考虑环保设计的WEEE闭环供应链回收处理模式研究

张雪梅，曹　柬，胡晓青

（1.宁波大红鹰学院，浙江　宁波　315175；2.浙江工业大学　经贸管理学院，浙江　杭州　310023）

考虑环保设计的WEEE闭环供应链回收处理模式研究

张雪梅1，2，曹柬2，胡晓青1，2

（1.宁波大红鹰学院，浙江宁波315175；2.浙江工业大学经贸管理学院，浙江杭州310023）

针对电器和电子设备（EEE）制造商自主回收处理废旧电器电子产品（WEEE）的情况，分析其承担单独回收责任和集体回收责任两种模式下的决策问题。分别构建两种模式下的收益函数，分析不同责任制度对制造商环保设计（DfE）选择的影响。研究结果表明：制造商在单独回收处理其废旧产品时的DfE决策总是优于其集体回收责任下的DfE选择；集体回收处理模式下容易产生搭便车现象而打击制造商DfE投资积极性，导致该回收处理模式的效率低下。

WEEE回收处理；环保设计；闭环供应链；回收处理模式；制造商差异

1　引言

随着科技进步和民众生活水平的提高，电器和电子设备产品（Electrical and Electronic Equipment，EEE）更新速度加快，导致废旧电器电子产品（Waste Electrical and Electronic Equipment，WEEE）数量急剧增加。根据中国家电研究院2015年发布的《2014年中国废弃电器电子产品回收处理及综合利用行业白皮书》，2014年我国废旧家电的理论报废量达到11 378万台。WEEE一方面含有大量有毒有害物质，回收再利用可以减少对环境的直接危害；另一方面具有很高的再生利用价值，还原废旧产品较之开采矿产资源可降低成本30%，从而有效减少对自然资源的需求［1-3］。2012年12月国务院提出的《“十二五”循环经济发展规划》中明确指出WEEE的回收再利用是发展循环经济的重点领域，是解决资源和环境问题的关键［4］。在此背景下，企业如何有效实施WEEE回收再利用成为国内外相关学者研究的热点问题。

实施参与WEEE回收处理行为的主体主要包括制造商、销售商、回收商以及消费者，其回收处理模式主要分为委托外包处理和制造商内部化回收处理模式［5-9］。其中在制造商自主回收处理模式下，形成了废旧产品闭环供应链回收模式，减少了中间流通环节，提高了正、逆向流通效率，增加了社会整体福利［10］。胡燕娟等［11］对比了零售商负责回收处理和制造商自行处理两种回收处理渠道，分析了制造商内部自行处理作为新增渠道参与到废旧产品回收活动中时，供应链成员合作回收价格决策和非合作博弈下的最优定价策略。Shi等［12］分析了EEE再制造供应链三类成员担任回收主体时的收益均衡情况，指出回收成本对回收模式与渠道选择的影响，得到制造商自主回收是最优决策方案。毫无疑问，面对社会环境问题以及来自消费者和政府的压力，制造商不得不承担更多的责任和义务降低其产品对环境的影响。对此，产品的环保设计（Design for Environment，DfE）可以有效提高产品的可回收和重复使用性［13-15］，目前很多国际知名电子企业如Apple、Sony、IBM等都已实施DfE，其预算比例逐年提高［16］。

现有的研究成果对制造商自主回收处理WEEE的实施具有一定参考价值，然而鲜有考虑消费者偏好和制造商差异等因素对企业DfE选择和回收处理决策的影响。为此，本文分析EEE制造商自主回收模式下承担个体回收责任和集体回收责任两种情况下的供应链决策问题，探讨回收模式差异对不同水平制造商DfE水平的影响；同时，讨论不同EEE制造商集体回收处理模式下平均回收处理成本权重比例系数对DfE决策的影响。所得结论可为相关企业实际运作提供决策支持。

