黄志成,赵林度,王 敏,欧阳娇

(东南大学经济管理学院，江苏 南京 210096)

碳排放交易制度差异下的国际供应链生产计划问题

黄志成,赵林度,王 敏,欧阳娇

(东南大学经济管理学院，江苏 南京 210096)

面临全球气候变化的压力，越来越多的国家已经开始实施各项政策限制企业碳排放。本文以国际供应链环境中的生产商为研究主体，基于地区间碳排放交易制度差异构建国际供应链生产计划模型，以实现生产商的总成本最小化，其中考虑了变动和固定碳排放交易价格两种碳排放交易制度。此外，引入了碳配额和碳价同步调整措施，并分别从地区经济发展和减排角度、生产商成本和碳排角度，以及供应链成本和碳排角度分析了碳排放交易制度差异带来的影响。本文提出的一类考虑碳排放交易制度差异的国际供应链生产计划模型，为国际供应链制定生产计划以及工厂选址提供决策支持，并为国际和地区内碳排放交易制度制定者提供理论建议。

国际供应链;碳排放交易制度;生产计划;低碳

1 引言

在过去几年，碳排放引起的气候变化问题已经引起世界各国的关注并达成广泛共识，如果人类不采取措施控制碳排放，未来全球气候将会发生剧烈的变化[1]。很多国家和地区已经开始实施各项政策限制企业的碳排放。欧盟实施的EU ETS体系是目前全球最大的碳排放交易体系，涵盖了31个国家超过11000家发电站和工厂，目标是在2020年将碳排放量相比2005年降低21%。2015年9月，中国宣布将在2017年启动覆盖全国重点行业的碳排放交易体制。低碳已经成为企业运营的主题之一，如何从供应链运营管理的角度降低企业碳排放成为企业面临的重要课题[2-4]。

很多学者从供应链运营角度探讨了生产计划中的减排策略[2,5-6]。例如，Absi等[5]探究了碳排放约束的生产批量计划问题，并分别求解四种不同的碳排放约束模型。一些学者从其他角度进行分析，例如，Fankhauser等[7-8]从经济学角度分析了碳排放交易市场的设计。Hua Guowei等[9]从供应链库存管理角度分析碳排放交易、碳排放税以及硬性碳排放限制对库存管理的订货决策、碳排放以及总成本的影响。Bouchery和Fransoo[10]从运输角度，研究了卡车火车联合运输网络设计问题，其中涉及转化节点选址以及运输工具选择整合等决策。Zakeri等[11]从供应链计划角度对比碳排放税政策和碳排放交易政策的适用性，得出碳排放交易政策在减少碳排放量、控制成本和提高供应链服务水平等方面更具优势。方健和徐丽群[12]探讨了碳政策下的供应商选择问题。周艳菊等[13-14]研究了供应链中的减排成本分担模型以达到协调供应链的目的。也有些学者着重研究了碳排放交易制度下的供应链运营决策[15-16]。

然而当前尚未有研究考虑地区间碳排放交易制度差异，从国际供应链视角研究企业生产计划。当国际供应链涉及的各国家地区实施价格机制不同的碳排放交易制度时，企业的碳排放以及运营成本将受到直接影响。本文在地区碳排放交易制度差异背景下探讨国际供应链生产计划问题，通过比较不同价格机制对成本和碳排的影响，为跨国企业提供生产计划决策，并为碳政策制定者提供理论建议。

2 问题描述与假设

本文考虑一个国际供应链网络模型，由生产商、承运商和客户组成，如图1所示。该网络包括四个层次的供应链节点：生产商s、配送中心o和d以及客户c。生产商是一个跨国企业，在地区A和地区B都有若干个工厂。产品在生产地完成后，生产商将产品运输到配送中心，承运商负责将产品发往地区C和D的客户。配送中心o和d分别表示承运商在生产商区域和客户区域的配送中心。承运商可以通过公路将产品从配送中心o运送给客户，也可以通过铁路运输至配送中心d再由公路运输给客户。该网络结构在矿产品或化工产品供应链中比较常见，通常生产地集中在某个地区，产品销往其他地区。

