逆向供應鏈信息共享平臺作用下城市垃圾治理系統仿真

孫冬石，馮士軒 （大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023）

0 引 言

我國居民消費水平的提高使城市垃圾的產生量越來越多，但并沒有與之匹配的高效垃圾治理模式，將使我國城市在不遠的未來面臨“垃圾圍城”的困境。借鑒國內外先進經驗是構建具有中國特色的垃圾治理模式的有效途徑。

在理論上，學者們也積極地結合地區(qū)特色進行大量的研究探索。Liu 等研究了質量為基礎的價格模型在WEEE 回收市場上的應用，設計了最優(yōu)回收方案，證明了廢棄品回收與常規(guī)產品交易市場融合的必要性；顧一帆等研究了原生與再生資源的耦合關系，正向與逆向供應鏈主體的責任連接，認為環(huán)境稅和EPR 的實施有助于廢棄品良性循環(huán)的暢通；Peeranart 等總結了在電子廢棄品回收中的經典研究，認為信息不對稱、回收渠道堵塞、廢棄品處理機構市場地位低是阻礙電子廢棄品回收的主要因素。羅朝璇等對瑞典馬爾默的垃圾治理經驗進行了借鑒，設計出了一種多屬性機構合作的垃圾處理模式。Chang 等證明了聯合稅收補貼可以對回收者形成有效激勵，并設計了與回收量相關的動態(tài)獎懲機制。孫冬石等在逆向供應鏈上設計了垃圾分類驅動、市場機制拉動的“雙核”機制，利用系統動力學模型在政府、生產者和研發(fā)機構之間進行了演化博弈的動態(tài)仿真，在最優(yōu)平衡下設計了外生變量的配置方案。謝雋陽等研究新型汽車電池的回收方案，分析了不同市場因素下回收主體的行為對回收效果的影響，建立了主體之間的博弈模型，通過模型求解，分析了帕累托均衡狀態(tài)，確定了整車企業(yè)在回收中的主要責任，并建立了以整車企業(yè)為主體的責任分配方案。

大量的研究成果已經證明，廢棄品逆向供應鏈的運營管理需要確定回收責任的主體，并明確責任主體與其他主體之間的分工，建立互補的合作模式，并設計合理的獎懲機制來提升主體的積極性。同時主體之間如存在信息不對稱特征時，垃圾回收機構的努力程度、再生產企業(yè)與垃圾加工處理企業(yè)的合作意愿以及資源再利用量的期望值都比信息對稱時低。但目前，絕大多數的研究更關注于責任歸屬和激勵機制的設計，鮮有對信息不對稱引起的回收效率低下問題的解決方案進行研究。本文研究借鑒互聯網中信息匹配平臺的成功經驗，研究信息共享平臺作用下城市垃圾治理的效果。

我國目前的垃圾處理模式是國有垃圾處理機構為主力，第三方垃圾處理機構為補充的模式。在“碳達峰”和“碳中和”的愿景下，我國對垃圾治理中的環(huán)境問題越來越重視，如何設計高效的治理模式是亟待解決的問題。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

系統動力學（System Dynamics，SD） 的主要思想是系統結構決定系統性能，以控制論為基礎，把復雜系統分解為若干子系統，并構建子系統之間的邏輯聯系，通過計算機仿真模型，驗證系統的性能，為決策提供支持。系統動力學與本文中的城市垃圾治理系統具有較高的適配性，在需要監(jiān)督不同主體之間復雜的存量和流量變化，并判斷大量的外生變量對決策的影響時，系統動力學可以提供較為清晰的仿真結果。

所以，本文應用系統動力學的理念，使用Vensim PLE 軟件構建不同的外生變量與決策變量之間的因果關系并繪制存量流量圖，并通過對可調控的外生變量進行靈敏度分析，對逆向供應鏈信息共享平臺作用下城市垃圾治理系統的實施效果進行優(yōu)化。

1.2 仿真模型

1.2.1 第三方垃圾處理機構模塊

本文中構建的垃圾治理系統主要包括由國有垃圾處理機構（以下簡稱國有機構） 和第三方垃圾處理機構（以下簡稱第三方） 組成的基礎運營模塊和廢棄品逆向供應鏈信息共享平臺（以下簡稱平臺） 作用下的技術創(chuàng)新模塊組成。

