模糊供给下生物质发电燃料供应链模式研究

檀勤良,王瑞武,潘昕昕,张兴平,张 充

(1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206； 2.北京能源发展研究基地，北京 102206)

模糊供给下生物质发电燃料供应链模式研究

檀勤良1,2,王瑞武1,潘昕昕1,张兴平1,张 充1

(1.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206； 2.北京能源发展研究基地，北京 102206)

本文以生物质发电供应链为背景，将农户的秸秆供给数量作为模糊变量，在两种供应模式下建立秸秆燃料供给模型，通过模型推导和算例模型分析了两种模式下供应链三方契约数量及秸秆供给情况。研究结果表明：中间商的利润水平很大程度上决定了农户的供给数量和电厂的收购数量，在农户→中间商→电厂的供给模型中，中间商主动承担农户的固定成本，可以很好促进农户秸秆的供给，但在一定程度上会加大中间商的风险；而在农户→农村正式组织→电厂的供应模式下，农户的供给数量始终保持在较高的水平。

生物质发电；供应链；农村正式组织；模糊供给

一、引言

随着经济发展和社会进步，我国面临着越来越严重的环境污染问题和能源安全压力，因此迫切需要发展可再生清洁能源来替代传统能源。生物质能作为一种清洁能源，储量丰富且可再生，具有广阔的发展前景。2006年，山东单县生物质能发电厂作为我国第一个生物质能发电厂正式投产运营，标志着我国正式开始大力发展生物质发电产业。此后，国家和地区分别出台了有关生物质能源产业财政补贴及价格政策来扶持生物质发电产业的发展，截至2015年，生物质能利用量约3500万吨标准煤。2016年10月28日，国家制定了《生物质能发展“十三五”规划》，预计到2020年，生物质能产业新增投资约1960亿元，生物质能产业年销售收入约1200亿元，提供就业岗位400万个，农民收入增加200亿元，经济和社会效益明显。

目前我国生物质发电产业发展较为缓慢，制约生物质发电产业发展的主要因素是秸秆燃料收集困难。针对这个问题，学者分别从农户秸秆供给行为、供给意愿、供应链协调和定价机制等方面进行了研究，并且取得了显著的研究成果。王舒娟和张兵通过分析问卷调查获得的数据，对农户出售秸秆的影响因素进行分析，发现市场秸秆价格、农户当前处理秸秆方式、政府政策和其他农户的行为对农户影响较大[1]；檀勤良等利用因子分析法识别农户秸秆供给行为和农户供给意愿影响因素，并用Logistic模型进行分析，提出了由农户、公益基金组织和电厂三方组成的新型秸秆供应运行模式[2]；张永等通过系统动力学建模对生物质能供应链进行模拟，协调供应链的运行机制[3]，许永龙和李龙洙对整个供应链管理系统的优化问题进行了分析，建立整体效益最优批量模型[4]；刘华军等在分析生物质能发电产业特性及竞争态势的基础上，分析比较了多种生物质发电电价的定价模式的优劣[5]。此外，魏巧云[6]、鲍香台[7]分别对生物质发电供应链的物流成本和运输方式进行了研究。但生物质发电产业发展时间较短，各地区供给秸秆类型、供给方式存在较大差异，由于缺乏历史数据，很难用确切的供给函数来描述农户的秸秆供给情况。并且，秸秆作为农产品的附加物，农户可以秸秆还田、秸秆收集等多种处理方式。因此农户秸秆的供给行为及供给量具有较强的模糊性。本文就是基于这一问题，将农户的秸秆供给作为模糊变量，通过实地调研获取数据来确定参数，在模糊供给下建立两种生物质发电供应模型，分析其在模糊环境下的优劣。国内外许多学者对模糊环境下的供应链优化研究较多，成果较为丰富。吴隽等利用证据推理和粗集理论来处理主观判断信息和客观历史信息，从而选择更符合条件的供应链合作伙伴[8]；桑圣举和张强基于模糊截集理论，建立了模糊需求下N级供应链的分散决策模型、集中决策模型和收益共享契约机制，并给出各个模型的最优策略[9]；王宁宁等对模糊需求下供应链的协调进行优化，进一步考虑了零售商的公平关切行为对整个供应链协调的影响[10]；Ruoning Xu和Xiaoyan Zhai在模糊需求不确定情况下探讨了两阶段供应链协作问题[11]；Biao Zhang在引入模糊随机变量的情况下对基于两级回购合同的报童模型进行了研究，在分散决策和集中决策两种情况下分析了供应链协调的条件[12]。但鲜有对模糊供给下的生物质发电供应链模式选择和供应链优化方面的研究。

