基于演化博弈的供应链成员实施RFID技术的投资决策分析

王文杰，赵道致

（天津大学经济与管理学部，天津300072）

基于演化博弈的供应链成员实施RFID技术的投资决策分析

王文杰，赵道致

（天津大学经济与管理学部，天津300072）

针对零售商和供应商组成的两级供应链系统，研究了RFID技术应用于供应链的演化机理问题。首先探讨了初始投入成本、RFID技术的超额收益和上下游相互依赖关系对博弈双方投资决策的影响。在此基础上，通过引入成本分担机制和惩罚机制，对演化模型进行Pareto改进，从理论上分析了模型存在最优分担比例的条件和相关管理启示。最后，采用数值分析研究了博弈双方相互依赖程度和零售商成本分担比例等参数对供应链演化结果的影响。研究结果表明：零售商和供应商均实施RFID技术的概率与初始投入成本负相关，与超额收益和相互依赖程度正相关；在一定条件下，零售商存在最优的成本分担比例来促进供应链实现RFID技术革新，同时适当的惩罚力度有利于降低博弈方的机会主义；供应商对零售商的依赖程度对双方均投资RFID技术的影响更显著。

RFID；演化博弈；激励机制

物联网是面向信息社会的全球化基础设施，它使人们能够基于已有的和演化形成中的可共同操作的信息和通讯技术，通过物（实体的或虚拟的）的互联提供先进的服务［1］。无线射频识别（radio frequency identification）作为物联网的关键技术之一，自出现以来一直倍受企业界和学术界的关注。大型零售企业沃尔玛（Wal-Mart）、乐购（Tesco）、麦德龙（Metro）等已推广使用RFID技术，以实现商品的快速转移交付［2］。

研究表明，RFID技术能够有效削减成本、增加收益、改善流程、提高服务质量，实现了供应链系统中产品的可追溯性和可见性，进而得到更加准确的信息，实现可靠、快速的操作过程［3］。Choi［4］建立了有无RFID技术协助的零售商补货问题的供应链模型，探讨了供应链上下游的风险问题和供应链整体的期望收益问题，得出当RFID的标签成本较低时，引入RFID技术是提高期望收益、降低风险的有效手段。Gaukler等［5］在（Q，R）补货策略下研究了RFID技术对供给可视性的影响，并提出了在不确定的补货提前期和不确定的需求环境下分析零售商如何通过RFID技术得到订货进度信息的问题。Whang［6］以RFID技术的采用时间为决策变量，研究了动态博弈下上下游企业的均衡策略，指出技术合作和成本分担都可以改善RFID技术实施过程中的搭便车问题。另外，RFID技术可以有效消除库存管理中的库存信息不准确问题。Heese［7］在零售商和生产商的批发价格契约下，研究了库存信息不准确对双重边际化效应的影响，指出借助RFID技术可以实现上下游的信息共享，解决双重边际化问题，实现Pareto改进。Iglehart和Morey［8］用数理分析模型解决了交易误差造成的库存信息不准确问题，研究了单一商品在一个重新订货点进行补货的库存系统。在此基础上，Lee和Ozer［9］将RFID技术引入模型中，得出较小误差可以使与交易误差相关的存货成本降低5.9%。Kok等［10］通过比较RFID技术应用前后零售商和供应商的成本变化，得出了RFID标签的损益平衡价格，研究表明该价格与丢失商品的价值、商品损耗量、应用RFID后仍存在的损耗量密切相关。范体军等［11］同时考虑零售型供应链中的商品错放和损耗引起的库存不准确问题，采用回购契约对供应链进行协调，得出“商品的单位生产成本、库存成本、商品错放率、损耗率越高，供应链企业投资RFID的意愿越强烈”的结论。