本部分描述的是第三方垃圾治理情況。從國內外先進地區(qū)的垃圾治理經驗中可知，第三方是垃圾治理系統的重要組成部分，這類機構的存在，可以把市場機制引入垃圾治理體系。第三方作為盈利機構，其垃圾處理率與垃圾處理的單位收益直接相關，單位收益越高，其愿意承擔的垃圾處理量越多。由于垃圾治理中的公益屬性，如完全依賴市場經濟的調節(jié)，第三方的收益無法保障，這就需要政府對第三方提供激勵。相比稅收減免，按照垃圾處理量提供補貼是更好的激勵手段。但在信息不對稱的情況下，由于垃圾處理量的計量方式復雜導致監(jiān)管困難，很多的第三方通過虛報處理量的方式來獲取更多的政府補貼。本模塊的因果關系圖如圖1 所示。

圖1 第三方垃圾處理機構模塊因果關系圖

本模塊中重要的變量表達為：

（1） 第三方垃圾處理單位收益=政府對第三方補助*1+第三方虛報處理量比例）+第三方每單位再利用收益-單位垃圾處理直接成本-第三方基礎運營成本-垃圾處理機構交易成本

（2） 第三方垃圾處理率=（EXP （0.01*第三方垃圾處理單位收益）-1 ）*10 000

本公式借鑒參考文獻[9]的研究成果，通過對超過50 家第三方進行問卷調研，確定了隨著收益變化，不同第三方的垃圾處理意愿，并擬合數據得到以上的函數關系式。

（3） 利廢企業(yè)回收價格=（新原料價格-生產者交易成本）*回收材料質量預期，回收材料質量預期=MIN（100%，單位垃圾處理直接成本/100）

這兩個函數關系式表示，利廢企業(yè)為第三方提供的再生資源的回收價格與再生資源的質量息息相關。而再生資源的質量取決于第三方對垃圾處理的直接投入，投入越多，質量越高。當然，直接成本投入再多，再生資源的質量只能等于新原材料的質量。顯然，回收材料質量預期是一個百分比。

本模塊中其他的變量表達式如下：

第三方每單位再利用收益=第三方垃圾回收利用率*利廢企業(yè)回收價格；

第三方焚燒掩埋量=第三方垃圾處理量-第三方再利用量；

第三方再利用量=第三方垃圾處理量*第三方垃圾回收利用率；

第三方垃圾處理量=INTEG （第三方垃圾處理率-第三方再利用量-第三方焚燒掩埋量, 39 000 ）。

1.2.2 國有垃圾處理機構模塊

當第三方的作業(yè)量達到飽和，其余的城市垃圾處理由國有機構承擔。本模塊的基本構架與第三方模塊類似，篇幅關系，不畫出因果關系圖。國有機構是非盈利的組織，政府對國有機構的補貼是為了保障其日常的運營，補貼相比對第三方要少。此外，國有機構和第三方共同決定了城市垃圾的焚燒掩埋率，這一指標是政府非常關注的，對城市的環(huán)境保護產生直接影響。

1.2.3 平臺作用模塊

本模塊描述了平臺作用下城市垃圾治理模式的運作機制。平臺的主要功能是信息共享和信息匹配。信息共享功能可以使供應鏈上主體在平臺上進行需求或供給的準確描述（包括產品的數量、規(guī)格、質量、采購或生產計劃等），區(qū)塊鏈等新技術的應用可以保證數據溯源、不可篡改，為政府節(jié)省了大量的監(jiān)督成本，且避免了非專業(yè)性的監(jiān)督壁壘，同時使再生資源的質量公開透明，方便利廢企業(yè)合理定價。信息匹配功能可以使再生資源生產企業(yè)和回收企業(yè)之間交易更加的靈活、便捷，節(jié)省了在交易過程中的合作伙伴關系管理、質量檢測、議價等交易成本。

