研发溢出、消费者低碳偏好与供应链横向研发策略

余 萍 ,魏守道

(广东金融学院a.金融与投资学院;b.工商管理学院,广州 510521)

随着经济的快速增长,碳排放量日益增多、环境不断恶化,不少国家加强了对企业的环保监管力度。如英国、德国、法国、美国、日本、韩国等多个国家已推行碳标签制度,要求企业以标签的形式将产品的碳信息告知消费者,代表性的企业如IBM、沃尔玛等。中国国家发改委于2013年3月发布了《低碳产品认证管理暂行办法》,引导消费者选择碳排放量更低的产品。与实施环境规制不同,这些做法试图利用自下而上的公众力量促使企业自觉减排、降低碳排放量。在产品开发过程中,引入消费者参与,可以提高产品开发的成功率。目前,消费者对低碳产品的认知度和购买意愿均较高[1],产品上贴有碳标签后,消费者更加偏向于购买低碳产品[2],造成高碳产品的销售量下降、低碳产品的销售量增加[3]。不仅如此,消费者低碳偏好还会影响企业的行为和收益。只有充分认识到消费者偏好和意识,企业才能实现社会责任与提高公司的价值[4]。因此,面对碳排放造成的环境问题,消费者低碳偏好对于改善环境质量意义重大。然而,目前许多产品的生产过程消耗了较多的能源、排放了较多的碳排放量,将这些产品转化为低碳产品需要很高的减排成本,对企业的生产和运营带来较大压力,影响企业的自愿减排行动。因此,面对低碳意识日渐增强的消费者,如何更好的减排是企业亟待解决的一项重要问题。伴随竞争环境的变化,同行业之间以及上下游企业之间如何整合内部资源和外部资源是企业实现竞争力的关键一环。一方面,企业之间合作研发成为现实。如IBM、东芝和西门子之间合作研发新型电脑DRAM 芯片,福特汽车、华新水泥、美的空调等企业与供应链上下游企业协调减排。但在合作研发中,研发成果的溢出与保护是政府和企业需要考虑的一个重要问题。另一方面,供应链企业之间分担研发成本也尤为重要。由于制造商独自承担减排研发成本会抬高低碳产品的零售价格,制约低碳产品的全面推广,故供应链企业间分担研发成本成为降低低碳产品零售价格、促进低碳产品销售的途径之一。而且,零售商承担制造商的减排研发成本比例满足一定条件时,制造商和零售商有动力合作实施减排研发[5]。供应链企业在减排领域合作有利于增强各自的减排效果[6]。那么,面对研发成果的溢出和具有低碳偏好的消费者,制造商会选择何种研发策略? 学者们主要研究了无消费者低碳偏好下供应链减排研发决策选择、消费者低碳偏好下供应链减排研发决策选择以及消费者低碳偏好下供应链决策模式选择。

部分学者研究了无消费者低碳偏好下供应链减排研发决策选择。文献[7-8]中比较了企业选择降低生产成本研发形式的效果,发现研发合作可以提高研发水平。Benjaafar等[9]分析了产业间减排研发合作的效果。之后,学者们做了更为深入的研究。谢鑫鹏等[10]考虑碳交易机制下制造商和零售商组成的两级供应链,制造商和零售商可选择3种策略:定价和研发均不合作、定价不合作和研发合作以及定价和研发均合作,比较了它们的研发水平和供应链利润。魏守道等[11]考虑碳税政策下上下游4个企业组成的两级供应链,将企业之间的研发形式划分为研发竞争、水平合作、垂直合作和全面合作,比较了对研发水平、环境质量和企业利润的影响。李金溪等[12]考虑碳税政策下上下游两个企业合作决策(以总利润为目标进行决策)和单独决策(以自身利润为目标进行决策),研究了垂直溢出率对各企业的决策变量和利润的影响。这些学者对供应链企业研发形式做了详细划分和进一步研究,然而,他们研究政府实施环境规制政策下的供应链企业研发,没有考虑消费者具有低碳偏好。