二、农户模糊供给下的供应链模式研究

通过实地调研和查阅相关文献，发现目前生物质发电供应链的主要运营模式有三种，即：农户→电厂，农户→中间商→电厂，农户→农村正式组织→电厂。其中，农户→中间商→电厂模式是主流的供应模式，中间商或者代理人受利益驱动，会主动到田间收集农户的秸秆，经过干燥、打包等预处理后，运送到电厂，这种模式下，农户前期资金投入较少，有利于供应链上游农户端供给数量的增加，同时也减少电厂对干燥、打捆等设备的资金投入。但这种模式也面临着较多的问题：(1)对中间商或代理人的资金实力有一定要求，中间商或代理人不仅需要出资购买秸秆燃料打捆、运输等设备，还需要有秸秆燃料的储存仓库，在农村中准入门槛较高；(2)中间商或代理人为了维持一定的利润水平，一方面与电厂讨价还价，要求较高的收购价格，另一方面，压低农户的收集价格，打压了农户供给秸秆的积极性，使电厂收集秸秆困难、秸秆燃料供不应求；(3)随着新增生物质电厂的投产运行，对生物质秸秆的需求逐渐增大，地区间生物质电厂可能存在恶性竞争，中间商趁机哄抬价格，导致价格偏离价值，影响电厂正常运行，使整个供应链不断恶化。

农户→电厂模式则是最理想的供应模式，去除了中间商，可以使农户和电厂获得整个供应链的利润。但在目前条件下实施起来难度较大，仅适合小数量供应，主要是因为：(1)生物质秸秆在运送到电厂前，需要进行收集、干燥、打捆等预处理，机器设备价格相对较高，前期资金投入较大，对农户来说负担过重；(2)秸秆的收集工作需要大量的劳动力，而农村中青壮年部分选择进城打工，劳动力匮乏；(3)秸秆收集工作在农村推广起来较为困难，农户供给意愿较弱，而电厂工作人员人数较少，寻租成本大；(4)电厂对农户直接供给的秸秆质量不好控制，会额外增加电厂的检验、处理成本和人工成本，农户的无序供给也会额外增加管理成本。

在对生物质发电供应链的优化过程中，很多学者提到了由当地政府或者村委会组织农户供给秸秆，或者由村委会和农户共同成立公益基金组织来承担起中间商的角色，也就是本文中的农户→农村正式组织→电厂模式。在这种供应模式下，一方面可以充分发挥当地政府或村委会在农户中的号召力，提高农户供给意愿，促使农户做出供给行为，提高供给数量，农村正式组织获得的利润理论上属于农户，即使农村正式组织以较低的价格收购秸秆，农户也有供给意愿，这部分利润可以集中起来促进新农村建设。另一方面，由农村正式组织及农户共同承担初始的资金成本，减小农户前期资金投入负担。但这种模式下也有些问题亟需解决：(1)搭便车现象较为严重，农户希望获得收集秸秆的收益，却不愿意承担初期资金投入；(2)农村正式组织由村委会和农户共同成立，容易出现管理问题，运作效率可能低于中间商或代理人；(3)农村正式组织在利润分配上可能会产生一定的问题，影响供应链的正常运行。

因此，本文中主要基于模糊供给条件下讨论农户→中间商→电厂、农户→农村正式组织→电厂这两种供应模式。

(1)

=s1+(s2-s1)λ

(2)

=s3-(s3-s2)λ

(3)

(4)

