碳限額與交易政策下不同權(quán)力結(jié)構(gòu)綠色海運(yùn)供應(yīng)鏈博弈

梁志超　蔣冉

摘? ?要：在航運(yùn)業(yè)碳減排背景下，為研究不同權(quán)力結(jié)構(gòu)對(duì)采取不同減排措施的碼頭和船公司組成的兩級(jí)海運(yùn)供應(yīng)鏈決策的影響，分別構(gòu)建了碳限額與交易政策下碼頭為主導(dǎo)者、船公司為主導(dǎo)者的博弈模型及Nash博弈模型，并進(jìn)行了碳價(jià)對(duì)供應(yīng)鏈決策影響的數(shù)值分析。通過分析表明，相同減排措施下，碼頭、船公司分別作為主導(dǎo)者的供應(yīng)鏈的總服務(wù)價(jià)格更高，但利潤與碳排放更低；轉(zhuǎn)換低硫油的供應(yīng)鏈因其碳排放更高，而且更易受限額與交易政策的影響，碳交易價(jià)格的上升使其利潤下降。

關(guān)鍵詞：限額與交易政策；海運(yùn)供應(yīng)鏈；權(quán)力結(jié)構(gòu)；碳減排；博弈論

中圖分類號(hào)：F274；X196? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1673-291X（2023）04-0077-06

國際海事組織（IMO）2020年報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2012—2018年間，航運(yùn)業(yè)二氧化碳（CO2）排放量從2012年的9.62億噸增加到2018年的10.56億噸，增長9.3％。為降低航運(yùn)業(yè)碳排放，IMO于2018年4月13日通過了全球首份航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略。以2008年碳排放為基準(zhǔn)，提出到2030年和2050年分別將航運(yùn)業(yè)碳排放強(qiáng)度降低40%和70%的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)港口區(qū)域的碳減排，許多國家實(shí)施了多種低碳政策，包括碳限額、限額與交易政策和碳稅等。其中，限額與交易政策因其靈活性已被廣泛接受[1]。因此，如何在限額與交易政策下實(shí)現(xiàn)港區(qū)的碳減排成為了重要的議題。

面對(duì)政府的減排政策及二氧化硫等大氣污染物的減排規(guī)定，碼頭、船舶常采用的清潔措施為使用岸電（SP），換用低硫油（LSFO）、液化天然氣（LNG）等清潔能源，其中比較有代表性的是SP與LSFO[2]。因此，本文也主要聚焦于這兩種減排措施。

碼頭和船公司是港區(qū)減排的兩大主體，本文研究對(duì)象為碼頭—船公司兩級(jí)海運(yùn)供應(yīng)鏈。碼頭之間、船公司之間、海運(yùn)供應(yīng)鏈之間以及碼頭與船公司之間存在著復(fù)雜的橫向和縱向競爭關(guān)系。碼頭作為海運(yùn)供應(yīng)鏈的運(yùn)輸樞紐，有很強(qiáng)的區(qū)域壟斷地位，在一些情況下是整個(gè)海運(yùn)供應(yīng)鏈的主導(dǎo)者[3]。但是，隨著世界貿(mào)易增長放緩，船公司會(huì)整合為航運(yùn)聯(lián)盟以減輕行業(yè)低迷的影響。航運(yùn)聯(lián)盟的穩(wěn)定運(yùn)營逐步提高了船公司的主導(dǎo)地位，因此在其他一些情況下，船公司也可以作為整個(gè)海運(yùn)供應(yīng)鏈的主導(dǎo)者[4]。

基于上述背景，本文建立了考慮不同權(quán)力結(jié)構(gòu)的兩條采用不同減排措施的碼頭-船公司組成的兩級(jí)海運(yùn)供應(yīng)鏈為主體的博弈模型，分別分析了碼頭主導(dǎo)的Stackelberg博弈、船公司主導(dǎo)的Stackelberg博弈，以及碼頭與船公司的Nash博弈的均衡策略。通過比較不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的均衡結(jié)果，研究了不同的碳交易價(jià)格對(duì)于供應(yīng)鏈參與者的最優(yōu)定價(jià)和利潤的影響。研究的結(jié)果可以為政府（監(jiān)管者）制定海運(yùn)業(yè)的碳交易政策提供參考。

