闭环供应链弹性网络设计与产权保护策略研究

方晗炜, 陈克兵

(1.武汉工程大学 管理学院，湖北 武汉 430205；2. 南京航空航天大学 理学院，江苏 南京 210016)



闭环供应链弹性网络设计与产权保护策略研究

方晗炜1, 陈克兵2

(1.武汉工程大学 管理学院，湖北 武汉 430205；2. 南京航空航天大学 理学院，江苏 南京 210016)

对于逆向供应链的网络构建与弹性运作问题，提出了以弹性组员筛选、风险预警、制造与再制造、弹性仓库构建、弹性拥塞延误、弹性交通配送为一体的供应链架构。在传统模型的基础上，考虑分销网络节点供应失效的影响，从竞争型制造商和多源供应的视角出发构建了弹性闭环网络。结果表明，知识产权保护下的制造商S1利益会因为期望容忍水平的变化而受到影响，但是可以通过再设计后的预警保障来巩固制造商S1的利益。

网络设计；弹性运作；竞争型制造商；产权保护

FANGHanwei1，CHENKebing2*

(1.SchoolofManagement，WuhanInstituteofTechnology，Wuhan430074,China；2.CollegeofScience,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Keywords：networkdesign;resilientoperation;competitivemanufacturers;patentprotection

传统的供应链优化理论与方法大部分是建立在静态的环境[1-2]，但是现实中企业总会面临各种各样的不确定因素(比如供需失衡或自然灾害等)[3-5]。大量的离散型和连续性的干扰信号充斥着供应链系统运作的各个环节，弹性运作(resilientoperation,RO)帮助系统通过自身能力恢复到原有状态或者最佳状态，维护系统持续的竞争优势[6-8]。在分析供应链系统风险的研究中，一些学者证实可以通过弹性设计来降低供应网络的脆性[9-10]。

逆向结构是供应链运作种类的一种，从公司名誉和环境保护法规出发，产品的原制造商无法抗拒在专利保护范围下授权给其他制造商进行废旧品的回购工作。在这种背景下，原制造商考虑采用适当方法来缓解这种竞争中的进入威胁。其中，“专利壁垒”就是广泛采用的方法之一，并且学者们发现产权保护策略会影响到供应链弹性网络的设计[11-12]。

然而，从节点的复杂性、系统动态架构和绩效等角度综合分析，目前的弹性运作研究主要有以下几个方面的问题：1)缺乏全面性的弹性运作理论基础架构；2)基于弹性管理与网络设计的供应链管理定性分析所有缺乏；3)弹性供应链网络运作模型的量化研究有所缺乏；4)供应链系统的稳定性分析和绩效量化评估有所缺乏。文献[13]探讨了以再制造闭环供应链为背景的专利保护方面的问题，分析了专利许可对旧产品回收的干扰作用，利用收益分享-费用分担契约协调了闭环供应链系统，然而相关论文并未延伸到供应链环境中多个节点的调度优化问题。文献[14]针对两阶段最短路径优化问题，结合运输路径的优化和库存自动分配构建了一种供应链网络，但研究中并未涉及风险管理的定量部分。此外，以上文献都没有涉及到基于产权保护下的闭环供应链抗干扰网络运作问题，相关弹性管理方面的研究比较缺乏。

笔者在前面综述的基础上，以逆向构造和专利保护策略研究为目标，建立了以弹性组员筛选/风险预警/制造与再制造/弹性仓库构建/弹性拥塞延误/弹性交通配送为一体的供应链架构。 试图通过对多源竞争的闭环供应网络的设计与再设计，动态选择节点并调整系统的运作，建立弹性的系统优化方案，用多个指标对系统稳定性和绩效进行量化评估，从而真正实现基于产权保护与弹性管理下网络设计的有效性及高效性。

1 网络结构

从图1可以看到，这里提供了一个简化版的正向供应网络，假定竞争型制造商S1和外包服务再制造商S2联合供应正向产品，产品经过分销供应网络销往各地。分销供应网络由T1，T2和T3三级表示，每一级由n个分销节点组成。末端存在2个需求市场。由于政府提倡制造商和被授权的再制造商相互竞争，双方分别根据市场信息制定生产计划，将产品以各自的成本提供给市场以期望得到最大的回报。双方的产品从T1，T2和T3级分销商逐层调配输送，且分销网络中的每一个成员都需要一定的库存成本运转。分别包括库存持有成本、库存损失成本和未签约补偿成本，并且忽略不计整个环节中的产品检测和封装成本。

