孙金岭,袁朋朋,孔盼盼
兰州理工大学 经济管理学院,兰州 730050
随着物质生活水平提升和消费理念的转变,人们对各类电器电子设备的追求更加呈现出个性化、新潮化趋势。由此加速了设备的更新换代,导致被淘汰或废弃的设备数量不断攀升,引发了一系列资源环境问题。在此背景下,回收再制造作为一种实现资源循环利用的有效方式,受到全社会的广泛关注,许多国家和地区甚至以法律形式对其施行做出强制性规定[1]。如欧盟《废弃电子设备指令》、日本《家用电器再生利用法》以及我国《废弃电器电子产品处理基金征收使用管理办法》(下文均简称处理基金)和《生产者责任延伸制度推行方案》等。在政府相关政策规制下,回收再制造行业必然会受到巨大冲击[2]。而处理基金作为我国电器电子产品行业的代表性政策法规,为政府规制措施的具体施行指明了对象和标准。处理基金规定废弃电器电子设备必须交由资质许可的处理商处置,对电器电子设备生产人、进口收货人或其代办人所进口的电器电子产品,按数目征收处理基金,对已取得处理资格的企业,按实际处理数目给予补贴[3]。也就是说,实施处理基金不但是政府的强制要求,更关系到闭环供应链中企业的切身利益。因此,在闭环供应链的决策研究中考虑处理基金具有重要的理论价值和现实意义。
梳理相关文献后发现,目前已有学者在闭环供应链的研究中考虑了政府政策的作用,但是少有涉及到处理基金。Ma等[4]针对双渠道回收的供应链,探讨有无政府消费补助情境下的最优定价策略。Liu等[5]研究了政府补贴下存在竞争的正规和非正规回收渠道的最优回收决策问题。Mitra等[6]则以产品销售上存在竞争的单一新产品生产商和再制造品生产商为背景,分析政府只补贴其中一方和同时对两方进行补贴时的不同定价。随后,赵敬华等[7]将补贴的对象进一步扩展到消费者、零售商、回收商,并设定闭环供应链系统存在充分竞争,研究此时在政府分别补贴下,渠道中成员的定价和利润分配。王文宾等[8]构建了集中决策、无奖惩机制的分散决策以及奖惩机制下考虑制造商竞争的闭环供应链决策模型,通过求解分析得出供应链系统不同条件下的最优定价。韩小花等[9]依据电器产品“以旧换再”补贴政策,讨论了供应链中节点企业的动态定价及协调问题。李新然等[10]则基于政府处理基金政策实施背景,分别研究了有无政府规制时的新产品和再制造产品差异化定价问题。
除此之外,不同于传统供应链,闭环供应链系统还包括回收废弃品的再制造环节(再制造是一种针对废弃品的高技术修复和改造活动,其目的在于以最低的成本和能源消耗实现产品性能和附加值的最大提升[11]),更高质量的回收品则意味着更小的再制造技术流程难度和更低的再制造成本[12]。因此,闭环供应链中企业在制定自身销售及回收策略时除了需要考虑外部政策因素的变化,还必须分析内部废弃品质量情况的影响。且许多研究也已验证回收品质量情况会影响闭环供应链的决策。如Heydari等[13]在两阶段回收翻新供应链中发现翻新能力和回收品质量会对供应链的协调产生影响。Han等[14]针对产品回收质量和数量不确定性、再制造加工时间以及市场需求等的不确定性,构建一个稳健的优化模型来解决混合制造和再制造系统的生产计划问题,并通过具体案例评估了模型的效率。Panagiotidou等[15]则研究了混合制造/再制造设备在不完全质量信息下退货分类过程的优化问题。Shu等[16]基于再制造质量成本,计算出回收品最低再制造质量要求。国内学者杨爱峰等[11]研究了质量不确定下最优回收排序及再制造数量问题。黄帝等[17]将回收品按质量分为不同等级,进而对再制造供应链的优化决策展开研究。程发新等[18]基于政府补贴和回收品质量情况分析了闭环供应链定价问题。
