面向网购的低碳供应链激励模型及其应用

吴义生，刘文杰，窦亚芹、

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.南京航空航天大学，江苏南京210016）

面向网购的低碳供应链激励模型及其应用

吴义生1，刘文杰2，窦亚芹1、2

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.南京航空航天大学，江苏南京210016）

面向网购的低碳供应链运作目标是增强网购对企业低碳运作的促进作用，弱化网购对企业低碳运作的负面影响。在网购和低碳背景下，供应链将面临两个方面的激励，即单激励和双激励。单激励是指碳税激励或碳超排处罚激励，双激励是指同时考虑碳税和碳超排处罚激励。仅采取征收碳税激励能减少供应链总成本，但增加了排放成本；仅采取超排处罚激励增加了供应链总成本，但环境成本没有变化；综合采取征收碳税和超排处罚激励能同时降低碳排放成本和供应链总成本。

网购；低碳供应链；协同；激励

一、引言

网购已经成为我国消费者一种重要的日常购物方式，消费者足不出户就可以买到所需的商品，减少了能源的消耗，降低了碳排放。与此同时，全球二氧化碳（CO2）的排放不断增加。据统计，全球二氧化碳的排放在2002年为400亿吨，2030年将达到580亿吨。[1]CO2的排放应该对全球一半的温室效应负责。因此，全球低碳意识已经觉醒，再加上市场竞争日益加剧，低碳、节能、环保等理念逐渐渗透到供应链之中，供应链以及链中企业要得到社会认可，并达到经济效益和社会效益最大化的目标，实施低碳供应链管理是必行之路。这是因为在供应链领域，其各个环节都涉及到能源消耗和二氧化碳排放，某些环节还是二氧化碳排放大户。在上述背景下，网购和低碳供应链必须相互协调发展，才能实现低碳目标。一方面，低碳供应链必须对网购的需求做出快速反应；另一方面，网购只有在低碳供应链的系统思想指导下，才能整合相关资源，实现超越实体购物的经济社会效益。另外，供应链管理的重要内容之一就是构建有效的激励模型，以便供应链成员之间具有良好的合作关系。根据该激励模型设计的激励机制，可以使供应链的个体利益和整体利益相关联，既可以实现个体利益最大化，也可以实现整体利益最大化。

二、相关文献

本文从碳排放角度来研究供应链激励，与此相关的研究经过梳理主要分为以下两个层面。

1.政府政策或法律层面

斯雷勒（Soleille）[2]强调了碳排放交易成本、市场行为和政府立法的重要性，认为交易成本应该是合适的，市场行为应该以降低价格波动、维持供需平衡为目标，政府立法应该以保证碳排放交易体系的成功实施为目标。李昊和赵道致[3]提出了不同的碳排放权交易机制，并分析了不同机制对企业低碳运营决策的影响，以便在保障供应链利益的同时，找到促进企业低碳化行为的决定性因素，结果显示，碳排放有偿分配机制和基于公开拍卖的碳排放价格机制能有效地促进企业降低碳排放量。福路罗斯等（Floros etal）[4]研究了碳税对CO2排放的影响，结果表明，通过对企业征收碳税，能直接或间接降低碳排放。麦特卡夫（Metcalf）[5]认为，碳税的税率应该反映碳排放的社会成本，而征收碳税比推行碳排放交易体系更有效。杨珺、李金宝和卢巍[6]提出了强制征收碳税的碳排放政策，并分析了该政策对于供应链成本和碳排放的影响，结果表明，合理制定碳税税率，才能有效降低供应链碳排放。卡罗等（Caro etal）[7]通过定量模型研究表明，在供应链中通过强制设定减排上限的做法可促使供应链成员尽最大努力进行碳减排活动。梅珧洛等（Mayor etal）[8]指出，并不是每个排放税体系都能产生良好的效果，他们检查了四个实施不同排放税体系的效果，发现实施不同的CO2排放政策，有的会降低企业成本，有的会增加企业成本。