图1 弹性网络架构图

在供应链系统外部和内部充斥着一系列不确定扰动因素，而供应链网络优化与设计被认为是可以改善系统运作、提升系统抗干扰能力的一个重要手段[15]。在对供应链系统网络设计过程中的弹性模块分析与评估后，得到图2如下。

从图2看出，对供应链网络的弹性评估包括成本控制、政府宏观控制和骨架设计3种模块。成本控制综合各种因素对系统成本进行核算和控制，由外部成本(包括预警成本)、固定成本(包括库存运作成本)和内部成本(包括制造成本和运输成本)组成。政府宏观控制模块是政府为了公众利益与社会福利的一种宏观调控，包括：①牌照经营权管理;②寡头垄断控制。骨架设计模块根据节点的有效性对网络架构进行动态调整，包括：①网络成员选择;②道路拥堵管理。在传统的供应链基础框架和干扰控制的背景下，笔者构建了供应链系统下的弹性运作概念，它既区别于一般性的干扰控制，也不同于局部扰动调整。笔者将其运用到供应链基础管理上的弹性网络运作中，设计了一种逆向网络优化模型。

图2 供应链闭环网络弹性设计及其评估

2 产权保护策略下的闭环网络弹性运作模型

2.1 初始环境

1)由于考虑打造品牌和构建核心竞争力的需要，原制造商S1并没有自己负责从事旧产品的回收与再制造，而是将逆向环节授权给提供外包服务的第三方制造商S2，并且给予技术援助。

2)第三方S2以回收率r(r∈[0,1]) 回收原制造商S1生产的旧产品(单件回收成本为Re)，其中一部分η(η∈[0,1]) 经过再制造后销售，处理掉无法回收再利用的另外部分(1-η)，其中假设单位残值为s。

3)假设通过再制造环节的产品与新产品无明显质量差别，消费者对新旧产品无明显选择偏好。再制造商S2在交纳给了原制造商S1某种程度的门槛费(或者称为专利许可费)，才能合法地开展对S1的原产品的再制造行为。

4)本文为了方便计算，假设η=1，忽略了残值处理成本。

2.2 模型的符号说明

RN为弹性运作网络;Di为市场i的产品需求供应量(包括D1和D2);Xa为任意两节点之间配送线路(即供应弧a)上的产品配送量, 变量X为常规产品配送量F或者期望产品配送量E;Node为分销配送网络中的任意一个节点;M和m为是常数，为相关供应弧或者节点的给定限制阀值;Ii为第i层弹性配送网络的供应弧输入(i包括T1,T2,T33个层级);Oi为第i层弹性配送网络的供应弧输出(i包括S1,S2,T1,T2,T35个层级)。

2.3 模型的构建

网络运作中整个系统的成本效用函数固然重要，但是网络稳定性同样是必须考虑的问题，一个有保障的弹性网络设计，是整个供应链系统竞争力的关键。然而现实中的网络节点由于随机时间，都有失效的可能，上一级节点的失效，可能会影响下一级节点。蝴蝶效应可能会引起一系列连锁反应从而使得整个网络的瘫痪，带来巨大经济损失。综上所述，应该将弹性运作引入到传统的供应链基础理论中来，设计一种弹性运作的闭环网络。

本文在供应链弹性管理理论的基础上，充分考虑了改善系统弹性和优化成本效用的问题。在一定程度的分销商期望容忍服务水平约束下，构建了专利保护策略下的闭环运作网络，利用多源供应巩固了系统稳定性运作，优化了系统成本。在不确定干扰环境下，弹性管理下的供应网络设计应该考虑到多源供应的限制，这里多源系数ρ和可靠性水平Pv的定义如下：

(1)

(2)

对于处在分销配送网络中的3个级别的分销商的期望容忍水平进行一定程度的分析，3个级别分销商需要尽量满足市场需求的容忍最低满足率为u、u1和u2。当分销配送网络中的节点出现一定机率的节点失效时，输入的期望流量要不小于需求的一定程度的倍数，才能维持不低于这个最低层级的服务水平要求，存在约束：