一、問題描述

在限額與交易政策下，碼頭與船公司都需要采取相應(yīng)的減排措施的實(shí)現(xiàn)政府的環(huán)保要求。參考Yang等[1]的研究，假設(shè)每條海運(yùn)供應(yīng)鏈都由一個(gè)碼頭和對(duì)應(yīng)的一家船公司組成，其中兩個(gè)碼頭隸屬于同一壟斷港口，但分屬于不同的碼頭運(yùn)營商，碼頭的總體需求由共同腹地的集裝箱貨物進(jìn)出所決定。碼頭面對(duì)CO2減排要求，其中一個(gè)注重環(huán)保的碼頭安裝了岸電設(shè)施（SP碼頭），而另一個(gè)碼頭不做改變（LSFO碼頭）。選取兩家提供同質(zhì)運(yùn)輸服務(wù)，通過價(jià)格進(jìn)行競爭的船公司，其中，注重環(huán)保的船公司的船舶均安裝了岸電設(shè)施（SP船舶），而另一家船公司的船舶不做改變（LSFO船舶）。假設(shè)SP船舶僅?？吭赟P碼頭，并在?？康钠陂g使用岸電，而LSFO船舶?？縇SFO碼頭。

綜上，使用不同減排措施的碼頭與船公司形成了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，組成了使用SP的海運(yùn)供應(yīng)鏈（SP供應(yīng)鏈）與換用LSFO的海運(yùn)供應(yīng)鏈（LSFO供應(yīng)鏈）。供應(yīng)鏈的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文所需相關(guān)上下標(biāo)、參數(shù)和決策變量如表1所示。

根據(jù)圖1，在限額與交易政策下，政府分配給不同減排措施的碼頭不同的碳排放配額。SP船舶停泊期間，連接岸電設(shè)施過程中會(huì)產(chǎn)生少量CO2排放；LSFO船舶停泊期間，全過程都會(huì)產(chǎn)生CO2排放。如果碼頭區(qū)域的碳排放總量超過配額，碼頭必須在碳交易市場上以一定的碳價(jià)購買額外的配額；相反地，碼頭可以出售多余的配額。碳價(jià)由碳交易市場決定，可視作外生變量。

為便于后續(xù)的建模和分析，有兩個(gè)關(guān)鍵假設(shè)及其解釋如下：

假設(shè)1單位集裝箱通過碼頭產(chǎn)生的初始碳排放量為一定的常數(shù)，總碳排放量與集裝箱總量成線性關(guān)系[5]。

假設(shè)2需求是總服務(wù)價(jià)格的線性函數(shù)，線性需求函數(shù)廣泛應(yīng)用于碼頭供應(yīng)鏈的需求建模[1]。

二、博弈模型

三、模型求解

（一）碼頭主導(dǎo)的Stackelberg博弈

（二）船公司主導(dǎo)的Stackelberg博弈

（三）權(quán)力均等的Nash博弈

四、數(shù)值模擬

本節(jié)對(duì)博弈結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬。相關(guān)參數(shù)的數(shù)值及來源說明如下。

因?yàn)槟壳昂竭\(yùn)業(yè)碳價(jià)無可參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)行國際碳價(jià)及其未來上漲的趨勢[15]，假定碳價(jià)的變化范圍為0—300 USD，對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析，分析其變化對(duì)供應(yīng)鏈及其成員的服務(wù)價(jià)格和利潤的影響。

（一）碳價(jià)對(duì)供應(yīng)鏈總服務(wù)價(jià)格的影響

圖2展示了三種不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下不同減排措施的供應(yīng)鏈的總服務(wù)定價(jià)關(guān)于碳價(jià)的變化情況。不同減排措施的供應(yīng)鏈在不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的總服務(wù)定價(jià)都隨碳價(jià)的上升而上升。其中LSFO供應(yīng)鏈的服務(wù)定價(jià)的上升趨勢更明顯，表明LSFO供應(yīng)鏈?zhǔn)芴純r(jià)變化的影響更大。各權(quán)力結(jié)構(gòu)中LSFO供應(yīng)鏈的服務(wù)定價(jià)都要高于同結(jié)構(gòu)SP供應(yīng)鏈的服務(wù)定價(jià)。