也有部分学者比较消费者低碳偏好下供应链企业是否要研发以及选择研发形式的效果,研究消费者低碳偏好下供应链减排研发决策选择。在制造商和零售商构成的供应链中,Liu等[13]考虑了制造商之间竞争、零售商之间竞争以及制造商与零售商之间竞争的效果,发现消费者低碳偏好的增强有利于提高研发效率较高企业的利润。王芹鹏等[14]比较了制造商选择研发和不研发的效果,发现若单位产品的碳排放量过高,制造商不会选择研发;若单位产品的碳排放量较低,制造商选择研发可提高各方的收益。楼高翔等[15]考虑消费者低碳偏好信息的不对称,发现随着消费者低碳偏好程度的提高,制造商研发水平也越高,并且,政府可通过调整碳交易价格等手段激励企业研发。在上下游两个制造商构成的供应链中,王芹鹏等[16]假设两企业可选择均不研发、仅上游企业研发、仅下游企业研发以及下游企业分担上游企业部分研发成本等策略,发现两企业均不研发下各企业利润最低,仅上游企业研发下下游企业利润最高,当下游企业分担成本意愿较强或需要较高的研发成本时,研发成本分担契约下上游企业利润最高。在供应商和制造商构成的供应链中,张汉江等[17]比较了供应商和制造商选择不研发、研发竞争以及研发合作的效果,发现与研发竞争相比,研发合作下制造商的研发水平较高,且供应商分担的研发成本比例越大,制造商的研发水平越高。刘名武等[18]考虑零售商分别是否投资减排,发现当消费者的低碳偏好程度满足一定条件时,单个零售商投资减排会增加竞争对手的减排量和利润。樊文平等[19]还考虑了零售商对减排投资的持股与否对制造商选择是否减排等方面的影响,发现持股能同时提高企业环保水平和利润。

还有部分学者比较消费者低碳偏好下供应链企业选择合作决策和单独决策的效果,研究消费者低碳偏好下供应链决策模式选择。在制造商和零售商构成的供应链中,与单独决策相比,虽然合作决策不会改变制造商的研发水平,但可以提高供应链总利润[20-21]。Kim 等[22]进一步考虑碳排放量的动态变化,发现若消费者无低碳偏好,单独决策和合作决策下研发水平和碳排放量分别相等,并通过数值模拟表明,若消费者有低碳偏好,合作决策下研发水平较高、碳排放存量较低,而且,随着消费者低碳偏好程度的增强,两种决策下研发水平和碳排放量差别越大。在供应商和制造商构成的供应链中,杨仕辉等[23]发现,与单独决策相比,合作决策下供应链总利润较高,制造商和供应商的研发水平也较高。这些研究假定供应链企业可选择的策略较为简单,其余学者提供了更为丰富的策略选择。个别研究细划了单独决策。李友东等[24]将供应链企业单独决策分为各企业同时决策和先后决策,并比较了它们与合作决策的效果,发现各企业同时决策下供应链总利润最高,合作决策下供应链总利润最低,各企业先后决策下供应链总利润介于两者之间。部分研究增加了供应链企业之间的分担成本。赵道致等[25]和徐春秋等[26]考虑制造商和零售商可选择无成本分担的单独决策以及制造商分担零售商的低碳宣传成本的分散式决策、合作决策,发现成本分担契约可能会提高各企业利润,但不会提高制造商的减排水平,合作决策下的减排效果最好、供应链利润最高。游达明等[27]考虑制造商承担零售商的部分或全部促销成本后发现,与单独决策相比,合作决策可以提高制造商研发水平和供应链利润。杨宽等[28]考虑制造商确定减排量和批发价格以及零售商确定融资比例和订货量,建立了零售商占主导、制造商占主导以及双方合作决策的博弈模型,研究了消费者低碳偏好、融资利率等对碳减排量、利润等的影响。郭炜恒等[29]考虑零售商不分担制造商减排研发成本、零售商分担制造商减排研发成本以及制造商与零售商合作决策,发现供应链的最优决策与减排成本分担比例有关。黄帝等[30]考虑零售商主导的单独决策、制造商主导的单独决策以及双方集中决策的效果,发现供应链的最优决策与碳税税率有关。武丹等[31]考虑碳减排量的动态变化,比较了供应商和制造商选择合作决策和单独决策的效果。王道平等[32]也考虑碳减排量的动态变化,比较了政府提供补贴时供应商和制造商选择无成本分担的单独决策、有成本分担的单独决策以及双方合作决策的效果。王道平等[32]同时考虑碳减排量和商誉的动态变化,比较了有无政府补贴下制造商和零售商选择无成本分担的单独决策、有成本分担的单独决策以及双方合作决策的效果。

