R&D投资策略对再制造供应链运作模式的影响

2018-08-18聂佳佳陆玉梅

系统管理学报 2018年6期

高鹏，聂佳佳，陆玉梅

（1.江苏理工学院商学院，江苏常州 213001；2.江苏大学管理学院，江苏镇江 212013；3.西南交通大学经济管理学院，成都 610031）

近年来，随着社会可持续发展的不断深化，资源循环利用越来越受到国家的重视。党的十八大报告提出“推进绿色发展、循环发展、低碳发展，建设美丽中国”的宏伟目标，而“循环发展”的最高境界就是再制造。一些有远见的外国企业如柯达、戴尔、卡特比勒等从上世纪就开始重点关注这一问题，并且从中获得了巨大的社会效益和经济效益。越来越多的学者开始关注再制造供应链这一领域。文献[1-6]中分别从废旧品回收模式中的渠道选择、生产者延伸责任制度、领导力量以及责任承担偏好等角度进行了详细研究。随着美国等国家再制造产业在国民经济中的比重越来越高，很多独立再制造商（IR）开始单独承担起再制品回收、再制造及销售的所有流程，这给原制造商（OEM）带来了很大威胁。一些学者也开始转向再制造供应链具体运作策略的研究。Groenevelt等[7]研究了在面临再制造商竞争时，制造商的定价与再制造策略。Ferguson 等[8]分析了制造商为阻止再制造商进入所采取的市场策略。熊中楷等[9]首次研究了制造商作为再制造商经销商的合作模式，分析了在合作模式下消费者对再制造产品的接受度、生产成本对生产商盈利的影响。王凯等[10]把上述研究做了扩展，研究了考虑回收情况下两个周期内制造商与再制造商的合作模式。郭军华等[11]基于消费者对新产品及再制造产品支付意愿的不一致，考虑两种产品的竞争关系，研究了再制造闭环供应链的定价策略及协调机制，并分析了消费者对再制品的支付意愿对定价及系统利润的影响。

现阶段对再制造供应链运作策略的研究尽管取得了一定成就，但均忽略了供应链中的研发（R&D）投资活动对运作策略产生的重要影响。事实上，R&D 不仅是一个企业内生增长的驱动因素，而且会对其他战略伙伴或竞争者产生重要影响，这一点已成为许多现代企业和学者的共识。文献[12-14]中研究了水平合作R&D 对供应链绩效、各方利润产生的影响。Ge等[15]重点考察了溢出效应对垂直供应链中制造商、零售商等成员各自利润的影响，具体分析了他们提高知识共享的动机。孟卫东等[16]考虑最终产品具有网络外部性，建立了网络外部性环境下基于溢出效应的供应链纵向合作研发博弈模型，研究了供应链上下游企业在3种合作研发模式下的研发策略，分析了网络外部性、溢出效应及合作模式对企业研发策略的影响。孙晓华等[17]构建了同时包括水平技术溢出和垂直技术溢出的三阶段古诺德竞争模型，考察了水平和垂直溢出率对不同研发模式下企业投资的影响。然而，上述研究均局限于正向供应链领域，涉及逆向再制造供应链中R&D 投资问题的文献则尚未见。

从本质上讲，回收再制造过程其实是针对损坏或将报废的零部件重新回收以及进行再制造工程设计，采用一系列相关的先进制造技术，使再制造产品质量达到或超过新品[18]。由此可见，再制造产业其实是一种高技术修复和改造产业，其中蕴含了大量的技术创新活动。各国政府及大企业已开始重视再制造产业中的R&D问题。如2009年12月，美国再制造巨头卡特比勒与广西玉柴股份有限公司合资成立研发中心，致力于再制造发动机和零部件方面的技术R&D[19]；2010年7月，由18家国内汽车生产企业、科研院校等单位成立了“汽车产品回收利用产业技术创新战略联盟”，重点开展汽车产品可拆解性设计、可回收性设计与绿色供应链关键技术R&D 研究[20]。很显然，再制造供应链中的R&D活动由于在降低再制造成本、提升再制品质量方面的重要作用，势必会对供应链成员的运作策略产生重大影响。

