碳限额与交易政策下不同权力结构绿色海运供应链博弈

梁志超　蒋冉

摘   要：在航运业碳减排背景下，为研究不同权力结构对采取不同减排措施的码头和船公司组成的两级海运供应链决策的影响，分别构建了碳限额与交易政策下码头为主导者、船公司为主导者的博弈模型及Nash博弈模型，并进行了碳价对供应链决策影响的数值分析。通过分析表明，相同减排措施下，码头、船公司分别作为主导者的供应链的总服务价格更高，但利润与碳排放更低；转换低硫油的供应链因其碳排放更高，而且更易受限额与交易政策的影响，碳交易价格的上升使其利润下降。

关键词：限额与交易政策；海运供应链；权力结构；碳减排；博弈论

中图分类号：F274；X196      文献标志码：A  文章编号：1673-291X（2023）04-0077-06

国际海事组织（IMO）2020年报告数据显示，2012—2018年间，航运业二氧化碳（CO2）排放量从2012年的9.62亿吨增加到2018年的10.56亿吨，增长9.3％。为降低航运业碳排放，IMO于2018年4月13日通过了全球首份航运业温室气体减排初步战略。以2008年碳排放为基准，提出到2030年和2050年分别将航运业碳排放强度降低40%和70%的目标。为实现港口区域的碳减排，许多国家实施了多种低碳政策，包括碳限额、限额与交易政策和碳税等。其中，限额与交易政策因其灵活性已被广泛接受[1]。因此，如何在限额与交易政策下实现港区的碳减排成为了重要的议题。

面对政府的减排政策及二氧化硫等大气污染物的减排规定，码头、船舶常采用的清洁措施为使用岸电（SP），换用低硫油（LSFO）、液化天然气（LNG）等清洁能源，其中比较有代表性的是SP与LSFO[2]。因此，本文也主要聚焦于这两种减排措施。

码头和船公司是港区减排的两大主体，本文研究对象为码头—船公司两级海运供应链。码头之间、船公司之间、海运供应链之间以及码头与船公司之间存在着复杂的横向和纵向竞争关系。码头作为海运供应链的运输枢纽，有很强的区域垄断地位，在一些情况下是整個海运供应链的主导者[3]。但是，随着世界贸易增长放缓，船公司会整合为航运联盟以减轻行业低迷的影响。航运联盟的稳定运营逐步提高了船公司的主导地位，因此在其他一些情况下，船公司也可以作为整个海运供应链的主导者[4]。

基于上述背景，本文建立了考虑不同权力结构的两条采用不同减排措施的码头-船公司组成的两级海运供应链为主体的博弈模型，分别分析了码头主导的Stackelberg博弈、船公司主导的Stackelberg博弈，以及码头与船公司的Nash博弈的均衡策略。通过比较不同权力结构下的均衡结果，研究了不同的碳交易价格对于供应链参与者的最优定价和利润的影响。研究的结果可以为政府（监管者）制定海运业的碳交易政策提供参考。

一、问题描述

在限额与交易政策下，码头与船公司都需要采取相应的减排措施的实现政府的环保要求。参考Yang等[1]的研究，假设每条海运供应链都由一个码头和对应的一家船公司组成，其中两个码头隶属于同一垄断港口，但分属于不同的码头运营商，码头的总体需求由共同腹地的集装箱货物进出所决定。码头面对CO2减排要求，其中一个注重环保的码头安装了岸电设施（SP码头），而另一个码头不做改变（LSFO码头）。选取两家提供同质运输服务，通过价格进行竞争的船公司，其中，注重环保的船公司的船舶均安装了岸电设施（SP船舶），而另一家船公司的船舶不做改变（LSFO船舶）。假设SP船舶仅停靠在SP码头，并在停靠的期间使用岸电，而LSFO船舶停靠LSFO码头。