综上所述,学者们对研发形式有较为详细的划分,也对消费者低碳偏好下供应链减排研发决策和决策模式有较为深入的研究,为进一步研究提供了较好的借鉴,但有关消费者低碳偏好下供应链减排研发决策和决策模式方面的研究还存在如下不足:①这些研究集中于制造商是否要进行研发以及上下游企业是否要合作决策,尚无研究涉及制造商之间选择研发形式;②这些研究重点关注消费者低碳偏好对供应链决策的影响,鲜有学者关注研发成果的溢出。

本文的主要贡献体现在两个方面:①考虑供应链中制造商之间选择研发竞争和研发合作等减排研发策略,并综合研发水平、净碳排放量、各成员利润以及供应链总利润的变化,试图找出各方均能接受的减排研发策略选择;②同时考虑减排研发溢出和消费者低碳偏好两个因素,探讨减排研发策略选择的条件,更好地揭示减排研发策略选择的复杂性。

1 理论模型构建

1.1 基本假设

考虑由两个制造商和一个零售商构成的两级供应链。制造商Mi(i=1,2)生产的产品数量为qi,以批发价格ωi销售给零售商R,零售商R再以零售价格pi销售给具有低碳偏好的消费者。在产品的生产过程中,不考虑生产成本,并设单位产品产生单位碳排放量。为降低产品的碳排放量,吸引消费者购买本企业产品,制造商可主动实施减排研发,研发策略包括研发竞争(各制造商以自身利润最大化为目的确定最优研发水平)和研发合作(各制造商以两制造商的总利润最大化为目的确定最优研发水平)。借鉴文献[34],设制造商Mi的研发水平为xi,研发成本为:。研发成果可在制造商之间溢出,设溢出率为β(0≤β≤1)。特别地,当β=0时,政府对研发成果保护非常严格,研发成果难以在制造商之间自由溢出;当β=1时,政府没有对研发成果提供保护,研发成果可在制造商之间完全溢出。因此,制造商Mi的净碳排放量为:ei=qi-xi-βxk,i,k=1,2,i≠k。另外,零售商R可分担制造商Mi一定比例的研发成本[6],设分担比例为s(01。另外,设消费者对制造商Mi的产品的逆需求函数为:pi=1-qi-qk-θei,从而可求得消费者对制造商Mi的产品需求函数为

零售商R和制造商Mi的利润函数分别为:

1.2 博弈规则

考虑零售商分担制造商一定比例的研发成本对制造商实施研发的积极作用,以及研发决策通常是需要在早期决定的长期决策[36],设定制造商和零售商之间的博弈顺序为:第1阶段,零售商确定研发成本的分担比例;第2阶段,制造商选择研发策略(包括研发竞争和研发合作)及确定相应的研发水平;第3阶段,制造商确定产品的批发价格;第4阶段,零售商确定产品的零售价格。下面运用逆向求解法求解。