鉴于此，本文致力于研究再制造供应链不同运作模式下的R&D 投资策略问题，分析开展R&D投资活动后，再制造供应链的社会效应及成员利润发生怎样的改变，R&D 活动在不同的运作模式下产生的效应有何差异；进而分析供应链成员的模式偏好变化，比较R&D 活动对各成员产生的价值。希望本文结果能为再制造闭环供应链的R&D 投资策略提供帮助。

1 模型的建立

考虑单一OEM 和单一IR 构成的供应链系统，OEM 负责新产品的生产和销售，IR 负责废旧品回收和再制造。消费者认为再制品无论在功能、质量还是耐用度方面均与新产品存在一定差距，故支付意愿较低，从而造成新产品和再制品的价格存在差异。OEM 和IR 之间存在竞争与合作两种运作关系。IR 开展以降低再制造成本为目的的研发活动。

1.1 符号约定

基本参数符号及相关说明：

pn——新产品的零售价格，为原制造商的决策变量

pr——再制品的零售价，为再制品销售方（可能为IR，也可能为OEM）的决策变量

c——新产品的单位制造成本，为常量cr——IR 开展R&D 活动前的再制品的单位制造成本，为常量。显然，有cr＜c，本文设定cr=θc，其中，0＜θ＜1，体现了再制造成本的大小

qn，qr——新产品和再制品的需求量。根据文献[7-9]以及消费者效用的相关理论，在价格竞争下，新产品和再制品需求量为：

式中，ρ（0＜ρ＜1）为消费者对再制品的接受程度，ρ越大，表示再制造品越受消费者欢迎，相同价格的情况下再制品需求量越大，新产品需求量越小。特别地，本文把ρ/θ称为再制造活动的价值成本比，该值较大说明投入较小的成本可吸引较多的消费者购买再制品，因而该比值体现了再制造活动的经济性，可以用该比值衡量再制造产业的成熟性。

x——IR开展R&D 活动的产出额。IR 开展R&D活动后其再制造成本降低为θc-x

I——IR 开展R&D 活动的投资成本

显然，IR的R&D产出额x与R&D投资成本（包括技术、设备和人工等投入）密切相关。根据孙晓华等[17]的研究，设I（x）=tx2/2，其中t为IR 研发投资成本系数。即R&D 投资成本为投资产出的凸函数，这与很多企业的实际情况是相符的。

下标j分别为：原制造商（OEM）、再制造商（IR）和供应链（S）；上标i分别为：一体化模式（C）、分散合作模式（FH）和分散化竞争模式（FJ）；上标中含*表示最优值。文中其他变量若出现上下标，含义同此。

1.2 模型假设

本文用到如下假设：

（1）首先由IR进行R&D投资决策，然后OEM和IR进行价格博弈。这是因为研发决策属于企业战略层决策，而价格决策仅为作业层决策[12-13]。

（2）在分散决策时，OEM 和IR 进行Stackelberg主从博弈，其中，IR 为主导者，原制造商为追随者。该点可从如下得到佐证：①在美国，法律规定IR 不需经过OEM 的授权便可从事该品牌废旧产品的再制造，为再制造商成为市场主导者创造了有利条件。②全球最大的再制造商之一的卡特彼勒在与路虎的合作中已成为其再制造产品的全球首选供应商，资金实力非常雄厚。这说明，再制造商有实力成为主导者[9]。

