制造商竞争和碳减排下供应链信息共享研究
2021-09-18张光明黄亚南赵士南
张光明 黄亚南 赵士南
摘 要：文章在两个进行碳减排投入的竞争型制造商和一个零售商组成的供应链结构下，研究零售商需求预测信息共享问题，分析不同模式下制造商竞争水平和碳减排成本系数对供应链成员信息共享价值的影响。研究表明，零售商在任何情况下都没有动机共享需求预测信息，但对制造商和供应链来说信息共享总是有利的，与两个制造商信息共享模式优于与单个制造商信息共享模式。最后通过算例分析制造商竞争强度和碳减排成本系数对供应链信息共享价值的影响。
关键词：碳减排;需求预测;信息共享;制造商横向竞争
中图分类号：F272 文献标识码：A
Abstract： This paper studied the information sharing of retailer demand forecasting， and analyzed the impact on the value of information sharing among supply chain members about the level of competition among manufacturers and the cost coefficient of carbon emission reduction under different models under the supply chain structure composed of two competing manufacturers who invest in carbon emission reduction and one retailer. Research shows that retailers have no incentive to share demand forecast information under any circumstances， but information sharing is always beneficial to manufacturers and supply chains. The information sharing model with two manufacturers is better than the information sharing model with a single manufacturer. Finally， an example was used to analyze the influence of manufacturers' competition intensity and carbon reduction cost coefficient on the value of supply chain information sharing.
Key words： carbon emission reduction; demand information forecast; information sharing;manufacturers horizontal competition
0 引 言
信息技术的发展使企业从广大信息资源中获得优势，并开始关注信息共享的问题。IBM和惠普要求下游零售商向他们提供销售数据[1];格力电器通过与零售商合作，及时收集、分析市场的信息，降低了市场需求预测的不确定性[2];零售企业沃尔玛为其供应商强生以及利华兄弟提供网店销售数据，方便供应商针对市场状况做出战略调整。国内外学者对供应链信息共享进行了研究。Lee等[3]研究了不确定需求下零售商向制造商共享需求信息能降低制造商的库存成本却不能降低零售商的库存成本;FU[4]研究上游向下游企业共享库存和服务水平信息的价值;王聪[5]分析零售商与制造商共享市场预测信息及零售商风险偏好对供应链成员决策及利润的影响。信息共享在改善供应链绩效上发挥至关重要的作用，更准确的信息总能够带来更优的价格结构和利润，零售商如何进行信息共享是研究的重点。
