面向网购的低碳供应链超网络优化模型及其应用

吴义生，吴顺祥，白少布，朱振涛

(1.南京工程学院经济与管理学院，江苏 南京 211167；2.厦门大学信息科学与技术学院，福建 厦门 361005)



面向网购的低碳供应链超网络优化模型及其应用

吴义生1，吴顺祥2，白少布1，朱振涛1

(1.南京工程学院经济与管理学院，江苏 南京 211167；2.厦门大学信息科学与技术学院，福建 厦门 361005)

针对网购背景下低碳供应链网络优化问题，运用超网络理论构建了供应链超网络模型。在此基础上，根据变分不等式与优化问题之间的关系，建立了基于供应链各成员企业的单体超网络优化模型，以及基于供应链所有成员企业的整体超网络优化模型。并对两种模型进行了应用比较分析，结果表明：在供应链各成员企业的利润最大化条件下，企业进行低碳运营投入，能实现其社会环保效益，但其经济效益受到影响；在供应链整体利润最大化条件下，企业进行低碳运营投入，在一定程度上能同时实现两种效益。

网购；低碳供应链；超网络；优化；模型

1 引言

随着经济的发展，CO2的排放不断增加。据统计[1]，全球CO2的排放在2002年是400亿吨，2030年将达到580亿吨。面对严峻的现实，各国政府已经意识到，必须发展低碳经济，才能带来可持续发展。作为经济发展的主体——供应链，在此背景下，也必须将低碳、节能和环保等理念逐渐渗透到业务运营之中，才能赢得发展空间，从而得到社会的认可，最终实现经济效益和社会效益的双重目标。与此同时，网购已发展成为消费者重要的一种购物方式。一方面，网购促进了低碳供应链的运作。首先，网购中的销售方不需要建立实体店铺，只需要电脑和网线设备就可以轻松实现商务活动，因而也就消除了实体店铺在经营过程中对能源尤其是电能的消耗，从而降低了碳排放。其次，网购中的购买方可以待在家中或办公室里，做到足不出户就可以完成网上购物活动，不需要乘车往返于商场进行购物，因此也就消除了乘坐汽车等交通工具对于石油或天然气的消耗，因此降低了碳的排放。最后，网购中电子订单的下达与处理、网上支付减少了碳排放，省掉了纸质的定单和对账单。因此，网购给买卖双方带来便捷的同时，也减少了能源的消耗，降低了碳排放。另一方面，网购带来了大量包装材料的生产，而这些材料并没有得到很好的回收利用，因此，在这方面，网购增加了碳排放。另外，很多消费者通过网站了解的商品与真实的商品存在一定的差距，收货后一旦发现商品与自己的需求存在很大差异后，就会退货，这也导致了运输和配送环节碳排放的增加。在上述背景下，低碳供应链和网购必须相互协调发展，才能实现低碳目标。首先，低碳供应链必须对网购的需求做出快速反应；其次，网购只有在低碳供应链的系统思想指导下，才能整合相关资源，实现超越实体购物的经济社会效益。同时，由于面向网购的低碳供应链包含多个节点企业，各节点企业之间通过物流、资金流和信息流进行着不同类型、不同层次的业务联系，因此，其具有超网络的多网络叠加特征以及超网络的多准则、多属性、多维、多级和多层的性质，运用超网络模型能对面向网购的低碳供应链进行有效和客观的描述。

