何建佳,蔣雪琳,徐福緣(上海理工大學(xué).管理學(xué)院;b.超網(wǎng)絡(luò)研究中心(中國(guó)),上海200093)
努力擾動(dòng)需求下回收再制造閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)研究
何建佳a(bǔ),b,蔣雪琳a,徐福緣a,b
(上海理工大學(xué)a.管理學(xué)院;b.超網(wǎng)絡(luò)研究中心(中國(guó)),上海200093)
努力水平是影響供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)的一個(gè)重要決策變量。文章研究了努力水平影響需求環(huán)境下回收再制造閉環(huán)供應(yīng)鏈的努力水平和訂貨量的同時(shí)協(xié)調(diào)問(wèn)題,建立了制造商與零售商之間的博弈模型,探討在集中化模式和分散化模式下最優(yōu)努力水平和最佳訂貨量應(yīng)當(dāng)滿足的參數(shù)條件。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建限制性補(bǔ)貼契約來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈回收再制造的努力水平和訂貨量同時(shí)協(xié)調(diào),并分析影響整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)的影響因素及相關(guān)因素之間的變動(dòng)關(guān)系。通過(guò)算例分析,論證了模型的有效性和契約的合理性。
閉環(huán)供應(yīng)鏈;努力水平;供應(yīng)鏈契約;限制性補(bǔ)貼;再制造;協(xié)調(diào)
閉環(huán)供應(yīng)鏈環(huán)境下的廢舊產(chǎn)品回收再制造管理成為企業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的重要議題。為有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈上廢舊產(chǎn)品的回收再制造管理,關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)鏈上各節(jié)點(diǎn)企業(yè)之間的相關(guān)利益關(guān)系,使鏈上各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的個(gè)體利益與整體利益達(dá)成一致。由于供應(yīng)鏈契約是協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈的有效手段,也是鏈接供應(yīng)鏈上各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的紐帶,它通過(guò)提供合適的信息資源和激勵(lì)措施,保證買賣雙方協(xié)調(diào),優(yōu)化銷售渠道績(jī)效的有關(guān)條款[1]。文獻(xiàn)[2-5]也明確地論證了供應(yīng)鏈契約協(xié)調(diào)機(jī)制能夠有效地協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈上各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的相關(guān)利益,改善企業(yè)經(jīng)營(yíng)績(jī)效,實(shí)現(xiàn)整個(gè)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)運(yùn)作。因此,運(yùn)用供應(yīng)鏈契約來(lái)協(xié)調(diào)廢舊產(chǎn)品回收再制造閉環(huán)供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)企業(yè)間利益關(guān)系具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
零售商的努力水平是影響市場(chǎng)需求的重要決策因素,它能夠有效地改善閉環(huán)供應(yīng)鏈各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)績(jī)效。因此,在閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品回收再制造的協(xié)調(diào)問(wèn)題上,應(yīng)當(dāng)考慮努力水平影響因素。在已有研究的基礎(chǔ)上,本文在考慮市場(chǎng)需求是隨機(jī)的且零售商努力水平影響需求的前提下,建立了廢舊產(chǎn)品回收再制造閉環(huán)供應(yīng)鏈上制造商與零售商之間的主從博弈模型,討論了限制性補(bǔ)貼契約下閉環(huán)供應(yīng)鏈訂購(gòu)量與努力水平同時(shí)協(xié)調(diào)問(wèn)題以及相關(guān)影響因素之間的變動(dòng)關(guān)系,有效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)運(yùn)作。