随着消费者绿色环保意识的增强，低碳减排成为企业的竞争优势，为企业带来更多的市场份额，因此越来越多企业采取碳减排措施，医疗健康企业强生2010～2018年已将全球碳排放量减少26%[6]。Wang等[7]在双渠道供应链下研究了碳交易机制和消费者低碳偏好对企业碳减排的影响;Ghosh等[8]研究了碳减排成本和消费者环保偏好对供应链成员收益的影响;Zhang等[9]考虑制造商生产普通和减排产品时制造商与零售商联合减排和定价决策问题;丛静[10]研究低碳偏好和制造商产出随机性对供应商和制造商均要进行碳减排技术研发投入的影响。在现实中多个制造商或零售商所构成的横向竞争型供应链结构是很常见的。基于此，本文从下游零售商进行市场需求信息预测并选择是否或如何与制造商进行信息共享出发，考虑两个制造商均进行碳减排投入且存在竞争的条件下，分析供应链成员在无信息共享、与单个制造商信息共享和与两个制造商信息共享三种共享模式下的最优策略，以及制造商碳减排和竞争水平对信息共享价值的影响。
1 问题描述与模型假设
1.1 问题描述
考虑由两个制造商M、M和一个零售商R组成的二级供应链。两个制造商以不同的边际成本c和c生产可替代的产品，分别以批发价w和w提供给零售商。考虑消费者低碳偏好，生产过程中制造商均进行碳减排技术投入，降低碳排放量，以获得更高的市场份额。零售商以单位销售价p出售给顾客，并且凭借靠近最终消费者的優势，进行市场需求信息预测作为自己的私有信息且不考虑预测成本。零售商以利润最大化为目标，可以选择如何与制造商共享其市场需求预测信息。考虑供应链上下游成员之间的信息共享，构建信息共享模式的供应链决策模型，并运用逆向归纳法得出供应链成员的均衡解。决策顺序如下：（1）首先，零售商选择信息共享策略;（2）两个制造商根据已知市场信息，以利润最大化为目标决策批发价格w和碳减排水平τ，并将批发价格提供给零售商;（3）零售商根据产品批发价格和需求预测信息决定产品的销售价格p以满足自身利润最大化。
1.2 模型假设
零售商根据市场信号得到需求预测信息之后可以选择是否与上游制造商共享以及如何共享，研究不同共享模式下零售商的销售价格、制造商的批发价格和碳减排水平及成员的利润情况。模型建立基于如下假设：
（1）制造商竞争满足纳什均衡，且在供应链中作为Stackelberg博弈领导者，零售商作为跟随者，供应链成员均为风险中性;
（2）研究不考虑存在竞争的制造商之间横向信息共享，且制造商不知道竞争对方是否获得零售商的信息共享;
（3）假设制造商M的碳减排成本Cτ=mτ，随着减排水平的提高需要投入的成本会越来越多，有Cτ>0，Cτ
>0的特性。m>0为减排投资成本系数，体现碳减排投资效率，m越小，表明制造商碳减排水平越强，为使模型最优解存在8bm≥λθ+3;
（4）根据李辉[11]和JI[12]的研究，构建制造商M和M的需求函数分别为：
d=a-bp+λτ-θτ （1）
d=a-bp+λτ-θτ （2）
其中：a>0为常数，表示产品的市场需求规模;b>0表示需求对价格的敏感系数;λ为碳减排水平敏感系数，代表消费者对低碳产品的偏好程度，λ越大，顾客对产品的低碳程度就越敏感，相同低碳水平的产品能引起更多顾客购买;θ为竞争强度，θ越大表明两个产品的替代程度越大，0<θ<1。
（5）参考Li L[13]和伍星华[14]的研究，考虑市场不稳定性，假定a是一个随机变量，由确定部分a和不确定部分ξ组成，且ξ服从均值为0，方差为s的正态分布，ξ～N0，s，因此，a=a+ξ。零售商R对a的预测f=a+ξ。ε表示零售商R的预测误差，方差为σ。零售商对市场需求的预测信息为私有信息，市场需求规模a是零售商和制造商的共有信息，随机变量ξ和f相互独立，因此得到：
Ea|f=a+f （3）
Ef-a=s+σ （4）
设t=表示零售商R对a的预测精度。t越大，零售商预测结果误差越小;反之，误差越大。其中，t∈0，1。因此，Ea|f=a+f=a+tf-a。