目前，与本文相关的研究主要体现在以下三个方面：

一是低碳供应链研究。Elhedhli和Merrick[2]提出了碳排放和车重的关系模型，模型求解结果表明碳排放明显影响最优结果。杨磊、郑晨诗和纪静娜[3]针对供应链碳排放量和碳价格信息的不对称问题，根据“基准法”的碳配额分配机制，构建了以制造商为核心企业的两级供应链模型，分析了供应链成员的信息谎报行为及其对供应链绩效的影响，并运用收益共享契约对对零售商的谎报行为进行协调，使供应链绩效达到最优。赵道致、原白云和徐春明[4]从合作减排的角度，构建了基于制造商和供应商的两极供应链微分博弈模型，得到了供应链的最优均衡策略和利润最优函数。陈剑[5]在对供应链管理研究现状总结的基础上，指出不同回收模式下和考虑顾客选择行为的低碳供应链的运作优化是低碳供应链管理重点之一。Benjaafar S、Li Yanzhi和Daskin M[1]分析了合作减排对供应链碳排放和运营成本的影响，在此基础上，提出了供应链成员企业的合作减排策略。Gong Xiting和Zhou[6]分析了碳排放交易对生产商产出的影响，在此基础上，得出了考虑成本最小的碳交易与产出的最优决策。Hsu等[7]从碳管理方面分析了供应商选择应考虑的相关因素，在此基础上，得出了影响供应商选择的两个重要因素。游达明、朱桂菊和岳柳青[8]针对低碳供应链研发、促销与定价问题, 构建了微分博弈模型，将产品低碳度和商誉作为状态变量, 综合分析了价格和非价格因素对市场需求的影响。

二是网购供应链研究。朱道立、胡一竑和徐最[9]认为网购供应链由消费者、快递商、网店及其供应商构成，通过电子商务实现网购的信息流和资金流，通过快递商实现物流。姚建明[10]在分析网购供应链的资源整合特征基础上，提出了资源整合的主导因素，基于网购供需服务能力的动态协调与均衡的视角，构建了整合决策模型，并提出了模型求解方法。吴义生和白少布[11]针对低碳和网购背景，提出了考虑运营成本最小的供应链设计模型，并从运营和网络设计等两方面进行了应用。姚建明[12]分析了网购供应链资源整合的特征和网购个性化物流服务模式，提出了资源整合的主导因素，建立了整合决策的优化数学模型。

三是供应链超网络研究。超网络概念是由Sheffi[13]最先提出并应用，Sheffi认为超网络是超于现存网络的网络，是“网络中的网络”。Nagurney建立了世界上第一个超网络研究中心，并与Dong合作出版了第一本超网络专著[14]。马秋卓、宋海清和陈功玉[15]针对多供应商、 多制造商和多市场的三级供应链决策问题，以碳交易子网和供应链子网为基础构建了一个超网络模型，分析了产品最优定价及产量的均衡决策条件。田俊峰、杨梅和岳劲峰[16]根据供应链的多层特征，提出了考虑道路交通网络规划的供应链超网络设计模型。甘蜜、闫英和陈思[17]综合考虑了物流需求和交通网络，提出了供应链超网络结构，构建了其优化模型。Masoumi、Yu Min和Nagurney[18]提出了考虑电子商务、多目标决策和时间约束的供应链超网络模型。马军、董琼和杨德礼[19]针对三层供应链超网络，运用风险发生概率及其损失函数描述了供应链成员企业的运营中断风险，在此基础上，构建了供应链超网络均衡模型。王治莹和李春发[20]提出了生态工业链超网络模型，并运用变分不等式描述了各层企业的运营，得出了模型的均衡条件。王莎莎和王志平[21]建立了动态环境下基于移动通信的闭环供应链超网络模型．在该模型中，各层决策者可以通过线上和线下两种手段进行交易。模型以各层决策者寻求利益和风险的均衡点作为优化目标，并通过变分不等式理论对该模型进行求解。

综上所述，对低碳供应链的研究主要集中于碳排放的来源和量化、碳排放的影响因素、低碳供应链结构及其优化或协调模型、降低碳排放的策略和不同决策下的博弈分析。从网购的角度对供应链的研究主要是围绕网购供应链的概念、特点、结构、优化模型与求解和决策展开的。对供应链超网络的研究主要集中于从库存、运输网络、物流需求、电子商务、风险等单个角度构建了供应链超网络模型，有的研究是结合某个行业构建了供应链超网络优化模型，有的研究基于网购的最新发展——线上和线下双渠道联动而构建了供应链超网络优化模型。有的文献从低碳的角度构建了供应链超网络模型，个别文献同时从低碳和网购的角度对供应链的网络设计进行了研究。尚未发现同时从低碳和网购的角度对供应链进行超网络建模的研究，也没有发现从以上两个角度对供应链网络进行优化的研究。