2.供应链运营层面

赵道致和吕金鑫[9]针对碳排放权限制及其对低碳供应链的影响，为确保低碳供应链的经营持续性，考虑了碳排放权限制及其交易的影响，根据低碳供应链中各企业的边际减排成本的不同和低碳因素对各企业产品价值贡献的不同，设计了低碳供应链运营的激励策略。都伯斯（Dobos）[10]提出了可以用来交易的碳排放权种类，并分析了这些交易对生产—库存策略的影响。结果表明，碳排放可以用生产速度为自变量的函数来描述，该函数是非递减的凸函数，引入碳排放权交易后，会带来最优生产—库存策略，但会导致较高的成本。胡苏等（Hsu etal）[11]通过实证分析了影响供应商选择的碳管理因素，表明碳信息管理和规范的碳管理培训是影响供应商选择最重要的两个因素。托林森等（Tom linson etal）[12]通过对电气和机械设备更新的研究，提出了如何量化设备更新的环境成本，认为该成本与设备整个生命周期中的碳排放相关，同时还讨论了设备的设计、所使用的原材料、制造工艺、运输模式以及CO2排放的计算方法，认为该量化成本的方法能获得较好的投资回报和采购战略。帕恩等（Pan etal）[13]的研究表明，通过公路和铁路联合运输可以降低52%的碳排放量；在生产过程中，如果生产速度不稳定，会导致额外的成本。伯利等（Bonney etal）[14-15]在对物流和库存做决策时，应综合考虑碳排放问题。巴洛特等（Ballotetal）[16]分析了零售企业物流网络的碳排放规律，并通过算例证明了共享供应网络可以降低25%的碳排放量。阿戈提则等（Agatzetal）[17]运用收益管理的方法，针对快递业务，通过设计合适的定价机制，激励客户选择与其邻居相近的送货时间，减少快递公司的运送距离，以减少物流造成的碳排放量。

综上所述，现有考虑碳排放的供应链激励研究，主要集中于政府政策层面和供应链运营层面，对供应链低碳运营方面的研究集中于“碳税”或“碳配额”方面，尚未发现同时考虑“碳税”和“碳超排处罚”研究。另外，考虑网购环境下的供应链激励的研究鲜有发现，综合考虑碳排放和网购的供应链激励研究暂未发现。本文针对网购背景下低碳供应链协同运作积极性不高的问题，考虑供应商供货过程中产生的碳排放，利用凸函数对供应链总成本（包括运营成本和环境成本）进行定量描述，在此基础上，提出一个基于网店及其供应商的低碳供应链激励模型。最后，从碳税激励和碳超排处罚激励两方面，对供应链进行协同与不协同条件下的应用比较分析。

三、模型

1.面向网购的低碳供应链

网购能够促进低碳供应链的运作。首先，网购中的销售方不需要建立实体店铺，只需要电脑和网线设备就可以轻松实现商务活动，因而也就消除了实体店铺在经营过程中对能源尤其是电能的消耗，从而降低了碳排放。其次，网购中的购买方可以待在家中或办公室里，足不出户就可以完成购物活动，不需要乘车往返于商场，因此也就消除了乘坐汽车等交通工具对于石油或天然气的消耗，因此降低了碳的排放。另外，网购中电子订单的下达与处理、网上支付都减少了碳排放，省掉了纸质的订单和对账单。

当然，网购对低碳供应链也有负面影响。在包装环节上存在的包装耗材过多、循环利用率低的现象。网上商城在进行商品配送时，主要的包装耗材就是纸箱，而纸箱的作用主要是在商品运输配送等物流过程中保护商品。随着网购人群的扩大，网上商城的订单量大幅度增加，从而带来了包装纸箱用量的增长。而在目前的网购物流过程中，包装纸箱的使用并没有实现良好的循环利用，从而导致了纸箱生产过程所产生的大量二氧化碳排放。

根据以上论述，本文给面向网购的低碳供应链定义如下：由供应商、网店运营商、快递运营商和顾客四方构成，并将绿色、低碳、环保的理念和技术融入到供应、销售和配送等环节之中，且在各个环节充分考虑CO2排放效应，降低CO2排放量，使其达到最小值，从而降低对环境的负面影响的供应链。面向网购的低碳供应链如图1所示：

