在具有随机需求和退货政策的两阶段纺织供应链中，运用博弈论协调方法实现碳排放减排与质量提升

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Game-theoretic coordination for carbon emission abatement and quality enhancement in two-stages textile supply chains with stochastic demand and return policy

　　阿塔·阿拉·塔莱扎德（Ata Allah Taleizadeh）、尼玛·阿里扎德-巴斯班（Nima Alizadeh-Basban）、巴巴·R·萨克尔（Bhaba R. Sarker）、哈米德雷扎·阿贝德索尔坦（Hamidreza Abedsoltan）
德黑兰大学工程学院工业工程系，伊朗德黑兰

**摘要**
本研究探讨了产品质量提升、碳排放减少（在配额与交易监管下）、创新技术以及退货政策对由制造商和零售商组成的两级供应链（SC）决策的共同影响。尽管这些因素在以往的研究中已被单独或部分组合地研究过，但尽管它们在供应链中存在内在的相互依赖性，其同时考虑却受到了有限关注。我们建立了一个随机需求模型，在该模型中，需求和产品退货量同时受到产品质量、减排率和退款价格的影响。由于质量改进和减排的投资成本较高且完全由制造商承担，分散式决策可能会抑制此类投资。为了解决这个问题，我们使用斯塔克伯格（Stackelberg）和纳什（Nash）博弈框架分析了集中式和分散式供应链结构，并研究了批发溢价价格（WPP）和成本分摊（CS）合同作为协调机制。这些合同旨在促进制造商和零售商之间的互动，减轻制造商的有效投资负担，并激励可持续性和质量提升的决策。研究结果表明，质量改进和减排投资在结构上是互补的：质量提升会增加需求并减少退货量，而减排则可以缓解监管成本压力。此外，高质量产品并不一定意味着高退款价格，因为质量投资可以通过减少退货量来部分替代退款金额。协调合同的有效性取决于供应链的权力结构：集中式决策能够实现最高的整体绩效，而WPP合同在斯塔克伯格博弈和纳什博弈下都能有效协调供应链；CS合同主要在纳什竞争情况下有益。一个以纺织供应链为灵感的数值示例展示了如何在价格小幅上涨的情况下实现减排和质量提升，同时确保合规性和消费者接受度。

**引言**
竞争对手之间为吸引顾客而产生的竞争迫使公司采取多种策略来影响市场份额[1]。因此，公司和制造商试图提出不同的激励因素来吸引顾客。当前市场中激烈的竞争促使制造商考虑一些吸引顾客的销售策略，本研究提出了三个激励因素：环保产品、高质量以及退货政策。这些激励因素可以增加销售额。然而，这些活动对制造商来说成本较高，而零售商则无需承担任何成本。此外，价格上涨可能会导致顾客流失，因此产品价格必须对顾客来说是可以承受的。在这种情况下，需要协调和合作来解决零售商和制造商之间的利益冲突，并最大化整个供应链的利润。这也是我们在这项研究中探讨的另一个方面。

生产环保产品的重要性在于碳排放对人类生活的负面影响，这使得顾客倾向于选择碳排放最低的产品[2][3]。因此，为了回应消费者的这一关切并保持需求，大多数供应链都倾向于改变其生产方法以降低碳排放，包括采用配额与交易监管来控制生产过程中的碳排放[4][5]，以及投资于旨在减少排放的创新技术[6][7][8][9]。政府为每个制造商制定了规定的碳排放上限；如果制造商超出这一上限，则需支付超额部分的罚款；相反，如果其排放量低于规定上限，则可以将多余排放量出售给其他制造商[10]。因此，减排可以吸引顾客需求并扩大供应链的市场份额。产品质量作为另一个吸引顾客需求的激励因素，其提升会积极影响市场需求[11]。制造商可以投资于生产方法（如材料更换、设计改进、先进设备等）以提高产品质量[12]。退货政策作为售后服务也是吸引顾客的另一个激励因素[13]；如果制造商对其销售的产品提供保修并回收不满意的产品（由于缺陷、外观问题等），通过向消费者提供补偿，可以提高顾客的信任度和购买意愿，从而提升供应链的市场份额[14]。这三个激励因素有助于将供应链从传统模式转变为竞争模式。例如，乌贝洛赫（Uebelhoer）等人[15]研究了生产过程中的排放减少，并将供应链转变为绿色供应链；陈（Chen）等人[16]投资于提高产品质量，提升了供应链的绩效；丁（Ding）和陈（Chen）[17]表明适当的产品退货政策可以改善供应链的利润；吉里（Giri）和萨克尔（Sarker）[18]提出了一种适用于两级供应链的协调政策，以解决零售商在服务水平和价格方面的竞争问题。