鉴于上述分析，本文以网购为背景，在低碳环保理念指导下，建立低碳供应链超网络模型，并对其进行优化，以期为新形势下的供应链管理者提供决策参考。

2 超网络模型

面向网购的低碳供应链是由供应商、网店运营商、快递运营商、回收商和顾客构成，并将绿色、低碳、环保的理念和技术融入到供应、销售和配送等环节之中，且在各个环节充分考虑CO2排放效应，降低CO2排放量，使其达到最小值，从而降低对环境负面影响的供应链[22]。其中，供应商通过第三方物流企业向网店供货，网店接受客户订单后，通过快递商向客户配送商品；或者，供应商通过网店转来的客户订单，直接通过快递商向客户配送商品。回收商负责纸箱和塑料袋等包装材料的回收再利用；快递运营商既负责网购商品的正向配送，又负责包装材料或退货的反向配送。

根据上述分析，面向网购的低碳供应链超网络模型如图1所示。其中，供应商和网店之间既可以通过线下，也可以通过线上方式进行交易；网店、快递商和客户之间主要通过线上方式进行交易；回收商和客户之间主要通过线下方式进行交易。另外，供应链各成员企业之间涉及到物流、信息流、商流和资金流等多网络流的叠加。因此，面向网购的低碳供应链具有超网络的多层级、多节点和多流量的特点，属于超网络结构。在图1中，供应商表示为i，i∈{1,2,…,I}，I为供应商总数；网店表示为j，j∈{1,2,…,J}，J为网店总数；快递商表示为k，k∈{1,2,…,K}，K为快递商总数；客户表示m，m∈{1,2,…,M}，M为客户总数；回收商表示为n，n∈{1,2,…,N}，N为回收商总数。

图1 面向网购的低碳供应链超网络模型

3 超网络优化模型的构建

为了模型的有效性，本文作以下假设：(1)消费者网购时，主要考虑网购平台的品牌认知度和商品的价格；(2)快递商只考虑运输过程中产生的碳排放，其它过程的碳排放不考虑；(3)回收商主要从事回收包装材料，不考虑网购中的退货或返修；(4)供应商和网店的单位低碳采购成本和单位低碳交付成本相等。

3.1建模依据

变分不等式理论是由Fichera最先提出，Stampacchia将其应用于偏微分方程，并首次证明了变分不等式解的存在性和唯一性。之后，变分不等式理论被广泛应用于超网络的均衡解问题，如运输网络[23]、供应链网络[24]和互联网[25]等。变分不等式的主要原理如下[14]：有限维的变分不等式问题VI(F,K)，就是求解一个向量X*∈K满足〈F(X*),X-X*〉≥0，∀X∈K，其中，K是闭凸集，F(X):K→Rn是连续函数，〈·,·〉表示定义在Rn上的内积。假设存在一点X*∈K，满足：MinF(X)，则X*是变分不等式X*∈K:〈F(X*),X-X*〉≥0的解。其中，F(X*)表示F对X各个分量的梯度。有约束最优化问题

其中，Fi:RniR是一个可微凸函数是由第j个约束条件的相关系数组成的向量，X={X1,X2,…,Xm}。

(1)

3.2单体优化模型的构建

3.2.1 供应商运营优化模型

(3) 供应商运营优化模型。供应商的利润等于销售收入减去其运营成本，因此，供应商s的利润最大目标函数MaxPS，其中:

(2)

(3)

3.2.2 网店运营优化模型

(3) 网店运营优化模型。网店的利润等于其销售收入减去其运营成本，因此，网店的利润最大目标函数MaxPO，且:

(4)

(5)

3.2.3快递商运营优化模型

(3)快递商运营优化模型。快递商的利润等于其服务收入减去其运营成本，其利润最大目标函数MaxPE，且:

(6)

设快递商的所有成本函数和收入函数都是连续可积的凸函数，则快递商的最优化运营可以描述如下：

(7)

3.2.4 消费者行为优化模型

消费者既是商品的需求方，又是包装材料的供应方。同时，消费者网购商品是为获取该商品的使用权，而供应链上其它成员企业的运营是为了盈利。另外，包装材料的销售与一般商品的销售也不尽相同，因此，消费者行为优化与其它供应链成员企业的运营优化是有显著区别的。鉴于上述分析，本文分别从消费者的网购行为和回收行为等两个方面进行分析。

(8)

(9)

