信息共享情形下调水工程可持续供应链经济-社会利益协调分析

卢亚丽,卫宁,丁文文

(华北水利水电大学 管理与经济学院,河南 郑州 450046)

调水工程可持续供应链作为国家重大战略工程,利用大数据等技术构建集“眼-脑-手-脉”于一体的跨流域调水工程智慧管理体系。大数据是一种对社会信息处理技术的综合运用能力,也是推动社会发展模式变革的主要动力,其本质是信息共享和信息处理能力[1]。增强大数据能力可以提高调水、供水、售水等业务活动的社会服务水平,间接提升调水工程可持续供应链的社会效益[2-3]。大数据技术虽然可以提升调水工程可持续供应链的社会效益,但大数据技术投资成本会带来经济效益的损耗,例如,美的公司投资建设“开普勒数据云”,采集和分析1.67亿用户数据,使公司制造效率提升15%[4]。调水工程可持续供应链在信息化数字化建设投资的第一阶段共花费26.20亿元,产生较大经济成本[5]。如何在调水工程可持续供应链多目标效益的追求下权衡经济效益和社会效益,实现调水工程可持续供应链总效用最大化,是数字化转型时代调水工程领域亟待考量的新问题。

在供应链利益协调问题中,大多学者关注经济效益的协调,研究成果丰富。王静基于供应链生态系统监管信息平台建立共享的最优分配模型,提高了供应链生态系统的响应速度和交易成本,为供应链绩效的提升提供参考[6-7]。蔡璐等从博弈论视角出发,提出低碳供应链信息共享模型,有效提高低碳供应链节点企业间的信息耦合度,提升低碳供应链总体产值,从而提高供应链的运转效率及整体效益,降低外部市场规模不经济所带来的负面影响[8]。吴成霞等针对大数据时代的特定背景,基于动态微分博弈理论建立模型,并对比分析了零售商支付契约、联合支付契约和合作契约模式[9]。另外,韩朝亮等将大数据技术的提供商作为供应链主体的一部分,建立了由制造商、零售商、大数据服务商构成的三阶段供应链的契约协调模型[10]。霍红等认为,引入区块链技术能提高农产品质量安全溯源信息的可信度,针对农产品质量安全的不确定性建立了基于区块链技术投入的农产品供应商与加工者的演化博弈模型[11]。周茂森等建立了双向部分透明的大数据投资决策模型,设计契约合作机制解决大数据投资的激励失调问题[4]。Dubey等实证调查了大数据预测分析能力对可持续供应链社会绩效和环境绩效的影响[12]。以上有关信息共享对供应链绩效的影响研究大多集中在经济效益,对于社会效益鲜有涉及。

在调水工程可持续供应链领域中,研究多集中在利益相关者行为特征分析、行为演化、协同管理、实施影响因素、利益协调等角度[13-20]。陈军飞等基于经济效益和水质提升双视角,研究了调水工程水资源供应链的收益共享-水质提升成本共担契约,以实现水质效用和经济效用双重目标的帕累托改进[21]。大数据技术为调水工程可持续供应链带来的效益不可忽视,尤其是社会层面的信息共享效用,但鲜有学者考虑在大数据背景下,经济效益和社会效益双重视角的利益协调研究。

因此,为了丰富调水工程可持续供应链理论,综合考虑经济效益目标和社会效益目标,在已有研究基础上,构建经济效益共享-成本分担契约和经济-社会双重效益共享-成本分担契约,以实现上下游共享经济效益和社会效益、共担大数据技术投资成本,协调调水工程可持续供应链利益,以期为新时代背景下调水工程的信息共享利益协调问题提供参考。

一、问题描述与基本假设

南水北调中线可持续供应链(部分)结构如图1所示,结合南水北调工程实际运营情况,将南水北调可持续供应链简化为一个分销商(省分局供水公司)和一个零售商(地市分局供水公司)构成的二级纵向供应链,省分局供水公司与地市分局供水公司之间就信息共享问题进行Stackelberg博弈,其中省分局供水公司为主导者。省分局供水公司以批发价格向地市分局供水公司调水,地市分局供水公司根据市场需求确定调水量,两者同时关注经济效益目标和信息共享带来的社会效益目标,并通过水资源优化配置和信息共享实现可持续供应链总效用最大化。

