基于多代理的碳交易下供应链协同减排策略研究

张雨琦，石宇强

（西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621000）

0 引言

2020年9月22日习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布：中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“双碳”目标的提出也给供应链提出了新要求，要求核心企业带动整条供应链携手迈向碳中和，供应商的绿色努力可以帮助供应链大幅减少碳排放。因此，必须让供应商参与供应链碳管理。在此之前，针对供应链碳减排，国外企业已经采取了一些措施。例如，西门子、苹果、沃尔沃等公司都对供应商提出了低碳要求。同时，为了激励企业进行减排，许多国家正在实施各种机制来减少碳排放，碳限额交易是最具成本效益的机制之一。2021年7月16日，全国碳市场正式启动上线交易，成为实现“双碳”目标的重要抓手。因此，在碳交易机制下研究供应链企业全员进行碳减排投入的供应链协同减排策略，以此减少供应链碳排放的研究具有重要意义。

目前，国内、外学者对碳交易机制下供应链减排的研究主要集中在以下四个方面。第一类研究是关于碳交易机制下的供应链运营决策。例如，文献[3]分析了碳交易价格对最优生产决策和最优利润的影响。文献[4]在碳交易机制下，针对单制造商和单零售商的二级供应链，研究供应链企业的最优碳减排、低碳宣传努力投入策略。第二类研究是关于供应链减排合作的问题。大多是利用成本分担契约，合作广告契约和合作广告减排成本分担契约，支付契约，碳排放权转让契约和批发价格折扣契约使应进行合作减排。第三类研究是关于在碳交易及不同碳政策下，例如碳税、政府碳减排补贴等，供应链减排研究。例如，文献[9]和文献[10]分析了碳税对多个供应商和一个制造商的供应链的动态定价和排放率的影响。文献[11]研究了碳交易和低碳补贴政策对制造商生产和碳减排水平的影响。文献[12]在不同碳排放政策背景下，根据供应链协调条件，给出了低碳供应链实现协调的契约形式及契约参数。文献[13]分析了各种限额交易机制对制造商低碳策略的不同影响。第四类研究是关于消费者的低碳偏好和企业非完全理性对供应链减排的影响。文献[14]考虑了两条具有竞争意识的二级供应链在碳交易机制下的减排合作。文献[15]分析了风险规避对两级供应链的影响。文献[16]分析了消费者的绿色偏好、绿色投资系数和制造商竞争强度对供应链的影响。同时文献[7]也考虑了零售商和制造商的偏好问题。

以上的研究主要针对在碳交易机制下单个制造商和单个上游企业或单个下游企业组成的二级供应链在碳交易机制下进行减排博弈，且大多都不考虑供应商的减排投入。在现实生活中，核心制造商为了分散风险，一般会有多个供应商，并且供应商的碳排放是无法忽略的。同时，以往研究大多使用传统数学建模方法，无法很好刻画碳交易机制下供应链减排行为的系统复杂性。

基于以上分析，考虑到供应链节点企业具有差异性、自主性和学习性，因此适合用多代理的方法进行建模，在考虑协同系数和政府低碳激励的基础上，构建了以制造商为核心企业，有多个供应商的二级供应链协同减排多代理模型。分析采购量分配—减排成本分担协同减排策略下供应商减排量演化趋势、供应链节点企业利润变化趋势以及供应链碳排放情况，以此来验证协同减排策略在解决供应链碳排放问题方面的作用，并研究协同系数和政府低碳激励程度对供应链协同减排效果的影响，为供应链企业协同减排提供决策支持。

1 多代理模型构建

1.1 问题描述与模型假设

考虑在不同政策激励程度下，供应链上下游企业合作减排。提出采购量分配—减排成本分担协同减排策略（下文统称协同减排策略）并分析该策略的有效性，为供应链协同减排提供决策支持。使用多代理方法，构建以制造商为核心企业，多个供应商的二级供应链协同减排多代理模型。模型包含一个核心制造商Agent、n个供应商Agent以及政府Agent。供应链企业Agent将通过两个主要市场，即商品市场和碳交易市场进行交互。