三、农户→中间商→电厂模式下的模糊供给模型

在农户→中间商→电厂这种供应链模式下，电厂通过计算秸秆的热值单价，核算成本，结合当地秸秆市场的供求情况，为中间商提供价格数量契约，保证中间商可以契约的价格供给一定数量的秸秆，设契约数量为q，中间商根据这个价格数量契约向农户提供秸秆收集价格，则农户、中间商、电厂以及整个供应链的利润分别为：

(5)

-caf*q

(6)

-cef*q

(7)

(8)

其中：cfv为农户的可变成本，包括收集、储存成本和土地补偿成本，p1为中间商给农户提供的秸秆收集价格，cff表示为完成契约数量而雇佣的人力成本和农户的固定成本，即机器设备的初始资金投入；cav为中间商的可变成本，包括收集、预处理、运输和储存成本，caf为中间商的固定资产投入，p2为电厂给中间商提供的秸秆价格；cev为电厂的可变成本，即处理和储存成本，cef为除发电设备外的固定资产投入，专指为收集、储存燃料投入的固定成本，p3为电厂在当前发电小时数下的盈亏平衡燃料价格。

(9)

此时，农户的模糊期望利润为：

(10)

(11)

此时，农户的模糊期望利润为：

(12)

综上，农户的模糊利润为凹函数。根据中间商给农户提供的收集价格，农户的最优契约数量为：

(13)

中间商服从理性经济人假定，追求利益最大化，同理可计算中间商的模糊期望利润，如(14)式所示，其对q的二阶导数均小于零，为凹函数，中间商的最优契约数量如(15)式所示：

(14)

(15)

生物质电厂作为企业个体，经营过程自负盈亏，计算电厂的模糊期望利润，用(16)式表示，其

对q的二阶导数均小于零，为凹函数，中间商的最优契约数量如(17)式所示：

(16)

(17)

在农户→中间商→电厂这种供应链模式下，农户作为供给数量决定者，直接影响自身、中间商和电厂的利润收益，因此，在农户最优决策条件下，农户、中间商和电厂的模糊利润分别为：

(18)

(19)

(20)

当整个供应链的农户、中间商和电厂集中进行决策时，整个供应链的利润可以表示为：

(21)

整个供应链的模糊期望利润为：

(22)

在两种情形中整个供应链的模糊期望利润对q的二阶导数均小于零，为凹函数，可以求得最优契约数量为：

(23)

四、农户→农村正式组织→电厂模式下的模糊供给模型

在农户→农村正式组织→电厂供应链模式下，农村正式组织取代中间商成为电厂与农户之间的桥梁，农村正式组织的利润函数可以用式(24)表示：

-ccf*q

(24)

其中：ccv为农村正式组织的可变成本，包括收集、预处理、运输和储存成本，ccf为农村正式组织的固定资产投入。

在这种组织模式下，农户作为农村正式组织的组成部分，农村正式组织在经营过程中所获得的归农户集体所有，所以决定农户秸秆供给数量的不仅是个人所得收入，还有农村正式组织的收入，我们用式(25)来表示农户的效用，以此衡量农户供给情况：

(25)

其中0<α<1。

农户的模糊期望效用为：

(26)

农户的模糊期望效用对q分别求二阶导数，均小于零，农户的模糊期望效用为凹函数，令其一阶

导数等于零，求得该模式下农户的最优契约数量为：

(27)

五、算例分析

为了更好地分析上述两种生物质发电供应模式，现以某生物质电厂为例进行实际分析。本文在这里主要分析：(1)不同价格水平下，农户、中间商和电厂的最优契约数量研究，以及整个供应链进行集中决策时最优契约数量比较；中间商在不同的期望利润水平下，电厂秸秆燃料收购价格与农户供给情况；(2)中间商与农户之间固定成本不同分摊模式下的供给数量研究；(3)在农户→农村正式组织→电厂供应链模式下，秸秆收购价格对农户供给数量的影响。