此外，如圖2所示，j=T、j=S兩種權(quán)力結(jié)構(gòu)下，相同減排措施的海運(yùn)供應(yīng)鏈的總服務(wù)定價(jià)是一致的，都高于j=N權(quán)力結(jié)構(gòu)的供應(yīng)鏈的服務(wù)定價(jià)。這表明，當(dāng)供應(yīng)鏈成員雙方處于權(quán)力均等時(shí)，其更傾向設(shè)定更低的服務(wù)價(jià)格，以吸引更多的客戶。

（二）碳價(jià)對(duì)碳排放的影響

圖3展示了采用SP、LSFO兩種減排措施下，不同權(quán)力結(jié)構(gòu)的海運(yùn)供應(yīng)鏈的碳排放總量關(guān)于碳價(jià)的變化情況。SP供應(yīng)鏈在不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的碳排放都隨碳價(jià)的上升而上升，LSFO供應(yīng)鏈在不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的碳排放都隨碳價(jià)的上升而下降。其中LSFO供應(yīng)鏈碳排放的下降趨勢更明顯，表明LSFO海運(yùn)供應(yīng)鏈?zhǔn)芴純r(jià)變化的影響更大，體現(xiàn)了碳交易政策的效果。

此外，j=T、j=S兩種權(quán)力結(jié)構(gòu)下，相同減排措施的供應(yīng)鏈的碳排放是一致的，都低于j=N權(quán)力結(jié)構(gòu)的供應(yīng)鏈。這表明，當(dāng)供應(yīng)鏈成員權(quán)力均等時(shí)，競爭更充分，傾向設(shè)定更低的服務(wù)價(jià)格以吸引更多的客戶，進(jìn)而產(chǎn)生更多的碳排放。在各權(quán)力結(jié)構(gòu)中LSFO供應(yīng)鏈的碳排放都要高于同結(jié)構(gòu)SP供應(yīng)鏈的碳排放。LSFO的碳清潔能力有限，換用LSFO本是為應(yīng)對(duì)SO2減排要求的措施。以監(jiān)管者的角度來看，如果為了進(jìn)一步降低碳排放，可以推廣岸電設(shè)施，提高岸電船舶與岸電碼頭的數(shù)量，以及提升岸電設(shè)施的使用率。

（三）碳價(jià)對(duì)供應(yīng)鏈利潤的影響

由均衡結(jié)果可知，服務(wù)價(jià)格及碳排放量不受碳排放限額的影響，但是碼頭利潤與供應(yīng)鏈利潤均受碳排放限額影響。目前海運(yùn)業(yè)的限額與交易政策實(shí)施尚處于探索階段，其碳排放限額給定方式尚無定論。為了便于研究，參考目前數(shù)值模擬出的供應(yīng)鏈碳排放量，根據(jù)不同的減排措施給定兩個(gè)碳排放限額的數(shù)值KE=1 200t、KF=70 000t，以便進(jìn)行后續(xù)的利潤計(jì)算與分析。該設(shè)置考慮SP是一種更清潔的減排方式，考慮促進(jìn)SP的推廣和使用，使不同權(quán)力結(jié)構(gòu)的SP供應(yīng)鏈都可以有多余配額出售，提升其利潤；不同權(quán)力結(jié)構(gòu)的LSFO供應(yīng)鏈都需要額外從碳交易市場購買配額，增加其成本。

圖4展示了三種不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下不同減排措施的供應(yīng)鏈的利潤關(guān)于碳價(jià)的變化情況。SP供應(yīng)鏈在不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的利潤都隨碳價(jià)的上升而上升，LSFO供應(yīng)鏈在不同權(quán)力結(jié)構(gòu)下的利潤都隨碳價(jià)的上升而下降。其中LSFO供應(yīng)鏈的利潤隨碳價(jià)下降的趨勢更明顯，表明LSFO供應(yīng)鏈的利潤更易受碳價(jià)變化的影響。SP供應(yīng)鏈可以通過出售多余配額獲利，LSFO供應(yīng)鏈因購買額外配額成本上升而利潤降低。此外，兩條供應(yīng)鏈的總定價(jià)雖然都會(huì)隨碳價(jià)的上升而上升，但LSFO供應(yīng)鏈定價(jià)受碳價(jià)變化影響更明顯，上升更快。結(jié)合碳排放模擬結(jié)果易知LSFO貨運(yùn)量下降，SP貨運(yùn)量稍有上升。因此各權(quán)力結(jié)構(gòu)中SP供應(yīng)鏈的利潤都要高于同權(quán)力結(jié)構(gòu)的LSFO供應(yīng)鏈的利潤。