Savaska等通過(guò)對(duì)制造商、零售商以及第三方回收三種回收模式的研究,建立Stackelberg博弈模型,提出在滿足前提假設(shè)條件下閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品回收采取零售商回收的方式獲得的收益最佳[6]。鑒于此,研究零售商回收模式下制造商與零售商組成的兩級(jí)閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品回收再制造問(wèn)題。采取零售商回收模式的閉環(huán)供應(yīng)鏈回收模型結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品回收模型結(jié)構(gòu)
模型中涉及的符號(hào)參數(shù)定義,如表1所示:
表1 模型相關(guān)的參數(shù)符號(hào)及定義描述
根據(jù)上述問(wèn)題及參數(shù)符號(hào)定義描述,模型的基本假設(shè)條件如下:
(1)閉環(huán)供應(yīng)鏈回收再制造系統(tǒng)是由一個(gè)制造商、一個(gè)零售商和消費(fèi)者市場(chǎng)構(gòu)成,系統(tǒng)中的各成員均以自身利益最大化為原則。制造商和零售商采取Stackelberg博弈模型進(jìn)行獨(dú)立決策;
(2)本文考慮零售商的努力水平為決策變量,零售商的努力水平為e,e≥0,其努力成本為u(e),且u(0)=0,u'(e)>0,u''(e)>0;
(3)假定市場(chǎng)需求和廢舊產(chǎn)品回收數(shù)量受零售商努力水平大小的影響,市場(chǎng)需求x是隨機(jī)變量,其概率密度函數(shù)及概率分布函數(shù)分別為f(x |e) 和F(x |e) ,且
(4)從制造商角度來(lái)看,制造商使用新原材料制造的單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本為c0,制造商回收再制造成本為cm,c0>cm;制造商回收節(jié)約的單位成本為 c1,即c1=c0-cm>0;制造商向零售商回收廢舊品的單位成本為b,0<b<c1,即制造商回收節(jié)約成本大于回收價(jià)格,不滿足該條件研究閉環(huán)供應(yīng)鏈回收再制造問(wèn)題是沒(méi)有實(shí)際意義的;
(5)對(duì)于零售商來(lái)說(shuō),其單位產(chǎn)品的零售價(jià)格為p,且為外生變量;零售商的訂貨量或制造商的生產(chǎn)量為Q,
(6)文獻(xiàn)[7]假設(shè)閉環(huán)供應(yīng)鏈新產(chǎn)品與再制造產(chǎn)品是存在差異的,且消費(fèi)者對(duì)再制造產(chǎn)品的認(rèn)可度不高于對(duì)新產(chǎn)品的認(rèn)可度;而本文則考慮制造商使用新原材料和廢舊材料再制造加工生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)差異;
(7)制造商和零售商是風(fēng)險(xiǎn)中性的。
2.1 集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型
在集中化系統(tǒng)模型決策中,生產(chǎn)制造商與零售商統(tǒng)一決策,追求整個(gè)供應(yīng)鏈的利潤(rùn)最大化,即確定最優(yōu)努力水平e*和最佳訂貨量Q*,在上述問(wèn)題條件和參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,可知制造商、零售商的期望利潤(rùn)為:
由此可知,集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈的最大化期望利潤(rùn)為:
對(duì)式(1)求一階、二階偏導(dǎo)數(shù):
為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào),式(2)和式(3)是制造商通過(guò)契約協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈的必要條件,必須滿足這兩個(gè)約束條件。
2.2 分散化閉環(huán)供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型
在分散式供應(yīng)鏈模型系統(tǒng)決策下,制造商和零售商獨(dú)自進(jìn)行決策經(jīng)營(yíng)使其獲得的利潤(rùn)最大化,零售商最大期望總利潤(rùn)為:
對(duì)式(5)求一階偏導(dǎo)數(shù),且零售商的最優(yōu)努力水平應(yīng)滿足:
將式(6)與式(3)進(jìn)行比較可知,只有當(dāng)c1=b時(shí),式(6)才能成立。但是,這與前提條件0<b<c1相矛盾,并且當(dāng)c1=b時(shí),討論閉環(huán)供應(yīng)鏈回收再制造問(wèn)題是沒(méi)有任何實(shí)際意義的,且Πr(Q ,e)<Π(Q ,e),即閉環(huán)供應(yīng)鏈的系統(tǒng)收益沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)。然而,當(dāng)c1=b時(shí),其實(shí)質(zhì)就是單純的批發(fā)價(jià)契約,在這種契約下,制造商總能從中獲益,而零售商卻不能獲得相應(yīng)的效益。同時(shí)表明,由于受到雙邊際化效應(yīng)的影響,單純使用批發(fā)價(jià)契約很難使閉環(huán)供應(yīng)鏈達(dá)到完善的協(xié)調(diào)狀態(tài),不易實(shí)現(xiàn)企業(yè)與供應(yīng)鏈整體效益的協(xié)調(diào)一致。這一結(jié)果產(chǎn)生的原因是零售商獨(dú)自承擔(dān)努力水平下的努力成本。
綜上分析,可得出這樣的結(jié)論:在零售商努力水平影響隨機(jī)需求的前提下,傳統(tǒng)的批發(fā)價(jià)契約不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào),為解決這一問(wèn)題,引入限制性補(bǔ)貼來(lái)討論對(duì)批發(fā)價(jià)契約的演化契約模型,找出問(wèn)題的解決方案。
2.3 限制性補(bǔ)貼契約模型
為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào),考慮通過(guò)引入限制性補(bǔ)貼的策略來(lái)緩解零售商經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。在上述問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建限制性補(bǔ)貼契約模型,協(xié)調(diào)閉環(huán)供應(yīng)鏈各節(jié)點(diǎn)企業(yè)利益,達(dá)到優(yōu)化均衡。制造商在訂立批發(fā)價(jià)契約時(shí),確定期望的目標(biāo)訂貨量H,當(dāng)零售商高出目標(biāo)訂貨量H的產(chǎn)品數(shù)量給予一定的數(shù)量補(bǔ)貼,刺激零售商增加訂貨量,即n,n>0。由于廢舊產(chǎn)品用于再制造能夠降低生產(chǎn)制造商的生產(chǎn)成本,增加經(jīng)營(yíng)收益。所以,制造商為了刺激零售商在回收廢舊產(chǎn)品過(guò)程中的積極性,根據(jù)回收市場(chǎng)的具體情況,確定一個(gè)最低的廢舊產(chǎn)品回收的目標(biāo)數(shù)量T,對(duì)于高出T的部分給予零售商補(bǔ)貼回饋m,m>0。從而激勵(lì)零售商回收廢舊產(chǎn)品。在上述條件下,零售商的最大期望利潤(rùn)為:
引入限制性補(bǔ)貼的演化契約后,零售商的努力水平應(yīng)滿足的條件為:
比較式(2)、(3)與式(8)、(9)可知,當(dāng)m=c1-b,n=w-c0時(shí),上式才能成立,才可以實(shí)現(xiàn)個(gè)體利益與整體利益一致。因此,此時(shí)零售商的最佳訂貨量Q1*為:
零售商期望的最大化利潤(rùn)為:
因此,綜上分析可認(rèn)為,在零售商努力水平影響需求約束前提下,通過(guò)限制性補(bǔ)貼契約,能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈整體的協(xié)調(diào)運(yùn)作,制造商也可以通過(guò)限制性補(bǔ)貼(w ,m,n)契約有效控制零售商,達(dá)到任意的利潤(rùn)值;并且如果制造商固定補(bǔ)貼參數(shù)m=c1-b,n=w-c0時(shí),可獲得最佳期望收益。
根據(jù)上述的分析過(guò)程可知,通過(guò)引入限制性補(bǔ)貼契約研究,能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào),并且可以確保分散化閉環(huán)供應(yīng)鏈系統(tǒng)零售商的最佳訂貨量和最優(yōu)努力水平與集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈系統(tǒng)模式的相一致。因此,模型的優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)椋簩で笞罴延嗀浟縌*和最優(yōu)努力水平e*,使整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的利潤(rùn)最大化。
假設(shè)市場(chǎng)需求滿足x=z(e)+ξ的加法形式,其中,z(e)連續(xù)、非負(fù)且二級(jí)可微。易知,z(e)是努力水平e的增函數(shù),且為凹函數(shù),即z'(e)>0,z''(e)≤0,也就是零售商努力水平的邊際效應(yīng)遞減。其中ξ是獨(dú)立于e的隨機(jī)變量,其概率密度函數(shù)用 f(ξ)來(lái)表示,F(xiàn)(ξ)表示ξ的分布函數(shù)。此時(shí),市場(chǎng)需求的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別表示為:
由式(12)可知,對(duì)于給定的努力水平e,其最佳訂貨量Q*應(yīng)滿足條件:
可推出:
將式(14)和ξ=x-z(e)代入式(12),化簡(jiǎn)整理可得:
此時(shí),Π(Q (e),e)只有一個(gè)決策變量e,即模型的優(yōu)化問(wèn)題變?yōu)椋簩で笞顑?yōu)的努力水平e*,使Π(Q (e),e)的值最大。為了便于分析,假設(shè)z(e)=λe,λ>0,λ為零售商努力水平為e時(shí)市場(chǎng)需求的需求彈性敏感系數(shù)。ξ為區(qū)間[α,β]上的均勻分布,即ξ~[α ,β]。可知,ξ的密度函數(shù)、分布函數(shù)及反函數(shù)分別表示為:
因此,式(15)可整理為:
此時(shí),最優(yōu)努力水平e*應(yīng)滿足:
當(dāng)零售商的努力水平e滿足約束條件(17),就能夠獲得一個(gè)相應(yīng)的最佳訂貨量Q*滿足式(14),此時(shí)就能夠得到整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的最優(yōu)決策(e*,Q*),從而,達(dá)到供應(yīng)鏈的整體協(xié)調(diào)運(yùn)作。
根據(jù)閉環(huán)供應(yīng)鏈的約束條件和實(shí)際情況,為了便于分析,試對(duì)上述公式進(jìn)行簡(jiǎn)化,假設(shè) p=10,w=8,c0=5,cm=2,c1=c0-cm=3,cr=1,b=2,k=0.5,λ=1,t=1,u(e)=5e+α=0,β=100即ξ~[0 ,100]。根據(jù)上述的分析過(guò)程,在實(shí)施限制性補(bǔ)貼契約條件下,制造商從零售商處回收廢舊產(chǎn)品用于再制造環(huán)節(jié)中,將上述假設(shè)條件代入努力水平e滿足的條件式(17),可以得到零售商的最優(yōu)努力水平e*,即最優(yōu)努力水平e*=56.25。由于最佳訂貨量應(yīng)當(dāng)滿足:
所以,將 e*=56.25代入上式,可得最佳訂貨量Q*=136.25。也可得到,制造商固定補(bǔ)貼參數(shù)m=c1-b,n=w-c0,即m=1,n=3。
可得供應(yīng)鏈利潤(rùn)Π(Q*,e*)=800。此時(shí),可以得到整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的最優(yōu)決策(e*,Q*)為(5 6.25,136.25)。
運(yùn)用Matlab軟件繪圖分析可知,零售商的努力水平e與零售商的訂貨量Q呈正比例變動(dòng)關(guān)系以及零售商的努力水平e與集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈整體利潤(rùn)Π(Q ,e)也同樣呈正比例變動(dòng)關(guān)系,如圖2和圖3所示。從圖2可以看出,當(dāng)e*=56.25時(shí),最佳訂貨量Q*=136.25;但是,從圖3中可知,當(dāng)e*=56.25時(shí),供應(yīng)鏈利潤(rùn)Π(Q*,e*)=800,供應(yīng)鏈利潤(rùn)卻不是最大值,而是隨著努力水平e的增加而一直呈現(xiàn)上升的狀態(tài),其具體原因有待進(jìn)一步探討,也從另一方面說(shuō)明:當(dāng)努力水平與訂貨量同時(shí)協(xié)調(diào)的情況下,供應(yīng)鏈利潤(rùn)不一定達(dá)到最大值。
圖2努力水平e與訂貨量Q的關(guān)系圖
圖3努力水平e與供應(yīng)鏈利潤(rùn)Π(Q ,e)的關(guān)系圖
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈整體利潤(rùn)Π(Q*,e*)與分散化決策下零售商的最佳訂貨量Q*變化呈正比例關(guān)系,最佳訂貨量Q*與集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈整體利潤(rùn)Π(Q*,e*)的變動(dòng)關(guān)系,如圖4所示:
圖4最佳訂貨量Q*與供應(yīng)鏈利潤(rùn)Π(Q *,e*)的正比例關(guān)系圖
因此,供應(yīng)鏈的利潤(rùn)表達(dá)式為:
通過(guò)深入分析能夠得到,在其他參數(shù)值固定不變的條件下,,零售商的最優(yōu)努力水平e*和最佳訂貨量Q*,甚至是集中化閉環(huán)供應(yīng)鏈系統(tǒng)的整體最大利潤(rùn)Π(Q*,e*)都與生產(chǎn)制造商采用新原材料的單位制造成本c0呈反比例關(guān)系;與市場(chǎng)需求的需求彈性敏感系數(shù)λ呈正比例關(guān)系,隨著λ的增加而上升;與零售商的單位回收成本cr呈反比例關(guān)系;與產(chǎn)品的零售價(jià)格p的變動(dòng)呈正比例關(guān)系;與回收努力水平彈性k呈反比例關(guān)系。同樣可以分析出,在限制性補(bǔ)貼契約前提下實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)過(guò)程中,制造商給予零售商的回收補(bǔ)貼與生產(chǎn)制造商再制造過(guò)程中節(jié)約的單位成本c1呈正比例關(guān)系,而其給予零售商的關(guān)于超出目標(biāo)訂貨量的數(shù)量給予的補(bǔ)貼與生產(chǎn)制造商使用新原材料生產(chǎn)的單位生產(chǎn)成本c0呈反比例關(guān)系。