(3)

为了便于计算，只将第一个约束纳入考虑，忽略后面2个与期望容忍水平相关的约束。

1)风险预警成本。

风险预警成本效用

(4)

2)制造与再制造成本。

(5)

3)弹性仓库构建成本。

a)弹性库存持有成本。

其中Uv1，Uv2和Uv3为常数(Uv3>Uv2> Uv1)。

b)库存损失成本。

分销系统的稳定性会因为分销网络节点的一些随机事件而受到影响，例如机器故障、恶劣天气，loss表示每单位因为随机事件的损失值，带来的产品损失成本如下(其中括号中从左往右的前面两个部分是S1和S2的产品损失成本，第3部分为T1层产品损失成本，第4部分为T2层产品损失成本，第5部分为T3层产品损失成本)：

c)未签约补偿成本。

(6)

4)弹性拥塞延误

弹性拥塞延误

(7)

5)弹性交通配送成本。

(8)

综上所述，则弹性网络的总设计成本效用：

。

(9)

整个弹性网络的约束条件，有以下一些：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

层之间要达到网络均衡，约束条件式(10)～(13)为系统满足物流平衡条件；式(14)～(16)表示期望物流平衡条件；式(17)～(18)表示政府为了反垄断的强制性约束条件，从而提倡市场自由竞争; 式(19)～(21)表示分销配送网络中节点所承载的物流量；式(22)～(24)为节点的期望物流总量；式(25)表示只在被选弧的上面才会相应地存在一定程度的期望流;式(26)表示只有当期望流的数值为正值时，常规流才会存在;式(27)表示物流量的期望值的数值不可能小于或者等于常规物流量;式(28)为最小期望物流量约束; 式(30)～(34)的定义依次与(25)～(29)类似； 式(35)表示再制造商S2的最大供应限制。

3 案例分析

本文以某品牌汽车在沿海地域的闭环再制造供应链系统为例，在网络内的中部地域包括前端竞争型的1个制造商S1和1个再制造商S2来负责提供产品，中间共3级的分销商(j,k,m=1,2…n，这里n=8)、末端包括需求市场di(i=1，2)；产品分销配送地域包括西部地域、中部地域和沿海地域。分销配送网络的分销商有2个分布在西部地域，3个分布在中部地域，3个分布在沿海地域；中部地域包含了2个市场满足消费者的需求。这个分销配送网络一共包括28个分销节点和160条供应弧。数值模型在分枝定界算法下利用Lingo软件工具经过成千上万次的反复迭代与计算。相关参数设定范围的参考如下：ρ∈[0,1]为多源供应的程度;loss∈[α,+∞]-成本损失的程度;apv1,apv2， apv3∈[0,1]为分销层layer一定程度的可靠性;Re∈[0,α]为回收单价;f∈[0, +∞] 为再制造商S2付给制造商S1的产权保护费用;回收率r∈[0.5, 1]为再制造商S2的回收程度,当S1发现其领先优势被S2所威胁时, 将减少回收率到最低下限 0.5, 以继续维持领先优势。

基础数据设置如表1所示。本文考虑专利保护和弹性管理下的供应链运作，研究了随着单级期望容忍水平变化的供应链弹性架构，并分析了几种架构的系统绩效及对制造商S1和再制造商S2的影响。算例的基本计算步骤如下：

第1步, 布置网络纵向与横向结构，布置网络各个层次级别节点数量；

第2步，设置节点基本特征与属性(库存容量，运作成本等)，设置供应弧基本特征与属性(物流量与期望值)；

第3步，设置网络宏观(政府行为，比如反垄断、行业经营牌照控制等)和网络微观(节点运作限制等)约束条件；

表1 模型参数设置

第4步，设置网络多源系数和可靠性水平，设置各种弹性成本科目、各种弹性运作指标；

第5步，使用分支定界法计算供应链系统各种成本科目的弹性成本绩效，计算各种弹性运作指标；

第6步，判断有无必要巩固制造商(产权保护授权方)的竞争优势，有则进行第7步网络再设计，无则跳到第8步；

第7步，利用复杂科学的自组织理论进行闭环网络再设计；

第8步，分析并评价弹性运作优化前后的区别与效果。

例1考察回收率r=1和专利费f=1 000 000下的3种不同的期望容忍水平u下的闭环再制造供应链运作, 分别进行迭代计算和求解，分析u在多个水平差异条件下对模型(9)的影响，既而得出了3种不同的动态弹性闭环架构，如图3(a)，(b)和(c)所示。