（3）IR 进行研发投资后，其再制造单位成本始终大于0，即θc＞x；OEM 的单位成本小于市场规模，即c＜1。

（4）本文仅考虑单周期下OEM 和IR 的价格博弈和数量博弈模型。所有信息均为两者的共同知识且双方均为风险中性决策者。

2 分散模式下的研发决策

2.1 竞争模式（FJ）

在该模式下，OEM 负责进行新产品的生产和销售，IR 进行废旧品的再制造并通过自有渠道进行销售，两者在市场上形成价格竞争。在现实生活中，诸如打印机墨盒、硒鼓等普通的易耗品具有使用周期短、可再制造部分回收迅速、再制造过程简单等特点，因此，再制造品和新产品之间的竞争尤为激烈。像惠普等主要的打印机供应商经常要通过质量提升等方法才能保持相对于IR 的竞争优势。该模式的结构图如图1所示。该种运作模式下，IR 进行研发投资的三阶段博弈顺序描述为：①IR 决定R&D 投资水平；②IR 根据投资水平决定再制品售价；③OEM根据再制品价格决定新产品价格。

图1 再制造商和原制造商竞争模型

根据上述分析，该模式博弈模型为：

采用逆向归纳法进行求解，得到FJ模式下新产品和再制品关于R&D 投资产出的均衡价格和需求分别为：

代回式（7），可得FJ模式下IR 关于R&D 投资决策的利润为

求解可得到均衡R&D产出水平表达式，代回式（2）、（3），可求得FJ模式下新产品和再制品的价格、需求表达式以及双方的利润表达式，具体如表1所示。

2.2 分散合作模式（FH）

在该模式下，OEM 充当IR 经销商的角色。例如作为世界范围内著名的机械设备再制造商，卡特比勒公司经常与路虎、伊顿、利行星等拥有多种销售渠道的制造商签订再制造供销协议，由卡特比勒进行废旧品的回收和再制造，然后以一定批发价w把再制品批发给制造商（OEM），由制造商负责再制品的销售。其结构如图2所示。该种运作模式下，IR进行研发投资的三阶段博弈顺序描述为：①IR 决定R&D 投资水平；②IR 根据R&D 产出水平决定再制品批发价；③OEM 根据再制品批发价决定再制品和新产品零售价。

表1 3种模式的均衡解和最优利润

图2 再制造商和原制造商合作模型

根据上述分析，该模式博弈模型为：

采用逆向归纳法进行求解，得到FH 模式下新产品和再制品关于R&D 投资产出的均衡售价、批发价和需求分别为：

代回式（6），可得FH 模式下IR 关于R&D 投资决策的利润为

求解可得到均衡R&D 产出水平表达式，代回式（5）、（6），可求得FH 模式下新产品和再制品的价格、需求表达式以及双方的利润表达式（见表1）。

3 一体化决策模式（C）

该模式是指建立一个理想化的集权型的组织，原制造商和再制造商均为该组织的成员，它们均不追求自身利润最大化，而是以供应链总体利润最大化为目标。例如在建立“研究合资企业”的基础上，2006年，康明斯公司和东风汽车有限公司通过55%～45%的出资比在武汉建立了一个新型研发中心来协调两者之间的所有研发活动，该研发中心即属于一体化决策模式。结构如图3 所示。在该种运作模式下，供应链同时决定研发投资水平，新产品和再制品的零售价格以实现供应链整体利润最大化。

图3 一体化模式结构图

根据上述分析，该模式决策模型为

该表达式分别对pn、pr求导，另一阶导数为0，联立求解得到C模式下新产品和再制品关于R&D投资产出的均衡售价、批发价和需求分别为：

然后把利润表达式同时对x求导，令其为0，再与式（9）联立可以得到所有决策变量以及供应链各成员利润表达式（见表1）。

由于IR 是开展再制造和R&D 的主体，当再制品需求小于0或IR 利润小于0时，整个再制造策略将变得无利可图。因此，为保证再制造研发的顺利开展，必须满足，得出各种模式需满足的基础条件，列于表1最后一行。总体来讲，再制造成本不能太大，研发成本系数不能太小。若再制造成本太大，其单位利润不足以支持研发成本；若研发成本系数太小，则会引起过大的研发投入，两者都会导致再制造策略无利可图。由于