在沒有平臺的條件下，利廢企業(yè)無法甄別再生資源的質量，只能根據全社會的平均再生資源質量進行統一定價，這嚴重地阻礙了逆向供應鏈上的綠色技術創(chuàng)新和應用。在平臺的輔助下，再生資源的質量有效地被區(qū)分，差別化的定價得以現實。再生資源質量越高，回收價格越高。本模塊的因果關系圖如圖2 所示。

圖2 平臺作用模塊因果關系圖

本模塊中重要的變量表達為：

（1） 綠色技術投資率=IF THEN ELSE（第三方企業(yè)收益率＞=3e+06+Time*200 000∶AND∶第三方回收質量預期＜=0.85∶AND∶第三方企業(yè)收益＞=3e+07, 3e+07, 0）

函數表達式代表綠色技術投資有3 個前提條件：第一是綠色技術對第三方企業(yè)收益率的增長影響力足夠大；第二是第三方回收質量預期小于85%，這是因為進一步提升再生資源的質量需要過高的成本，對企業(yè)來說是不經濟的；第三是第三方的投資額小于現有的資金量。

（2） 第三方回收質量預期=MIN（100%，單位垃圾處理直接成本/100）+SMOOTH（LN（（綠色技術總投資/1e+07）/20+1），投資調整時間）

函數表達式代表了第三方回收質量預期除了受單位垃圾處理直接成本影響外，還受綠色技術的加成。綠色技術投資轉化為再生資源質量的提升需要一定的投資調整時間，即投資具有延遲效應。

本模塊中其他的變量表達式如下：

第三方企業(yè)收益率=第三方垃圾處理單位收益*第三方垃圾處理率

第三方企業(yè)收益=INTEG第三方企業(yè)收益率-綠色技術投資率，3e+07）

綠色技術總投資=INTEG （綠色技術投資率，0）

1.2.4 系統狀態(tài)模型

綜合上述三個模塊可得平臺作用下城市垃圾治理系統狀態(tài)圖。模型構建基于如下假設：

假設1：第三方和國有機構處理的原垃圾質量是相同的，相同包含兩個方面：一是指相同重量的原垃圾其可回收的平均價值是相同的；二是指其原垃圾的分類情況是相同的，進行垃圾處理的直接成本是相同的。

假設2：在沒有達到垃圾利用價值最大化之前，垃圾的回收價值與垃圾處理的直接成本投入成正比，與綠色技術的融合程度成正比。

系統存量流量圖如圖3 所示。

圖3 系統存量流量圖

仿真中的基本參數設置為：INITIAL TIME=0, FINAL TIME=52, TIME STEP=1, Unites for Time=Week。

1.3 數據來源

本文的數據來自于廣州市2019～2020 年的垃圾治理的實際數據。部分變量的賦值參考了經典研究文獻[10-11]，或進行了函數擬合處理，具體變量的賦值情況如表1 所示。

表1 數據來源

2 結果與分析

2.1 仿真結果

（1） 情景1：沒有平臺

此時，交易成本=20，回收企業(yè)交易成本=50，第三方虛報處理量比例=20%。

（2） 情景2：平臺只有監(jiān)督和降低交易成本的功能

此時，在使用平臺后，國有機構、第三方、再生資源回收企業(yè)的交易成本全部為0，第三方虛報處理量比例為0。但綠色技術投資率為0。

（3） 情景3：平臺可以輔助對不同質量的再生資源進行差異化定價功能

此時，在使用平臺后，第三方機構有意愿進行綠色技術的投資。綠色技術投資率為正常。

在不同情景下，國有機構垃圾處理量、第三方垃圾處理量、第三方企業(yè)收益和焚燒掩埋率的仿真結果如圖4 所示。

模型記錄各類別的碎片信息出現的頻率、時間甚至地點等，然后根據這些經驗分析哪個時間段，哪個地點適合推送什么類別的語義圖示。機器學習通過先向學習者推送未聚類的知識變量使學習者根據知識特征進行手動聚類，并將結果與機器學習的聚類結果進行匹配，就能發(fā)現學習者可能遺漏或者不確定的知識點，這些反饋信息就代表學習者還需努力進步的方向。學習者可以根據自身要求將某些知識變量設置不同的重要等級。

