η■ /2及相應碳稅的影響，當碳稅開始逐漸提高時，生產量緩慢減少，企業會增加回收率來減少碳排放成本以抵消企業產量下降對系統利潤的影響，從而賺取更大的利潤;回收率持續增大時，回收成本不斷升高，商品價格不變的情況，單位回收成本過高致使系統利潤下降。整體趨勢來看，價格系數一定，雙渠道產品價格不變時，回收率增加對碳稅約束下集中決策的系統利潤呈現先增加后減少的趨勢。

4 結論

針對低碳環境下制造業減排提高生產成本的問題，本文在閉環供應鏈的前提下，運用已經實施的碳排放交易市場及國家碳稅政策的優勢，從兩個方面對制造業由傳統供應鏈升級到閉環供應鏈的過程中，維持整體系統的經濟效益進行了研究。在已有的閉環供應鏈系統利潤模型上加入碳排放交易因素的影響及通過碳稅層面分析整體系統利潤的變化趨勢，得出了結論，為企業提供相應的解決思路以及方向。通過研究得到，在傳統閉環供應鏈的基礎上加入回收環節，并通過碳交易提高整體系統利潤率。而文獻[15]中碳稅對回收率的影響在雙渠道閉環供應鏈中仍然適用。從而通過改進基礎模型得出進一步結論：渠道價格一定時，碳稅增加引起回收率τm先增加后逐漸降低，單位成本c先減少后逐漸增加，定性分析可得，此時集中決策下的系統利潤π（pm，c，pr，c，τm，c）會隨著碳稅的增加先增加后減少。

參 考 文 獻

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