低碳政策约束下供应链决策模型及协调机制研究.docx

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1、 中图分类号： F274 论文编号： 143144311 学科分类号： 630.50 密 级： 天津理工大学研究生学位论文 低碳政策约束下供应链决策模型 及协调机制研究 （申请硕士学位） 一级学科： 管理科学与工程 学科专业： 管理科学与工程 研究方向： 循环经济与生态工业工程 作者姓名： 杨扬 指导教师： 李健 教授 2017 年 2 月 Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree Research on Decision Model and Coordination Mechanis

2、m of Supply Chain under Low Carbon Policy Constraints By Yang Yang Supervisor Li jian February 2017 摘要 经济的飞速增长和科技的快速发展，在改善人类生活品质的同时，也引发了严重的 资源浪费与环境污染问题，气候变暖、雾霾等一系列极端气候变化严重威胁人类正常的 生活环境和身体健康。减排降耗，实现低碳化可持续发展，已成为世界各国政府和学者 面临的严峻问题。因此各国政府针对国情颁布了相应的政策法规以控制二氧化碳的排放， 目前为控制碳排放实施的低碳政策主要有碳税和碳交易两种。 供应链是 碳 的最主要制造者

3、之一，减排目标的实现很大程度上依赖于供应链中企 业的配合。低碳政策的实施改变了企业原有的生产运营环境，使其面临节能减排这一新 的挑战。碳排放的限制使企业的生产运营变得更加复杂，不得不将减排量作为企业决策 的又一重要因素。然而减排目标的达成需要企业投入大量的资金以改进生产技术、运输 工具等，或导致企业投入产出失衡，削弱企业的减排意愿，因此政府有必要实施减排补 贴政策，以激励企业的减排行为。此外，在低碳供应链实际运营过程中存在大量的不确 定因素，其中市场需求的不确定性尤为突出，因为市场需求同时受价 格与碳减排量的双 重因素影响。这种不确定性或引发整个供应链的巨大风险。零售商作为需求信息的直接 获得

4、者，为追求更高的利润，具有谎报低碳需求信息的动机，该谎报行为将给整个供应 链带来严重的利益损失。因此，在低碳政策约束下，研究如何有效地解决供应链的协调 问题，规避低碳需求信息谎报风险，是实现减排目标的关键。 基于上述现象，本文运用博弈论、运筹学等相关理论和方法，构建了一个制造商与 一个零售商的两级供应链的决策模型，考虑是否存在需求信息谎报行为的两种情境，探 讨在不同低碳政策（碳税和碳交易政策）约束下企业的最优 决策及供应链协调问题。 首先，分别构建了碳税与碳交易政策下政府给予低碳补贴的集中决策与分散决策模 型。运用 Stcckelberg 博弈方法求解该情境下制造商与零售商的最优减排和订购决策

5、。并 设计协调契约，求解最优决策和最优的协调系数，从而实现双方的 共赢 和供应链整体 协调。其次，构建了考虑需求信息谎报行为的供应链决策模型。针对零售商潜在的需求 信息谎报行为，将碳减排量敏感系数纳入到碳税与碳交易两个决策模型中，求解这两种 情境下制造商和零售商的最优决策，给出零售商采取谎报决策的条件并分析需求信息谎 报对制 造商利益的影响。从而设计协调契约，规避谎报风险，使供应链达到协调。 研究表明，在不考虑需求信息谎报的情况下，两种低碳政策约束下集中决策时制造 商和零售商的最优减排量、订购量均大于分散决策，且改进收益共享契约能够实现供应 链的协调，并能够在特定范围内实现供应链总利润在制造商

6、和零售商间的任意分配；同 时改进收益共享契约，也能很好的规避零售商需求信息的谎报行为，具有较好的适用性。 关键词 ：碳税政策 碳交易政策 减排补贴 需求信息谎报 供应链协调 Abstract The rapid growth of economy and the rapid development of technology improve the quality of life, at the same time it also caused the waste of resources and serious environmental pollution. Climate warming

7、, haze and a series of extreme climate change poses a serious threat to human health and normal life. So Reducing emissions and achieving sustainable development of low carbon has become a serious problem for governments and scholars all over the world. As a result, governments have enacted correspo