2 模型求解

2.1 研发竞争模型的求解

(1)求解最优零售价格。给定零售商的研发成本分担比例、制造商的研发水平和批发价格,零售商以自身利润最大化为目的确定最优零售价格。将式(1)代入式(2),零售商确定最优零售价格的问题为

联立∂πr/∂p1=0和∂πr/∂p2=0,可求得零售商确定的价格为

(2)求解最优批发价格。将式(5)回代式(1),可求得消费者对制造商Mi的产品需求函数为

给定零售商的研发成本分担比例和制造商的研发水平,制造商Mi确定最优批发价格问题为

联立∂πm1/∂ω1=0和∂πm2/∂ω2=0,可求得制造商Mi确定的批发价格为

然后,求解最优研发水平。在研发竞争模式下,各制造商以自身利润最大化为目的确定最优研发水平。制造商Mi确定最优研发水平的问题为

联立∂πm1/∂x1=0和∂πm2/∂x2=0,可求得制造商Mi的研发水平为

(3)求解减排研发成本的最优分担比例。零售商以自身利润最大化为目的确定最优分担比例。将式(5)、(6)和式(8)以及式(10)代入式(2),该最优化问题为

由∂πr/∂s=0可求得制造商选择研发竞争下零售商的最优分担比例为

研发竞争模型的其余均衡解为:

如图1所示。易证,当0≤β≤1,θ>1 时,恒有f(θ)

图1 研发竞争模型有内点解的条件

2.2 研发合作模型的构建与求解

研发合作下,第3和第4阶段的求解与研发竞争的相应阶段的求解相同,即最优零售价格见式(5),最优批发价格见式(8),故下面依次求解研发合作模型的第2阶段和第1阶段。

(1)求解最优研发水平。在研发合作模型中,各制造商以两制造商的总利润最大化为目的确定最优研发水平。记两制造商的总利润为:πm=πm1+πm2。制造商Mi确定最优研发水平问题为

可证明:当θ>1时,两制造商的总利润的海塞矩阵为负定矩阵,即此时两制造商的总利润存在最优解。

(2)求解减排研发成本的最优分担比例。在研发合作模型中,零售商仍以自身利润最大化为目的确定最优分担比例。将回代式(8),可求得制造商Mi的价格反应函数,然后将回代式(5),可求得零售商的价格反应函数,最后将和代入式(6),可求得消费者对制造商Mi的产品需求函数。因此,该最优化问题为

研发合作模型的其余均衡解为:

对任意0≤β≤1和θ>1,恒有ssc>0。为保证研发合作模型有内点解,需满足:,即要求

成立。令Δ2=0,可求得β的两根分别为:

图2 研发合作模型有内点解的条件

容易证明,当0≤β≤1,θ>1时,恒有δ(θ)<γ(θ),故研发合作模型有内点解的条件为0≤β<δ(θ)。因此,综合各模型均有内点解的条件,可发现需满足的条件为:0≤β

图3 各模型均有内点解的综合条件

3 供应链横向减排研发策略选择

3.1 减排成本分担比例比较

由式(12)、(20),研发竞争和研发合作下零售商对制造商减排成本分担比例比较如下式所示:

由式(25)易证,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

图4 研发竞争与研发合作下研发水平比较

命题1当0 ≤βsnc。

命题1意味着在不同的减排研发策略下,零售商分担减排成本的比例并不相同,要取决于研发溢出率和消费者低碳偏好的程度。即零售商要根据两者的相对大小,以确定在不同减排研发策略下的最优分担比例。可能的原因是:一方面,零售商分担减排成本会减少其获利,不愿提高分担比例;另一方面,零售商分担减排成本有利于降低制造商的减排成本,促进其减排,降低其净碳排放量,提高产品的零售价格,又会增加零售商的收益,吸引零售商提高分担比例。因此,零售商需要确定减排成本的最优分担比例。制造商选择不同的减排研发策略时,受研发溢出率和消费者低碳偏好程度的影响,减排成本的分担比例对制造商减排研发水平的影响不同,进而对零售商分担的减排成本和产品零售价格的影响也不相同,最终零售商最优的减排成本分担比例也有差异。具体而言,当β