假设制造商在供应链系统中是领导者，供应商作为协同减排的跟随者。引入协同减排策略前，供应链中各个企业只关注自身的减排情况。引入协同减排策略后，核心制造商将供应商减排量纳入采购量分配的考核因素，并分担供应商的一部分减排成本。协同系数决定了企业的合作程度，即决定考虑减排量的程度和分担减排成本的多少。政府作为供应链减排的监管者主要采取三种政策措施来监督和激励供应链减排：碳交易机制；通过政策、宣传引导消费者购买低碳生产的产品；根据供应链整体减排情况对核心企业进行激励，促进核心制造商进行供应链低碳管理。通过研究引入协同减排策略前后供应商减排量演化趋势、供应链企业利润变化趋势以及供应链碳排放情况来验证协同减排策略是否促进了供应链减排。

模型的基本假设为：

（1）供应链所有节点企业均为碳市场控排企业，并且所有企业都极力避免政府惩罚，不存在无法碳配额清缴履约的情况。

（2）碳交易市场上碳配额通常是充足的；初始碳配额采用历史强度下降法进行免费分配。为了保证碳市场交易稳定，不存在企业有多余碳配额但不进行出售的情况。因为在碳配额清缴前，碳交易最为活跃，假设供应链企业都在碳配额清缴前统一进行碳交易，一个交易周期为发放碳配额开始，到清缴碳配额结束。

（3）各个供应商向核心制造商提供同类型零部件，供应商生产的零部件除生产碳排放外无质量因素等差异，可以相互替代。

（4）将零部件价格、产品价格和碳交易价格外生。

（5）政府具体引导力度和激励力度依政府的低碳激励程度确定。

1.2 主体行为规则

（1）制造商Agent行为规则

参考Chosh，叶同等人的研究，考虑到减排成本具有边际成本递增的特征，假设减排成本与实际减排量具有二次关系，制造商减排成本(C)为：

式中：S表示核心制造商在第t期的碳减排量，k表示碳减排成本系数。

式中：ω表示减排效果延后系数。

核心制造商的碳排放量(E)为：

式中：E表示核心制造商的初始单位碳排放，Q表示核心制造商在第t期的产量。

核心制造商的碳交易量(Q)为：

式中：F表示核心制造商在第t期的碳配额。

核心制造商在政府处获得的激励收益(J)为：

式中：β表示政府的低碳激励系数，S表示供应商在第t期的总碳减排量。

u表示零部件单位批发价，m表示核心制造商的单位制造成本，Y=(u+ m)Q表示核心制造商的生产成本。核心制造商的利润(T)为：

式中：p表示产品单位售价，c表示碳交易价格。

引入协同减排策略后，核心制造商根据协同减排策略中的协同系数φ决策订购量时考虑供应商减排量因素的程度和对供应商碳减排成本的分担力度。核心制造商的利润为：

式中：C表示供应商的减排成本。

在该式中，以续航里程研发总值的平方表示科技进步量，μ为续航里程研发量科技进步系数，μ＞0。同时有学者提出θ1的存在降低了中国整体汽车行业的油耗达标难度，阻碍了汽车行业对油耗降低技术的研发，对科技进步产生了相应的负面影响［16］， 影响程度用表示。因此，本文用来表示科技进步成果。

（2）供应商Agent行为规则

在引入协同减排策略前，核心制造商根据批发价、产品质量等因素来决策在各个供应商出的采购量。因为假设每个供应商这些因素无差异，所以等同于均分。供应商的产量(Q)为：

引入协同减排策略后，核心制造商根据供应商的减排量、批发价等因素来决策在各个供应商处的采购量。供应商的产量为：

与核心制造商类似，供应商的减排成本(C)为：

当期供应商的碳排放量(E)为：

式中：E表示供应商初始单位碳排放。

供应商的碳交易量(O)为：

供应商收益(T)为：

式中：m表示第i个供应商的单位生产成本。

（3）政府Agent行为规则

政府通过政策、宣传引导消费者购买低碳生产的产品。政府依据自身的低碳重视程度对消费市场低碳偏好进行影响。

式中：D为原始市场需求，β表示政府低碳激励系数。

对于碳配额分配机制而言，政府根据历史强度下降法向参与控排企业发放免费的碳配额。

式中：F/F表示制造商/第i个供应商在第t期的碳配额，∂表示历史强度基数，θ表示为最近一期碳排放量重视程度。

γ表示调整系数，反映碳配额供给下降率，这个参数对于控制碳配额很重要。EU-ETS（欧盟排放交易体系）和RGGI（美国区域温室气体减排行动）将γ设定为每年下降1.74%和2.5%左右。本文设定变化规则如式（17）所示：