图1 一个国际供应链网络示意图

该网络中的地区A和地区B属于不同的国家，采取的碳排放交易制度也存在差异。碳排放交易制度是指企业拥有一定限额的碳排权，称为碳排放配额。如果碳排超出该配额，则企业需要在碳排放市场上购买额外的碳排权；如果碳排放配额有剩余，则可在碳排放市场上出售。本文考虑的碳排放交易制度差异主要体现在碳排放交易价格机制上，即固定或变动碳排放交易价格机制。固定碳排放交易价格是指碳排放交易市场上单位碳排放交易价格保持稳定。变动碳排放交易价格是指单位碳排放交易价格会随着交易量的增加而上升。本文假设地区A和地区B的单位碳排放交易价格分别服从下列函数：

(1)

(2)

碳排放交易制度下企业的碳排量与运营成本直接相关。面对国际环境中碳排放交易制度差异，企业科学合理地制定生产计划和运输计划显得尤为重要。生产商需要一类碳排放交易制度差异下供应链生产计划模型实现自身成本的最小化，并为其生产计划提供相关决策支持。本文模型假设包括以下几个方面：1)生产商掌握客户需求的全部信息，客户需求是确定的且必须及时得到满足，不接受补货；2)客户只订购一种产品，生产商只生产一种产品；3)供应链运营的碳排放量计算遵从公式：碳排放量=活动数据×排放因子；4)每个生产周期均需要进行生产准备，生产准备过程产生一定的碳排放。

3 模型的建立

3.1 符号定义及模型构建

本文模型所使用的符号定义汇总在表1中。

表1 模型的符号定义

参数:ks:生产阶段的碳排放系数(千克/吨)变量:Ys,t:=1工厂s在周期t内进行了生产;=0其他情况qs,t:工厂s在周期t内的生产量RTi,j,t:在周期t内的供应链节点i和j之间的公路运输量,i,j∈S,O{}∪O,C{}∪{D,C}TTi,j,t:在周期t内的供应链节点i和j之间的铁路运输量,i,j∈O,D{}Ii,t:在周期t内的供应链节点i的库存持有量,i∈S,O,D{}eA+:在地区A碳排放交易市场上,生产商购买的碳排放量eA-:在地区A碳排放交易市场上,生产商出售的碳排放量eB+:在地区B碳排放交易市场上,生产商购买的碳排放量eB-:在地区B碳排放交易市场上,生产商出售的碳排放量

本文中决策主体为生产商，目标为实现其总成本最小化。目标函数见式(3)，前三项分别是生产商的生产准备成本、库存成本和SO之间的运输成本。第四项(包含括号内)表示的是生产商需要向承运商支付的运输成本。括号内为承运商的实际运输成本，假设承运商收取5%的运输成本作为其利润，所以生产商的运输成本为实际运输成本的1.05倍。最后两项为碳排放交易对总成本的影响。

(3)

s.t.qs,t≤Cs*Ys,t∀s∈S,t∈1…T

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Is,0,Io,0,Id,0=0 ∀s∈S,∀o∈O,∀d∈D

(11)

RTo,c,t,RTs,o,t,TTo,d,t,RTd,c,t≥0

∀s∈S,∀o∈O,∀d∈D,∀c∈C

(12)

Ys,t∈{0,1} ∀s∈S,t∈1…T

(13)

式(4)为生产能力约束。式(5)和式(6)是生产商在地区A和地区B的碳排放约束。式(7)-(9)为供应链各个节点的库存均衡限制。式(10)表示客户的需求必须及时得到满足。式(11)表示初始库存为0。式(12)和(13)是对运输量和生产准备变量的约束。

3.2 模型的线性化

(14)

(15)

(16)

经过线性化的模型，目标函数为式(15)，约束条件为(4)-(13)以及式(16)。

4 数值计算与分析

4.1 数据预处理

本文使用软件Cplex 12.6求解，运行环境为CPU 2.5Hz，RAM 16GB，采用Meisel等[12]提供的数据进行数值分析。算例描述了一个大规模生产运输网络问题，包括12个工厂、6个配送中心o、8个配送中心d以及79个客户c。Meisel 等(2013)提供了供应链节点之间的距离di,j、客户需求demc,t、生产能力Cs、运输费率tci,j和rci,j、库存持有成本hi以及生产准备成本fcs的数据[12]。本文在此基础上对算例数据进行如下预处理：

表2 生产商各工厂的碳排放系数

4.2 算例分析

4.2.1 地区间碳排放交易制度差异对生产商生产计划的影响

从图2中可以看到，当aA和aB取值相同时，随着b值从0到0.25逐渐增大，地区A的碳排成本上升，地区B的碳排成本相对下降。生产商将部分生产量从地区A转移至地区B。生产量的转移取决于aA和aB值。当aA和aB的取值为10时，生产量的转移大于aA和aB为50时的转移量。这是因为当aA和aB为10时，b值变化所引起的碳排成本相对变化幅度更大。