其中，qmn为回收量。当qmn>0，表明消费者成功响应回收；当qmn=0，表明消费者未响应回收。公式(9)表明消费者从回收价格和回收便捷性两方面考虑是否响应回收包装材料。

(3)优化模型。综合上述分析，消费者行为优化模型可以描述为如下变分不等式：

(10)

3.2.5 回收商运营优化模型

单位销毁处理费。因此，总的回收成本:

(3)回收商运营优化模型。回收商的利润最大目标函数MaxPR，且:

(11)

设回收商的成本函数和收入函数都是连续可积的凸函数，则回收商的最优化运营可以描述如下：

满足如下条件时qmn的最优解(qmn)*。

(12)

3.3整体优化模型

3.3.1 整体优化模型的构建

当面向网购的低碳供应链各成员企业之间的物流、信息流和资金流同时满足公式(3)、公式(5)、公式(7)、公式(10)和公式(12)时，整体优化模型就被建立起来了。为此，整体优化模型可以描述如下：

求解向量X*∈K，满足:

〈F(X*),X-X*〉≥0，∀X∈K

(13)

3.3.2 优化模型的求解

4 模型应用

本部分结合应用实例，运用Matlab7.10 R2010a软件对上述两类模型的euler求解算法进行求解，设置euler算法的收敛精度ε=0.01。在此基础上，对两类模型进行比较分析。

4.1单体优化模型应用

求解结果见表1。其中，表1中的PS、PO、PE和PR的单位为万元。

4.2整体优化模型应用

4.3单体优化和整体优化的比较分析

综合上述两种优化仿真结果，可以得出以下结论：

结论1：就供应链核心企业——网店而言，在单体优化模型中，随着网店单位低碳计划成本的增加，网店的销售量是不断增加的，但网店的利润是不断下降的。在整体优化模型中，随着网店单位低碳计划成本的增加，网店的利润不仅没有下降，反而有所增加。这说明，实施低碳供应链管理，客户的低碳意识比未实施低碳供应链管理时强，从而导致销售量提升所带来利润的增加幅度大于低碳运营成本的增加幅度。

结论2：就回收商和消费市场而言，无论在单体优化模型中，还是在整体优化模型中，随着回收便捷度的增加，回收量和回收商利润都随着增加，回收价格有所下降，且后者利润增加的幅度和回收价格下降的幅度大于前者。这说明，一方面，随着回收便捷度的增加，消费者可以接受较低的回收价；另一方面，实施供应链管理给供应链各成员企业带来了共赢的效果。

结论3：就供应商和快递商而言，在单体优化模型中，随着供应商单位低碳采购成本的增加或随着快递商单位低碳运输成本的增加，供应商的利润或快递商的利润是不断减少的；在整体优化模型中，随着供应商单位低碳采购成本的增加或随着快递商单位低碳运输成本的增加，供应商的利润或快递商的利润不仅没有下降，反而有所上升。这说明，实施低碳供应链管理，尽管供应商增加了低碳运营成本，但由于网店商品需求量的增加，导致供应商供应量增加所带来利润的增加幅度大于其低碳运营成本增加的幅度；同样，尽管快递商增加了低碳运营成本，但由于网店商品需求量的增加，导致快递业务量增加所带来利润增加的幅度大于其低碳运营成本增加的幅度。因此，供应链管理能带来供应链所有成员企业的整体利益最大化。如果供应商或快递商不作为某一供应链成员，接受该供应链核心企业的统一管理，只考虑本企业的利润最大化，尽管作了低碳努力，但并不能实现企业的长远经营效益。

5 结语

通过上述研究表明，本文的供应链各成员企业如果只考虑自身的利益最大化，供应商和快递商增加低碳运营成本，利润就会减少；网店增加低碳运营成本，虽然其销售量有所上升，但网店的利润是下降的；回收商通过提升回收便捷度而增加低碳运营成本，其回收量和利润都增加，且回收价格有所下降。如果供应链各成员企业考虑供应链整体利益的最大化，供应商、网店和快递商增加低碳运营成本，它们的利润不仅没有下降，反而有所增加。另外，回收商无论是考虑自身利益最大化，还是整体利益最大化，如果回收商增加回收便捷度，虽然导致了低碳运营成本的增加，但其回收量和利润都随着增加，且后者利润的增加幅度和回收价格下降的幅度都大于前者。