8、nding policies and regulations to control carbon dioxide emissions, and the current low-carbon policies to control carbon emissions are mainly two low-carbon policies: carbon tax and carbon trading. Supply chain is one of the most important manufacturers of carbon, and the realization of emission re

9、duction targets depends on the cooperation of enterprises in supply chain. The implementation of low-carbon policy has changed the original production and operation environment of the enterprise, which makes it face the new challenge of energy saving and emission reduction. The limitation of carbon

10、emissions makes the production and operation of enterprises more complicated, and it has to be an important factor in enterprise decision making. However, targets the enterprise need to invest a lot of money to improve the tools of production technology, transportation, or cause the enterprise input

11、-output imbalance, weaken the companys emission reduction will, so it is necessary for the government to implement emission reduction subsidies, to encourage enterprises of the emission reduction behavior. In addition, there are many uncertain factors in the low carbon supply chain operation process

12、, the uncertainty of market demand is particularly prominent, because of the dual factors of market demand and price and the carbon emission reduction effect. This uncertainty may trigger a huge risk in the entire supply chain. Retailers as a direct winner of the demand information, for the pursuit

13、of higher profits, with low carbon demand information about motivation, the misreporting will bring serious damage to the interests of the whole supply chain. Therefore, in the low carbon policy constraints, on how to effectively solve the coordination problem of supply chain, to avoid the low carbo

14、n demand information about risk, is the key to achieve emission reduction targets. Based on the above problems, this paper uses the game theory and operational research theory and method, constructs the decision model of two echelon supply chain with one manufacturer and one retailer, considering th

15、e existence of low carbon demand information lied about two kinds of risk situation, to explore the different policy of low carbon (carbon tax and carbon trading policy constraints) the optimal decision of enterprises and the coordination of supply chain. First of all, the paper sets up the centrali

16、zed decision making and decentralized decision making model of government subsidies to low carbon. Stcckelberg game theory is used to solve the optimal emission reduction and ordering decision of manufacturers and retailers in this situation. And the coordination contract is designed to solve the op

17、timal emission reduction policy and the optimal coordination coefficient, so as to realize the win-win situation and the overall coordination of the supply chain. Secondly, construct the model of supply chain needs to consider the risk information about. According to the information demand for low c

18、arbon retailers potential misreporting, the carbon emission reduction coefficient into the carbon tax and carbon trading two decision model, solving the two situations of the optimal decision of manufacturer and retailer, retailer analysis decision conditions and false demand information about impac

19、t on manufacturers and the whole supply chain profit. So we should design coordination contract to avoid this false risk, and in order to make the supply chain coordinate. Research shows that, without considering the needs of information about the case, the centralized decision-making of two kinds o

20、f low carbon policy under the constraint of optimal manufacturer and retailer of emission reductions and the order was greater than decentralized decision-making, and improve the revenue sharing contract can achieve supply chain coordination, arbitrary distribution in a certain range and can realize

21、 the total profit of the supply chain in the between the manufacturer and the retailer; at the same time improve the revenue sharing contract, also can very good avoid misreporting of retailers demand information, and has better applicability. Key words ： Carbon tax policy, Carbon trading policy, Em

22、ission reduction subsidy, Requirement information misreporting, Supply chain coordination 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景与问题提出 . 1 1.2 研究目标、意义与研究内容 . 3 1.3 研究方法与技术路线 . 5 1.4 本文主要创新点 . 8 第二章 相关理论与文献综述 . 9 2.1 低碳供应链 . 9 2.2 政府低碳政策 . 9 2.3 低碳政策下供应链企业的运作决策 . 12 2.4 供应链协调机制 . 13 2.5 需求信息不对称 . 14 第三章 碳税政策约束下供应链成员

23、减排与订购决策 . 15 3.1 问题描述与模型假设 . 16 3.2 碳税政策约束下供应链决策模型 . 17 3.3 碳税政策约束下供应链协调机制 . 22 3.4 算例分析 . 25 第四章 碳交易政策约束下供应链成员减排与订购决策 . 30 4.1 问题描述与模型假设 . 30 4.2 碳交易政策约束下供应链决策模型 . 31 4.3 碳交易政策约束下供应链协调机制 . 36 4.4 算例分析 . 39 第五章 考虑需求信息谎报的供应链成员减排与订购决策 . 44 5.1 问题描述与模型假设 . 44 5.2 考虑需求信息谎报行为的供应链决策模型 . 45 5.3 考虑需求信息谎报行为的