3.2 研发水平比较

由式(13)、(21),研发竞争和研发合作的研发水平比较如下式所示:

由式(26)知,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

恒成立,从而有

因此,若β<ϕ(θ),则成立;相反,若β>ϕ(θ),则成立。因此,研发竞争和研发合作下制造商Mi的研发水平变化可用命题2表示。

命题2当0 ≤β

命题2意味着在不同的减排研发策略下,制造商的研发水平有差异,也要取决于研发溢出率和消费者低碳偏好的程度。即制造商要根据两者的相对大小,以确定在不同减排研发策略下的最优研发水平。尽管零售商会分担制造商的减排成本,制造商实施减排研发依然需要承担剩余的减排成本,在一定程度上增加了其成本,但同时制造商会由于减排研发水平的提高而制定较高的批发价格,又会在一定程度上增加其收益。因此,制造商需要确定最优的减排研发水平。虽然随着零售商分担减排成本比例的变化,制造商的减排研发水平也表现出相同方向的变化,但是,受研发溢出率和消费者低碳偏好程度的影响,在不同减排研发策略下制造商的减排研发水平变化是有区别的。具体而言,当β

3.3 销售量比较

由式(16)、(24),研发竞争和研发合作下制造商Mi的产品销售量比较如下式所示:

由式(27)知,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

若β<ϕ(θ),有成立;相反,若β>ϕ(θ),则有因此,研发竞争和研发合作下制造商Mi的产品销售量变化可用命题3表示。

命题3当0 ≤β

命题3意味着在不同的减排研发策略下,产品的销售量也有区别,这还是要取决于研发溢出率和消费者低碳偏好程度。即制造商要根据两者的相对大小,以确定在不同减排研发策略下产品的销售量。制造商扩大产品的销售量一方面可以为其获得更多收益,另一方面又会增加其净碳排放量,降低产品的零售价格,减少其收益。因此,制造商需要确定最优的产品销售量。虽然随着制造商减排研发水平的变化,制造商的产品销售量也表现出相同方向的变化,但是,受研发溢出率和消费者低碳偏好程度的影响,在不同减排研发策略下制造商的产品销售量变化是有区别的。具体而言,当β

3.4 净碳排放量比较

记研发竞争下制造商Mi的净碳排放量为:,研发合作下制造商Mi的净碳排放量为:根据式(13)、(16)以及式(21)、(24),有

由式(28)知,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

若β<ϕ(θ),有成立;相反,若β>ϕ(θ),则有因此,研发竞争和研发合作下制造商Mi的净碳排放量变化可用命题4表示。

命题4当0 ≤β

命题4意味着受研发溢出率和消费者低碳偏好程度之间相对大小的影响,制造商选择不同的减排研发策略所产生的净碳排放量有差异。由命题2和命题3的分析可知,不同减排研发策略下制造商的减排研发水平和产品销售量的变化方向相同,但它们的变化程度受研发溢出率和消费者低碳偏好程度的影响。具体而言,当β

3.5 企业利润比较

3.5.1 制造商的利润比较 研发竞争下制造商Mi的利润为

由式(29)知,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

图5 研发竞争与研发合作下制造商利润比较

因此,研发竞争和研发合作下制造商Mi的利润变化可用命题5表示。

命题5当0 ≤β

命题5意味着受研发溢出率和消费者低碳偏好程度之间相对大小的影响,不同减排研发策略下零售商分担减排研发成本的比例、制造商的减排研发水平以及产量和批发价格均不相同,导致制造商选择不同的减排研发策略获得的利润也不相同。具体而言,当β

