生物质燃料供应链协同优化研究

檀勤良，魏咏梅，李旭彦，邓艳明，杨海平

(1.华北电力大学,北京　102206；2.北京能源发展研究基地,北京　102206；3.科学技术部基础研究管理中心,北京　100862；4.山东电力工程咨询院有限公司,山东　济南　250000)



生物质燃料供应链协同优化研究

檀勤良1,2，魏咏梅1，李旭彦3，邓艳明1，杨海平4

(1.华北电力大学,北京102206；2.北京能源发展研究基地,北京102206；3.科学技术部基础研究管理中心,北京100862；4.山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250000)

本文通过引入契约机制、信息共享机制和收益分配机制来构建新的协同合作模式，并基于shapley值对供应链上各利益主体的收益进行协同分配。研究表明，在三种机制保障下各利益群体的经济效益均有所增加，可以实现帕累托改进。敏感性分析表明，上网电价是影响供应链收益的最敏感因素，因此构建合理的生物质发电上网电价形成机制是促进该产业发展的重要因素。另外，政府的政策引导以及积极加入CDM可以有效增加各利益群体收益。

生物质能源；生物质燃料供应链；shapley值；协同优化

1　引言

生物质发电产业的发展不仅可以替代化石能源和缓解环境问题，同时也可以有效促进农村发展。尽管中国制定了生物质发电的相关政策，但生物质发电产业的发展并不顺利。究其原因，主要是生物质发电燃料收集困难、燃料供应链不稳定，因而产业效益比较低。许多学者针对这种情况进行了研究，其中，生物质供应链利益群体之间的收益分配是研究的焦点之一[1-4]。Giannoccaro[5]分析了各成员企业之间利益的分配问题，以实现各成员企业同步合作。Li等[6]将灰色关联分析和粗糙集理论相结合解决合作伙伴选择的决策问题。雷勋平等[7]针对独立供应商定价决策和制造商订货决策问题，分析制造商和供应商建立战略合作伙伴关系的必然性和可能性。王炬香等[8]针对两级供应链系统中的单一制造商和单一零售商，研究了面对产品销售价格浮动时的供应链协调问题。王玉燕[9]运用博弈理论研究了闭环供应链的定价与利益协调激励机制。晚春东等[10]分析了制造商与零售商的共享收益合作区间，提出了基于共享契约的供应链合作伙伴收益分配协调机制。高爱颖[11]对供应链下采购商合作伙伴关系进行了模糊评价，探讨了其协调机理，并在不完全信息条件下设计了企业采购协调机制。Guardiola[12]以由一个供应商和多个零售商所构成的二级供应链为研究对象，主要研究其在分散控制下的行动协调与供应链收益分配问题，并基于相关合作博弈模型提出了一个相对稳定的解决方案。Yao[13]基于报童模型与数值分析方法，研究了由一个生产商和两个零售商构成的二级供应链中的收益分享合同问题。Lerner等[14]从委托-代理机制的角度充分考虑道德风险问题，对收益共享进行了探讨。陆杉[15]对供应链关系资本的影响因素以及关系资本与供应链协同之间的关系进行分析，提出概念模型及研究假设，进行探索性因子与验证性因子分析，用结构方程模型来分析各变量之间的关系并进行假设检验。蔡淑琴等[16]分析了信息共享在不同条件下存在的价值差异，探讨了供应链协同与信息共享的内在关联。研究结果表明，信息共享是供应链协同实现的必要但不充分条件。在某些条件下，信息共享并不能解决供应链中的协同问题,相反还可能增大协同工作量。要避免这种情况发生，提前进行合理的信息共享设计是必需的。张成堂[17]等以三级供应链为研究对象，探讨了价格敏感型需求下的联盟博弈及其收益分配问题，结果表明应用 Shapley 值法协调后的大联盟在使全局得到优化的同时，也使各成员企业的收益较非合作决策时均有大幅提升。卫锋[18]构建了博弈视角下基于信息共享的供应链收益分配机制。

一般而言，供应链合作伙伴关系中都有主导企业，而生物质发电燃料供应链却表现了与一般供应链不同的特征，即供应链中的核心成员——电厂并不处于主导地位，一方面燃料供应受制于众多农户和经纪人，另一方面上网电价受到严格的监管。燃料收集难和供应不稳定成为阻碍生物质发电产业发展的主要因素。因此，本文根据生物质发电燃料供应链的具体特征，研究供应链上各利益群体协同合作收益分配问题，在提出合理的生物质燃料供应模式的基础上对各利益群体的利益分配进行分析，并在此基础上探讨政府扶持和激励对于各利益群体收益的影响。