2　模型背景及描述

2.1模型背景

目前，制造商自主回收处理WEEE主要分为两大类，即单独回收处理（Individual producer responsibility，IPR）和集体回收处理（Collective producer responsibility，CPR）［17-18］。基于消费者偏好和制造商差异，本文分别考虑高端和低端EEE制造商Mh、Ml在履行WEEE条例以及分别实施单独回收处理和集体回收处理模式情况下，为达到生产者责任组织（Producer responsibility organizations，PROs）规定的最低回收处理率时，在产品的生产制造过程中采取有利于产品再制造和对环境有益的DfE行为。此时，以PROs为代表的社会决策者向制造商提供单位回收处理补贴d，以支持和激励制造商参与DfE。

2.2相关参数和变量描述

为便于模型的描述，给出相关实体及其涉及的变量和函数说明如下：

（1）生产者责任组织（PROs）：由政府主导，负责制定有效的DfE激励机制，设定最低回收比率-ξ，同时设立废旧产品回收处理基金，向制造商提供单位处理补贴d。

（2）消费者：消费者对不同制造商的产品存在不同消费偏好，对高端制造商Mh生产制造的产品消费偏好为v，v服从的均匀分布；对低端制造商Ml生产的产品消费偏好为表示两个制造商生产的产品替代率［19］，1-μ为制造商差异，即制造商之间品牌与产品质量等方面的差异［20］。假设消费者为风险中性，在给定制造商销售价格分别为 ph和pl的情况下，消费者效用分别为当消费者偏好v分别满足和时，消费者将分别购买高端产品和低端产品。

（3）制造商：考虑一个双寡头垄断市场上存在高端制造商Mh和低端制造商Ml，基于消费者偏好与制造商差异，有高端制造商生产制造的产品比低端制造商的产品质量好且价格高产品替代率较小时，高低端制造商产品质量和价格差异较大，电脑等新兴电器电子产品市场竞争就存在较小的μ；μ较大的情况适用于冰箱等传统EEE产品，高低端制造商生产制造的产品质量、价格差异较小［18］。设Mh和Ml的产量分别为qh和ql，生产成本分别为ch和cl，满足ch-cl＞0。制造商在产品开发设计、生产工艺改进等过程中实施DfE活动，充分考虑产品环境属性，采用便于回收处理的原材料和有利于资源综合利用的设计方案。设Mh和Ml的DfE投入水平分别为eh和el，由于实行DfE而带来的成本投入增加分别为和设Mh和Ml的单位回收处理成本分别为rh和rl。由于DfE的投入将便于回收处理活动，令每单位DfE投入程度将带来β（β＞0）单位的回收处理成本的下降，则制造商回收处理过程中的净成本分别为 λh=rh-βeh，λl=rl-βel。此外，回收处理废旧产品可获单位收益γ，另得到单位补贴d。

2.3模型假设

（1）制造商为完全理性，即根据自身利润最大化的原则进行决策。

（2）制造商所生产的产品能够被完全订购和消费，即产量与销售数量和市场需求量一致。

（3）制造商具有足够的技术水平对废旧产品进行回收处理和再制造，且再制造产品与用原材料制造的新产品同质，以相同价格在市场上销售。

（4）回收商和处理商合并为回收商，即回收商同时负责废旧产品的回收和处理。

（5）制造商风险中性，其效用与收益一致。

3　模型建立与求解

3.1制造商单独回收处理模式（模型Ⅰ）

首先考虑制造商单独回收处理模式的情况。在该模式下，制造商Mh和Ml各自独立承担废旧产品回收处理责任，每个制造商仅对自身产品负责，其回收处理成本也相互独立。此时，制造商各自形成内部一体化的闭环供应链，其利润由销售收益、回收处理废旧产品所产生的收益和政府提供的补贴三部分构成，成本包括生产成本与回收处理成本两部分。制造商收益为：

其中上标“Ⅰ”表示制造商单独回收处理废旧产品（即模型Ⅰ）情况下的决策结果。

其中上标“*”表示最优决策。进一步得到各最优产量和均衡价格分别为：

结论1：根据式（8）可知，不同制造商在自主单独回收模式下具有相同的DfE投入水平，DfE选择与制造商品牌、产品质量等无关且不存在低端制造商搭便车的情况；也就是说，在该回收处理模式下，市场竞争对制造商DfE参与程度没有影响。