图1 面向网购的低碳供应链

因此，面向网购的低碳供应链运作的思路是增强网购对企业低碳运作的促进作用，弱化网购对企业低碳运作的负面影响。

2.模型构建

本模型考虑物品从供应商到网店配送中心的流动过程。供应链总成本包括供应链运营成本和环境成本，其中，环境成本包括碳排放成本和碳超排处罚成本。模型的目标是：在考虑环境成本的条件下，确定网店及其供应商协同运作时的供货速度，即协同供货速度，以便降低碳排放成本或降低供应链总成本。在此基础上，选择合适的激励方法。

供应商运营成本[18]为：

其中，CSC表示供应商的设置成本（元）；CSI表示供应商的库存成本（元/个/年）；D表示市场需求速度（个/年）；λ表示供应商和网店的协同系数，即单位时间内供应商向网店的供货次数，本文中的单位时间为1年，当供应商每年向网店的供货次数等于网店的采购次数时，则供应商和网店是协同运作的，否则，是不协同运作；S表示供应商的供货速度（个/年）；q表示订货量（个）。

网店运营成本[19]为：

其中，COST表示网店的库存成本（元/个/年）；COSO表示网店的订货成本（元）。

由此得供应链运营成本为：所以φSC是凸函数。通过设定方程（3）的一阶导数等于0求解q得：

方程（5）表示供应链协同运作时的运营成本函数。如果不协同，网店根据经济订货批量方法（Economic Order Quantity，EOQ）订货，订货量根据方程（1）、方程（2）和方程（3）可以得出供应链非协同成本[20]：

CO2的排放量[21]为：

其中，a、b和c为排放函数参数，单位分别为吨·年2/个3、吨·年/个2和吨/个。

碳排放成本为：

其中，TE为单位排放税（元/吨）。

碳超排处罚成本为：

其中，YI为碳排放限额变量，I为排放限额（吨/年），γ为超排系数（元/吨/年），当碳排放超过I，即当ED＞I，YI=1；反之，YI=0。

因此，供应链协同运作的总成本为：

将公式（5）、公式（8）和公式（9）代入公式（10）得：

如果只考虑供应链运营成本，则最小供货速度为：

其中，α为最小供需率，且α≥1。

如果仅考虑碳排放成本，碳排放最小的供货速度可以通过设定方程（7）的一阶导数等于0求得：

因此，协同供货速度S*等于Smin或SO，或者介于两者之间。由此得出基于网店及其供应商的激励模型，即协同供货速度S*决定于下面两个条件：如果如果SO＜Smin，则S*=αD。

3.模型求解

根据公式（5）可知，供应链运营成本与λ的值有关。为求解协同供货速度S*，需要求解供应链运营成本的极值所对应的λ值。根据方程（5）还可知，对于λ＞0，φSC对λ的二阶导数是大于0的，所以φSC是凸函数。通过设置φSC对λ的一阶偏导数等于0，得：

将Smin=αD代入公式（14），得λ（S）的最小值：

将S=b/2a代入公式（14）得：

由此得出以下求解S*的算法：

步骤1：参数设定。当i=1，2，...，n且k=λ'=1时，YI=0；并设

步骤2：SO值的计算。如果SO＜Smin=αD，则S*=αD；如果SO≥Smin=αD，则在区间[]αD，b/2a全面搜索最优解以最小化方程（11）的供应链总成本。

步骤3：λ值的计算。通过方程（14）求解λ，以最小化方程（11）的供应链总成本。如果λ≠λ'，则转到步骤2；当i=1，2，...，n时，如果CEP=0，则设=S，然后转到步骤6。

步骤4：E值和TC（）值的计算。根据公式（7）计算E值。如果ED＞Elk，则设Yk=1；如果k＜n，则设k=k+1，且重复步骤4。另外，设=S，并根据公式（11）计算TC（）。

步骤5：ˆ值的设定。设：

如果ˆ＞αD，则设Yk=0，并根据步骤1、步骤2和公式（11）计算TC（）的值。

步骤6：值的计算。如果TC（ˆ）＜TC（），则S~=Sˆ；如果k＞1，则设k=k-1，并转到步骤5。

步骤7：S*的计算。根据步骤2、步骤3和公式（11）计算S*及其对应的供应链总成本TC（S*）。

四、应用分析

在网购和低碳背景下，供应链将面临两个方面的激励，即单激励和双激励。单激励是指碳税激励或碳超排处罚激励，双激励是指同时考虑碳税和碳超排处罚激励。另外，供应商和网店之间的协同运作怎样影响CO2的排放？下面将从协同和不协同的角度围绕这两个方面的激励进行应用分析。