2　利益群体间的协同收益分析

2.1协同机制的建立

在传统的生物质发电原料供应环节中，主要体现在燃料的移动，由于缺少必要的信息传递和机制保障，物流运作效率低、成本高。首先，在传统供应链中由于没有进行必要的信息交流，农作物的种植范围又比较分散，因而运输成本较高。其次，电厂与经纪人之间的契约缺乏刚性约束，由于电厂燃料主要来源于经纪人，所以经纪人恶意抬高秸秆的价格会导致电厂的发电成本增加。最后，在缺乏政府政策建议和激励的条件下，电厂利益很难得到保障，农户的合作意愿低下，秸秆原料供不应求。

图1说明了协同优化后的生物质燃料收集供应模式。首先，构建三个机制：契约机制、信息共享机制和利益分配机制。电厂、经纪人与农户三方之间签订契约，契约机制是电厂、经纪人和农户之间进行信息共享机制和利益分配机制的前提与保障，契约既能保证电厂利益又能保证农户收益。在契约的约束下，经纪人要按时向电厂供应秸秆，农户会把收获的秸秆交给经纪人处理，从而达到一个有序的状态。信息共享机制使各利益群体之间达成更有效的沟通，农户与经纪人可以了解到电厂燃料的需求情况，从而调配燃料的供应进度与供应量。利益分配机制使各利益群体间的合作程度更加紧密，是维持整个供应链稳定运行的纽扣，各利益群体都处于理性状态，都趋于各自的利益最大化。所以，本文在构建协同模型的基础上，重点探讨了利益群体间的收益分配问题，通过shapley值法对供应链的收益进行再分配。其次，通过引入政府，一方面给予电厂补贴，另一方面出台政策约束与激励农户的秸秆供应，规避一些风险因素，增加农户的合作意愿度。最后，燃烧生物质秸秆进行发电会减少因排放有害气体而带来的环境污染，带来巨大的环境效益，电厂通过发展CDM项目可以得到额外的收益，通过增加额外收益使电厂效益得到保障，刺激供应链上的主体行为，进一步提高供应链运作效率。

图1　协同优化后生物质发电供应链

2.2基于shapley值的利益分配模型

(1)shapley模型。Shapley值法是用于解决n个人合作对策问题的一种方法。当n个人从事某项经济活动时，他们之中若干人组合的每一种合作都会得到一定效益。当人们之间的利益是非对抗性时，合作中人数的增加不会引起效益的减少，那么n个人的合作将会带来最大效益。n个人的集合及各种合作的效益就构成n个人合作对策，Shapley值法是分配这个最大效益的一种方案。定义如下：设集合I={1,2,…,n}，如果对于I的任一子集s都对应着一个实值函数υ(s)，满足υ(∅)=0，υ(s1∪s2)≥υ(s1)+υ(s2)，s1∩s2=∅，则称[I,υ]为n合作对策，s为n人集合中的一个合作，υ(s)为合作s的效益，即为对策的特征函数。

(1)

(2)利益群体的利益分配方案。在生物质发电燃料供应链上利益群体主要包括农户A、经纪人B和电厂C。所以I={A,B,C}，则三个行为主体的合作方式有:

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

(2)

其中，υ({A})、υ({B})、υ({C})代表农户、经纪人、电厂在无协同合作情况下各自的收益。υ({A,B})代表农户和经纪人协同合作的总收益，υ({A,C})代表农户与电厂协同合作总收益，υ({B,C})代表经纪人与电厂协同合作得到的总收益，υ({A,B,C})代表农户、经纪人与电厂在一个有序协同的系统下的总收益。农户、经纪人与电厂在整个协同合作系统下的收益分配分别为：

(3)

(4)

(5)

3　利益群体间的协同收益模型

3.1协同合作前燃料供应链的收益模型

农户收益为：

υ({A})=Cpu2q-Creq

(6)

其中，Cpu2代表农户秸秆出售价格；Cre代表农户秸秆操作成本。

经纪人收益为：

υ({B})=(Cpu1-Cpu2)q-Ctrlq-Cpeq

(7)

