碳交易市场不完善下供应链企业间剩余碳排放配额共享机制

第22卷第9期 2 0 1 6年9月 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing Systems V01．22 No．9 Sep．2 0 1 6 DOI10．13196／j．cims．2016．09．018 碳交易市场不完善下供应链企业间剩余 碳排放配额共享机制 宋寒，祝静，代应 重庆理工大学管理学院，重庆400054 摘要为了提高供应链的整体运作绩效，在我国现阶段碳交易市场机制不完善的情况下，建立了碳排放约束 下的供应链交易模型，研究了供应链企业问剩余碳排放配额共享机制，并将共享机制下的供应链交易价格、交易数 量、双方利润与无共享机制的情况进行对比分析。研究表明，当制造商的剩余碳排放配额能满足供应商的需求时， 碳排放配额共享机制能降低交易价格、增加交易数量及双方利润，供应链运作绩效得到提高；当制造商的剩余碳排 放配额不能满足供应商的需求时，共享机制下的交易价格上涨、交易数量减少，碳排放配额共享机制无效。 关键词碳排放配额；供应链共享；低碳供应链；碳交易市场 中图分类号0227 文献标识码A Sharing mechanism of surplus carbon emission quota in supply chain enterprises under imperfect carbon trading market SONG Han，ZHUJing，DAI Ying College of Management，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China AbstractTo improve the overall operational performance of supply chain，aiming at the imperfect problem of carbon trading market mechanism in our country，the sharing mechanism of surplus carbon emission quota in supply chain enterprises by establishing trading models of supply chain under the constraint of carbon emissions was researched， and compared the trading price，transactions number and profits of two supply chain enterprises under the mecha nism with that of no sharing mechanism．The study showed that when manufacturer’S surplus carbon emission quo tas met supplier’S demand，the sharing mechanism could enable the transaction prices to lower，the transactions number and the parties profits tO increase，which improved the performance of supply chain；when manufacturer’S surplus carbon emission quotas not met supplier’S demand，the transaction prices would rise but the number of transactions reduce，and the sharing mechanism was invalid． Keywords．．carbon emission quotas；supply chain sharing；low carbon supply chain；carbon trading market O 引言 为应对全球气候变暖问题、实现低碳经济，各国 政府积极响应“京都议定书”和“哥本哈根气候大会” 的号召，实施碳排放配额限制，碳排放配额已成为企 业生产的一种资源‘1|。虽然政府的碳排放配额政策 收稿日期2015-08-07；修订日期2015-1027。Received 07 Aug．2015；accepted 27 Oct．2015． 