2 零售商需求信息共享的模型构建与分析
本文主要探讨三种模式：（1）无需求信息共享（NDIS），即零售商不与制造商共享其需求预测信息;（2）零售商与单个制造商需求信息共享（DIS-1）;（3）零售商与两个制造商需求信息共享（DIS-2）。
2.1 无信息共享模式（NDIS）
无信息共享情形下，零售商不与制造商共享市场需求预测信息。两个制造商只掌握市场需求规模a，进行纳什博弈，零售商观测到制造商决策之后，根据预测信息确定销售价格。M和M的利润函数分别为：
E∏=Ew-cd-mτ （5）
E∏=Ew-cd-mτ （6）
零售商R在获取需求预测信息f后的条件期望利润函数为：
E∏|f=Ep-wd+p-wd|f （7）
運用逆向归法对零售商期望利润函数中的p求导，由于=-4b<0，故存在最优解。令一阶导数等于0，可得零售商销售价格的最优反应函数为：pw、w、τ、τ=。制造商的预期销售价格为：，对w、τ求偏导得Hessian矩阵，当8bm>λ3+θ，Hessian矩阵负定，制造商期望利润函数有最优解，此关系在后面的求解分析过程中仍然成立。无信息共享模式下最优解为：
（8）
代入式（5）、式（6）和式（7）得到最优期望利润E∏、E∏和E∏。
2.2 零售商与单个制造商信息共享模式（DIS-1）
假设零售商选择与制造商M共享其需求预测信息，M的期望利润函数为：
E∏|f=Ew-cd-mτ|f （9）
制造商M没有获得零售商的需求预测信息，对零售商销售价格预期仍为，批发价格和碳减排水平决策和期望利润与NDIS模式相同。
零售商与单个制造商信息共享需求预测信息时，M和R的最优解为：
（10）
代入得到最优期望利润E∏、E∏和E∏。
2.3 零售商与两个制造商信息共享模式（DIS-2）
零售商将需求预测信息共享给两个制造商时，制造商M获得的信息不变，因此决策不变，M期望利润函数为：
E∏|f=Ew-cd-mτ|f （11）
制造商对零售商的预期价格均为，逆向归纳法得最优解：
（12）
代入得最优期望利润E∏、E∏和E∏。
3 需求信息共享价值分析
零售商需求预测信息共享会带来供应链成员及整体利润的变化，本部分分析不同信息共享模式对供应链成员及总供应链的价值。
命题1 不同信息共享模式下，制造商需求信息共享价值为正，即期望利润满足：E∏=E∏>E∏;E∏>E∏=E∏。
证明：对M来说，V=E∏-E∏=。
令fm，θ=16bm+5θλ+14θλ-3λ，当fm，θ=0时，m=。当θ∈0，时，m>0， m>>m，
V>0;当θ∈，1， m<0时，V>0。M的信息共享价值证明过程与制造商M类似。
命题2 不同信息共享模式下，零售商的信息共享價值均为负。零售商的期望利润满足：E∏>E∏>E∏。
证明：DIS-1模式下零售商信息共享价值为：VNDIS=E∏-E∏=-tσ<0，DIS-2模式下信息共享价值为：VDIS-1=E∏-E∏=-tσ。
令上式为0，得m=，m=。m
命题1表明，获得零售商需求预测信息的成员会从共享中获益，是因为制造商作为领导者，能依据零售商提供的信息更好地进行碳减排水平与批发价格决策，从而获得额外的利润;命题2表明，作为跟随者，信息共享会使零售商失去谈判优势，很难根据制造商决策及时做出调整，因此带来利润损失。因此零售商不愿意进行信息共享，此时制造商为获得信息共享价值，可以采取措施来弥补零售商的利润损失，激励其进行共享。
命题3 不同信息共享模式下，供应链总需求信息共享价值为正。即总供应链期望利润满足：E∏|f>E∏>E∏。
证明：E∏-E∏=tσ，8bm>λθ+3，56bm-4bmλθ+3
-θλ+2θλ-3λ>0，因此E∏>E∏;E∏-E∏=tσ>0，E∏|f>E∏。综上所述，E∏|f>E∏>E∏。
该命题表明，零售商无论选择与单个还是两个制造商进行信息共享，都会使得供应链总期望利润增加。零售商选择与一个制造商信息共享情形时，虽然零售商需求信息共享价值为负，但制造商从信息共享获得的利润增加要远大于零售商的损失;在与两个制造商共享需求预测信息时，两个制造商均可以从零售商信息共享中获得正向价值。这是因为作为博弈领导者制造商的信息共享价值总是大于零售商利润的减少，因此信息共享对供应链总是有利的。