其中，Cpe代表单位人工操作成本；Ctr代表单位距离单位秸秆的运输费用；l代表运输距离；Cpu1代表经纪人出售给电厂的秸秆价格。

电厂收益为：

υ({C})=(Con-Cop)ELuitq-Cpu1q-Cstq

(8)

其中，Con代表上网电价；Cop代表单位发电运营维护成本；Cst代表单位存储成本；Cpu代表单位购买成本；Ctr代表单位运输成本；ELuit代表单位秸秆发电量；q代表秸秆供应量；l代表运输距离。则供应链利益群体的整体收益为：

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

(9)

3.2协同合作后燃料供应链的收益模型

农户与经纪人协同合作后的经济效益为：

υ({A,B})=Cpu1q-Ctrlq-Cpeq-Creq

(10)

此时的农户与经纪人合作，农户直接把秸秆卖给经纪人，缩短经纪人的收购周期，经纪人收购意向明显，效率增加。

农户与电厂协同合作后的经济效益为：

(11)

经纪人与电厂协同合作后的经济效益为：

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

(12)

此时，经纪人与电厂之间有着信息共享机制的保障，不会把所有秸秆都堆积在电厂，定期进行派送，降低电厂的存储成本。

农户、经纪人与电厂三方协同合作后的经济效益为：

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

(13)

其中，qco代表受到政府激励机制后农户秸秆的供应量。

按照协同收益分配机制对农户、经纪人和电厂的收益进行分配，此时三者的收益分别为：

农户收益：

(14)

其中，Psub为政府补贴对农户带来的收入，可以表示为Psub=∂·Cpu2qco。

经纪人收益：

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

(15)

电厂收益：

(16)

其中，Pco2为电厂实施CDM项目带来的额外收益，额外收益估算模型可以表示为：

Pco2=ΔOco2×Rco2×q，ΔOco2

代表单位生物质发电替代燃煤发电后减排的CO2量，可以表示为：

Rco2代表单位CO2的减排价值，则电厂额外收益为：

3.3非协同收益与协同收益对比分析

由式(6)～(9)与式(13)～(16)可以得到协同收益分配后农户、经纪人、电厂和整体供应链收益的增加值分别为：

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)

在进行协同合作后，燃料库存成本有所下降，其余成本保持不变，由于政府的激励机制导致农户秸秆供应量增加。同时又由于政府补贴和开展CDM项目带来的额外收益，使整条供应链的收益增加，即Δυ({A,B,C})>0。对于各个利益群体来说，农户、经纪人和电厂通过合作使整体收益最大化，应用shapley值法进行收益分配保证了各自收益处于非减状态，即Δυ({A})≥0,Δυ({B})≥0,Δυ({C})≥0。进一步通过分析可以得到，农户供应量增加，同时政府给予补贴，所以收益增加，即Δυ({A})>0；经纪人在成本保持不变的情况下运输量增加，从而收益增加，即Δυ({B})>0；电厂库存成本下降，其余成本保持不变，供应量增加，且通过实施CDM项目带来额外收益，收益增加，即Δυ({C})>0。在供应链进行协同分配后每个成员的收益都增加了，实现了帕累托改进，可以保持整个供应链的稳定运行，而且能激励存在联结依赖关系的利益群体尽最大努力创造额外收益，使整体达到最优。

4 实证分析

选取河北省一个25MW的生物质发电厂为例，该厂正常生产每年需要秸秆量大约28万吨。该地区的秸秆量为337.5万吨，面积为1.2万平方公里，所以秸秆密度为337.5t/km2。但实际可用于秸秆发电的秸秆只占到20%左右，即可利用密度为67.5t/km2。相关的数据如表1所示(根据统计年鉴和调研数据整理)

表1　经济参数

项目所在地作物为一年一季，即只有一种作物，其他指标根据统计年鉴和相关调研数据进行整理。按照本文所建模型可以得到利益群体在进行协同合作前后收益变化情况，如表2所示。