电厂收集秸秆的盈亏平衡价格为285元/t，也就是说，当收购价格与最后处理成本高于285元/t时，电厂就会面临亏损，各个变量的单位成本如表1所示。

1.电厂给中间商提供一个契约价格，中间商按照期望利润水平，给农户提供一个契约价格，文中考虑10%和20%两种情况，当价格发生变化时，观察农户、中间商及电厂的最优契约数量以及模糊期望利润，如表2和表3所示。

结合表中数据，当中间商维持10%的利润率时，随着电厂提供给中间商的价格的不断上升，农户的契约数量不断增加，电厂的契约数量则不断减少，中间商则维持在一个比较稳定的水平。在低水平价格下，农户契约数量较少，期望利润较低，农户供给意愿较弱，电厂可能会面临秸秆燃料满足不了需求的情况；在高水平价格下，农户供给数量相对增加，略高于模糊供给数量的期望值，而此时，电厂利润随着价格升高急速下降，电厂契约数量不断减小。同时，可以从表中看出，秸秆燃料收购价格变化对农户整体利润水平影响较大，但其对农户秸秆供给数量影响作用较小。

表1 生物质发电供应链各变量单位成本

表2 契约价格与最优契约数量关系表(中间商期望利润10%)

表3 契约价格与最优契约数量关系表(中间商期望利润20%)

结合表2和表3数据，随着中间商利润的扩大，其期望的契约数量不断增加，而农户供给数量快速下降，电厂也期望减少秸秆收购，整个供应链趋向恶化。

在这种模式下，农户、中间商和电厂的集中决策，得出的最优决策数量可以使供应链得到协调，并且优于分散决策，集中决策过程的利润分配则需要继续研究。

2.假定中间商维持10%的利润水平，调整中间商和农户之间固定成本分摊模式，即由中间商主动承担农户的固定成本，观察当电厂给中间商的价格约为240元时，供给情况的变化。从表4中可以看出，随着中间商分担农户固定成本比例的增加，农户供给数量不断增加，农户和中间商的模糊期望利润也不断增加，但是中间商的契约数量却不断下降，主要原因是中间商前期的固定资产投入过大，风险也逐渐增加。

3.农户→农村正式组织→电厂供应链模式下，农户的效用不仅取决于农户获得的利润，还取决于农村正式组织获得的利润，即农户对农村正式

组织的归属程度，随着α的增大，农户效用增加。现假定电厂给中间商的价格约为240元时，α=0.3，通过农村正式组织调整给农户的收购价格，观察农户秸秆的供给数量。通过对比表2和表5，即使农村正式组织给农户的收购价格较低时，刚好可以弥补农户的所有成本，农户的契约数量仍然可以保持较高的水平，保证整个供应链良好运行，所以农村正式组织的出现可以很好的促进农户的秸秆供应。

六、结论与政策建议

本文以生物质发电供应链为背景，将农户的秸秆供给数量作为模糊变量，在农户→中间商→电厂和农户→农村正式组织→电厂这两种供应模式下建立秸秆燃料供给模型，通过模型推导和算例模型分析了两种模式下供应链三方契约数量及秸秆供给情况。在农户→中间商→电厂模式下，中间商的利润水平很大程度上决定了农户的供给数量和电厂的收购数量，供应链各组成部分的最优契约数量对价格波动相对敏感；中间商和农户之间固定成本不同的分摊情况对双方影响较大，中间商主动承担农户的固定成本，可以很好促进农户秸秆的供给，虽然中间商的利润相对增加，但中间商的契约数量却减少更多，这是由于中间商资金的大量投入增大了中间商的风险；而在农户→农村正式组织→电厂的供应模式下，即使农村正式组织给农户的收购价格较低时，农户的契约数量仍然可以保持较高的水平，体现出农村正式组织对农户收集秸秆有较好的促进作用。