國有機構和第三方的垃圾處理量是此消彼長的關系。圖4（a） 和圖4（b） 是一組對比圖，證明了情景1 和情景2 對比中，平臺降低交易成本、防止第三方不誠信的作用對提升第三方垃圾處理量的影響非常有限。這是由于降低交易成本變相提高收益，防止不誠信又使第三方收益降低，兩者的作用相抵。圖4（c） 中證明了平臺的主要作用是使再生資源質量透明化。不同質量的再生資源有不同的回收價格，使企業(yè)有了提升再生資源質量的動力。這樣的方式使市場機制納入供應鏈，會有效激勵綠色技術的研發(fā)，形成良性循環(huán)。綠色技術的投資雖然在短期內影響企業(yè)收益，但在中長期看，是企業(yè)獲取更高收益的必由之路。圖4（d） 是政府最關心的垃圾焚燒掩埋率，顯然，平臺促進綠色技術研發(fā)，將有效地降低焚燒掩埋率，是環(huán)境保護的重大利好。

圖4

仿真結果證明了平臺的不同功能對垃圾治理的差異作用，圖5 更直觀地顯示了具備完整功能的平臺對垃圾治理系統中各存量的影響。

圖5 顯示，平臺作用下，綠色技術投資會階梯式上漲，直到再生資源的質量達到很高的程度，而在度過前期投資等待期后，企業(yè)的收益曲線為斜率較大的增函數，且增幅穩(wěn)定；同時，隨著收益增加，第三方愿意承擔更多的垃圾處理責任，降低了國有機構的壓力。在沒有平臺之前國有機構和第三方之間是大豬努力、小豬等待式的平衡，第三方作為小豬，沒有主動改善垃圾治理的動力。而在平臺的作用下，“小豬”有了主動進行綠色技術升級的意愿，并可以通過努力，實現從“小豬”到“大豬”的角色轉換。

圖5 平臺作用下廢棄品逆向供應鏈存量變化圖

2.2 靈敏度分析

基于平臺的廢棄品逆向供應鏈中的外生變量較多，本部分選擇可以進行決策調整的重要外生變量進行靈敏度分析，以確定系統的優(yōu)化路徑。

（1） 單位垃圾處理直接成本

在垃圾處理中直接成本的投入影響著再生資源的質量。其他變量保持不變，直接成本分別為30,50,70 的時候，第三方的垃圾處理量如圖6 所示。

圖6 直接成本對第三方垃圾處理量的影響分析

從圖6 結果可知，垃圾處理直接成本的投入對第三方承擔更多的垃圾處理的意愿有正向作用。直接投入高，再生資源質量高，則再生資源的回收價格高，第三方收益增加。但直接成本投入并不是越高越好，投入過高的時候，將影響第三方的收益，使其處理垃圾的意愿降低。圖中的直接成本50 和70 的曲線存在交點，代表著當再生資源的質量已經達到很高水平的情況下，更高的直接成本投入就變成了企業(yè)的負擔。

（2） 投資調整時間

投資調整時間決定了綠色技術從投資到產生效果的時間。其他變量保持不變，投資調整時間分別為2,4,6,8 的時候，第三方垃圾處理量的變化如圖7（a） 所示。

從圖7（a） 可以看到，調整時間的增大可以使第三方垃圾處理量增加，但存在閾值，在閾值前后，調整時間的作用效果相同。這與常識相悖，通常認為從投資到技術產生效果的時間越短，對企業(yè)的收益越好。其原因如圖7（b） 所示。

圖7（b） 說明了在調整時間較長，如6 和8 的時候，企業(yè)進行了5 次投資；對比調整時間為2 和4 時，只進行了4 次投資。這是由于，大多數的投資是有前提條件的，本文中的綠色技術投資的條件在平臺作用模塊中進行了說明。當調整時間較短時，綠色技術的生效期變短，將更快地超過投資條件（回收質量預期＜=0.85），投資則不再繼續(xù)。