1.单激励分析

（1）碳税激励分析。本部分将对第一种单激励进行应用分析，即如果供应链被要求征缴碳税，供应商和网店之间的协同运作怎样影响CO2的排放？

假设某网店销售的某电器年需求量D=2000个，供应商的库存成本CSI=50元/个/年，网店的库存成本COSI=25元/个/年，供应商的设置成本CSC= 13000元，网店的订货成本COSO=500元，a=2×10-7吨·年2/个3，b=1.1×10-3吨·年/个2，c=1.3吨/个，TE=20元/吨，α=1.1。另外，由于无超排处罚，所以CEP=0。

根据方程（7）、方程（8）、方程（11）和求解算法，利用软件Matlab7.10的simulink仿真模块，得出以下仿真结果：

①协同供货速度S*=1832个/年。此时，供应链的环境成本，即排放成本CE=3978元/年，供应链总成本TCSC=20562元/年，供应商和网店的协同系数λ=5。此时，供应商和网店协同运作。

②碳排放最小的供货速度Smin,1=b/2a=2750个/年。此时，供应链的环境成本即碳排放成本CE=3846元/年，供应链总成本TCSC=21323元/年，供应商和网店的协同系数λ=4。此时，供应商和网店不协同运作。

供应链总成本TCSC、运营成本OCSC（即φSC）和碳排放成本CE参见表1。

从表1可以看出，TCSC(S*)＞TCSC(1500)，因此，协同供货速度不一定导致最低供应链总成本；如果供应商选择对应于最低碳排放量的供货速度，也不会导致最低供应链总成本。

表1 碳税激励条件下的供应链总成本、运营成本和碳排放成本

（2）超排处罚激励分析。本部分将对第二种单激励进行应用分析，即如果对供应链碳排放设定限额，碳排放超过这个限额，则对供应链进行碳超排处罚，此时，供应商和网店之间的协同运作怎样影响CO2的排放？

令α=1.05，CEP=3800元/年，排放限额I=210吨/年，其他数据同上。

根据方程（7）、方程（9）、方程（11）和求解算法，利用软件Matlab7.10的simulink仿真模块，得出以下仿真结果：

①协同供货速度S*=2532个/年。此时，供应链的环境成本即超排处罚成本CEP=0，供应链总成本TCSC=12176元/年，供应商和网店的协同系数λ=6。此时，供应商和网店协同运作。

②碳排放最小的供货速度Smin,1=b/2a=2750个/年。此时，供应链无超排处罚成本，供应链总成本TCSC=11970元/年，供应商和网店的协同系数λ=3。此时，供应商和网店不协同运作。

供应链总成本TCSC、运营成本OCSC（即φSC）和碳排放成本CE参见表2。

2.双激励分析

本部分将对双激励进行应用分析，即如果供应商既要被征缴碳税，又面临超排处罚，此时，供应商和网店之间的协同运作是怎样影响CO2的排放的？

令CEP=1200元/年，I=240吨/年，其他相关输入数值与上部分相同，根据方程（7）、方程（8）、方程（9）、方程（11）和求解算法，利用软件Matlab7.10的simulink仿真模块，得出以下仿真结果：

（1）协同供货速度S*=1686个/年。此时，碳超排处罚成本CEP=1200元/年，排放成本CE=3156元/年，总的环境成本4356元/年，供应链总成本TCSC=19870元/年，供应商和网店的协同系数λ= 3。此时，供应商和网店协同运作。

（2）碳排放最小的供货速度Smin,1=b/2a=2750个/年。此时，碳超排处罚成本CEP=1200元/年，排放成本CE=3213元/年，总的环境成本4413元/年，供应链总成本TCSC=21312元/年，供应商和网店的协同系数λ=4。此时，供应商和网店不协同运作。