综上，使用不同减排措施的码头与船公司形成了一一对应关系，组成了使用SP的海运供应链（SP供应链）与换用LSFO的海运供应链（LSFO供应链）。供应链的具体结构如图1所示。

本文所需相关上下标、参数和决策变量如表1所示。

根据图1，在限额与交易政策下，政府分配给不同减排措施的码头不同的碳排放配额。SP船舶停泊期间，连接岸电设施过程中会产生少量CO2排放；LSFO船舶停泊期间，全过程都会产生CO2排放。如果码头区域的碳排放总量超过配额，码头必须在碳交易市场上以一定的碳价购买额外的配额；相反地，码头可以出售多余的配额。碳价由碳交易市场决定，可视作外生变量。

为便于后续的建模和分析，有两个关键假设及其解释如下：

假设1单位集装箱通过码头产生的初始碳排放量为一定的常数，总碳排放量与集装箱总量成线性关系[5]。

假设2需求是总服务价格的线性函数，线性需求函数广泛应用于码头供应链的需求建模[1]。

二、博弈模型

三、模型求解

（一）码头主导的Stackelberg博弈

（二）船公司主导的Stackelberg博弈

（三）权力均等的Nash博弈

四、数值模拟

本节对博弈结果进行数值模拟。相关参数的数值及来源说明如下。

因为目前航运业碳价无可参考标准，结合现行国际碳价及其未来上涨的趋势[15]，假定碳价的变化范围为0—300 USD，对其进行灵敏度分析，分析其变化对供应链及其成员的服务价格和利润的影响。

（一）碳价对供应链总服务价格的影响

图2展示了三种不同权力结构下不同减排措施的供应链的总服务定价关于碳价的变化情况。不同减排措施的供应链在不同权力结构下的总服务定价都随碳价的上升而上升。其中LSFO供应链的服务定价的上升趋势更明显，表明LSFO供应链受碳价变化的影响更大。各权力结构中LSFO供应链的服务定价都要高于同结构SP供应链的服务定价。

此外，如图2所示，j=T、j=S两种权力结构下，相同减排措施的海运供应链的总服务定价是一致的，都高于j=N权力结构的供应链的服务定价。这表明，当供应链成员双方处于权力均等时，其更倾向设定更低的服务价格，以吸引更多的客户。

（二）碳价对碳排放的影响

图3展示了采用SP、LSFO两种减排措施下，不同权力结构的海运供应链的碳排放总量关于碳价的变化情况。SP供应链在不同权力结构下的碳排放都随碳价的上升而上升，LSFO供应链在不同权力结构下的碳排放都随碳价的上升而下降。其中LSFO供应链碳排放的下降趋势更明显，表明LSFO海运供应链受碳价变化的影响更大，体现了碳交易政策的效果。

此外，j=T、j=S两种权力结构下，相同减排措施的供应链的碳排放是一致的，都低于j=N权力结构的供应链。这表明，当供应链成员权力均等时，竞争更充分，倾向设定更低的服务价格以吸引更多的客户，进而产生更多的碳排放。在各权力结构中LSFO供应链的碳排放都要高于同结构SP供应链的碳排放。LSFO的碳清洁能力有限，换用LSFO本是为应对SO2减排要求的措施。以监管者的角度来看，如果为了进一步降低碳排放，可以推广岸电设施，提高岸电船舶与岸电码头的数量，以及提升岸电设施的使用率。

（三）碳价对供应链利润的影响

由均衡结果可知，服务价格及碳排放量不受碳排放限额的影响，但是码头利润与供应链利润均受碳排放限额影响。目前海运业的限额与交易政策实施尚处于探索阶段，其碳排放限额给定方式尚无定论。为了便于研究，参考目前数值模拟出的供应链碳排放量，根据不同的减排措施给定两个碳排放限额的数值KE=1 200t、KF=70 000t，以便进行后续的利润计算与分析。该设置考虑SP是一种更清洁的减排方式，考虑促进SP的推广和使用，使不同权力结构的SP供应链都可以有多余配额出售，提升其利润；不同权力结构的LSFO供应链都需要额外从碳交易市场购买配额，增加其成本。