基金项目国家自然科学基金资助项目71301182，71201179；重庆市基础科学与前沿技术项目cste2016jcyjA0397；教育部人文社会科学研 究项目15YJC630049；重庆市教委人文社会科学研究项目KJl400909；重庆市科委决策咨询与管理创新计划资助项目 cstc2014jccxB60001。Foundation itemsProject supported by the National Natural ScieIlce Foundation，ChinaNo．71301182， 71201179，the Chongqing Basic Science and Advanced Technology，ChinaNo．cstc2016jcyjA0397，the Humanities and Social Sci ences of Ministry of Education，ChinaNo．15VJC830049，the Humanities and Social Sciences Research Program of Chongqing Mu nicipal Education Commission，ChinaNo．15SKGl39，the Management and Innovation Plan of Chongqing Science and Technology Commission，ChinaNo．cstc2014jccxB60001． 万方数据 计算机集成制造系统 第22卷 能从宏观上保证企业的整体减排效果，但并不能做 到碳排放资源的优化配置[2]。各国的实践经验表 明，碳交易市场是实现碳排放资源优化配置的有效 手段之一[3]。尽管我国已经在2011年颁布了关于 开展碳排放权交易试点工作的通知[4]，但现阶段我 国碳交易市场不完善、交易渠道不畅通，大部分企业 还不能通过市场实现碳配额交易。而供应链企业间 本身就具有产品买卖关系，交易渠道畅通。在碳交 易市场不完善的情况下，供应链企业间若能够共享 剩余的碳排放配额，就能有效提高供应链整体绩效、 促进碳交易市场的完善。 在以供应链为基础的现代企业生产过程中，强 制碳减排政策不仅会影响单个企业的生产，而且会 对供应链的整体运行产生巨大影响[s]。因此，一些 学者从供应链的角度出发，研究了碳排放配额限制 对供应链的影响，以及碳排放限额下供应链如何运 作这两个递进性问题。例如，付秋芳等运用Stack elberg博弈，建立了供应商制造商的二级供应链 在政府碳排放配额限制政策下的利润优化模型，得 出了企业的最优减排量和最优产量，分析了碳排放 配额限制对供应链绩效的影响1；Du等引入了公平 偏好和社会总福利，将政府碳排放配额限制作为可 变参数，分析了碳排放配额政策对碳排放权依赖型 供应链运营的影响[7’83；Diabat等以企业成本最小化 为目标，将碳配额作为一种限制条件，在考虑对供应 链整体碳排放优化的基础上，探讨了碳排放分配限 额对供应链结构设计及运营效果的影响[9]。 现有大部分文献是通过供应链网络优化、供应 商选择及合作减排等供应链内部机制来解决碳排放 配额限制下的供应链优化运作问题。例如，Elhedh li等认为碳排放配额限制增加了企业的碳减排成 本，而企业在对供应链网络进行优化设计时，考虑这 部分成本可以改变供应链的最优配置[1 0‘。Abdal lah等针对政府碳排放配额限制下的供应链采购问 题，构建多目标约束的混合整数规划模型，并通过一 个案例对模型进行了应用，其研究表明，在政府碳排 放配额限制下，通过供应商选择优化可降低供应链 整体碳排放[11|。谢鑫鹏等从碳配额分配机制出发， 研究了低碳供应链企业间的减排合作策略，研究表 明，在减排和定价均合作时供应链主体的利润和减 排效果最优[1 2|。 上述研究为解决碳排放配额限制下的供应链运 作问题提供了有利借鉴。在欧盟等市场机制发达的 国家，碳交易市场较为完善，其能通过碳交易市场来 优化碳排放配额限制下的供应链运作[1 3|。但我国 的碳交易市场机制尚处于不断发展的过程中，供应 链企业很难通过碳交易市场来实现碳排放配额的优 化配置。实际上，在碳排放配额限制下，供应链企业 间若能有效地共享碳排放配额，将能更好地实现碳 排放配额在低碳供应链中的有效使用口4|。 虽然对供应链企业问碳排放配额共享的研究不 多，但已有大量文献对供应链企业间的知识[1 5|、技 术[1 6|、信息[17。8]和人力[1妇等资源的共享进行了研 究。这些研究都表明，供应链企业间对资源的共享 能提高供应链整体运行绩效。在碳排放配额限制 下，碳排放配额成为一种稀缺资源，在碳交易市场还 不能完全优化配置该资源时，供应链企业间合作共 享剩余碳排放配额，能局部实现碳排放资源的优化 配置。