24、供应链协调机制 . 49 5.4 算例分析 . 50 第六章 结论与展望 . 54 6.1 研究结论 . 54 6.2 研究展望 . 55 参考文献 . 56 发表论文和科研情况说明 . 62 致 谢 . 63 i 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景与问题提出 1.1.1 研究背景 全球经济的飞速增长和科学技术的快速进步，促进了人类对产品多样化的需求和对 高品质生活的追求，生活方式的变化改变了人们对环境和能源的需求模式。但与此同时 也引发了严重的资源消耗与浪费，造成大量温室气体的排放，导致全球气候变暖 1。持 续的温室气体排放，将给世界带来灾难性危害。例如，海平面上升，陆地面积减

25、少，洪 水、干旱、雾霾等一系列自然灾害，直接危及人类的居住环境和身体健康，使人类的生 活环境面临巨大的威胁。人类活动是产生温室气体的主要来源之一，近年来人为温室气 体排放已经达到了历史最高值，温室气体的排放已经超出了资源环境所能承受的极限， 因此减排降耗，实现低碳化可持续发展，已成为全世界政府和学者面临的共同问题。 为缓解日益恶化的生态环境，各国政府积极颁布相关政策法规并采取一系列应对措 施。国际社会早于 1997 年就通过了京都议定书，推出碳市场机制以推进全球碳减排 行动，效果显著，标志着全世界节能减排行动进入新阶段。随后，碳市场机制在全世界 范围内迅速发展。对于中国来说，经济社会的飞速发展

26、，同样也造成了严重的生态污染 问题。 2013 年中国的碳排放量已位居世界首位，严重影响中国的可持续发展。作为碳排 放大国，中国政府高度重视碳排放污染问题，为兑现中国对世界的减排承诺。中国政府 已经把节能减排作为国家经济社会发展的重大战略任务。从 十一五 到 十三五 规划， 中国政府一直把节能减排作为开展各项活动的重要指标 2。中国要合理利用资源，实现 低碳发展，政府必须制定适合国情的低碳政策来管控和激励企业改善其生产经营方式， 减少碳排放量。因此低碳政策的制定既决定中国减排目标及承诺能否实现，又密切关系 着中国经济社会的可持续发展 . 目前，世界为控制碳排放量实施的低碳政策主要有碳税、碳交易

27、两种约束政策 3碳 税政策是政府根据二氧化碳产出企业所产出的碳排放量，以单位碳排放量为单位征收税 收，使企业承担生产运营过程中给环境造成污染的成本，从而促使企业更加重视并主动 减少产品的碳排放量的低碳约束政策。由于该政策实施简单、便捷，现已 成为美国、英 国、澳大利亚、德国等发达国家的主要低碳政策之一 4。目前，我国碳税政策的也正在 规划筹备过程中，报告指出，我国碳税政策将采用从量征税，并利用征收的碳税对高碳 排放企业进行转移支付补贴。研究表明，在我国碳税政策具有很大的可行性，且预计该 政策未来或在 十三五 规划期间出台 5。碳交易约束政策即碳配额与碳交易相结合政策， 是指政府针对不同碳排放企

28、业的碳排放情况以及产品特性，分配不同的初始碳配额，即 政府规定该企业可排放的免费碳排放量。同时若企业最终的碳排放量超过或不足初始碳 第一章 绪论 2 配额时，允许企业在碳交易市场中进行碳排放全的买卖以满足企业的生产需求。在交易 过程中，低碳排放企业可通过销售碳排放权而获取利润，高碳排放企业可以通过购买碳 排放权从而达到生产需求。碳排放权作为一种特殊商品，其交易范围十分广泛，既可在 企业间进行也可在国家间进行，同时又能够实现有效的资源优化配置，因此该政策在全 世界已获得广泛的认可 6。其中欧洲碳排放交易体系，是最早实施该政策的碳交易市场， 该政策已覆盖了欧洲 31 个国家，使欧盟碳排放总量减少了