综上所述,尽管从政府规制和回收品质量两个方面研究闭环供应链的决策问题均已取得了一定成果。但依然存在着不足之处:(1)已有研究虽然表明政府规制和回收品质量均会对供应链的决策及协调产生影响,但是却少有学者在分析中同时考虑这两种因素的作用。(2)在已有政府规制方面的研究中,规制形式主要为单一补贴策略,且补贴对象和补贴标准各行其是,忽略了处理基金对废弃电子产品行业的规制特点,致使相关研究结论缺乏有效的实践指导性。(3)在现有涉及回收品质量的研究中,大都未将闭环供应链的定价及协调决策作为研究目标,也没有考虑回收品处理环节中具有拆解处理资质的处理商的作用。(4)已有研究中闭环供应链的协调策略多以单一契约协调为主,且没有给出协调后的具体价格策略和收益情况,协调机制可操作性差。
基于此,本文在综合考虑处理基金的外部影响和回收品质量的内部影响下,构建博弈模型,主要探讨以下问题:(1)供应链中制造商、零售商和处理商如何依据处理基金政策和回收品质量确定自身最优价格,以实现利润最大化。(2)合作决策和非合作决策两种情况下,处理基金和回收品质量会对消费者、销售价格、回收价格、转移价格、回收数量和供应链的利润产生怎样的影响。(3)如何设计新的协调机制来解决非合作决策产生的“双重边际化”问题,是否能够求解出实现协调时各企业的具体价格策略和具体利润。
本文所分析的闭环供应链系统由单一制造商、零售商、处理商组成。其中,制造商既使用原材料加工生产全新产品,也利用回收的废弃品进行再制造生产,且生产的全部产品在包装、性能等方面完全相同,均由零售商在同一市场上出售。此外,零售商还负责从消费者处收回废弃电器电子产品,并将收回的废弃品全部转售给具有拆卸处理资质的处理商。处理商将处理后可用于再制造的废弃品转售给制造商,其余废弃品则实施环境友好处理。政府基于处理基金政策对制造商按产品生产数目征收处理基金,同时处理商依据完成拆解处理的废弃品数目向环保部申请补贴。闭环供应链模型如图1所示。
为了进一步研究的展开,在此对使用到的变量和参数符号进行定义,具体如表1所示。
表1 主要变量及符号定义
在结合相关理论及现实情况后提出基本假设。
(1)零售商以相同价格ω从制造商处批发新产品和再制造品,并将批发的全部产品以价格p统一售出,产品市场需求量D=α-βp,其中,α>0,β>0,D>0。
(2)零售商以单位价格pt从消费者手中收回废弃电器电子产品,随后将全部回收品转售给处理商,pr为处理商给予零售商单位产品的转移支付价格。处理商经过筛选、检测、拆卸等处理环节后,掌握回收品质量信息,将具有再利用价值(下文均称为可再制造)的产品转售给制造商,pm=φ+θk为制造商支付给处理商的单位产品转移支付价格。其中θ>0为质量价格弹性系数(表示转移价格随回收品质量水平提升而提高的程度),φ表示制造商基本转移价格,0 (3)由于回收品在质量上存在差异,所以假定处理后可再制造品占全部回收品的比例为λ,0<λ<1[20]。处理商对可再制造品的单位平均处理费用为cd,其余1-λ部分不可再制造回收品的处理费用及其残值忽略不计。 (4)新产品和再制造品生产成本分别为cn、cr,其中cr=cn-μk,μ>0,μk代表再制造活动所能节约的单位成本,回收品质量水平系数k越高再制造活动成本越低[21]。 (5)零售商废弃品回收数量G=δ+γpt,其中δ≥0代表消费者自愿捐赠的废弃品数量,γ>0为回收价格敏感系数[22]。 (6)此外,为了使闭环供应链中各企业均能有利可图,保证研究问题具有现实意义,假设相关参数还满足条件pm>φ>pr+cd>pr>pt>0;0 依据闭环供应链的运行机理及模型假设,可知制造商、零售商、处理商利润函数分别为: 在合作决策模式下,整体利润最大化成为供应链中所有企业自觉的行动目标。整体利润等于各企业利润之和,最优利润函数如下: 合作决策中零售商销售价格、回收价格、回收数量分别为: 命题1合作决策模式下,闭环供应链均衡策略为(),此时废弃品最优回收数量为G*,供应链整体最优利润为π*。 推论1合作决策中产品最优销售价格p*只受新产品生产成本cn、处理基金单位征收ε的影响,与处理基金单位补贴η、回收品质量水平k等不相关。 