3.5.2 零售商的利润比较 经整理,研发竞争下零售商的利润为

由式(30)知,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,有

容易证明,Λ2<0恒成立。因此,若β<ϕ(θ),有成立;相反,若β>ϕ(θ),则有因此,研发竞争和研发合作下零售商的利润变化可用命题6表示。

命题6当0 ≤β

命题6意味着受研发溢出率和消费者低碳偏好程度之间相对大小的影响,不同减排研发策略下制造商的减排研发水平、批发价格和销售量、零售商的减排成本分担比例和零售价格均不相同,制造商选择不同的减排研发策略会影响零售商的利润。具体而言,当β

3.5.3 供应链总利润比较 研发竞争下供应链的总利润为:,研发合作下供应链的总利润为:经比较有

由式(31)容易证明,在研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件下,Λ3>0恒成立。因此,有

令Λ4=0,如图6所示,可求得β=ν(θ)。若β<ν(θ),有Λ4>0;若β>ν(θ),有Λ4<0。

图6 研发竞争与研发合作下供应链总利润比较

因此,结合研发竞争模型和研发合作模型均有内点解的条件,供应链总利润的变化可用命题7表示。

命题7当0 ≤βπnc。

命题7意味着受研发溢出率和消费者低碳偏好程度之间相对大小的影响,不同减排研发策略下制造商的利润和零售商的利润也不相同,制造商选择不同的减排研发策略会影响供应链总利润。具体而言,当β

综合命题1～7,较之于研发竞争,制造商选择研发合作下制造商减排研发水平、零售商分担制造商研发成本比例、制造商的销售量和净碳排放量、各企业利润以及供应链总利润的变化,如表1所示。

表1 供应链横向减排研发策略选择的综合效果

由表1可见:若β

4 结论

本文在减排研发成果可溢出和消费者对低碳产品有偏好的情况下,针对两个制造商和单个零售商构成的两级供应链,构建了零售商确定减排研发成本的分担比例、制造商选择减排研发形式(包括研发竞争和研发合作)以及确定相应的研发水平和产品的批发价格、零售商确定产品的零售价格的四阶段博弈模型。从分担比例、减排研发水平、销售量、净碳排放量和企业利润等方面,重点研究了研发溢出率和消费者低碳偏好对研发策略的影响。研究结果表明:

(1)当研发溢出率很低和消费者低碳偏好程度很高时,制造商选择研发竞争会提高减排研发水平、减排成本的分担比例、产品的销售量、零售商利润和供应链总利润,改善环境质量和降低制造商利润,如果零售商能适当补偿制造商,制造商会选择研发竞争。

(2)当研发溢出率很低和消费者低碳偏好程度特别高时,制造商选择研发合作不利于提高减排成本的分担比例、减排研发水平、销售量和改善环境质量,但制造商选择研发竞争会降低制造商的利润和供应链的总利润,故制造商会选择研发合作。

(3)当研发溢出率较高时,若消费者低碳偏好程度也较高,制造商选择研发合作可以提高减排成本的分担比例、减排研发水平、销售量、零售商利润和供应链总利润、改善环境质量,但制造商的利润变化不确定,如果制造商能分享零售商的部分利润,制造商会选择研发合作。

(4)当研发溢出率较高和消费者低碳偏好程度非常高时,制造商选择研发合作时减排成本的分担比例、研发水平和销售量均较高,环境质量得到改善,制造商和零售商均可获得更多利润,供应链的总利润也更多,而且此时无需设计任何契约,制造商会选择研发合作。

上述结论为面临研发成果的溢出和具有低碳偏好的消费者时,供应链中的制造商之间选择合理的横向研发策略、零售商适当分担制造商的减排研发成本提供了科学依据,有利于实现供应链的协调。然而,本文仅考虑供应链成员选择横向减排研发策略和研发成果的水平溢出,未来可以引入供应链成员选择垂直减排研发策略以及研发成果的垂直溢出,更为深入地研究供应链的减排研发策略选择。