1.3 主体学习机制

核心制造商和供应商都具有学习性并且不是完全理性的。冯平在探究企业定价策略时提出自动学习算法，借鉴该算法对制造商和供应商减排行为的学习性和有限理性进行刻画。

对于每个主体，与自己上一周期相比，本周期的利润和减排量是增加，减少还是不变，存在九种情况。核心制造商Agent和供应商Agent有三种策略：增加碳减排量、保持碳减排量不变、减少碳减排量。选择这三种策略的概率分别为ε、ε、ε，假设ε+ε+ε=1。在不同的情形下，节点企业选择策略的概率按照表1进行调整，概率的单位变化量为x。

表1 节点企业减排量变化概率的调整规则

供应链节点企业的减排量变化如式（18）、式（19）所示：

式中：λ为[0,1]的随机数，l为制造商减排量的变化量，S为供应商减排量的变化量。

2 模拟仿真与结果分析

采用NetLogo仿真平台对以上设定的Agent进行仿真实验。将使用协同减排策略前后的结果进行比较，主要观测模型运行中供应商减排量的演化趋势、核心制造商利润变化趋势以及供应链单位碳排放情况。模型主要仿真参数设置如表2所示。

表2 仿真参数设置

2.1 供应商减排量演化趋势分析

供应商平均减排量的变化可以直观地反映供应商群体减排行为的变化。图1展现了供应链在政府不同的低碳激励程度下，不使用协同减排策略、使用协同减排策略且在不同协同系数(φ=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)下演化稳定后，供应商减排量均值与协同系数的大致关系。

由图1可以看出来，无论政府是否进行低碳激励，协同减排策略都能增加供应商的减排量，并且随着协同系数增加，供应商的减排量也在增加。这可能是因为随着协同系数的增加，核心制造商分担了越来越多供应商的减排成本，并且核心制造商更愿意从减排量多的供应商处采购零部件，供应商从减排行为里获得了更多的收益。

图1 演化稳定后的供应商减排量与协同系数关系

当政府低碳激励程度变高时，会投入更多去引导消费者购买低碳生产的产品，供应商减排量增加可以扩大市场需求，从而激励供应商进行减排。但是，因为供应商的单位利润较低，增加的市场份额并不能在很大程度上提高供应商的利润，导致政府的激励对激励供应商减排的作用比较不明显。

本次仿真试验中，协同系数为0.8时，已经对供应商产生了最好的减排激励效果，当政府低碳激励程度低时，增加协同系数，不能使供应商增加减排量。但是当政府低碳激励程度一般和高时，由于政府的引导，供应量减排行为会增加市场需求，导致产量增加，从而导致供应商减排量增加。

2.2 核心制造商利润变化趋势

引入协同减排策略，在激励供应商减排的同时会对核心制造商自身收益产生怎样影响？核心制造商是否愿意引入协同减排策略？图2展示了供应链在政府不同低碳激励程度下，不使用协同减排策略、使用协同减排策略且在不同协同系数(φ=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)下演化稳定后，核心制造商利润与协同系数的大致关系。

图2 演化稳定后的核心制造商利润与协同系数关系

由图2可以看出，当政府激励程度低时，引入协同减排策略会使核心制造商的利益降低，并且随着协同系数增加，核心制造商的利润持续降低。这可能是因为制造商分担了供应商的减排成本，但是供应链碳排放量的降低并没有为核心制造商带来收益。所以，在现实情况里，考虑到自身利益，核心制造商可能不会选择使用协同减排策略。

当政府低碳激励程度一般时，引入协同减排策略会使核心制造商的利润先增加，随着协同系数增加，核心制造商的收益呈现出先增后减的规律。这可能是因为当φ在[0,0 .4]时，核心制造商分担的减排成本较低，同时供应链减排扩大了市场需求，并且制造商也从政府获得了一定的激励。从而核心制造商所获得的收益能够抵消甚至超过协同减排承担的成本。因此，随着φ增加，制造商的收益也在增加。但是，当φ在[0.4 ,1]之间，核心制造商分担了越来越多的供应商减排成本，同时随着减排量的增加，减排成本也在加速上升。核心制造商付出的协同减排成本远超过了其通过供应链减排获得的收益，导致当φ在[0.4 ,1]之间，随着φ增加，核心制造商的收益下降。