29、 45%7。 2008 年起至今中国 也已成功成立了 7 个碳交易试点，这 7 个试点针对个地区的发展特点分别设立了不同的 实施办法和政策，为中国碳市场的建设做出了巨大贡献。目前中国已经成为通过碳交易 管控二氧化碳排放的第二大碳交易市场 8。 供应链中的企业是二氧化碳的主要排放者，企业均以自身利益最大化作为其决策的 根本目标，而不顾对生态环境造成的危害，对资源的任意开采，随心所欲的排放污染物， 不加节制，对环境带来的恶劣影响不可小觑。然而，随着低碳政策的实施以及人们 低碳 消费观念的增强，改变了企业原有的生产运营环境，使其不得不面临节能减排这一新的 挑战，低碳政策的实施会对企业的减排和订购决策

30、带来很大的影响。特别是大型制造类 企业，其在生产过程中会产生大量的二氧化碳，在政府低碳政策的约束下，这些企业必 然会改变传统的生产模式以降低碳排放量，从而减少为碳排放量所支付的成本（碳税、 购买碳排放量成本等）。低碳政策的实施势必给企业带来沉重的成本负担，企业在不得 不投入大量的资金改进自身的生产经营技术，为保证企业自身的利润，企业会提高产品 的零售价格和批发价格。但对于消费者而言 价格和产品的减排量均是其考虑是否购买该 产品的主要因素，价格的上涨会使企业损失一部分消费者，但同时减排量的提高又可以 增加一部分消费者的购买欲望，因此在低碳政策约束下企业如何做出合理的减排和订购 决策，平衡减排率、

31、价格与需求之间的关系，对企业来说至关重要。 此外，在低碳供应链的实际运营过程中存在大量的不确定因素，市场需求的不确定 性尤为突出，这是因为市场需求同时受价格与碳减排的双重因素影响，这种不确定性或 导致整个供应链的巨大风险 9。由于在低碳市场销售过程中，零售商具有能够直接接触 消费者，获取准确需求 信息的先天优势，零售商在做独立决策时可能会谎报消费者对低 碳产品的需求信息，从而获取高额的利润，使供应链其他成员的利润受到损害，进而导 致供应链整体利益降低，这种需求信息谎报行为易引起企业间的不信任，影响企业的运 营决策，给企业带来严重的利益损失。因此在低碳政策约束的供应链系统中，如何规避 需求信息谎

32、报行为，实现供应链整体的协调是至关重要的问题 10。 现实中企业的生产经营活动都是基于供应链进行的，一些不涉及或碳排放量很小的 企业，往往会根据自身的最优生产运营方案进行决策，从而忽略低碳政策的影响。因此 若 只关注企业个体的决策行为，不能实现低碳政策下供应链成员间的协同问题和供应链 整体协调，就不能从根本上推进低碳政策的实施，实现供应链整体减排的最终目标 11。 2010 年，沃尔玛与 EDF 合作规划从原材料采购、产品运输、产品回收处置等整个供应 链的生产运营方案以减少二氧化碳的排放量 12。苏宁公司也提出了多项方案，协助政府、 供应商实现节能减排目标，从而实现整个供应链的协调运作 13。

33、因此，低碳政策约束下 供应链的协调运作问题具有极为重要的研究意义。 第一章 绪论 3 可以看出，为实现低碳化发展，需要供应链企业、消费者与政府的共同努力，在供 应链生产运作的每一个环节都需要考虑碳减排问题，对于企业而言，如何达到减排目标 的基础上实现自身利益最大化，是企业亟待解决的问题。对于政府而言，制定低碳政策 的同时，为了更好的调动企业减排的积极性，更好的达成节能减排目标，研究表明，政 府为企业减排成本提供相应的补贴对节能减排行为的实施具有很好的激励作用。 1.1.2 问题提出 为应对温室气体所引起的极端气候变化，保障人类社会的可持续发展，国际社会已 制定了一系列的政策措施，推进全球碳减排