即FJ模式下的再制造成本要求最宽松，C 模式下的研发成本系数要求最严格，故本文假设满足条件：

即能保证3种模式下的再制造策略均有利可图。后面的讨论若无特殊说明，均假设该条件成立。

4 分散决策下再制造商R&D 投资效应分析

命题1当IR 和OEM 分散决策时：①FJ模式下，pn、pr、qn与x负相关，qr与x正相关；②FH 模式下，pr、qn与x负相关，qr与x正相关，pn与x不相关。

证明由式（3）、（6）中，pn、pr、qn、qr的表达式对x求一阶导数可得，具体过程略。

该命题表明，当R&D 投资额为外生变量时，再制品价格和新产品数量随R&D 投资水平的增大而降低，再制品数量随R&D 投资水平的增大而增大。这说明，无论在IR和OEM 处于合作还是竞争状态，IR开展的R&D活动都会增大其成本优势，使IR有动力降低再制品价格，从而增强再制品的挤兑效应，有助于提高整个社会的绿色效应。另外，在合作模式下，IR成本的降低仅会影响其制定的再制品批发价，因而新产品价格不会随投资水平的变化而变化。

命题2当再制造有利可图时：①

证明①由于分别是使和取得最大值的决策变量，故显然，成立。②由于

该命题揭示了分散决策时，IR 主导的R&D活动对供应链双方的经济价值。无论哪种模式，R&D活动都会提高IR 的利润，即IR 进行R&D投资一定是有利可图的。在合作模式下，R&D 活动同样也可以提升OEM 的利润，实现供应链双方的双赢。这是由于IR 再制造成本的降低使其愿意通过降低批发价的形式降低OEM 成本，形成明显的正向溢出效应。但是在竞争模式下，R&D 投资成为IR 获取竞争优势的重要武器，该活动通过增强再制品对新产品的挤出效应而降低了OEM的利润，负向溢出效应明显。例如Recycle Assist公司通过不断地研发投入降低了再生墨盒的生产成本，通过低价销售的方式吸引了众多消费者，对佳能的新产品带来了严重的威胁。佳能不得不以Recycle Assist侵权为由，通过诉讼的方式寻求产品保护，这引起了人们对再制品专利侵权问题的首次关注。

命题3①；②当满足时，；否则。其中：

证明①由于，故显然成立。②的证明用作差法结合条件式（10）得到：

求解不等式：

并整理，即得到（2）的结论。

该命题从再制造供应链整体利润的角度阐明了R&D 活动的有效性。合作模式下，IR 主导的R&D活动能实现双方利润的共赢，无疑将提升供应链整体利润。但在竞争模式下，R&D 活动是否能提高供应链利润取决于再制造活动的成本价值比。只有在该比值较高的情况下，R&D 活动才能体现出其应有价值，否则该活动反而将降低供应链整体利润。这是因为若再制造活动成本较高或再制品受欢迎程度较低时，R&D 活动对新产品的挤兑作用是一种“劣币驱逐良币”的过程，所以将降低社会总利润。因此，从供应链总利润的角度，在再制品与新产品竞争效应明显的环境中，只有当再制造产业发展成熟，再制造活动效率较高时政府才应鼓励再制造商开展研发活动。

5 3种模式比较分析

命题4当再制造有利可图时：①无论哪种模式，R&D投资水平x与再制造成本比例θ负相关；②当；③当。

证明①由表1中在各种模式下的表达式对θ求一阶导数简单可得，详细过程略。②、③由表1中在各种模式下的表达式用作差法，并结合条件式（10）得到：

该命题表明，无论在哪种运作模式下，再制造成本越低，IR投入的R&D投资额越多，即R&D 投资产生的边际效应会随着再制造活动经济性的增加而越发明显。比较不同研发模式，竞争模式下吸引的R&D 投资额高于合作模式，这是因为合作模式下，IR 开展R&D 投资产生的利润一部分要通过降低批发价的形式转移至OEM，IR 研发动力较低。合作模式下双方进行一体化研发决策能吸引比分散决策更多的R&D 投资，然而，在竞争模式下该结论则未必成立。只有当再制造成本较小时才能得到相似的结论；而当再制造成本较高时，分散决策下的R&D 投资额对IR 产生的边际效应更高，因而投入的R&D 投资额甚至会高于一体化研发。