图4展示了三种不同权力结构下不同减排措施的供应链的利润关于碳价的变化情况。SP供应链在不同权力结构下的利润都随碳价的上升而上升，LSFO供应链在不同权力结构下的利润都随碳价的上升而下降。其中LSFO供应链的利润随碳价下降的趋势更明显，表明LSFO供应链的利润更易受碳价变化的影响。SP供应链可以通过出售多余配额获利，LSFO供应链因购买额外配额成本上升而利润降低。此外，两条供应链的总定价虽然都會随碳价的上升而上升，但LSFO供应链定价受碳价变化影响更明显，上升更快。结合碳排放模拟结果易知LSFO货运量下降，SP货运量稍有上升。因此各权力结构中SP供应链的利润都要高于同权力结构的LSFO供应链的利润。

此外，如图4所示，j=T、j=S两种权力结构下，相同减排措施的供应链的总利润是一致的，都低于j=N权力结构的供应链的总利润。这表明，当供应链成员双方处于权力平衡时，其更倾向设定更低的服务价格，以吸引更多客户，获得更高利润。

五、结论与展望

本文研究了限额与交易政策下分别采用SP、LSFO措施的两条码头—船公司两级海运供应链在不同的权力结构下进行港内竞争时的决策。通过对三种权力结构下的博弈求解，分析了碳交易价格对供应链及其成员的定价、利润、碳排放的影响，并得出以下主要结论。

1.考虑服务定价，LSFO供应链的总服务价格高于SP供应链。因其碳排放更高，更易受限额与交易政策影响，所以更倾向提高服务价格、降低货运量，从而降低碳排放。此外，权力均等的供应链竞争更为充分，所以倾向设定更低的服务价格以吸引更多的客户。货主（货代）可以考虑选择权力均等的SP供应链使总服务费用更低。

2.考虑碳排放，LSFO供应链的碳排放总是高于SP供应链。因为换用LSFO是常用的硫清洁措施，该措施CO2减排效果较弱。此外，同减排措施下，权力均等的供应链的碳排放总是高于权力不均等的两种供应链。政府（监管者）出于降低碳排放的考量，可以进一步推广岸电设施的安装与使用，并鼓励供应链处于权力不均等的结构。

3.考虑利润，从供应链整体上看，权力均等的供应链总利润更高。监管者可以鼓励供应链处于权力均等的结构，提升供应链的整体利润。

本研究考虑的模型中的每条供应链由一个码头和一个船公司组成，更现实的海运供应链则需要考虑多个船公司。本研究假定了两条供应链分别采用两种不同的减排措施。未来的研究中可以考虑更多的减排措施，可以考虑一个码头对应多个采用不同减排措施的船公司。

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Game Analysis of Green Maritime Supply Chains with Different Power Structures under Cap-and-trade Policy

Liang Zhichao Jiang Ran

（1. Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Antai College of Economics and Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China）

Abstract： In the context of carbon emission reduction in the shipping industry， this study investigates the influence of different power structures on the decision making of the two-echelon maritime supply chains composed of terminals and shipping companies that adopt different emission abatement measures. Three different game models with different power structures （a terminal-dominated game， a shipping company-dominated game， and a Nash game） are proposed， and a numerical analysis of the influence of carbon price on the supply chain decision making is conducted. The analysis shows that under the same emission reduction measures， the total service price of the supply chain in which the terminal and shipping company are the leading players is higher， but the profit and carbon emissions are lower. In addition， the supply chain switching to low-sulfur oil is more vulnerable to the cap-and-trade policy because of its higher carbon emissions， which makes it less profitable with increasing carbon trading price.

Key words： cap-and-trade policy; maritime supply chain; power structure; carbon emission reduction; game theory

[责任编辑   柯   黎]