34、行动。中国作为一个有责任的排碳大国，正 在积极地参与国际碳市场减排活动。但中国的节能减排行动仍处于起步阶段，相关政策 制度尚不完善，各低碳制度的实际作用效果不能进行精准的预估。供应链作为 碳 的主 要制造者之一，供应链上企业的减排行为直接影响我国总体减排目标的实现。精准的掌 握低碳政策对供应链减排的实施效果至关重要。因此，本文将通过构建不同低碳政策约 束下的供应链决策模型，探讨低碳政策的实施对供应链企业决策的影响，以期为政府和 企业做出正确的决策提供借鉴。 由于在传统供应链的正常运营中加入了低碳约束，这使得供应链的运营环境更加复 杂，企业做决策时考虑的因素更加多样化，尤其是当单个决策方掌握某种

35、信息的绝对优 势时，该因素在供应链的运营中更为重要。在低碳供应链中，消费者对产品的低碳偏好 系数这一因素就成为零售商方独有的先天优势，零售商也往往利用这一优势以增加自身 的利润，其中一些不法的企业甚至通过谎报信息的方式获取利润，严重的会影响整个供 应链的运营秩序。因此，掌握零售商谎报需求信息的条件，设计契约规避这种潜在风险 具有重要的实践意义。 总之，随着实现低碳化发展的 紧迫性和重要性，使得我们需要对这些随之出现的各 种现象进行科学理性的思考和研究；低碳化的快速发展在复杂活跃的供应链管理领域激 发了大量新的问题。因此，本文拟对不同低碳政策约束下的供应链企业决策进行深入分 析研究，试图解决或避

36、免需求信息的谎报问题，以及设计合理的协调契约改进整个供应 链的运营决策，为低碳环境下的企业决策提供科学合理的方法论支持，为政府制定有效 的低碳政策提供科学借鉴。 1.2 研究目标、意义与研究内容 1.2.1 研究目标与研究意义 当今社会，节能减排问题是全世界关注的焦点。中国作为碳排放大国，二氧化碳的 排放严重影响中国的可持续发展。供应链中的企业是二氧化碳的主要排放者，国际上针 对供应链的节能减排问题，许多国家已经颁布碳税、碳交易等低碳约束政策以管控供应 链运营过程中的碳排放量。同时，中国也针对自身国情，制定相关政策，分析低碳政策 第一章 绪论 4 对供应链企业可能的影响，提出针对性对策方案以期

37、更好的达成节能减排的总目标。本 文针对不同的低碳政策，研究供应链中的企业在不同政策约束下如何做出正确的决策以 应对环境的 变化，并设计供应链协调机制，以期为政府以及企业做出相关的决策提供借 鉴，对于实现供应链低碳化运营具有一定的理论与实践意义。 1.理论意义 （ 1）本文分别将碳税与碳交易两种低碳政策引入到供应链企业运营优化的考虑因素， 通过对不同低碳政策约束下，供应链企业的最优减排与订购决策进行研究分析，发现企 业间博弈竞争的内在规律，设计出使企业双方达成供应并且是供应链达到协调的契约机 制，提高了供应链整体的碳减排率，为低碳政策约束下企业制定决策提供了一定的理论 借鉴。 （ 2）考虑在零售

38、商持有消费者需求信息优势的前提下，为提高自身利润谎报消费者 需求信息行为下，企业的应对策略，并设计改进收益共享契约，以消除这种需求信息不 对称风险带来的危害，能够有效的规避零售商谎报信息的行为，避免供应链其他企业的 利润损失，同时保证了整个供应链的健康运营环境。 （ 3）讨论不同低碳政策下，供应链企业的最优减排和订购决策与各自的利润，从需 求信息是否存在谎报风险等多种情况进行对比分析，分别探讨研究在不同情况下，碳税 与碳交易约束政策对供应链企业决策的影响。为企业在应对不同环境下做出正确的决策 提供 理论借鉴。 （ 4）在考虑低碳政策约束企业行为的同时，本文将政府低碳减排补贴政策引入到供 应链的