此外，如圖4所示，j=T、j=S兩種權(quán)力結(jié)構(gòu)下，相同減排措施的供應(yīng)鏈的總利潤是一致的，都低于j=N權(quán)力結(jié)構(gòu)的供應(yīng)鏈的總利潤。這表明，當(dāng)供應(yīng)鏈成員雙方處于權(quán)力平衡時(shí)，其更傾向設(shè)定更低的服務(wù)價(jià)格，以吸引更多客戶，獲得更高利潤。

五、結(jié)論與展望

本文研究了限額與交易政策下分別采用SP、LSFO措施的兩條碼頭—船公司兩級(jí)海運(yùn)供應(yīng)鏈在不同的權(quán)力結(jié)構(gòu)下進(jìn)行港內(nèi)競爭時(shí)的決策。通過對(duì)三種權(quán)力結(jié)構(gòu)下的博弈求解，分析了碳交易價(jià)格對(duì)供應(yīng)鏈及其成員的定價(jià)、利潤、碳排放的影響，并得出以下主要結(jié)論。

1.考慮服務(wù)定價(jià)，LSFO供應(yīng)鏈的總服務(wù)價(jià)格高于SP供應(yīng)鏈。因其碳排放更高，更易受限額與交易政策影響，所以更傾向提高服務(wù)價(jià)格、降低貨運(yùn)量，從而降低碳排放。此外，權(quán)力均等的供應(yīng)鏈競爭更為充分，所以傾向設(shè)定更低的服務(wù)價(jià)格以吸引更多的客戶。貨主（貨代）可以考慮選擇權(quán)力均等的SP供應(yīng)鏈?zhǔn)箍偡?wù)費(fèi)用更低。

2.考慮碳排放，LSFO供應(yīng)鏈的碳排放總是高于SP供應(yīng)鏈。因?yàn)閾Q用LSFO是常用的硫清潔措施，該措施CO2減排效果較弱。此外，同減排措施下，權(quán)力均等的供應(yīng)鏈的碳排放總是高于權(quán)力不均等的兩種供應(yīng)鏈。政府（監(jiān)管者）出于降低碳排放的考量，可以進(jìn)一步推廣岸電設(shè)施的安裝與使用，并鼓勵(lì)供應(yīng)鏈處于權(quán)力不均等的結(jié)構(gòu)。

3.考慮利潤，從供應(yīng)鏈整體上看，權(quán)力均等的供應(yīng)鏈總利潤更高。監(jiān)管者可以鼓勵(lì)供應(yīng)鏈處于權(quán)力均等的結(jié)構(gòu)，提升供應(yīng)鏈的整體利潤。

本研究考慮的模型中的每條供應(yīng)鏈由一個(gè)碼頭和一個(gè)船公司組成，更現(xiàn)實(shí)的海運(yùn)供應(yīng)鏈則需要考慮多個(gè)船公司。本研究假定了兩條供應(yīng)鏈分別采用兩種不同的減排措施。未來的研究中可以考慮更多的減排措施，可以考慮一個(gè)碼頭對(duì)應(yīng)多個(gè)采用不同減排措施的船公司。

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Game Analysis of Green Maritime Supply Chains with Different Power Structures under Cap-and-trade Policy

Liang Zhichao Jiang Ran

（1. Business School， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Antai College of Economics and Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China）

Abstract： In the context of carbon emission reduction in the shipping industry， this study investigates the influence of different power structures on the decision making of the two-echelon maritime supply chains composed of terminals and shipping companies that adopt different emission abatement measures. Three different game models with different power structures （a terminal-dominated game， a shipping company-dominated game， and a Nash game） are proposed， and a numerical analysis of the influence of carbon price on the supply chain decision making is conducted. The analysis shows that under the same emission reduction measures， the total service price of the supply chain in which the terminal and shipping company are the leading players is higher， but the profit and carbon emissions are lower. In addition， the supply chain switching to low-sulfur oil is more vulnerable to the cap-and-trade policy because of its higher carbon emissions， which makes it less profitable with increasing carbon trading price.

Key words： cap-and-trade policy; maritime supply chain; power structure; carbon emission reduction; game theory

[責(zé)任編輯? ?柯? ?黎]