这里期望容忍水平u为0.899(Ⅰ)对应的网络动态架构为图3(a)，期望容忍水平u为0.9699(Ⅱ)对应的网络动态架构都为图3(b), 期望容忍水平u为0.9733(Ⅲ)对应的网络动态架构为图3(c), 从而得出了弹性闭环网络架构。从图3可以看出，每级都达到了2个或者2个以上分销配送商的多源供应状态。闭环网络结构随着相应期望容忍水平的持续增加，一部分采购由初始的西部地域，逐渐向沿海地域转变。3种闭环架构的绩效评估在表2中所示。

从表2可以看出，系统随着期望容忍水平u的不断提高，成本先增后减，这说明供应链网络为了维持一定程度的可靠性，会以一定的成本为代价，从而达到提高系统稳定性的目的，但是当系统稳定性达到一定的程度，成本投入会相反地减少。期望容忍水平u从0.899到了0.969 9，系统失效数量有所下降；到了u=0.973 3系统失效数量虽然在一定基础上有所增加，但整个闭环系统的输出均值始终维持在原有水平。在再制造过程中拥有授权优势的制造商S1和提供外包服务的再制造商S2，当容忍条件处于高水平状态时，制造商S1的市场占有率要优于S2；但是当闭环系统期望容忍水平逐渐降低以后，再制造商S2逐渐压过S1并显示出一定程度的优势。由此可见，系统可靠性与期望容忍水平成正比。

图3 例1和例2的闭环网络弹性设计

指标例1Ⅰ(u=0.899)Ⅱ(u=0.9699)Ⅲ(u=0.9733)例2Ⅰ(u=0.899)系统成本1.923546×1082.010196×1081.991191×1081.913546×108失效数量26700185912249926700输出均值1000000100000010000001000000制造商S1的产量182835539851679202691669再制造商S2的产量817165460149320798308331系统稳定性0.97330.9814090.9775010.9733模型可靠性比较(相对于u=0.9733)-0.43%+0.3998%1-0.43%

专利保护虽然带给制造商S1一定的利润，也减轻了他们在环保方面的投入与负担，提升了他们的核心竞争力，但这也是一把双刃剑。市场行情不断变化，当消费者的期望容忍水平u为Ⅱ和Ⅲ的时候，制造商S1始终占据着市场的主导地位，但是当u下降为Ⅰ时，发现制造商继续维持原水平的专利保护费用和回收率，会影响他们在竞争中的有利地位，所以制造商S1观测到这个问题，有必要进行弹性网络的再设计以巩固其优势。

在本文，供应链网络被看作为一种复杂系统，从简单到复杂，当网络系统中的一条单链稳定到一定的程度，它将会自发地与上一条或者下一条单链通讯同时信息共享，当它遇到干扰事件或者供应中断的时候(例如金融海啸或者工会罢工等随机事件)将会有一种自组织的能力，当它面临竞争中失去领先优势威胁的时候，自动触发一种再设计的决策[16]。

例2 这里制造商S1进行了弹性网络再设计，制定了预警保障规则以确保其专利保护下的竞争优势，预警保障规则如下：

1)令S(t)为常规状态下t时刻单链间的状态，Ij(t)为t时刻单链间输入j的状态(输入值),r(t) 为t时刻单链间的回收率，f(t)为t时刻再制造商需要交纳的专利保护费用。t+1时刻单链间的状态，为S(t+1)=f(I1(t),I2(t),…,Ik(t),S(t),r(t),f(t));

2)对于方案Ⅱ和Ⅲ为期望容忍水平u的时候，制造商S1在供应链运作的竞争中处于领先优势，并未触发预警保障响应的情况，S(t+1)=f(I1(t),I2(t),…,Ik(t),S(t),r(t),f(t));