鉴于此，在我国碳交易市场尚不完善的情况 下，基于供应链资源共享的理念，本文构建供应商与 制造商之问的剩余碳排放配额共享机制，分析共享 后供应商仍然超排和不再超排两种情况，以得到碳 排放配额共享机制的可行空间、为我国供应链企业 间共享剩余碳排放配额提供理论支撑。 1 问题描述与模型假设 考虑由供应商和制造商组成的两级供应链，其 面临政府的碳排放配额限制。一般而言，政府碳排 放配额限定下，会出现供应商与制造商碳排放配额 均不足、均剩余、一方不足一方剩余3种情况。显 然，当一方碳排放配额有剩余而另一方不足时，双方 才更有共享碳排放配额的动机。因此，本文重点关 注当一方剩余而一方不足的情况。碳排放剩余方是 否愿意与不足方进行共享，碳排放配额共享行为如 何影响供应链运作绩效，都是值得深入讨论的问题。 为进一步分析该问题，首先做如下假设。 假设1制造商面临的产品需求函数为qn一 6p，其表征了商品销售价格与商品销售数量的关 系。其中q为销量；P为市场价格；a为市场容量参 数，表示当价格夕一0时，社会对该商品的总需求；6 为价格弹性系数，表示商品的需求量变动对于该商 品的价格变动的反应程度。制造商单位产品的生产 成本为c，单位产品的碳排放量为t。 假设2供应商的生产成本为c，，单位原材料 的碳排放量为t，，供应商向制造商供应原材料的价 格为叫。 万方数据 第9期 宋寒等碳交易市场不完善下供应链企业问剩余碳排放配额共享机制 假设3政府对供应商和制造商的碳排放限额 分别为m。和m。，若超额排放，则将会被政府罚款， 假定单位碳排放罚款为g。 假设4考虑到制造商往往处于供应链核心地 位，假定制造商碳排放配额剩余而供应商碳排放配 额不足，即t。qm1，t2qo。供应商和制造商之间交易价格与交易数量的 博弈决策过程与常规供应链交易模型类似。制造商 的利润R。一夕q一叫qc。q，由市场需求函数口一口一 bp反解，得逆需求函数户一与了，并将其代人制造商利润函数，得R一牮一叫一cq。按照博弈 逆向求解原则，首先假定供应商销售价格W已给 定，制造商在碳排放约束t2qm。垒鱼二竺掣塑时， P1的解为 g一a-_c2-w一b。 8g一_-一o L6J 对供应商来说，其超出政府配额的碳排放量会 被罚款，罚款金额为￡。q一仇，g，此时供应商利润 R1一叫一clq一￡1q一优1g，将式8制造商最优订 购量代人供应商利润函数，得R。一百bc。叫一训 gtf警号--t，a2m，一警，供应商最 优价格决策可用模型P2描述如下 P2 maxib‘2叫一硼gtlc1 伽-y号--t-a2m，一TCla； 9 s．t．tlq--mlO。 10 P2为带不等式约束的优化问题，其求解方法与 P1类似，不再赘述。由KT条件求得，当m，生堕二垒芝≠生二业时制造商订购数量 g竺土生孚丝。 12g 2。了o2。 1Z 最后将式11和式12代入双方利润函数，并 综上可得结论1。 结论1 当m。垒鱼二垒生≠型时，制造商碳排放配额剩余 而供应商碳排放配额不足，此时供应商最优销售价 万方数据 2220 计算机集成制造系统 第22卷 格为叫bgtl_bc石i--bc2a，制造商最优订购量为q a--clb--Fc2b--一t-bg，双方的利润分别为R。一 clc2￡19262[一况口8舰g--2aclc2卫口2 一86 ’ D一一62一c1一tlg6口21、2 16b 。 结论1说明，当制造商碳排放配额剩余而供应 商碳排放配额不足、供应链企业间不共享碳排放配 额时，供应商最优销售价格随着单位碳排放罚款g 的增大而提高，制造商最优订购量随着g的增大而 减少。供应商的利润受到g的影响，并随着政府给 定的碳排放限额m。的增加而增加，但此时供应商 碳排放配额不足，超额生产会被政府罚款，因此成本 增加。为保证企业利润，供应商会提高销售价格，而 若供应商销售价格过高，则制造商最优订购量就会 降低，企业利润将随着g的增加而减少。 3扩展模型剩余碳排放配额共享机制 下面对供应链企业间剩余碳排放配额共享机制 进行分析。显然，在制造商共享剩余碳排放配额时， 其利润可以表达为R。一塑{业--zoq--czq，其决策 订购数量的过程与前文类似，在供应商销售价格训 给定的情况下，可得到制造商订购数量仍然是 q一竺』冬坐业， 13口2i一’ LlJ， 分析，以得到供应链企业间剩余碳排放配额的共 享条件。 3．1共享后供应商被罚款。即tlqt2口一mz mlO时 当t。q￡2qm一m。o时，剩余碳排放配额 共享后供应商依然超排，此时超排罚金为t，qtzq m2一m1g，供应商的利润为Rl一训qC1q--￡1q ￡qm。一mg，供应商最优价格决策可用优化 问题P3描述如下 P3 maxwqClq一￡lqt2qmlm2g。 