表4 不同固定成本分摊模式下最优契约数量关系表

表5 契约价格与最优契约数量关系表

根据以上结论，为了促进生物质发电供应链的协调，提高农户秸秆燃料供给，提出以下建议：(1)本文中，预期收益和固定投资成本对农户秸秆燃料供给的影响较大，中间商或代理人积极承担农户固定投资成本有利于提高农户供给意愿，农户→农村正式组织→电厂模式具有较大的可行性，值得推广；(2)在两种模式下，供应链的集中决策结果优于分散决策结果，恰当的引入收益共享机制和风险补偿机制可以激励中间商积极承担风险，促进农户供给；(3)充分发挥政府在生物质发电供应链上的作用，一方面，国家和地方政府出台政策，补贴发电企业高额发电成本，另一方面，村委会等基层组织应该引导农户合理的处理秸秆。参考文献：

[1] 王舒娟,张 兵.农户出售秸秆决策行为研究[J].农业经济问题.2012(6):90-96,112.

[2]檀勤良,邓艳明等.农业秸秆综合利用中农户意愿和行为研究[J].兰州大学学报(社会科学版).2014,42(5):105-111.

[3] 张 永,陈晓娇,景月明.生物质能供应链的系统动力学建模研究[J].物流技术.2009(10):114-116.

[4]许永龙,李龙洙.供应链系统整体效益最优批量模型的研究[J].中国软科学.2003(4):146-148,145.

[5] 刘华军,闫庆悦,秦阳.中国生物质能发电定价机制与模式研究[J].中国科技论坛.2011(9):121-127.

[6] 魏巧云.生物质发电秸秆供应链物流成本研究[D].中国农业大学.2014.

[7] 鲍香台,张 永.生物质能供应链收集运输方式的仿真优化研究[J].物流技术.2011(23):165-168.

[8]吴 隽,张剑英,任丽娟.基于证据推理与粗集理论的供应链合作伙伴选择方法研究[J].中国软科学.2005(3):130-133.

[9] 桑圣举,张 强.模糊需求下n级供应链的收益共享契约机制研究[J].中国管理科学.2013,21(3):127-136.

[10] 王宁宁,王晓欢,樊治平.模糊需求下考虑公平关切的收益共享契约与协调[J].中国管理科学.2015,23(8):139-147.

[11] XU RUONING, ZHAI XIAOYAN.Analysis of supply chain coordination under fuzzy demandin a two-stage supply chain[J].Applied Mathematical Modelling.2010,34:129-139.

[12] ZHANG BIAO, LU SONGFENG, ZHANG DI, WEN KUNMEI.Supply chain coordination based on a buyback contract under fuzzy random variable demand [J].Fuzzy Sets and Systems.2014,255:1-16.

(本文责编：海 洋)

Research on Supply Chain Model of Biomass Power Generation under Fuzzy Supply

TAN Qin-liang1,2, Wang Rui-wu1, Pan Xin-xin1, Zhang Xing-ping1, Zhang Chong1

(1.SchoolofEconomicsandManagement,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;
2.ResearchCenterforBeijingEnergyDevelopment,Beijing102206,China)

In this paper, we take the farmers’ straw supply quantity as fuzzy variable with the background of the supply chain of the biomass power generation.We set the supply models of straw fuel in two kinds of supply mode.The contract quantity of three parts and the supply amounts in two modes are analyzed through model derivation and example analysis.The results show that: The profit of the intermediary determines the supply quantity of the farm households and the contract quantity of the biomass power generation to a large extent.In the supply model of farmers, middlemen and power plant, middlemen taking responsibility for the fixed cost of farmers can be good to improve the supply of the straw fuel from farmers, but it will increase the risk of intermediate business in a certain extent.In the supply model of farmers, formal organization and power plant, the supply quantity of farmers always keep in a high level.

biomass power generation；supply chain；formal organization in rural areas；fuzzy supply

2016-11-09

2017-01-03

国家自然科学基金项目“考虑农户和农村组织行为的生物质发电供应链优化及协同机制研究”(71373077)；北京市共建项目“北京市新能源产业现状与发展对策研究”(GJ2013012)。

檀勤良(1969—)，男，福建福州人，华北电力大学经济与管理学院教授、博士生导师，博士，研究方向: 技术经济评价与优化。

F252.1

A

1002-9753(2017)02-0123-09