推论2在合作决策中,零售商最优回收价格、回收数量G*均随单位回收品处理成本cd提高而降低,随处理基金补贴η、可再制造比例λ、回收品质量水平系数k提高而增加,不受处理基金征收ε的影响。 证明推论1、推论2求导或直接观测可得。 分析推论1、推论2可知:(1)回收品质量(或可再制造比例)提升,一方面能够提高制造商的转移价格,给处理商带来更多收益,从而进一步提高处理商的转移价格,随后零售商提高对消费者的回收价格;另一方面可以节约再制造成本,促使制造商更多地采用回收品来组织生产,废弃品需求数量增加,回收价格上升。但是回收品质量提升并不会对销售价格产生影响。(2)处理基金能够直接增加处理商利润、提升处理商废弃品需求数量,从而提高其对零售商的转移价格,随后零售商回收价格和回收数量增加。此外,处理基金也会使制造商利润受损,为规避损失制造商通过正向供应链将部分被征收的处理基金转嫁到消费者,造成产品市场销售价格上升。 闭环供应链中所有企业在非合作决策模式下的行动准则均为实现自身利润最大化。在决策顺序上表现为:制造商率先行动,决定产品单位批发价ω和对处理商的单位转移支付价格pm,保证自身利润最大化。然后处理商决定自身对零售商的单位转移支付价格pr。最后零售商决定产品市场销售价格p以及对消费者的回收价格pt。非合作决策下制造商、处理商、零售商的最大化利润函数如下所示: 为了得出模型中的相关参数,在此用逆向归纳法求解。首先由式(9)可知零售商销售价格、回收价格分别为: 再将式(10)~(12)代入式(7),同理得批发价格和制造商转移支付价格: 将式(13)、式(14)分别代入式(10)、式(11)得简化易得零售商回收数量 因此,在非合作决策模式中制造商、零售商、处理商和闭环供应链整体最优利润分别为: 命题2非合作决策模式下,闭环供应链的均衡策略为(),此时废弃品最优回收数量为G**,制造商、零售商、处理商和闭环供应链整体最优利润分别为和π**。 推论3非合作决策中产品最优销售价格p**、批发价格ω**均与新产品生产成本cn、处理基金征收ε正相关,与处理基金补贴η和回收品质量水平k不相关。 推论4零售商最优回收价格、处理商最优转移价格p*r*以及最优回收数量G**,均随处理基金补贴η、回收品质量水平系数k、可再制造比例λ的提高而提高。其中,受处理基金补贴η的影响较更加显著。 推论5制造商最优转移价格与回收品质量水平系数k、回收品处理费用cd以及可再制造比例λ正相关,与处理基金补贴η负相关。 证明推论3~推论5求导或直接观测可得。 通过对推论3~推论5的分析可知:(1)回收品质量(或可再制造比例)提升,使得处理商及制造商获利增加,从而提高对废弃品的需求数量,转移价格和回收价格随之上升;但出于自身利润考虑,逆向供应链中增加的收益不会被传递到正向供应链,即不会对批发和销售价格产生影响。(2)政府征收处理基金后,制造商通过正向供应链将自身所缴纳的处理基金部分转嫁到零售商、并进一步传递到消费者,导致新产品批发价格与销售价格上升。(3)政府对处理商补贴时,补贴金额由逆向供应链传递到零售商,处理商的转移价格和零售商回收价格相应提升,但零售商回收价格提升幅度较低,政策效应随供应链传递而削弱。(4)政府对处理商补贴时,处理商成本降低,制造商在观测到这一情况后产生“搭便车”行为,对处理商的转移价格随政府补贴提升而降低。 将合作决策与非合作决策两种情况下最优结果对比分析后可知: 命题3合作决策与非合作决策情况下产品最优销售价格、回收价格、回收数量和供应链整体利润满足关系:p*-p**<0;0;G*-G**>0;π*-π**>0。 命题3表明,合作决策比非合作决策下产品市场销售价格更低、回收价格更高、回收数量更多,供应链整体利润更高,是一种对企业、顾客、生态环境更优的决策方式。命题3还表明合作决策下回收价格的提升致使回收质量和数量提升,制造商能够更多地使用回收品进行再制造,生产成本因此降低,加之更低销售价格带来市场需求增加,供应链整体利润得以提高。