15 s．t．tlqm10； 16 tlqt2q～irn2一m10； 17 q竺丛冬壁塑。 183_■一o L16J 其中式15是供应商利润最大化目标函数，不等式 16表示共享前供应商碳排放配额不足，式17表 示碳排放配额共享后供应商依然超排，式18是制 造商订购数量对销售价格的最优反应函数。 P3的求解与前文类似，不再赘述。由KT条 件求得最优销售价格 WF一墼丛型喜警业。19 将式19代人式18后，进一步代入式16和式 17，可求得双方碳排放配额满足以下约束条件，即ml型堕二与掣。1 4再l将-I-式t2三代人m约主条件和式13『，o可得供府篓寨篙≥訾霎萎妻霎妻篓萎芸雾嚣訾t现鼽。一时制造商订 供应商依旧被罚款和不再被罚款两种情况。当。q 。‘＼4 ，。”～。 ￡。q--m。一优。O时供应商会被罚款，当tlqt口 购数量 --。m、，2一--。m。l。。≤、。0竺璧譬妻裹篓罡款二要2犁 qF一竺上g二垒二与芈[型。20算这两种情况下的最优订购数量、最优销售价格 ’ 和双方利润，进而与无共享的基础模型进行比较 将式19和式20代人双方的利润函数，得 R一垒曼鱼竺[丝竺二型二堡墨二竺鱼]垡 2】R}一坠二堕二』立墨i≠生二尘必。22 耽屯fa--tt--tzg--Q--czb且优。观0； 24 tlqtsqm1一mz≤0； 25 q一a--cs_一wb。 262■■一o L二OJ 其中式23是供应商利润最大化目标函数，式24 表示共享前供应商被罚款，式25表示共享后供应 商不被罚款，式26是制造商订购数量对销售价格 的最优反应函数。 P4的求解与前文类似，需要说明的是，构建的 拉格朗日函数中LA。，Az，w一一 w-c1一f2一wb口 、，n一fzwbt11一l＼1一 m。A。垒[曼生坚手垒幽一m。--m2，因为 必有A，一0，所以需要就A。0和A20两种情况对 模型求解。 1当Ao时，由KT条件求得，当m，堕鱼[掣，仇。m ≥绁型掣。 将式29代入式26，得 q一竺兰掣。 30q‘一‘丁2 o 3U将矿一竺掣，硼‘一竺掣代人双方 利润函数，并综上可得结论4。 结论二 当m。 万方数据 计算机集成制造系统 第22卷Ttza--Clb--czb，mlmz≥坠堕粤}堕塑 了一’ 十岁■一 时，共享后供应商不会被罚款，此时供应商最优销售 价格wc一a--c可zb一clb，制造商最优订购数量qC一 ‘DTa--cIb--czb，双方利润Ri竖二旦i掣，R； 一二二型垒璺1 166 。 结论4说明，当政府给定制造商的碳排放配额 足够多、供应链企业间共享剩余碳排放配额，且供 应商不会再被政府罚款时，政府限定的碳排放配 额不再是约束供应商和制造商生产行为的条件。 此时，制造商最优订购量和供应商最优销售价格 由市场决定，因此，供应商和制造商的利润不再受 到g和政府限定的碳排放配额的影响。 4模型比较分析 下面将扩展模型与基础模型进行比较，以得到 碳排放配额共享后供应商最优销售价格、制造商最 优订购量和双方的利润变化情况。 首先将共享后供应商被罚款的情形与基础模型 进行比较。 将结论1中的训和结论2中的叫F相减，得训 一硼F一一igtzo。 将结论1中的R。和结论2中的RF相减，得R。 --R[一Ec1c2tlg2b2[一2tla8m1g一2口 f1f2]6a2 3／8bI-￡2t1gczC12b2 [-8m18m22atl2at2g一2aclc2]6a2 3／ 86一等一等--cz--c，--gtl肘血t2--4mz。 将结论1中的R和结论2中的R}相减，得R 一Rf一百gtz一￡-一等g--C2--C16口，由上文 知，供应链企业间共享剩余碳排放配额后，制造商最优订购量qF一竺丛立L2￡]型，要保证 qF0，则有口一bgtlbgt2一bcl一bc20，那么a bg￡1一警一bcl一bczo必定成立，因此R2一RF 0，即RRf。 综上可得结论5。 结论5 当剩余碳排放配额共享后供应商仍被 罚款时，剩余碳排放配额共享机制将导致交易价格 上涨而交易数量下降、制造商利润下降，即wRf，制造商没有剩余碳排放配额共享的 动机。 结论5说明，与剩余碳排放配额无共享的情况 相比，供应链企业间共享剩余碳排放配额后，供应 商最优销售价格提高，制造商最优订购量下降、利 润降低，而供应商利润的增减情况则与g及m。 有关。 当制造商共享的剩余碳排放配额依旧不能使供 应商免于政府罚款时，由于碳排放配额不足，供应商 的生产会受到影响。在这种情况下，供应商不会严 格按照其拥有的碳排放配额进行生产，即使被罚款， 供应商还是会选择继续生产，而制造商则会根据供 应商的销售价格决定其最优订购数量。