命题5当再制造有利可图时：① 当θ＞时；②当时，。

证明由表1中在各种模式下的表达式用作差法并结合条件式（10）得到：

该命题表明，各种模式下再制品数量的大小关系与R&D 投资额之间的关系是一致的，即合作模式始终最低。当再制造单位成本较低时一体化模式最高，竞争模式次之；当再制造单位成本较高时竞争模式最高，一体化模式次之。这说明，从提高社会绿色效应的角度出发，当再制造活动比较“经济”时，政府应该鼓励IR 开展一体化研发模式，否则应鼓励IR 在进行R&D 活动的同时与OEM 开展适当竞争。

命题6当再制造有利可图时：①

证明由式（4）、（7）和式（10），以及表1中在各种模式下的表达式用作差法可得：

该命题表明，比较另外两种R&D 模式，竞争模式下的R&D 投资能够获得最低的再制品售价和新产品售价，因而最受消费者青睐。而合作研发模式下的再制品售价最高，一体化研发模式次之。产生这一现象的原因除了各模式的内部机制外，还有一个原因在于合作模式下IR 的R&D 投资额最少，成本降低的幅度最小，因而IR 降价的动力也最小。而竞争模式下，IR 进行R&D 投资的动力最为明显。因此，从提高消费者剩余的角度，政府应鼓励IR 与OEM 进行适当竞争。

命题7当再制造有利可图时：①当

证明由表1中在各种模式下的表达式用作差法，并结合条件式（10）可得：

求解关于θ二次项的不等式，可以得到结论3。

该命题表明，当再制造策略有利可图时，若再制造成本较低，则IR 的利润在一体化研发模式下最高，竞争模式下次之，合作模式下最低；若再制造成本较高，IR 的利润在竞争模式下最高，一体化研发模式下次之，合作模式下最低。由于合作模式下IR创造的逆向利润很大一部分将与OEM 分享，再加上IR 开展R&D 活动的动力不足，故该模式下IR的利润明显小于另两种模式。而当再制造成本较低时，一体化研发模式能吸引较高的R&D 投资，产生较高的边际利润，因此，IR 的研发模式偏好为C＞FJ＞FH；当再制造成本较高时，竞争模式下的再制品数量最高，因此，IR 的研发模式偏好为FJ＞C＞FH。

6 数值仿真

由于表1中各方利润的表达式太复杂，难以用理论分析的方法进行研究，故本部分采用数值仿真的方法研究3种研发模式下OEM 的利润和供应链总利润大小，进一步分析再制品接受程度和再制造成本大小对IR 运作模式选择的影响，并且分析R&D 活动对供应链价值的影响。

通过对某地区相关再制造企业以及当地消费者对再制品接受程度的调研，设定再制造供应链中的重要参数为：c=0.8，t=10，ρ=0.8。首先研究再制造成本θ对各种研发模式下OEM 的利润和供应链总利润的影响。用Matlab7.0作图得到图4、5。

图4 再制造成本对OEM 利润影响

图5 再制造成本对供应链总利润影响

观察图4、5可得：

（1）当IR 开展R&D 活动时，竞争模式和一体化模式下，OEM 的利润随再制造成本的上升而增大，但一体化模式下的利润变动幅度明显高于竞争模式；而合作模式下，OEM 的利润则随再制造成本的上升而缓慢降低。这是由于合作模式OEM 和IR 共享逆向利润，该利润会受到较高再制造成本的影响。但该模式下的OEM 利润仍大于另两种模式，OEM 的模式偏好大多数情况下为FH＞C＞FJ，只有当再制造成本很低时为FH＞FJ＞C。

（2）不管哪种研发模式，供应链总利润都随着再制造成本的上升而降低，整体供应链的模式偏好始终为C＞FH＞FJ。

接下来研究IR 开展的R&D 投资活动对IR 和供应链总价值的影响。此研究是基于IR 开展R&D 活动前后各方利润的变动情况。由命题3可知，再制造价值成本比ρ/θ会影响R&D 价值的正负，因而此处也分析该比值对各方价值的影响。用Matlab7.0作图得到图6、7。