结论2：由式（9）、式（10）、式（11）、式（12）易得即高端制造商均衡产量和价格随着μ的增大而减小，低端制造商均衡产量和价格随着ch=0.375的增大而增大。因此，竞争市场上的制造商差异越大，高端制造商更易获得更多利益，易造成两极分化。随着制造商差异的减小，直到 μ=1时，有pl=ph，此时ql＞qh，低端制造商更占优势。

3.2制造商集体回收处理模式（模型Ⅱ）

考虑制造商自主回收处理WEEE时互相合作、共同回收废旧产品的回收处理模式。在该模式下，根据行业整体水平和回收处理技术与规模，假定不同制造商Mh、Ml承担相同的回收处理成本。此时，回收成本不仅依赖于各制造商本身，同时受到同行业其他制造商回收处理成本的影响。该平均回收处理成本R表示如下：

其中τ为回收处理成本加权比例系数。

其中上标“II”表示制造商集体回收处理废旧产品（即模型II）情况下的决策结果。

进一步计算可得均衡价格为：

分析式（20）和式（21）可得以下结论：

结论3：由式（20）可知高端产品制造商DfE投入水平与制造商差异无关，不论制造商品牌与产品质量等差异如何变化，都不会影响高端产品制造商的DfE选择。反之，根据式（21）可知随着μ的减小而增大，也就是说，制造商差异越大，低端产品制造商对DfE的投入越多。在市场竞争中，高低端制造商水平差异越大，实力越悬殊，低端制造商仅靠价格竞争较难获益，从而更倾向于选择DfE参与竞争。

进一步比较分析制造商内部单独回收处理模式与集体回收处理模式下各个DfE投入水平，结合式（8）、式（20）和式（21），得到以下结论：

4　数值分析

第3节分别讨论了制造商自主回收处理废旧产品时单独回收责任和集体回收责任两种情况下的不同水平制造商DfE投入水平选择问题，得到两种回收模式下制造商DfE努力程度与产品替代率μ及各个决策变量之间的关系。本节采用数值分析方法，对高端制造商和低端制造商各决策变量、供应链整体收益以及集体回收责任下平均回收处理成本影响权重比例系数τ之间的关系作进一步分析。基准参数值设置如下：高端产品制造商单位生产成本ch=0.375，低端产品制造商单位生产成本cl=0.195，在PROs设定的最低回收处理率强制要求下，自主回收处理其废旧产品，同时得到单位补贴d=0.015。制造商自主回收处理其废旧产品时回收处理成本分别为rh=0.055，rl=0.035，回收处理废旧产品时可获单位收益γ=0.025。由于实行DfE带来的成本投入增加比例系数α=0.35，回收处理成本减少比例系数β=0.45。

4.1单独和集体回收处理模式比较分析

当回收处理成本加权比例系数τ=0.45时，不同的制造商差异对单独和集体回收处理模式下的决策影响见表1、表2，其中表示制造商整体收益。

表1　制造商单独回收处理模式下均衡决策及收益

表2　制造商集体回收处理模式下均衡决策及收益

结论7：（1）无论是制造商单独回收处理模式还是集体回收处理模式，高端制造商产量和收益总是随着μ的增大而减小，而低端制造商产量和收益随着μ的增大而增大，当制造商差异小到一定程度时，有此外，低端制造商的收益增幅大于高端制造商的收益降幅，供应链总收益随着μ的增大先减后增。（2）在相同的制造商差异下，集体回收处理模式下的整体收益总是大于制造商单独回收处理模式下的总收益

当回收处理成本加权比例系数τ=0.75时，制造商差异对集体回收处理模式下的决策影响见表3。此时，高端产品制造商对回收处理成本影响很大，环保设计随之投入较多，出现了低端产品制造商搭便车的现象。此外，当 μ=0.3时此时制造商差异很大，两极分化严重，低端制造商在市场竞争中