此外,合作决策下回收数量增加也为供应链整体带来更多基金补贴收益。 非合作决策往往会产生“双重边际化”问题,致使闭环供应链整体利润减少。因此,有必要实施合理的协调机制,使非合作决策下的整体利润能够提高到与合作决策相同的水平,并同时实现供应链中各节点企业最优利润值的帕累托改进。但是在对闭环供应链进行协调时发现,传统供应链契约往往难以有效解决回收再利用环节的协调问题[23]。所以,在借助传统收益共享契约的思想上,综合考虑闭环供应链的特点,构建包含销售价格、回收价格和批发价格的价格契约,然后分析该契约的协调效果并加以优化。 传统收益共享契约设定制造商或批发商通过降低批发价格来增加下游零售商收益,而零售商则将一部分自身增加的收益分享给上游制造商或批发商,以此达到各自利润的提升,实现供应链的协调[24]。基于这一思想,假定为最大化供应链整体收益,制造商首先借助自身渠道掌控能力使非合作决策下零售商最优销售价格p**和回收价格分别等同于合作决策下的最优市场售价p*和最优回收价。然后提供给零售商价格契约 (),其中ωs、ps分别表示契约模式下的产品批发价格、销售价格和回收价格。而对零售商来说,也必须使契约下的销售价格和回收价格分别达到合作决策时的水平,才能实现合作决策时的最优销售量与回收量,从而使整体和自身收益均达到最优。 所以,综上可得零售商在价格契约协调下的最优销售价格和回收价格分别为,然后将ps代入式(10),代入式(11)得最优批发价格ωs=cn+ε,处理商最优转移支付价格(μk-cd)+η。再将代入式(12),并使其等于,得契约下制造商的最优转移支付价格为 对比分析契约()与合作决策下,制造商、零售商、处理商以及闭环供应链整体利润后发现:价格契约下制造商作为契约提供方利润减少为负值。所以,并没有使供应链系统中各节点企业利润均实现帕累托改进,该契约在现实经济实践中是不可行的。但是,在此契约机制的协调下,供应链整体利润及回收数量均达到了与合作决策相同的水平。因此,接下来只需在此契约基础上,进一步探讨如何对供应链中各节点企业的利润进行再次分配,以使各企业在契约协调下变得更好。 为了使价格契约能够得以实施,在此将采用改进的K-S解法对闭环供应链在价格契约下增加的利润进行再次分配。K-S解法最基本的原则是:以供应链中各节点企业对提升整体利润所做的最大贡献为分配比例,将整体利润增加的部分在各企业之间进行分配[25]。 首先,将价格契约中供应链整体利润的增加部分记为。由于价格契约下零售商和处理商利润增加,制造商利润减少;因此,先将零售商和处理商视作一个整体与制造商之间进行利润分配。则制造商对增加供应链整体利润的最大贡献为),零售商和处理商对增加供应链整体利润的共同贡献为,其比例系数为依据双方的贡献来分配价格契约所增加的整体利润,可知此时的利润均衡解为其中为制造商的均衡利润,为零售商与处理商的均衡利润之和。 其次,将价格契约下零售商和处理商共同获取的增加利润在两者之间分配。记这一增加利润为Δ**=),其中零售商对增加的共同利润最大贡献为,处理商对增加的共同利润最大贡献为,其比例系数为,同理可得此时的 利 润 均 衡 解 为其中为零售商的均衡利润,为处理商的均衡利润。 综合价格契约和利润分享机制可得如下命题和推论: 命题4价格契约和利润分享机制共同作用下,闭环供应链的均衡解为,此时的最优回收数量为G*,制造商、零售商、处理商和供应链整体的最优利润分别为和π*。 推论6在价格契约与利润分享机制的协调下,制造商为最大化整体利润所做出的让步通过对增加利润的再次分配得到了补偿,且供应链系统中各方利润均得以提升,总体最优利润值也提升至合作决策的水平,协调机制的有效性得到了验证。 推论7相比于非合作决策模式,价格契约和利润分享机制下的零售商销售价格、回收价格、回收数量均与合作决策时相同。 推论8由于供应链中各节点企业自身所增加的利润,均是以其对整体利润增加部分的最大贡献为标准分配而来,所以各企业将更有积极性来推动整体利润的提升,供应链中各成员之间的合作也必将更加牢固。 