**研究背景**
本研究的研究动机来源于服装行业。全球最大的服装市场是美国，2019年服装店的月销售额超过了150亿美元（Statista, 2019），这显示了服装行业在当代竞争市场中的重要地位。因此，公司试图改进产品以提高可持续性以吸引顾客[1]。为了减少碳排放，H&M（瑞典服装公司）等知名品牌采取了积极措施，如使用新技术、可再生能源和环保材料来减少碳排放[20]。此外，新西兰女装品牌Kowtow使用有机棉生产可持续服装[21]。最近，配额与交易机制也被应用于服装行业以减少排放。快时尚的发展导致了能源、棉花和化学品的过度消耗，这些过度消耗带来的排放可以通过监管措施得到控制[19]。质量改进也是另一个激励因素；孟加拉国的服装行业就是一个例子，其生产过程中存在较高的质量偏差，制造商通过投资于质量改进来提升市场份额[20]。退货政策也是时尚行业中的另一个激励因素；H&M是“更好棉花计划”（Better Cotton Initiative）的成员，确保生产过程对环境友好[22]。H&M提供退货服务，顾客可以退回不满意的商品，这对该公司的利润有积极影响[23]。总体而言，纺织行业的特点包括：（i）高退货率；（ii）消费者对产品质量和退货政策的高度敏感；（iii）对可持续和低碳生产实践的日益重视。

在供应链中，制造商负责质量改进和成本投入（包括退货政策），而零售商无需付出额外努力即可通过市场份额的增加获得利润，这可能会阻碍制造商根据顾客需求生产产品。因此，本研究的核心问题是制造商利益下降与零售商利益增加之间的冲突。我们通过协调合同和集中式管理方案来解决这一问题，促使制造商生产符合顾客需求的产品，从而提升制造商、零售商和整个供应链的收益。通过协调，供应链成员可以实现更好的结果[21]。

**研究方法**
本研究扩展了一个由制造商和零售商组成的两级供应链模型，制造商在退货政策、减排和质量提升上投资，以满足顾客需求并扩大市场份额。为了实现制造商和零售商之间的合作，我们使用了WPP（批发溢价价格）和CS（成本分摊）合同。同时，应用了斯塔克伯格博弈和纳什博弈等博弈论方法来优化集中式和分散式模型中的变量和整体供应链收益。在纳什博弈中，成员具有平等的决策权，制造商和零售商同时做出最优决策；而在斯塔克伯格博弈中，零售商拥有主导决策权，其他成员的决策取决于零售商的选择。

**研究目标**
本研究旨在回答以下问题：
- 分散式和集中式供应链中，供应链成员的收益及最优变量是什么？
- 产品质量、减排率和退款价格之间的协同效应如何？
- WPP和CS合同以及集中式模型能否促使制造商将资源用于生产满足顾客需求的产品？
- 在何种情况下，哪种合同能够促进供应链成员之间的合作并提升他们的利润？

**文献综述**
在本节中，我们回顾了关于碳排放减少、质量改进和退货政策的先前研究，明确了它们在吸引顾客方面的作用及其相互关系。随后，我们探讨了供应链中的协作与协调机制，以解决零售商和制造商之间的利益冲突。最后，我们提供了一个表格，以便将本研究与其他研究进行清晰对比。

**问题定义**
竞争对手之间为吸引顾客而产生的竞争迫使公司采取多种策略来影响市场份额。因此，公司和制造商试图提出不同的激励因素来吸引顾客。当前市场中的激烈竞争促使制造商考虑多种销售策略，本研究提出了三个关键激励因素：环保产品、高质量和退货政策。

**解决方案方法**
在本部分中，我们使用博弈论方法（斯塔克伯格博弈和纳什博弈）来确定最优变量（减排率、退款价格、产品质量以及零售商库存水平），以在集中式和分散式结构中最大化∏R、∏M和∏C。在分散式情况下，我们采用了WPP和CS合同来吸引顾客需求，从而提升供应链的运作效率。

**计算与实际结果**
以纺织产品为例，分析了激励因素对纺织行业运作的影响。纺织业的发展需要满足顾客需求的特性，如高质量、环保特性和可靠的退货政策。数值分析中使用的数据和参数值反映了纺织行业的实际情况。

**管理启示**
本文为管理者提供了实际应用的建议：
- 碳排放减少（通过配额与交易监管、创新技术制造低碳产品）、质量改进和退货政策是三种激励顾客购买产品的有效手段，有助于提升供应链绩效。因此，管理者可以利用对激励因素如何影响供应链各环节的理解来达成经济和环境目标。本研究通过开发一个综合的数学和博弈论框架，为可持续供应链文献做出了贡献。该框架共同分析了在碳排放限额与交易制度下，质量投资、碳排放减少以及回报政策之间的关系，并探讨了投资新技术以生产绿色产品所带来的影响。与以往将这些决策孤立处理的研究不同，本研究明确地模拟了它们之间的相互作用，并揭示了决定最优结果的协同机制。

**CRediT作者贡献声明：**
Ata Allah Taleizadeh：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。
Nima Alizadeh-Basban：撰写初稿、方法论设计、数据收集与分析。
Bhaba R. Sarker：撰写、审稿与编辑、数据可视化、项目监督、形式化分析。
Hamidreza Abedsoltan：撰写初稿、数据可视化、结果验证、方法论设计。

**利益冲突声明：**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能会影响本文所述的研究结果。