根据上述结论，网购背景下低碳供应链进行运营决策时应加强和重视以下策略：

(1)在控制碳排放的基础上建立碳交易市场。政府应充分考虑当前我国网购发展状况和运营规律，制定适合网购行业发展的政策法规和行业标准，严格限制碳排放，积极推进企业低碳化运营。考虑到企业的成本压力，可以给予低碳运营的企业适量的财政补贴或税收优惠，鼓励企业实施低碳管理模式和低碳运营技术等。在此基础上，建立与我国国情相适应的碳排放交易市场。一旦碳变成一种可交易的商品，减排的碳可以通过交易获得一定的收入，这样会大幅增强企业低碳运营的积极性。

(2)加强供应链成员企业之间的低碳运营协作。通过上文的仿真结论可知，供应链各成员企业加强协作，各成员企业的收益都要大于个体运作的收益。作为本文供应链的重要成员——供应商、网店和快递公司在仓储、包装、运输和回收上应加强低碳运营协作。在仓储方面，应共享仓储资源，不在同一区域重复配置仓库，新建仓库应有利于业务的共同拓展。在包装方面，从供应商开始，就应该统一使用环保、可回收利用的包装材料，这样的材料可能价格高，一次投入大，但可以多次使用，从而最终会降低包装成本。在运输上，共享运输资源，各自的运输工具和人员可以统一调配。在回收方面，回收商在设置回收点时，应充分考虑消费者的分布，方便消费者提交回收物。另外，回收商还要适当考虑消费者对回收价格的接受度。

(3)增强消费者低碳消费意识。可以通过媒体宣传，如发挥名人效应，由名人宣传产品的低碳特性；也可以在社区介绍低碳产品的节能环保效果；还可以借助微信和微博等互联网平台介绍低碳消费体验。让消费者明白，购买低碳产品不仅有利于环境友好、资源节约，也有利于个人及家庭的身心健康，从而引导消费者购买低碳产品。一旦消费者具有低碳消费意识，就会愿意支付较高价格的低碳产品，从而可以在一定程度上补偿厂商进行低碳运营而额外付出的成本。因此，企业生产和销售低碳产品的积极性就会增强。

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The Supernetwork Optimization Model for the Low-carbon Supply Chain and Its Application Based on Online Shopping

WUYi-sheng1,WUShun-xiang2,BAIShao-bu1,ZHUZhen-tao1

(1.School of Economics & Management, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China; 2.School of Information Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 3610052, China)

A new task for the optimization of supply chain network is put forward with the continuous enhancement of people's environmental awareness, the implementation of more stringent environmental regulations, more and more consumers choose the way of online shopping. How to construct the model of supply chain super network? How to build the operational optimization model for each member of the supply chain? How to build the overall optimization model of supply chain? And what kind of optimization model is more conducive to achieve the overall goal of the supply chain? All these are an urgent problem to be solved.

With regard to above issues, the super network theory is used to model the low-carbon supply chain based on online shopping. Then the independent super network optimization model is constructed based on the supply chain’s single member, and the integrated super network optimization model is also constructed based on all the supply chain members according to the relation between the variation inequality and optimization problems. And the solving algorithm of the models is proposed. Further more, the two models are compared by simulation application.

Finally, it is concluded that the supply chain member can gain environmental protection benefit if they invest on the low carbon operation, but its economic benefit is decreased on condition that the supply chain’s single member profit is maximized, and the supply chain can gain both environmental protection benefit and economic benefit if they invest on the low carbon operation on condition that the supply chain’s profit is maximized. The application data is mainly collected through surveys of the online shops and their suppliers, express companies, consumers and the relevant literatures. This paper provides a new perspective for supply chain modeling, a new way of thinking for the optimization of supply chain network.

online shopping; low-carbon supply chain; super network; optimization; model

1003-207(2017)06-0111-10

10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2017.06.012

2015-07-07；

：2016-05-04

国家社会科学基金资助项目(15BGL080)

吴义生(1973-)，男(汉族)，安徽安庆人，南京工程学院经济与管理学院，博士，副教授，研究方向：物流与供应链管理,E-mail:wyslqh@163.com.

F273

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