4 敏感性分析
本部分对竞争程度θ和碳减排成本系数m对需求信息共享价值和供应链成员利润的影响进行敏感性分析。由于上述公式较复杂，因此借助算例分析来体现竞争水平和碳减排效率对需求信息共享价值的影响。根据文献[11]和文献[14]，且8bm>λ3+θ，0<θ<1，假定参数：a=100，b=1，c=20，c=15，λ=5，t=0.6，σ=6。先后设定m=100和竞争水平θ=0.5，观察供应链成员及总供应链信息共享价值的变化情况，用MATLAB得到图1至图6。
图1和图2表明制造商的信息共享价值大于零，验证了命题1。随着竞争水平的增加，制造商信息共享价值先增加后减少，这意味着两个制造商之间应该保持着适当的竞争关系，产品之间的替代程度过高将会降低信息共享的价值;从图3可以看出，制造商的信息共享价值随着碳减排成本系数的增加而减少，这说明制造商的碳减排效率较高时，信息共享所带来的价值更大，而碳减排效率较低时，信息共享的价值更低。
从图3和图4可以看出，零售商信息共享价值在不同模式下都是负的，与命题2一致。当制造商碳减排效率较低时，与两个制造商信息共享模式的价值要低于与单个制造商信息共享模式的价值，这是因为零售商在供应链中处于劣势，与更多的制造商进行信息共享会损失更多的利润，并且会随着竞争水平的增加损失更多的利润，这意味零售商会优先选择无信息共享模式，其次是与单个制造商信息共享，最后才是与两个制造商信息共享模式;当制造商之间的竞争强度适当时，碳减排成本系数对不同共享模式下零售商的共享价值的作用是相反的，因此当制造商碳减排效率较高时，零售商会优先选择与两个制造商信息共享模式，反之则选择与单个制造商信息共享模式。
图5和图6表明信息共享对供应链总是有利的，且与两个制造商信息共享模式的价值总是大于与单个制造商信息共享模式。不同共享模式下的信息价值随着竞争水平和碳减排成本系数增加的变化趋势是相反的，在竞争水平增加的情况下，供应链信息共享价值在与两个制造商信息共享时逐渐升高，而与单个制造商信息共享模式下逐渐降低，因此制造商之间保持较强的竞争水平有利于供应链信息共享;碳减排成本系数较大即制造商碳减排效率较低时，对供应链信息共享价值的影响较小，随着碳减排效率的增加，与两个制造商信息共享模式下的价值也迅速增加。因此，对供应链而言，更倾向于选择与两个制造商信息共享模式。
5 结论与展望
本文研究制造商碳减排和横向竞争下的需求预测信息共享问题，构建了三种共享模式下供应链成员的决策模型，讨论不同模式下制造商竞争水平和碳减排成本系数对供应链成员信息共享价值的影响。研究表明：（1）需求预测信息共享对零售商不利，对制造商和供应链有利;（2）制造商之间应保持适当的竞争水平和较高的碳减排效率，才能保证信息共享所带来的价值;（3）零售商的最优选择是无信息共享模式，当碳减排效率较低时，与单个制造商信息共享模式优于与两个制造商信息共享模式，当碳减排效率较高时，零售商会优先选择与两个制造商信息共享，因为这样损失的利润较少;（4）从供应链的角度出发，与两个制造者信息共享模式是最优的。因此零售商不会主动共享私有信息，为获得更高的利润，制造商可通过向零售商支付费用弥补零售商利润损失，以激励其进行信息共享，同时零售商也会接受制造商的激励机制以获得供应链整体绩效的提升，提高供应链的竞争优势。
但是文章只考虑了两个制造商横向竞争，现实中的供应链存在多个制造商与零售商;其次，制造商往往占据领导地位，能够更精确地根据市场信息进行预测，上下游企业都进行需求信息预测及共享是当下研究的重点内容;最后，在已知信息共享有利于提高供应链竞争优势的前提下，如何设计合理的信息补偿机制促进零售商信息共享是接下来的研究重点。
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