39、运营决策中，分析低碳补贴对企业减排决策、订购决策、利润等方面的影响。丰 富了低碳供应链理论，具有较好的理论价值。 2.实践意义 针对当今社会面临的环境污染、资源浪费等严重影响人类生活的问题，达成政府在 十三五 时期的一系列减排目标，企业节能减排任务艰巨。在供应链框架下，研究企业 在不同低碳政策环境下的决策行为，分析不同环境对企业决策的影响，深入剖析问题本 质，提出协调契约机制，对整个供应链的低碳化发展运营提供实际 的参考价值。此外， 通过不同低碳政策对供应链影响的对比分析和研究，可为政府制定合理有效的低碳政策 提供引导和帮助。同时，本文的研究内容与当今社会可持续发展的主题相吻合，对中国 低碳供

40、应链的协调发展具有深刻的实践意义。 1.2.2 研究内容 本文针对当前社会亟待解决的供应链碳减排问题，在碳税、碳交易政策下，分别考 虑是否存在低碳需求谎报风险的供应链决策及协调问题。构建了一个制造商和一个零售 商的博弈模型，具体研究内容及结构安排如下： 第一章：绪论。阐述本文的研究背景、研究意义。并通过对国内外研究现状的梳理， 确定本文的主要研究内容、研究框架和研究方法，同时提出本文的创新之处。 第二章：相关理论与文献综述。本章从研究内容的相关理论入手，分别对低碳供应 第一章 绪论 5 链理论、政府低碳政策、供应链的运作决策、供应链协调机制、供应链需求信息不对称 几部分研究现状进行文献梳理，发

41、现现有文献的不足，为后续章节的写作提供理论支持。 第三章：碳税政策约束下供应链成员减排与订购决策。本章研究碳税政策下，零售 商和制造商的最优决策问题。将碳税、政府低碳补贴作为外生变量，将碳减排量和订购 量作为决策变量。通过构建以制造商为主方的 Stackelberg 博弈模型，计算出制造商和零 售商的最优减排率以及订购量。并通过比较集中决策与分散决策，设计协调契约，构建 协调契约下的分散决策模型，求解最优碳减排率和订购量和最优的协调系数，从而实现 双方企业的 共赢 和供应链整体协调。 第四章：碳交易政策约束下供应链成员减排与订购决策。本章研究碳交易政策下， 零售商和制造商的最优决策问题。初期政

42、府为企业免费发放一定量的碳配额，同时企业 可以在碳市场中买卖碳排放权以满足生产需求或获取利润。该模型将初始碳配额、碳交 易价格、政府低碳补贴作为外生变量，将碳减排量和订购量作为决策变量。通过构建以 制造商为主方的 Stackelberg 博弈模型，计算出制造商和零售商的最优减排率以及订购量。 并通过比较集中决策与分散决策，设计协调契约，构建协调契约下的分散决策模型，求 解最优碳减排率和订购量和最优的协调系数，从而实现双方企业的 共赢 和供应链整体 协调。 第五章：考虑需求 信息谎报的低碳供应链成员减排与订购决策。本章在第三章和第 四章的基础上，进一步对存在零售商需求信息谎报行为的情况进行探讨。

43、分别讨论碳税 和碳交易低碳政策下存在需求信息谎报行为时，制造商、零售商集中和分散决策下的最 优减排与订购决策，指出零售商采取谎报决策的条件并分析需求信息谎报行为对制造商 和整个供应链利润的影响。并通过设计协调契约，以期规避零售商的谎报行为，使供应 链达到协调。 第六章：总结与展望。总结分析本文的研究内容，明确论文得出的重要结论，并指 出本文的不足之处，在此基础上展望未来的研究方向和内容。 1.3 研究方法与技术路线 1.3.1 研究方法 本文的研究内容主要涉及了一下研究方法： （ 1）文献资料法：该方法主要通过查阅参考目前国内外低碳供应链、低碳政策、供 应链协调、供应链需求信息不对称风险等方面相关文献、著作及互联网等信息来源，并 对其进行系统的分类和分析总结，提取一些有用的观点或提议，发现已有成果中的不足 之处，启发研究思路，在此基础上对研究内容和研究方法进行发展和创新，为进一步研 究分析低碳政策约束下企业决策与协调机制提供可参考的理论基础。 （ 2）数学建模与最优化理论相结合：运用博弈论与运筹学相关理论与方法，针对不 同低碳政策或信息掌握的不同情况，构建不同情境下的集中决策模型、分散决策模型以 第一章 绪论 6 及协调决策模型。并利