综上所述，现有研究多集中在RFID技术对供应链管理的协调和改善上，主要关注点仍为RFID技术的标签成本，并没有对RFID技术能否在供应链库存管理中成功应用的内在机理进行研究。另一方面应用RFID技术的企业案例也表明：即使RFID技术存在明显的技术优势，但在供应链管理领域的推广仍面临很大问题。宋培健等［12］也指出：在市场存在网络外部性的条件下，采购商对供应商采取命令式和补贴式两种策略均能推动供应商采用RFID技术，但补贴式策略降低了采购商较早实施新技术的可能性。RFID技术的推广主要取决于供应商的决策，如Wal-Mart和美国国防部的RFID技术推广计划在实施初期均受到其供应商不同程度的抵制。目前多数大型RFID项目仍然部署在美洲、欧洲、中东和非洲等地，亚太地区作为制造业务的主体，但RFID技术的市场仍有待开发。因此，本文以实际情况中较为常见的零售商和供应商组成的合作关系为研究框架，对有限理性的供应链成员投资决策行为进行分析，探讨了上下游企业实施RFID技术的演化机理以及有助于技术推广的成本分担契约和惩罚机制，为供应链投资决策提供理论建议。

1 供应链成员引入RFID技术的演化博弈分析

1.1 演化博弈模型的构建

考虑由多个零售商和多个供应商组成的两级分散决策供应链系统，假设零售商之间以及供应商之间不存在竞争关系，且均为有限理性，应用双种群演化博弈方法分析零售商和供应商之间行为策略的演化稳定性［13］。上下游独立选择是否引入RFID技术，若选择实施该项技术，则双方均需对各自的软硬件设施进行革新并运营维护，设零售商和供应商购置RFID技术相关设备初始投入成本分别为m和n，同时新技术的实施使得双方的收益分别变为π1R和π1S。若双方对于RFID技术均持有观望态度，选择不实施，则短期内双方收益不变，分别为π0R和π0S。如果只有一方选择引入RFID技术，则实施方需要承担初始成本投入m或n，但同时也将获得额外收益。Δπ′S和Δπ′R分别表示供应商和零售商的收益增量，假设这部分收益小于所支付的投入成本，即Δπ′S＜n和Δπ′R＜m。而没有实施的一方可能由于无法提供更好的产品和服务、订货提前期较长等原因面临订单数量减少或合作关系破裂等风险，该风险给企业造成的损失与该企业对实施方企业的依赖程度相关。RS表示当只有零售商选择引入RFID技术时，供应商将面临的风险。RR表示当只有供应商选择采用时，零售商将面临的风险。α和β分别表示零售商对供应商的依赖程度和供应商对零售商的依赖程度。依赖程度越高，上下游企业的合作关系越稳定，风险给未实施方带来损失越大。为方便阐述依赖程度对企业收益的影响，在此分别用α2RR和β2RS表示双方决策不一致时，零售商和供应商将出现可能的损失，进而得到供应商和零售商策略空间为（不实施RFID，实施RFID）时的二维支付矩阵（见图1）。

图1 供应商和零售商的支付矩阵

1.2 演化稳定策略（ESS）求解

设零售商中选择实施RFID的比例为x（0＜ x＜1），则不实施的比例为（1－x）；供应商中实施RFID的所占比例为y（0＜y＜1），则不实施的比例为（1－y）。对零售商而言，实施RFID的适应度为；不实施RFID的适应度为；平均适应度可表示为

根据Malthusian方程［14］，零售商选择采用RFID技术的增长率˙x／x等于其适应度减去平均适应度，由此可得零售商选择实施RFID技术的复制动态方程：

同理可得，供应商选择实施RFID技术的复制动态方程：

证明 由式（1）和式（2）可得

根据FRIEDMAN［15］提出的方法，上述演化系统平衡点的稳定性可由该系统的Jacobi矩阵的局部稳定性分析得到。该系统的Jacobi矩阵为

由此可得矩阵J的行列式和迹的值，并通过行列式和迹的值和符号判断局部稳定性，分析结果见表1。

表1 供应链系统的演化稳定结果

1.3 演化博弈影响因素分析

长期范围内，零售商和供应商演化博弈的稳定策略为（实施RFID，实施RFID）和（不实施RFID，不实施RFID），演化结果取决于零售商群体和供应商群体的初始状态。为促进双方均选择引入新技术，实现博弈的Pareto最优，可借助相位图（见图2）来分析系影响统演化动态的主要因素。

图2 供应链系统演化相位图

图2 中A，B，D连成的折线是供应链系统收敛于不同结果的临界线。若系统初始状态位于折线左下方的区域内，则（不实施RFID，不实施RFID）为博弈双方的最终策略；若系统初始状态位于折线右上方的区域Ⅱ内，零售商和供应商在长期的演化博弈中均逐渐趋于选择引入RFID技术。由鞍点D的坐标可知，四边形OADB的面积为：