图6 ρ/θ对各模式IR 研发价值的影响

图7 ρ/θ对各模式供应链研发价值的影响

由图6、7可得：

（1）无论哪种模式，IR 从R&D 活动中获得的价值始终大于0，并且，该价值随再制造活动价值成本比例的增大而上升。这说明，再制品的接受程度越高，再制造活动成本越低（表明再制造活动越经济），IR 开展R&D 活动的动力越大。由图6 还可见，一体化研发模式中研发价值的上升速度高于另两种模式，而合作模式下得到的研发价值始终小于竞争模式。因此，从研发活动创造价值的角度，绝大多数情况下IR 的模式偏好为C＞FJ＞FH。

（2）无论哪种模式，R&D 活动对供应链整体产生的价值始终与再制造活动的经济性正相关。由图7还可知，供应链价值的变动速度在合作模式下最慢，其次是竞争模式，最快是一体化研发模式。这说明，一体化模式下R&D 活动对供应链产生的边际效应最高，其价值也是3种模式中最高的。因此，无论从总利润角度还是从R&D 活动创造价值的角度，政府都应该鼓励一体化研发模式。特别是在竞争模式下，形成一体化研发甚至有利于OEM 利润的最大化。

最后，分析消费者对再制品的接受程度和再制造成本的组合对再制造商模式选择的影响。IR 的模式偏好区域图如图8所示。图8中粗实线为再制造有利可图的分界线。

图8 IR 的模式选择区域图（基于ρ和θ 的组合）

由图8可见，FH 区域位于图形的左上角，说明只有当再制造效率低下，再制造商无利可图时才有选择合作模式的动机。当再制造有利可图时（粗实线又下角部分），IR 只会选择FJ或C模式。具体而言，当ρ较小（小于图中x）时，只要θ在可行的范围内IR都会选择FJ模式；当ρ较大（大于图中x）时，若θ较大，IR偏好于FJ模式，若θ较小则会选择C模式。在此范围内，随着ρ的增大，IR 选择C 模式的可能性也不断增大。这说明，当消费者对再制品接受度相对较低时，只要再制品仍有利可图，IR 就会选择和OEM 展开价格竞争而不会参与一体化战略。因为独立开展的R&D 活动会给其带来较大的竞争优势。而当消费者对再制品接受度较高，且再制造成本较低，即再制造效率较高的情况下，IR 则可能选择一体化模式，甚至当接受度达到0.9时，IR 一定会选择一体化模式。这进一步说明了随着再制造价值成本比的上升，一体化研发价值的上升速度要高于FJ模式下的研发价值。

总而言之，对于一个开展研发投资的再制造商而言，随着再制品接受程度的提升和再制造成本的降低，在运作模式方面将会选择一条合作-竞争-一体化的优化路径。例如全球最大的再制造供应商卡特比勒在全球推广其再制造业务时，在不同地区采取了不同的策略。例如卡特比勒曾经把在中国上海、江苏等地的再制品销售业务外包给利星行等经销商，这是由于中国消费者中占据主导的是“一次性”消费理念，对再制品的接受度较低，并且废旧品回收成本也相对较高。而在欧美等一些再制品接受程度较高的国家，卡特比勒不仅通过并购和建设独立再制造工厂等方式扩展业务，并主要通过自有渠道进行销售，直接与其他生产商展开竞争。而在2009年12月，卡特比勒与广西玉柴股份有限公司成立合资公司，为玉柴柴油发动机和零部件以及部分卡特彼勒柴油发动机和零部件提供再制造服务，一体化运作模式初显。这也是由于近年来随着国家对循环经济和再制造的大力宣传，人们对再制造的接收程度有了显著提升，再加上国家对再制造持续投入的财政补贴降低了再制造成本，一体化模式开始成为卡特比勒的最优选择。