表3　制造商集体回收处理模式下均衡决策及收益（τ=0.75）

4.2主要决策变量之间的关系分析

图1　μ和q的关系

图2　μ和p的关系

图3　μ和π的关系

通过进一步数值分析，分别得到τ=0.45和τ=0.75情况下μ与DfE参与程度e之间的关系图，如图4、图5所示。

图4　μ和e的关系　（τ=0.45）

根据图4和图5所示趋势图结果：（1）制造商自主回收处理废旧产品承担单独责任时，其DfE选择与制造商品牌、产品质量等差异无关且不存在低端制造商搭便车的情况。（2）在集体回收责任下，高端产品制造商DfE投入与制造商差异无关，不论制造商品牌与产品质量等差异如何变化，都不会影响高端产品制造商的DfE选择；而低端产品制造商则随着μ的增大而减小，也就是说，制造商差异越大，低端产品制造商环保设计投入对DfE的投入越多。在市场竞争中，高低端制造商水平差异越大，实力越悬殊，低端制造商仅靠价格竞争较难获益，从而更倾向于选择DfE参与竞争。（3）制造商在单独回收处理模式下的DfE选择总是优于集体回收处理模式下的DfE参与程度。

此外，在集体回收责任下，制造商对平均回收处理成本的影响程度也对其DfE投入程度有影响。图4和图5分别分析了τ=0.45和τ=0.75两种情况下 μ与e之间的关系。当平均回收处理成本加权比例系数τ较小时反之，当τ数值很大时因此，从整体上来说，在制造商内部集体回收处理模式下，高端制造商相对于低端制造商仍享有更高获益的机会。

图5　μ和e的关系　（τ=0.75）

5　结论与展望

本文考虑生产责任组织环境规制、制造商差异和市场竞争等因素，建立了制造商自主回收处理废旧产品所构成的闭环供应链模型，分析了不同水平制造商在消费者偏好等因素影响下实施DfE（环保设计）选择和供应链决策问题。主要结论简述如下：

（1）在制造商自主回收处理单独回收模式下，不同水平制造商具有相同的DfE投入水平，此时市场竞争对制造商DfE参与程度没有影响（结论1）。

（2）在制造商集体回收处理模式下，高端产品制造商DfE投入与制造商差异无关，不论制造商品牌与产品质量等差异如何变化，都不会影响高端产品制造商的DfE选择。反之，低端产品制造商随着产品替代率的减小，制造商差异的增大，对DfE的投入越多（结论3）。

（3）在制造商集体回收责任下，制造商环保设计投入与各自在平均回收处理成本中的加权比重呈正相关关系，其加权比重越高，对平均回收处理成本的影响越大，该制造商越倾向于对DfE的投入（结论4）。

（4）高端产品制造商对回收处理成本影响越大，环保设计随之投入越多，导致实施环保设计带来的回收处理成本的下降越多，因而对整个行业平均处理回收成本的降低有较大的贡献。并且只有当回收处理成本加权系数数值很大时，才会提供给低端产品制造商搭便车的渠道。因此，从整体上来说，在制造商内部集体回收处理模式下，高端制造商相对于低端制造商仍享有更高获益的机会（结论5）。

（5）在制造商自主回收处理废旧产品时，单独回收责任下的DfE选择总是优于集体回收责任下的DfE决策（结论6）。

（6）当制造商差异较大时，高端制造商与低端制造商的产量、价格差异越大，低端产品制造商在竞争中处于绝对劣势（结论2、结论7）。

本文在讨论制造商自主处理废旧产品时，为了方便分析与计算，只考虑了单期博弈的情况，没有考虑前期与后期的库存和残值，以及库存、物流等其他内在与外生成本的影响，更全面地考虑WEEE回收处理现实情况是需要进一步研究的内容。此外，本文将不同水平制造商对平均回收处理成本权重比例系数作为一个外生变量考虑，但在实际运作中，这个比例系数在一定程度上也反映了制造商在市场上的议价能力，可以表示为市场销售价格或需求量等的线性函数。这点需要在以后的研究中进一步构建模型来改善。

［1］王文宾，达庆利，聂锐.闭环供应链视角下废旧电器电子产品回收再利用的激励机制与杜策［J］.软科学，2012，26（8）:44-48.

［2］慕艳芬，聂佳佳，马祖军.消费者分类情况下回收法规对回收策略的影响［J］.工业工程与管理，2015，20（2）:122-129.