当aA和aB取值不同且b=0时可以看到，地区A的碳排成本低于地区B，生产商将更多的生产量转移到地区A。随着b值的增加，地区A的碳排成本上升，生产商将产量转移到碳排成本更低的地区B。产量转移引起库存成本、运输成本、承运成本以及生产准备成本的复杂变化。当生产转移减少的碳排成本和增加的运营成本达成平衡时，两地产量保持稳定。

4.2.2 地区间碳排放交易制度差异对生产商碳排量的影响

图3描述了地区间碳排放交易差异对生产商各地区以及总碳排量的影响。图中地区A和地区B的初始碳排量是指在不考虑碳排约束情况下生产商以最优成本运营时的碳排量。生产商总碳排量是指地区A和地区B的碳排量总和。

图2 不同碳排放交易制度对生产商生产计划的影响

图3 不同碳排放交易制度对生产商碳排量的影响

碳排放交易制度差异导致生产商将产量转移到碳排成本更低的地区，造成个别地区虽然实施了碳排放交易制度但碳排增多的现象。本算例中，由于地区A实施了变动碳排放交易价格，随着b值的增加，地区B成为碳排成本较低的地区，使生产商在地区B的碳排量上升，地区A的碳排量下降。因此，碳排放交易制度实施的效果，不仅取决于国内环境，也受国际碳排放交易制度影响。制度制定者需要考虑这种影响，避免造就“碳排成本洼地”。只有这样才能通过碳排放交易制度，有效降低一个地区内的碳排。从全局碳排的角度来看，虽然碳排放交易制度差异造成了某些地区碳排量的增加，但是随着b值的增加，生产商总碳排量在逐渐下降。这意味着个别地区碳排成本的上升，虽然引起碳排的转移，但是仍然可以降低生产商的总碳排量。

4.2.3 碳配额和碳价同方向同比例调整的影响

图4 碳配额和碳价同时调整对生产商生产计划的影响

从图4中可以看到，在A、B两地基本碳价相同时，两组数据结果呈现相似的变化趋势。当调整系数小于0.8时，A、B两地生产量大致保持稳定；当调整系数从0.8升至0.9时，A地生产量显著上升，B地生产量显著下降；之后A、B两地生产量再次趋于稳定。从该现象可以看出， A地分厂更青睐高碳排配额和高碳价组合的碳制度，B地分厂则更适应低碳排配额和低碳价组合的碳制度。这是因为与B地相比，A地碳排超量惩罚成本更高，所以宽松的碳排限制更加适合A地分厂；B地分厂则更关注碳价。即使在高碳排配额和高碳价组合的碳制度下，A地分厂也仅能和B地分厂取得相同的竞争地位。另外，当A地基本碳价显著低于B地时，相比于A、B两地基本碳价相同的情况，A地生产量有明显上升，尤其当调整系数大于1时。从中可以得出结论，在碳配额和碳价同时调整的措施下，A地应该降低其基本碳价来获取更多订单，且高碳排配额和高碳价组合的碳制度对A地发展经济更有好处。

图5 碳配额和碳价同时调整对A、B两地和生产商总碳排的影响

图5中显示，当A、B两地基本碳价相同时，基本碳价高时各地碳排减少，从而验证了提高碳价可以抑制碳排。在A地基本碳价显著低于B地时，相比于A、B两地基本碳价相同的情况，A地碳排显著上升，B地碳排显著下降，生产商总碳排略微上升，验证了碳排向碳排成本低地区转移的现象。生产商总碳排的上升反映出地区间基本碳价差异不利于生产商减排。另外，当碳配额和碳价调整系数逐渐增大时，A地碳排增多，B地碳排下降，生产商总碳排上升。因此可以得到结论，高碳配额和高碳价组合的碳制度能够促进B地减排，但不利于A地和生产商减排。

图6 碳配额和碳价同时调整对供应链总成本和总碳排的影响

从图6可知，当A、B两地基本碳价相同时，碳价高会导致供应链总成本升高。当A地基本碳价显著低于B地且调整系数小于1时，供应链总成本具有显著优势；而当调整系数大于1后，A、B两地基本碳价相同更具优势。另外，三组数据的供应链总成本最低点均位于调整系数等于1的位置，为供应链设计者提供选址方面的决策支持。