命题2 零售商和供应商的投资决策均为实施RFID的概率与运营成本m和n负相关，与供应链成员之间的相互依赖程度正相关。

证明 由式（3）可得，

即S的大小随着供应商的运营成本的增加而增1大，鞍点D逐渐趋近于点C（1，1），博弈双方最终选择不实施新技术的概率增加。该结论也在一定程度上表明：RFID技术在市场推广的初期，由于技术不成熟、安装成本过高等原因，供应链成员即使了解新技术能够有效提高供应链管理水平，解决库存不准确、提前期不确定等问题，但仍然抱有观望态度。

S1是关于β的减函数，零售商对供应商的依赖程度越高，则选择实施RFID技术的可能性越大。同理，得到S1也是关于α的减函数。说明较高的依赖程度使得供应链上下游在决策时更多地考虑对方是否实施RFID，为维持供应链合作关系的稳定性，博弈双方将更加主动地选择推广新技术。

命题3 其他因素不变的情况下，无论博弈双方是单独进行RFID技术的实施推广，还是同时选择投资RFID技术，实施方收益的增量越大，零售商与供应商实现（实施RFID，实施RFID）演化稳定策略的概率越大。

综上所述，该两级供应链系统最终是否能够达到（实施RFID，实施RFID）的演化稳定策略受到新技术运营成本、获利能力以及相互依赖程度的影响，建立合理的成本分担机制和监督惩罚机制能够协助供应链实现Pareto改进。

2 激励机制下供应链演化博弈分析

在实际供应链管理中，零售商由于库存商品种类较多，管理更加复杂，故更愿意采用RFID技术来消除库存环节中的商品损耗和错放、交易错误等问题（如Wal-Mart），因此假设零售商有主动采用RFID技术的动机，且为鼓励供应商实施RFID技术，可以通过契约形式主动分担供应链运营成本，设该比例为r。同时，博弈双方为维护上下游依赖关系的稳定性，减少机会主义，可以设定相应的监督惩罚发机制，没有实施RFID技术的一方需要向实施方赔偿P单位的罚金，则此时博弈双方的支付矩阵如图3所示。

图3 激励机制下供应商和零售商的支付矩阵

设零售商中选择实施RFID的比例为x，供应商中实施RFID的所占比例为y。零售商采取“实施RFID”、“不实施RFID”的适应度分别为供应商采取“实施RFID”、“不实施RFID”的适应度分别为

则零售商和供应商选择实施RFID技术的复制动态方程分别为：

命题4 长期范围内，零售商和供应商协定的惩罚力度不大时，只要零售商承担的成本不大于实施RFID技术后的收益增量，则存在最优的成本分担比例激励供应商选择推广RFID技术；当惩罚力度足够大时，则无论零售商的成本分担比例如何变化，（1，1）始终为供应链的演化稳定策略。

则

不能判断S关于r

2

的单调性，故求二阶导数得到：

当博弈双方的惩罚力度较大时，满足P＞max｛m－Δπ′R，n－Δπ′S｝，那么由稳定性定理可知，（1，1）为该演化博弈唯一的稳定策略，零售商和供应商初始时实施RFID技术的比例x，y取任何值，以及成本分担比例如何变化，都会在供应链合作关系的不断演化过程中，趋近双方均实施RFID这一投资决策。

图4 惩罚力度较大时演化相位图

3 数值分析

通过算例进一步验证和分析以上两种激励机制以及上下游依赖关系对零供双方长期演化结果的影响。零售商和供应商组成的供应链系统未投资推广RFID技术时，零售商和供应商的收益分别为π0R＝1 200，π0S＝800。由于下游零售商可以沿用上游供应商的RFID标签，故上下游进行设备购置和系统更新的成本分别为m＝500，n＝600。单独实施RFID技术的企业可获得的收益增量为Δπ′R＝300，Δπ′S＝200，惩罚成本为P＝100。若双方的决策均为实施RFID技术，则双方的收益将明显增加，π1R＝2 300，π1S＝1 500。为贴近实际情况，分别讨论了供应商对零售商的依赖程度更高、零售商对供应商依赖程度较高、上下游依赖程度均偏低以及上下游依赖程度均偏高4种情况，且依赖关系越紧密，可能面临的风险越大。依赖程度高低和风险高低的取值分别为0.2和0.6，200和500。供应链上下游依赖关系和成本分担比例对投资决策的影响如图5所示。