政府罚款使 得供应商的生产成本增加，为保证本企业的利润，供 应商会相应地提高销售价格，制造商的需求量因此 降低，企业利润减少。制造商共享剩余碳排放配额 的目的是降低产品价格、增加企业利润，但实际情况 却与此相反。只有当供应链企业间共享剩余碳排放 配额使企业收益增加时，制造商才愿意共享剩余的 碳排放配额给供应商使用，但此时这种共享对于追 求利润最大化的制造商变得毫无意义。因此，当制 造商共享剩余的碳排放配额不能使供应商免除政府 罚款时，不管供应商做何种决策，制造商都不愿意共 享其剩余的碳排放配额。 下面比较共享后供应商不被罚款的情形与基础 模型。需要说明的是，供应链企业间共享剩余的碳 排放配额后，供应商不被罚款有两个解。结论3中， 供应商最优销售价格、制造商最优订购量以及供应 链双方的利润与政府限定的碳排放配额m。和m。 有关，由于m。和m是动态变化的，在与基础模型 比较时，用字母表示并不直观，本文将在后续算例中 对此种情况进行分析说明。因此，首先比较结论1 和结论4。 将结论1中的w和结论4中的w‘相减，得w wc一譬o； 将结论1中的q和结论4中的q‘相减，得q qC一一百1￡1bgo必定成立，则R。一冠o，则口一c，b --C2b--tlbgO，那么n一訾一c1一c2bO必然 成立，因此R一尼w‘，qq‘、叫R；，说明当碳排放 ‘ 配额比较少时，即使共享的碳排放配额刚好使供应 商不被罚款，但是订购量降低、销售价格升高、制造 商利润降低。不管供应商如何决策，制造商都不愿 意共享。当”T≤m1m2∥，R2 R；，即供应商销售价格降低、制造商订购量和利 润增加，而供应商的利润范围为哿≤Ri絮，说 明当制造商没有共享剩余的碳排放配额时，供应商 的利润范围为等R，等，NIit R，Ri，即供应 商利润增加。因此，制造商愿意共享其剩余的碳排 放配额给供应商，供应商也愿意接受制造商共享的 碳排放配额。 ；l 1 婴熏艇趟毯 万方数据 第9期 宋寒等碳交易市场不完善下供应链企业间剩余碳排放配额共享机制 2225 当制造商的碳排放配额非常充足时，供应商和 制造商的碳排放配额足够大，制造商共享剩余的碳 排放配额后，供应商销售价格降低，制造商订购量增 加、利润增加。在制造商没有共享碳排放配额时，供 1 Cn 1 o应商的利润为R。一等2m。，又因为o≤m。了．tO， 上U ‘士 1 C0 9，70所以供应商利润等≤R。等，即R。扁，说明供 上U 上U 应商的利润增加。 6 结束语 本文从供应商和制造商的生产关系出发，在 我国碳交易市场不完善的情况下，针对政府实施 强制减排后供应链企业中供应商碳排放配额不 足、制造商碳排放配额有剩余的情况，运用博弈论 的方法，对供应链企业间剩余碳排放配额的共享 机制进行研究。’研究表明，当制造商共享的剩余 碳排放配额不能满足供应商的碳排放需求时，共 享碳排放配额会使其收益降低，在这种情况下，不 管供应商做何种决策，制造商都不会愿意共享剩 余的碳排放配额；当制造商共享的碳排放配额刚 好满足供应商的碳排放需求时，与无共享的情况 相比，订购量、销售价格及供应链双方的利润变化 情况是不确定的，与m。和m。的取值范围有关；当 制造商共享的碳排放配额使供应商拥有的碳排放 量超过其碳排放需求时，与无共享的情况相比，订 购量增加、销售价格降低，且供应链双方的利润都 增加，供应链企业之间共享剩余碳排放配额能够 提高供应链绩效。 为实现中国的碳减排目标，政府采取措施限定 企业的碳排放量已成为一种趋势，强制减排下，供应 链企业尤其是业务相关的企业可以通过共享碳排放 配额来解决本企业碳排放配额不足或者过剩的情 况，这种共享的有效性与政府给定的碳排放配额和 单位碳排放罚款数有关，供应链企业应该根据自身 需求做出使本企业利润最大的生产决策，从而提高 供应链的整体绩效。 本文的研究成果不仅为碳排放配额限制下的供 应链企业提供了一些决策建议，还为政府制定碳排 放配额政策提供了理论依据，但本文并未考虑现代 企业的碳排放处理能力，并且供应链企业不用为这 种共享的碳排放配额支付一定的成本。因此，在未 来的研究中，将进一步考虑企业的处理成本以及碳 排放配额的共享成本。 参考文献 [11 XUE Rui．The development and enlightenment of EU carbon emission credits trading market EJ]．Theor etical Horizen，2013 76668in Chinese．[薛睿．欧盟碳排放配额交易市场的 发展及启示[J]．理论视野，2013766-68．] [2]DUAN 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