供应链总成本TCSC、运营成本OCSC（即φSC）、碳排放成本CE和超排处罚成本CEP参见表3。

表2 碳超排处罚激励条件下的供应链总成本、运营成本和碳超排处罚成本

五、结论

本文在考虑碳排放的基础上，提出了一个基于网店及其供应商的低碳供应链激励模型，并从单激励和双激励两个方面分析了供应链协同运作与否所带来的总成本和环境成本的变化，结果表明：仅采取征收碳税激励能减少供应链总成本，但增加了排放成本；仅采取超排处罚激励增加了供应链总成本，但环境成本没有变化；综合采取征收碳税和超排处罚激励能同时降低碳排放成本和供应链总成本。在本文第二种基于碳超排处罚的单激励条件下，环境成本没有变化，导致这种结果的原因可能是，针对不同的供应链结构，供应链协同运作对碳减排的影响是不同的，这将是本研究下一步要做的工作。另外，在本文的模型中引入随机变量也是进一步研究的方向之一，如把一定供货速度下产生的碳排放量或超排处罚量作为一个随机变量，以便使政府部门决定给予多少处罚企业才愿意遵循。

＊本文系国家自然科学基金资助项目“基于GERT网络的我国再制造产业培育机理与政策设计研究”（项目编号：71273131）、教育部人文社会科学研究青年基金资助项目“面向网购的低碳供应链协同运作的激励机制研究”（项目编号：13YJCZH201）、南京工程学院创新基金资助项目“面向网购的供应链低碳协同运作的激励机制研究”（项目编号：CKJB201213）、“供应链环境下中小企业知识产权质押融资的效率机制研究”（项目编号：CKJA201208）的部分成果。

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[3]李昊，赵道致.碳排放权交易机制对供应链影响的仿真研究[J].科学学与科学技术管理，2012，33（11）：118-123.

[4]Floros N.，VlachouA..Energy Demand And Energy-re⁃lated CO2 Emissions in Greek Manufacturing：Assessing the Impact of a Carbon Tax[J].Energy Economics，2005，27（3）：396-402.外，CE（S*）+CEP（S*）＜CE（2750）+CEP（2750），因此，协同供货速度能带来供应链环境成本的降低。

表4 协同和不协同条件下单激励与双激励的比较

3.单激励和双激励的比较

根据以上的仿真结果，得出协同和不协同情况下的单激励与双激励的比较数据，参见表4。

表4表明，在第一种基于碳税的单激励条件下，即TE＞0，CEP=0时，供应链协同运作时（与非协同运作相比），供应链总成本减少了3.6%，环境成本增加了3.4%；在第二种基于碳超排处罚的单激励条件下，即TE=0，CEP＞0时，供应链总成本增加了1.7%，环境成本没有变化；在双激励条件下，即TE＞0，CEP＞0时，供应链总成本减少了6.8%，环境成本减少了1.3%。因此，双激励在网店及其供应商协同运作条件下能同时减少环境成本和总成本。

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Analysis on Low-carbon Supp ly Chain Incentive M odel and Its App lication Based on Online Shopping

WU Yisheng1，LIU Wenjie2and DOU Yaqin1，2
（1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu211167，China；2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu210016，China）

The target of low-carbon supply chain operation based on online shopping is to enhance the role of online shopping in promoting the enterprises'low-carbon operation，and weaken the negative role of online shopping in encouraging the enterprises'low-carbon operation.In the lightof online shopping and low-carbon，the supply chain w ill be facing single or dual incentive.The single incentivemeans carbon tax or em ission penalty of carbon dioxide；while the dual incentive considersboth of these two aspects.The carbon tax incentive reduces supply chain’s overall cost，but increases em ission cost；em ission penalty of carbon dioxide incentive increases supply chain’s overall cost，but there is no change in environment cost；the combination of them can reduceboth the costof emission and theoverall costof the supply chain.

online shopping；low carbon supply chain；collaboration；incentive

F724.6

A

1007-8266（2014）11-0064-07

吴义生（1973-），男，安徽省安庆市人，南京工程学院经济与管理学院副教授，博士，主要研究方向为物流与供应链管理；刘文杰（1975－），男，河南省焦作市人，南京航空航天大学经济管理学院副教授，博士，主要研究方向为物流与供应链管理；窦亚芹（1973-），女，江苏省姜堰市人，南京航空航天大学经济管理学院博士生，主要研究方向为物流与供应链管理。

责任编辑：林英泽