图5 成本分担比例对投资策略的影响

零售商和供应商之间依赖程度越高，则成本分担比例的激励作用越明显，但随着依赖程度的增加，双方均选择投资RFID技术的概率对成本分担比例越不敏感，说明建立稳定供应链的依赖关系能够协助上下游达到决策的统一，加速技术更新。另一方面，当零售商和供应商之间存在不平等的依赖关系时，最优成本分担比例相差较大。若供应商对零售商的依赖程度较高，则对零售商而言，可利用较为强势的地位，以较低的分担比例推动供应商实施RFID技术；若零售商对供应商的依赖程度较高，则零售商必须承担供应商绝大部分的初始投入成本，才能最有效地促进供应链上下游同时选择投资RFID技术。所以在供应链上下游博弈中，供应商越依赖零售商，则供应链推行RFID技术的可能性越大，这在一定程度上解释了当前比较成功的RFID实施案例大多由零售商占据主导地位的原因。

4 结术语

本文研究了不存在竞争且博弈主体有限理性的情况下，由供应商和零售商组成的供应链系统能否成功实施RFID技术的演化机理问题。分析结果表明：双方实现（实施RFID，实施RFID）的演化稳定策略与新技术运营成本负相关，与获利能力以及相互依赖程度正相关。进而考虑了在成本分担契约和惩罚机制作用下，通过理论研究和数值分析的方法，探讨零售商和供应商的演化特点。当惩罚力度较小时，存在最优的成本分担比例使得博弈向实施RFID技术的方向演化，但供应链仍有可能得到（不实施RFID，不实施RFID）的投资结果；当惩罚成本较大时，双方为维护合作关系的稳定性降低损失，即便在短期内存在不实施RFID技术的零售商或供应商，但随着交易和合作周期的增长，最终均会选择投资推广该技术。本文假设RFID技术能够提高零售商和制造商的收益，但实际中影响博弈方收益的因素很多，供应链企业收益是否增加仍需验证，后续研究将进一步分析RFID技术对供应链收益的影响，以及在上下游信息不对称且市场存在竞争状况下博弈方的投资决策变化。

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（责任编辑陈 艳）

Evolutionary Game Analysis of Investm ent Decision-M aking for Using RFID Technology on Supply Chain

WANGWen-jie，ZHAO Dao-zhi

（College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

For a two-echelon supply chain system consists of suppliers and retailers，this paper conducted a research on evolutionary mechanism of investment decision-making for using RFID technology.Firstly，the effects of the initial investment cost，excess income of RFID and the interdependent relationship were explored.On this basis，the Pareto improvement of game model wasanalyzed through the introduction of cost-sharing mechanism and punishment mechanism，resulting in the conditions of optimal sharing ratio and related management inspiration theoretically.Also numerical analysis on the effectiveness of the interdependence degree and cost sharing ratio were performed.The results indicate that the probability of installation of RFID on both partners has a negative correlation with initial investment cost and a positive correlation with excess income of RFID and the interdependent degree；under certain condition，there is an optimal cost-sharing ratio for retailers to promote the technology innovation on supply chain，meanwhile，appropriate punishment helps to reduce opportunism；the decision of investing RFID made by both sides is more sensitive to the dependence of suppliers on retailers.

RFID；evolutionary game；incentive mechanism

O21

A

1674－8425（2016）12－0154－08

10.3969／j.issn.1674－8425（z）.2016.12.024

2014－12－21

国家自然科学基金资助项目（71072155）

王文杰（1987—），女，河北廊坊人，硕士研究生，主要从事物流与供应链管理、运营管理研究，E-mail：wangwenjie9125＠qq.com；赵道致（1956—），男，江苏无锡人，博士，教授，主要从事为物流与供应链管理、运营管理、工业工程等研究。

王文杰，赵道致.基于演化博弈的供应链成员实施RFID技术的投资决策分析［J］.重庆理工大学学报（自然科学），2016（12）：154－161.

format：WANG Wen-jie，ZHAO Dao-zhi.Evolutionary Game Analysis of Investment Decision-Making for Using RFID Technology on Supply Chain［J］.Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2016（12）：154－161.