图2 非合作决策与协调机制下制造商利润变化 图3 非合作决策与协调机制下零售商利润变化 为更清楚直观地阐述相关参数变动对供应链定价以及利润的影响,将借助MATLAB2014a做进一步的数值运算。在结合废弃电器电子产品回收再制造行业实际背景以及前人已有研究的基础上,设定部分参数值[26-27]。主要有:α=1 600,β=5,cn=200,cd=40,μ=160,λ=0.6,γ=5,δ=0。限于篇幅,数值算例将主要对制造商和零售商展开分析,具体分析如下。 根据处理基金和2016年实施的新版《废弃电器处理基金补贴标准》设定处理基金单位征收ε∈(0,15),单位补贴η∈(0,60)。则在非合作决策与协调机制下制造商和零售商的利润变化分别如图2和图3所示。 图2和图3表明:在处理基金和回收品质量的共同影响下,相比于非合作决策,协调机制实现了制造商和零售商利润的帕累托改进,且回收品质量越高,协调机制效果越好。因此,为增加整体及各自收益,闭环供应链中企业应在协调机制下实施合作决策。实际生产中也不难理解,企业在协调机制下为最大化整体收益,充分利用各方资源、发挥各自优势,从而避免了双重边际化问题。例如,柯达公司在一次性相机销售中,借助自身渠道掌控能力协调销售商和回收品处理商,在很大程度上实现了成本节约和利润提升。 综合分析图2和图3后还发现:非合作决策下,回收品质量水平提升对供应链节点企业利润影响相对不大。所以在下文中分析处理基金对价格的影响作用时设定k=0.5。 5.2.1 处理基金对销售和回收价格的影响 为分析处理基金变化对零售商销售价格和回收价格、制造商转移支付价格的影响,此处依据上文分析,设定回收品质量系数k=0.5。 图4表明,(1)无论合作还是非合作决策,产品最优销售价格均随处理基金征收提高而提高,可见两种模式下制造商均会向消费者转嫁被征收的处理基金。(2)与非合作决策相比,合作决策下处理基金征收对产品销售价格提升的影响更大。 图4 零售商销售价格的变化 图5 表明,(1)两种决策下,对处理商的基金补贴均促进了零售商回收价格的提升,且在合作决策下提升速度更快。(2)两种决策下,零售商回收价格增加值均远小于补贴的增加值,非合作决策时更显著,可见政府政策对供应链中不同节点企业的影响存在显著差异,政策效果因供应链的传递而产生削弱。 图5 零售商回收价格的变化 图6 表明,处理基金补贴处理商将会导致制造商降低对处理商的转移价格。主要原因在于,非合作决策中各企业最大化自身收益的行为会蚕食其上下游企业的利润。 图6 制造商转移价格的变化 综上可知,处理基金虽然会导致销售价格上升,消费者利益受损。但是,同时也提高了回收价格,降低了制造商转移支付价格,且处理基金补贴金额始终高于征收金额。因此,从产品生产、废弃、回收处理、再利用整个过程来看,处理基金对企业和消费者均有利,两者都应该积极践行处理基金政策的相关规定。此外,为了最大化处理金的效果,政府也应鼓励供应链整体合作决策。 5.2.2 回收品质量对回收价格的影响 为分析回收品质量对零售商回收价格和制造商转移支付价格的影响。依据处理基金政策对洗衣机、微型计算器的征收和补贴标准,设定ε=10,单位补贴η=50,回收品质量水平系数k∈(0,1)。 图7表明,在合作决策和非合作决策两种模式下,回收品质量水平的提升均能提高零售商回收价格,合作决策时回收价格对回收品质量情况更加敏感。 图7 零售商回收价格的变化 图8 表明,非合作决策下,回收品质量提升能够提高制造商转移价格,但是制造商对回收品质量情况具有严苛要求,质量过低时(比如图8中k<0.3时),制造商会拒绝回收。 图8 制造商转移支付价格的变化 结合图7、图8可知,零售商回收价格和制造商转移支付价格均与回收品质量密切相关(现实中爱回收、回收宝等回收平台在回收废旧电子产品时,也会依据相关指标评估回收品质量情况,质量越差则回收价越低)。