表2　协同合作前后收益变化

从表2可以得出，在协同合作前整条供应链的收益为2400万元,协同合作后由于秸秆供应量增加、库存费用减少和政府激励、开展CDM项目带来的额外收益，使供应链的收益达到3085万元，增加28.55%。在协同合作前，农户收益为600万元，占比25.00%；经纪人的收益为1000万元，占比41.67%；电厂的收益为800万元，占比33.33%。生物质发电供应链的核心成员——电厂在供应链中收益所占的比例明显小于经纪人，处于弱势地位，不利于整体产业的发展。在协同合作后，农户的收益为873万元，占比28.28%；经纪人的收益为1028万元，占比33.32%；电厂的收益为1184万元，占比38.39%。在进行合理的收益分配后，电厂的收益有了较为明显的增加，处于供应链的领先位置，有利于电厂对于供应链中出现突发情况做出及时的战略调整。如在燃料供应紧张的时期，电厂可以让利给农户，激发农户秸秆供应量。从表2还可以看出，电厂的收益增加了48.08%，农户收益增加了45.41%，经纪人的收益增加了2.80%。农户属于供应链燃料的生产者，电厂属于供应链原料的消费者，电厂和农户的收益都有了较大的增长，对于供应链的稳定运行起到了极大的推动作用。对于供应链的中间者经纪人虽然收益增加比不大，但也有所收获，所以不会对供应链的运行产生负面影响。

图2　供应链收益增长率对比分析

为了更加直观地反映收益变化情况，对影响收益分配的主要因素进行敏感性分析。把秸秆供应量、秸秆购买价格、上网电价分别增大5%、10%、15%、20%、25%、30%后，计算收益变化情况。如图2所示，上网电价对整体供应链收益的影响远大于其他因素的影响。由于生物质燃料的热值低、密度小，在燃料的收集、运输和存储以及电厂的发电设备上产生较大的成本。秸秆量也是影响生物质发电产业链发展的重要因素，长期以来生物质电厂面临燃料不足的困惑，要花费大量的成本来收集原料。从源头上解决秸秆供应难的问题，是促进生物质发电产业发展的关键。

从图3可以看出，秸秆量对农户收益的影响明显比其他因素显著。因此通过政府激励，不断增加秸秆供应量对于提高农户的收益具有关键的作用。政府的激励措施可以通过两种方式实现，一是通过补贴的形式，根据农户提供的秸秆量对其进行补贴；二是通过刚性限制与扶持的方式，比如严格限制农户焚烧秸秆，鼓励秸秆的综合利用。秸秆购买价格对农户收益影响也较明显，但是，秸秆购买价格过高会直接影响生物质电厂的收益，不利于供应链核心成员(电厂)的发展。

图3　农户收益增长率对比分析

从图4可以看出，秸秆购买价格对经纪人收益影响远远高于秸秆量和上网电价的影响。经纪人既不是燃料的提供者也不是燃料的消费者，作为燃料的传送者，经纪人可以增大供应链的运作效率，并且通过合理的规划设置，降低原料的运输成本。所以，经纪人在供应链中起着至关重要的作用。

图4　经纪人收益增长率对比分析

从图5可以看出，电厂的收益同上网电价与秸秆量呈正相关关系，同购买价格呈负相关关系。上网电价在现有水平上增加10%，电厂的收益将增加50%以上。所以，适当提高上网电价是解决目前生物质电厂面临效益低下的有效手段。此外，通过合理规划电厂，解决燃料远距离运输的问题，降低燃料运输成本，从而降低秸秆购买价格是生物质发电企业长期发展的根本。

图5　电厂收益增长率对比分析

5　结论与建议

本文从协同合作与收益共享角度研究了生物质发电燃料供应链的协同收益分配问题，也对各利益群体收益的影响因素进行了比较。从结果中可以得知上网电价是影响收益分配的最主要影响因子，上网电价的提高不仅可以使得生物质电厂利润提高，更可以通过价格机制传递到农户方，提高了秸秆的收购价格，这样既能够极大刺激农户供应秸秆的供应量，又能够保证生物质发电厂持续有效的生产运营。

根据本文研究结论，提出以下建议：

①遵循契约精神，提高契约的刚性；②构建畅通的信息沟通机制和合理的利益共享机制；③形成合理的电价分摊机制，必须充分考虑生物质发电节能减排的环境效益和促进农村发展的社会效益，这种环境和社会效益的宏观性，决定了生物质发电的部分成本要在全社会进行分摊；④引入高效物流系统。

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(责任编辑沈蓉)

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

国家自然科学基金(71373077)，新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0850)，教育部博士点基金项目(20110036120013)，北京市共建项目(GJ2013012)。

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