从供应链总碳排角度来看，当调整系数小于0.8时，A、B两地基本碳价相同且为低碳价时碳排最高，当调整系数大于0.8后，在大部分区间，A地基本碳价显著低于B地的情况下碳排最高，这一现象说明在碳配额十分富余的情况下地区间基本碳价差异不利于整体减排。而当调整系数小于1时，A、B两地基本碳价相同且为高碳价时碳排最低，当调整系数大于1后，反而是低碳价时碳排最低。这一现象说明了，在碳配额十分富余的情况下，低碳价反而能促进供应链减排。另外，三组数据的供应链总碳排最低点大多位于调整系数为0.8的位置，这为国际碳制度制定者提供了政策制定方面的建议。

5 结语

全球变暖已成为人类面临的共同挑战，很多国家已经开始实施各项制度限制企业碳排。在国际供应链背景下，本文基于地区间碳排放交易制度差异构建国际供应链生产计划模型，为跨国生产商提供生产量决策以实现总成本最小化。模型中考虑了变动和固定碳排放交易价格两种碳排放交易制度，并通过分析碳排放交易制度差异的影响，为生产商、国际供应链和碳制度制定者提供可行的建议。

通过分析地区间碳排放交易制度差异对供应链生产计划的影响，本文验证了企业向碳排成本更低地区转移生产量的倾向，当生产转移减少的碳排成本和增加的运营成本达成平衡时，产量转移不再发生。从各地碳排角度看，地区间碳制度差异导致有些地区虽然实施了碳制度但碳排升高的现象。从而启示碳制度制定者在制定本国或地区碳排放交易制度时，不仅要考虑国内情况也要考虑国际碳排放交易制度的影响。从生产商角度看，碳制度差异会带来产量和碳排的地区间转移，且总碳排量也会下降。这更凸显了本文模型的重要意义，能够为跨国企业提供决策支持以实现成本和碳排的降低。

另外，本文分析了碳配额和碳价同方向同比例调整的影响。从地区经济发展角度看，为了争取生产订单，不同碳排放交易价格机制下的地区对碳配额和碳价组合的碳政策存在不一样的偏好，变动碳排放交易价格机制下的地区更青睐高碳排配额和高碳价组合。从地区减排角度看，高碳配额和高碳价组合的碳制度不利于变动碳排放交易价格机制下的地区和生产商的减排，但能促进固定碳排放交易价格机制下的地区减排。此外，本文还分析了调整系数对于供应链整体成本和碳排的影响，进而为供应链设计者提供选址方面的决策支持，并为国际碳制度制定者提供理论建议。

致谢：本文获得国家自然科学基金重大项目课题—低碳和安全物流运营管理(71390333)资助。

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Research on International Supply Chain Production Planning with the Considerationof Different Carbon Emission Cap-and-trade Systems

HUANGZhi-cheng,ZHAOLin-du,WANGMin,OUYANGJiao

(School of Economics and Management, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to curb global climate change caused by carbon emission, an increasing amount of governments have launched carbon emission cap-and-trade systems to motivate emission reduction in their countries. The different carbon emission cap-and-trade systems in different countries or regions bring both challenge and opportunity to multinational corporations. The challenge lies on carbon emission reduction because emission causes extra operational cost. While corporations can take the opportunity to reduce operational cost by reallocating production in different regions. Therefore, under the background of international supply chain, traditional supply chain production planning model is extended and two cap-and-trade systems, one with fixed carbon emission price and another with variable carbon emission price are considered. After solving the international supply chain production planning model under different carbon cap-and-trade systems, the influence of different carbon emission price mechanisms and synchronous adjustment of carbon cap and trading price is analyzed. The influence analysis is made from perspectives of regions, the manufacturer, and the whole supply chain. It is shown that the production planning model established in our paper provides decision support for international supply chains on production allocation and factory location, and also brings suggestions to international and regional carbon policy-makers to reduce carbon emission.

international supply chain; carbon emission cap-and-trade system; production planning; low carbon

1003-207(2017)11-0058-08

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2017.11.006

F062.1

A

2016-01-22；

2017-03-24

赵林度(1965-)，男(汉族)，山东烟台人，东南大学经济管理学院教授，研究方向：供应链管理，E-mail：ldzhao@seu.edu.cn.