3)对于期望容忍水平u为方案Ⅰ的时候，制造商S1在供应链运作的竞争中处于领先劣势，触发预警保障响应，t时刻单链间的回收率降低到原来的一半，S1征收一半的专利保护费：S(t+1)=f(I1(t),I2(t),…,Ik(t),S(t),0.5×r(t), 0.5×f(t))。

制造商S1实施预警保障机制以后，方案Ⅰ的系统在分销网络中的分销路线没有发生变化，该架构的绩效评估见表2。由表可以看出，因为期望容忍度的降低处于劣势的制造商S1，依靠调整专利保护策略而扭转了局面，制造商S1的生产产量有所增加，而处于竞争地位的再制造商S2的生产产量在减少，导致失去了闭环运作中的优势地位。整个闭环系统的失效数量和可靠性没有发生变化，系统成本有所降低。

4 结论

知识产权保护在互联网经济下的全球供应链企业运作中发挥了不小的作用，特别是基于各种不确定环境下的抗干扰设计，这使得新兴的弹性供应链管理研究显得尤为重要。本文提出了一种基于专利保护下的再制造闭环竞争型供应链网络设计方法。1)引入弹性管理的概念，并结合供应链网络设计进行了定性和定量评估；2)提出了以弹性组员筛选/风险预警/制造与再制造/弹性仓库构建/弹性拥塞延误/弹性交通配送为一体的供应链架构；3)引入多级期望容忍服务水平，考虑因为市场波动而变化的期望容忍水平对系统动态架构和系统绩效的影响；4)根据专利保护制度对制造商S1带来的利与弊，进行了弹性网络的再设计，巩固了制造商S1在市场波动下的优势地位。利用基于专利保护和弹性管理下的供应链网络设计，我们得到了多个层级配送的闭环弹性运作网络的最终优化结果，既而构建了一系列卓有成效的弹性网络分析与设计方法，通过整个过程得出以下结论。

1) 弹性网络每一级分销网络都形成了2个以上的分销商节点，实现了闭环网络的多源供应。 2) 伴随着期望容忍水平的不同，弹性管理下的闭环网络运作成本因为分销配送商的可靠性的增加而表现出凸规则变化，失效的节点数量在逐渐减少。闭环供应链系统利润到达一定范围后，增加供应链系统的稳定性可以提高系统的利润，但是如果由于过于追求系统的稳定性反而会降低企业利润。3) 过度的知识产权授权有时候会影响到制造商在市场竞争中的优势地位，需要对此进行弹性网络再设计以巩固其优势，自组织决策发挥了作用。4) 两种情况下的系统跟以前的方案相比，弹性均得到了提高，物流运作得到显著改善。

此外，本文存在许多地方值得未来借鉴与思考。如果供应链系统的产品是易逝品，产品之间存在互补，生产计划的不确定，产品定价会随着竞争型制造商的市场优势变化而扰动，如何考虑网络设计时分销商库存容量与易逝品的时间属性的联合决策，这都是未来值得深入研究的方向。

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A Research on Closed-loop Supply Chain Network Design and Resilient Management Based on Patent Protection

Duetoproblemsinnetworkdesignandresilientmanagementofclosed-loopsupplychain,anintegrativeframeworkisestablished,integratingresilientmemberselection/pre-warning/manufacturingandrecycle/resilientinventoryoperation/resilientcongestiondelay/resilienttransportation.Thenacompetitivemulti-sourcingnetworkwithresilientmanagementisestablishedbasedonageneraloperationalmodelofsupplychain.Accordingtothepotentialriskofthevariousdistributors'failure,amultiple-sourceclosed-loopsupplywithresilientmanagementismadeuseof.ItisfoundthatthebenefitofmanufacturerS1withpatentprotectionwillbeimpactedbythechangeofmulti-levelexpectationtolerance,butcanbeimprovedbytheredesignedpre-warningsecurity.

2015- 03- 09

国家自然科学基金资助项目(71571100)；湖北省教育厅人文社会科学研究基金资助项目(14G200);武汉工程大学博士科研启动基金资助项目(K201323)

方晗炜(1981-)男，湖北省人，讲师，主要研究方向位为供应链管理、风险管理与系统科学.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.05.012

F062;F

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