［3］Cucchiella F，Idiano D A，Lenny S C.Recycling of WEEEs:An economic assessment of present and future e-waste stremes［J］. Recewable and Sustainable Energy Revies，2015，51:263-272.

［4］吕君，谢家平.基于空间相关性的WEEE逆向物流回收预测研究［J］.管理工程学报，2015，29（4）:152-161.

［5］Toffel M W.The growing strategic importance of end-of-life product management［J］.California Management Review，2003，45（3）:102-129.

［6］Savaskan R C，Bhattacharya S，Van Wassenhove L N.Closedloop supply chain models with product remanufacturing［J］. Management Science，2004，50（2）:239-252.

［7］达庆利，黄祖庆，张钦.逆向物流系统结构研究的现状及展望［J］.中国管理科学，2004，12（1）:131-138.

［8］Atasu A.Efficient take-back legislation［J］.Production and Operations Management，2009，18（3）:243-258.

［9］Wager P A，Hischier R.Life cycle assessment of post-consumer plastics production from waste electircal and electronic equipment（WEEE）treatment residues in a central European plastics recycling plant［J］.Science of the Total Environment，2015，529（10）:158-167.

［10］计国君，黄位旺.WEEE回收条例有效实施问题研究［J］.管理科学学报，2012，15（5）:1-9.

［11］胡燕娟，关启亮.基于复合渠道回收的闭环供应链决策模型研究［J］.软科学，2009，23（12）:13-17.

［12］Shi Y，Nie J，Qu T，et al.Choosing reverse channels under collection responsibility sharing in a closed-loop supply chain with remanufacturing［J］.Journal of Intelligent Manufacturing， 2013，26（3）:387-402.

［13］Avila G.Product development for RoHs and WEEE compliance［J］.Printed Circuit Design and Manufacture，2006，23（5）: 28-31.

［14］曹柬，胡强，楼婷渊，等.基于政府环境规制的再制造供应链决策机制［J］.中国机械工程，2012，23（22）:2 694-2 702.

［15］江世英，李随成.考虑产品绿色度的绿色供应链博弈模型及收益共享契约［J］.中国管理科学，2015，23（6）:169-176.

［16］Chen J Y，Sheu J B.Environmental-regulation pricing strategies for green supply chain management［J］.Transportation Research Part E:Logistics and Transportation Review，2009，45（6）:667-677.

［17］Plambck E L，Wang Q.Effects of e-waste regulations on new product introduction［J］.Management Science，2009，55（3）:333-347.

［18］Atasu A，Subramanian R.Extended producer responsibility for e-waste:individual or collective producer responsibility？［J］. Production and Operations Management，2012，21（6）:1 042-1 059.

［19］Toyasaki F，Boyaci T，Verter V.An analysis of monopolistic and competitive take-back scheme for WEEE recycling［J］. Production and Operations Management，2011，20（6）:805-823.

［20］Moorthy K S.Product and price competition in a duopoly［J］. Marketing Science，1988，7（2）:141-165.

Study on WEEE Close-loop Supply Chain Recycling and Treatment Mode with Design for Environment Consideration

Zhang Xuemei1，2，Cao Jian2，Hu Xiaoqing1，2
（1.Ningbo Dahongying University，Ningbo 315175；2.School of Economics，Trade&Management，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

In this paper，in view of the case where the electrical and electronic equipment（EEE）manufacturer recycled independently the waste electrical and electronic equipment（WEEE），we analyzed the decision-making problem respectively under the separate recycling responsibility system and the collective recycling responsibility system.Next we established the benefit function under the two systems and analyzed the influence of different responsibility systems on the manufacturer selection of the design for environment.

WEEE recycling and disposal；design for environment；close-loop supply chain；recycling and disposal mode；manufacturer difference

F274；F224

A

1005-152X（2016）06-0138-08

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.06.033

2016-05-07

宁波大红鹰学院校科研基金（1320151003）

张雪梅（1990-），女，浙江湖州人，硕士，助教，研究方向：逆向物流、绿色供应链管理；曹柬（1973-），男，浙江宁波人，博士后，教授，研究方向：绿色制造及供应链管理、政府规制；胡晓青（1989-），女，浙江湖州人，硕士，助教，研究方向：物流与供应链管理。