圖7

投資調整時間的靈敏度分析說明了綠色技術的應用具有延遲效果，在垃圾治理工作中不能過于看重投資回報。只要真正對垃圾回收工藝產生改善，緩慢產生的收益可持續(xù)效果可能更好。

（3） 第三方補助

第三方補助影響著第三方的收益，間接影響其處理垃圾意愿，但過重的補助也會給政府財政造成巨大的負擔。

借鑒文獻[13]中的方法，本文設計了一種動態(tài)補助方式，即動態(tài)補助=160-2*Time。初始補助160，52 周仿真周期結束時的補助為56，平均的補助為108，與初始的補助值近似。應用這種補助驗證當第三方收益增加后逐漸降低補助的效果。

其他變量保持不變，第三方補助分別為85,105,135 和動態(tài)補助的時候，第三方的垃圾處理量和第三方企業(yè)收益的變化如圖8（a） 和8（b） 所示。

圖8

從仿真圖中可知，第三方補助對第三方企業(yè)收益影響顯著，但設計的動態(tài)補助機制的效果卻沒有達到預期。動態(tài)補助和補助105 的對比最為明顯，在38 周之前，動態(tài)補助使第三方更加努力地進行綠色技術投資，承擔的垃圾處理量也高于補助105，但在38 周后，綠色投資的效果發(fā)揮充分后，動態(tài)補貼額的降低使企業(yè)處理垃圾的意愿同步降低，動態(tài)補助對企業(yè)收益的正向作用反而不如補助105。

靈敏度分析顯示了補助對第三方的作用，在市場機制中，顯然補貼已經是第三方收益組成中不可或缺的一環(huán)。政府在進行補助設計的時候不能局限于短時間的效果，要合理平衡財政壓力和對企業(yè)的持續(xù)性激勵，如無法長期維持高額的補助，可以幫助第三方在其他盈利點上進行造血，或在金融、稅收上進行等價代償。

3 結 論

本文通過應用系統動力學的方法對廢棄品逆向供應鏈信息共享平臺構建和運營效果進行了仿真，得到如下結論：

（1） 平臺的構建可以降低再生資源交易成本，并防止第三方虛報垃圾處理量獲得額外補助的不誠信行為，但這兩項作用對垃圾的精益處理和焚燒掩埋率影響并不大。平臺的主要功能是提供了與市場機制接軌的路徑，使第三方可以通過提升再生資源質量來提升收益。改變了之前第三方與國有機構之間的“智豬博弈”的平衡，使第三方從作為國有機構補充的“小豬”，成長為城市垃圾治理的主力軍。本文的研究再一次證明了，城市垃圾治理可持續(xù)發(fā)展、精益化發(fā)展需要依靠市場的力量，把垃圾治理的公益屬性向盈利屬性轉化，才能帶動垃圾治理的創(chuàng)新發(fā)展。

（2） 研究中通過仿真找出收益曲線拐點時的直接成本，并設計了企業(yè)投入的最佳方案。證明了垃圾治理中直接成本的投入對再生資源質量有直接的影響，但是成本過高會降低企業(yè)的總收益，直接成本與企業(yè)收益之間是拋物線函數關系。

（3） 綠色技術調整時間影響著綠色技術的生效時間，但調整時間并不是越短越好。研究中分析了調整時間對綠色技術投資累積的影響，證明過短的調整時間可能使企業(yè)過早地滿足于收益增長的目標，而停止對綠色技術的持續(xù)投資。

（4） 目前，第三方參加垃圾治理依賴于政府補助。不同水平的補助對第三方垃圾處理量的靈敏度分析表明，較高的補助可以使第三方更加積極地進行綠色技術創(chuàng)新，提升再生資源質量。但政府補貼是一把“雙刃劍”，維護高水平的補助給政府財政帶來巨大的壓力。第三方的數量需要維持一個合理的水平，過少，則國有機構的壓力過大，垃圾粗放處理比例增大；過多，則第三方之間會形成內卷，導致綠色技術的“軍備競賽”，且會使國有機構的垃圾處理能力閑置。所以，政府可以通過補助調節(jié)市場上第三方的數量，和國有機構形成良性的互補。