由此表明:生產(chǎn)制造商和零售商在閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品再制造的協(xié)調(diào)過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)充分考慮生產(chǎn)制造商采用新原材料的單位制造成本c0、零售商的單位回收成本cr、市場(chǎng)需求彈性λ、回收努力水平彈性k、產(chǎn)品的零售價(jià)格p以及生產(chǎn)制造商再制造過(guò)程中節(jié)約的單位成本c1等因素來(lái)確定最優(yōu)努力水平e*和最佳訂貨量Q*,獲得最大的期望利潤(rùn),從而使整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)作。其影響因素之間的變動(dòng)關(guān)系,如表2所示:
表2 影響因素的變動(dòng)關(guān)系
本文以努力水平影響需求前提下閉環(huán)供應(yīng)鏈上廢舊產(chǎn)品的回收再制造為切入點(diǎn),討論了由制造商和零售商組合的兩級(jí)閉環(huán)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)問(wèn)題,構(gòu)建了閉環(huán)供應(yīng)鏈上制造商與零售商之間的博弈模型,分析了零售商努力水平與訂貨量同時(shí)協(xié)調(diào)情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)運(yùn)作,指出制造商對(duì)廢舊品進(jìn)行簡(jiǎn)單地回收再制造行為無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào),而基于限制性補(bǔ)貼的供應(yīng)鏈契約在滿足一定的參數(shù)契約的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上,給出模型的優(yōu)化方法,進(jìn)一步分析相關(guān)因素對(duì)供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)產(chǎn)生的效用及相互之間的變動(dòng)關(guān)系。研究表明:制造商和零售商在閉環(huán)供應(yīng)鏈廢舊產(chǎn)品再制造的協(xié)調(diào)過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)綜合考慮零售商的努力水平、制造商采用新原材料的單位制造成本、市場(chǎng)需求彈性敏感系數(shù)、零售商單位回收成本、回收努力水平彈性系數(shù)、產(chǎn)品的零售價(jià)格以及制造商再制造過(guò)程中節(jié)約的單位成本等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)努力水平和訂貨量的同時(shí)協(xié)調(diào),以獲得最大的期望利潤(rùn),從而,使整個(gè)閉環(huán)供應(yīng)鏈能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)作。最后,通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析論證了推理的合理性與有效性,但是數(shù)值分析顯示努力水平與訂貨量同時(shí)協(xié)調(diào)時(shí),供應(yīng)鏈并不能獲得最大利潤(rùn),其具體原因有待進(jìn)一步探討。
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(責(zé)任編輯/易永生)
F270
A
1002-6487(2016)24-0046-04
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71171135);滬江基金資助項(xiàng)目(A14006);上海市一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(S1201YLXK);上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目(slg14020);上海理工大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(1D-10-303-002);上海理工大學(xué)人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(12XSY09);上海理工大學(xué)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目培育課題(15HJPY-QN09)
何建佳(1981—),男,湖南道縣人,博士,講師,研究方向:管理科學(xué)、供需網(wǎng)及其管理、超網(wǎng)絡(luò)。
蔣雪琳(1990—),女,安徽靈璧人,碩士,研究方向:物流、供應(yīng)鏈管理及企業(yè)合作。
徐福緣(1948—),男,浙江紹興人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:系統(tǒng)工程、供需網(wǎng)及其管理。