当政府低碳激励程度高时，引入协同减排策略会增加核心制造商利润，并且随着φ增加，核心制造商的利润持续增加。这可能是因为政府对供应链协同减排的激励力度很大，并且减排行为极大地扩大了市场需求，供应链减排行为给核心制造商带来的收益远大于带来的成本。

2.3 供应链单位碳排放情况

供应链单位碳排放情况可以直观展示供应链所有节点企业的碳排放变化。图3展示了供应链在政府不同的低碳激励程度下，没有协同机制、有协同机制且不同协同系数(φ=0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)下演化稳定后，供应链单位碳排放与协同系数的大致关系。

根据图3可以看出，无论政府是否进行低碳激励，协同减排策略都能减少供应链单位碳排放，并且随着φ增加，供应链单位碳排放持续减少。且政府的低碳激励程度越高，供应链的单位碳排放量越低。

图3 演化稳定后的供应链单位碳排放与协同系数关系

政府的激励程度对供应链碳排放影响较大，政府的激励能促进供应链协同减排。当政府低碳激励程度低时，协同策略会激励供应商进行减排，但是会损害核心制造商利益，若使用协同减排策略，核心制造商可能会通过减少自身减排投入来弥补损失，反而降低了核心制造商的减排积极性。而在实际情况中，核心供应商大概率不会使用协同减排策略。当政府低碳激励程度一般时，当φ不大时，供应链节点企业均能从减排行为中获益，能在一定程度上激励供应链协同减排。但是当φ较大时，协同减排策略会损害核心制造商的利益，和政府重视低碳程度低时的情况类似。当政府激励程度高时，因为政府的激励和市场的扩大，核心制造商和供应商的减排收益大于减排成本，增强了核心制造商和供应商的减排动力，促进了供应链协同减排。

2.4 结论

基于上述研究，得出如下结论：（1）无论政府是否进行低碳激励，协同减排策略都会促进供应商进行减排，降低供应链的单位碳排放。（2）在政府低碳激励程度低时，虽然使用协同减排策略可以促进供应商进行减排，降低供应链的单位碳排放，但是会损害核心制造商的利益，打击核心制造商减排积极性。核心制造商基于自身利益考虑，不会使用协同减排策略促进供应链协同减排。（3）在政府低碳激励程度一般时，核心制造商利润随着协同系数增加先增后减。这也就表明在实际生产中制造商与供应商之间需要通过各种形式的协商沟通，寻求一个既保证自身利益又实现有效减排的协同系数平衡点，以促进供应链长足发展。（4）在政府低碳激励程度高时，协同减排策略不仅降低了供应链的碳排放，还增加了供应链节点企业利润。这种情况下，供应链节点企业乐于使用协同减排策略进行协同减排，有助于整条供应链携手迈向碳中和。

3 结论与展望

本文采用基于多代理的仿真方法，在考虑协同系数和政府低碳激励的基础上，构建了以制造商为核心企业，多个供应商的二级供应链协同减排多代理模型。探究供应链在采购量分配—减排成本分担协同减排策略下供应商减排量演化趋势、供应链企业利润变化趋势以及供应链碳排放情况。通过调整供应链协同减排模型中协同策略的激励系数和政府的低碳重视程度，观测不同的激励系数以及重视程度对供应链协同减排效果的影响。经仿真分析发现，无论政府是否重视低碳，协同减排策略都有效促进了供应链减排行为；面对政府的不同的重视程度，供应链企业需要协商找到协同策略中的激励系数的平衡点，以促进供应链长足发展。

基于上述研究分析，提出如下建议：（1）供应链协同减排需要内外部减排驱动相结合。供应链内部的协同减排策略能有效激励供应商进行减排，但是对核心制造商的激励效果比较小。政府的重视程度能更好地激励核心企业进行减排。所以要实现供应链集体碳中和，需要供应链内部使用协同减排策略，同时政府需要充分发挥引导作用，并加大低碳环保宣传力度，鼓励消费者绿色消费，以此促使企业实现低碳、零碳生产。（2）供应链协同减排需要供应链企业有效协商。由于在现实生活中政府的激励力度有限，所以供应链节点企业需要进行各种形式的协商沟通，力求找到使所有供应链企业都愿意引入协同减排策略的协同减排激励系数，更好地促进供应链减排。

另外，本文仅考虑二级供应链结构。但是，在现实生活中，可能会存在多级供应商，在这种情况下，要做到供应链协同减排将会更困难。因此，探究多级供应链减排问题将是下一步的研究方向。