因此,为确保闭环供应链的有效运行,除提高回收品质量外,制造商和处理商还应致力于技术研发,以降低对废弃品再利用的质量要求。此外,政府部门也可以考虑依据回收品再利用率对制造商或处理商进行补贴。 图9 合作决策与非合作决策下供应链整体利润变化 5.2.3 处理基金和回收品质量对整体利润的影响 图9表明,(1)供应链整体利润随回收品质量水平和处理基金补贴的提高而增加,随处理基金征收的增加而减少。但是,在处理基金征收及补贴措施共同影响下,供应链整体利润会有所提升。(2)合作决策中供应链整体利润更容易受处理基金和回收品质量水平的影响。结合对图9的分析可知,除了企业应从自身长远利益出发,自觉执行处理基金政策外,消费者也应承担自身责任,对达到废弃标准的产品通过正规渠道废弃处理,以实现回收品质量提升和生态保护。同时,合作决策是一种更优的决策方式,企业应积极寻求上下游之间的合作。例如,三星电子在手机原件的采购中,通过对定单、库存、销售以及资金状况等的全程把控,为各级集成供应商提供数据和信息,大幅提高了产品研发能力和生产速度。 本文在闭环供应链中,考虑废弃电器电子产品回收质量不确定性,并在我国现行处理基金规制政策基础上,对比分析了合作与非合作两种决策模式下的最优销售价格、回收价格、回收数量、节点企业及整体利润的变化。针对非合作决策带来的“双重边际化”问题,则借助价格契约与利润共享机制加以协调,且求出了协调后的最优定价及利润。最后通过数值算例验证相关结论的正确性。研究表明: (1)处理基金政策作用下,产品市场销售价格和回收价格增加(但是制造商转移价格降低),回收数量增大,供应链整体利润提升。此外,本文研究还发现处理基金能够分别通过正向和逆向供应链传递至消费者,并最终导致参与废弃品回收的消费者获利增加,未参与废弃品回收的消费者利润受损。 (2)回收品质量(或可再制造比例)对批发价格和销售价格无影响,与回收价格、转移价格、回收数量和供应链整体利润呈正相关,且在合作决策模式中这一结论更加显著。传统决策研究中基于回收品质量无差异的假设,往往会忽视这一结论。 (3)合作决策比非合作决策时产品销售价格更低,回收价格、回收数量更高,消费者受益和供应链整体利润也更大,是一种更优的决策方式。 (4)在价格契约和利润分享机制共同作用下,各企业只需依据协调机制给定的价格策略和利润分配策略,便可使闭环供应链整体在达到合作决策利润的条件下实现协调。 从上述研究结论可以得到如下政策启示: (1)政府处理基金政策有利于资源再利用、环境保护、企业以及参与回收的消费者收益增加,应长期实施。此外,为了不损害各方利润并最大化政策效果,处理基金征收措施必须和补贴措施搭配使用,补贴金额也不应低于征收金额,且在处理基金政策实施的同时还应加强对消费者参与回收的认识引导。 (2)建议供应链中节点企业除了对回收品按质量情况差别定价外,还要加强再制造技术创新,以降低对回收品可再制造的质量要求。建议政府部门尝试对处理商按拆解处理后产品可再制造情况实施差额补贴,以进一步提高废弃品回收质量和可再制造比例,从而实现回收价格、回收数量和企业利润的增加。 (3)政府和企业都应该致力于对供应链的协调,以促成合作决策的实现(本文所提供的协调机制便是有效方法之一)。虽然非合作决策下处理基金也能够提高废弃品回收价格、回收数量,增加消费者和供应链收益,但是效果远不及供应链在实现协调时最优。 本文在研究上依然存在着一些不足之处,如仅考虑处理商进行拆解处理,而现实中部分制造商也具备拆解处理资质(如,TCL、海尔等企业),并可能与处理商发生竞争,那么此时闭环供应链的决策及协调是否会受到影响,这些都将是进一步研究的方向。3 模型求解与分析
3.1 合作决策下模型求解与分析
3.2 非合作决策下模型求解与分析
3.3 合作决策与非合作决策对比分析
4 协调机制设计
4.1 价格契约构建
4.2 利润分享机制
5 数值算例
5.1 协调机制效果分析
5.2 参数的敏感性分析
6 结论与启示