图1 南水北调中线可持续供应链(部分)结构图

在数字化改革的推动下,南水北调中线建管局与华为技术有限公司(华为水利事业部)进行合作,投资建设了调水工程数据服务平台,平台运营中共享的信息包括业务信息、监测信息和基础数据。通过使用相应的算法和模型,使这些价值密度较低的原始数据转化为有助于提升南水北调中线工程智慧化管理水平的信息。投资所支出的大数据技术成本与分析得到的价值增值之间存在博弈平衡关系,且大数据技术投资成本会对调水工程可持续供应链的信息共享产生一定程度的影响,就此对研究调水工程信息化建设过程中信息共享行为的利益协调问题展开探讨。

在地市分局供水公司选择信息共享策略的前提下,构建四种契约模型:集中决策、分散决策、经济效益共享-成本分担契约、经济-社会双重效益共享-成本分担契约(在文中分别用C、N、H、B表示),对分销商D和零售商R的利益进行协调,以探究使调水工程可持续供应链S整体效用最大化的合作契约。构建利益协调博弈模型相关假设。

第一,二维目标假设:假设省分局供水公司和地市分局供水公司均关注可持续供应链社会效益和经济效益的目标。本研究主要围绕二维目标构成的可持续供应链总效用进行讨论。

第二,水量需求假设:考虑调水量与社会服务水平的积极关系,社会服务水平越高,用水需求量越高;水价越高,用水需求量越小。因此,假设水量需求函数为:

q=a-βp+θ。

(1)

式中:a表示基本市场需求量;p表示销售价格;q表示用水需求量;β表示水资源需求量对其价格的敏感系数;θ表示调水工程可持续供应链单位水量的社会服务水平,β,θ>0。南水北调工程为北方增加近300亿立方米水资源,可以为受水区约4万亿元GDP的增长提供优质水资源的支撑[22]。据测算,南水北调工程每投资1 000亿元,可以带动GDP增长0.15个百分点,新增就业岗位49万个[23]。

第三,大数据技术投资成本假设:上游省分局供水公司的决策更加倚重市场信息,它们应当是调水工程可持续供应链信息化和一体化的主要受益者和推动者[24]。大数据技术投资成本函数c为:

(2)

式中k表示大数据技术投资成本系数,且k>0,c′>0,c″>0。社会服务水平越高,需投入的成本越高且边际成本递增。

第四,社会效益假设:在碳排放领域和绿色供应链领域的研究中[25-26],学者采用单位产品绿色度与需求量的乘积衡量环境效益,将思想类比到调水工程领域社会效益的研究上,以单位水量社会服务水平与调水量的乘积表示社会效益,即E=(a-βp+θ)θ。信息共享水平是衡量社会服务水平的因素之一[3],可以提高调水工程可持续供应链总效用,因此,令lE=(a-βp+θ)lθ作为调水工程可持续供应链总效用的一部分,其中l表示信息共享水平(l>0),以此来衡量对信息共享诉求的重视水平,l越大表示对信息共享的利益诉求越重视。效用函数为经济效益函数与受信息共享水平影响的社会效益之和。

第五,水资源市场是出清的,即调水量等于市场需求量,不考虑缺水成本和储水成本。省分局供水公司和地市分局供水公司的单位水量供水成本均为K。

相关符号的含义描述如表1所示。

表1 符号及说明

二、调水工程可持续供应链决策模型

(一)集中决策模型

在集中式决策模型C下,省分局供水公司和地市分局供水公司完全合作、共同决策,以调水工程可持续供应链整体效用值最大作为决策的最终目标,因此,该决策模型的目标函数为调水工程可持续供应链效用函数、调水工程可持续供应链经济效益函数、调水工程可持续供应链社会效益函数,分别如下:

(3)

(4)

(5)

集中决策模型下,将省分局供水公司与地市分局供水公司看作一个整体,对这个整体的效用函数和经济效益函数进行讨论。调水工程可持续供应链整体效用包括水量需求与单位供水利润的乘积得到的经济收益以及受信息共享水平影响的社会效益部分,并在此基础上减去大数据投资成本的支出。调水工程可持续供应链整体利润即水量需求与单位供水利润(销售价格减供水成本)的乘积,并在此基础上减去大数据投资成本。与效用函数相比,经济效益函数缺少了受信息共享水平影响的社会效益部分。

为简化过程,令Δ1=2βk-2βl-1-β2l2,求得调水工程可持续供应链相关函数的最优解为:

(6)

(7)

(8)

(9)

命题2调水工程可持续供应链经济效益随着信息共享水平l的提升而降低,社会服务水平随着信息共享水平l的提升而提升。

证明:调水工程可持续供应链经济效益函数和社会服务水平分别对信息共享水平l求导。

为了进一步验证这一点。笔者又统计了五个译本中两个到四个字母的常用词数量与各个译本的总形符之间的比例，结果如下：

证毕,命题成立。

由命题2可知,社会效益目标与经济效益目标之间存在一定冲突,若要提高社会服务水平,必然伴随一部分经济效益的牺牲。因此,学者需要对两目标的矛盾权衡问题进行研究,国家需要出台相关政策促进社会效益和经济效益协调发展。我国目前正大力推行人才引进政策,增设从工程建设管理到运营维护的调水工程可持续供应链的就业岗位,保证就业机会和工人待遇,促进当地发展,弥补调水工程可持续供应链的经济损失,以此确保调水工程可持续供应链提升社会服务水平。

(二)分散决策模型

在分散决策模型N下,省分局供水公司和地市分局供水公司只考虑自身利益,分别以各自的最大效用函数值为最终目标进行决策。在分散决策模型下,仅省分局供水公司出于更长远的数据利用考量,进行大数据技术投资,并支付了相关成本,因此获得了受信息共享水平影响的社会效益部分,达成了从单一经济维度的经济效益函数目标到经济-社会双重维度的效用函数目标的跃升。而地市分局此时只有经济效益函数,不存在效用函数。分别给出省分局供水公司和地市分局供水公司的经济效益函数以及省分局供水公司的效用函数:

(10)

(11)

(12)

地市分局供水公司的经济效益函数,即供水需求量与单位供水利润(销售价格—供水成本—批发价格)的乘积。省分局供水公司的经济效益函数即供水需求量与单位供水利润(批发价格—供水成本)的乘积减去大数据技术投资。省分局供水公司的效用函数即在省分局供水公司的经济效益函数基础上加上受信息共享水平影响的社会效益部分。

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

证明:地市分局供水公司和省分局供水公司的经济效益均对信息共享水平l求导。

证毕,命题成立。

证毕,命题成立。

由命题4可知,省分局供水公司同时考虑社会效益与经济效益时,由于其需要承担大数据技术投资成本,信息共享水平提升会对经济效益产生负面影响。现实情形中,省分局供水公司为提高信息共享水平,投入了大数据技术投资成本,降低了自身经济效益;而地市分局供水公司仅需投入较少成本就能达成信息共享模式,有较大的信息共享意愿,是推动调水工程可持续供应链信息共享后经济效益和社会效益的主要受益方。因此,上下游两者之间投入产出比差距大,在信息共享决策方面存在利益冲突。结合命题2可以得出,随着信息共享水平的提升,省分局供水公司经济效益的下降程度大于地市分局供水公司经济效益的上升幅度。由命题5可知,由于上述利益冲突的存在,导致分散契约下社会服务水平无法达到和集中决策相同的水平,调水工程可持续供应链无法实现经济效益与社会效益的协调。因此,需要设计协调机制对传统的分散契约进行改进,使得分散决策下的经济效益与社会效益得到提升。

(三)经济效益共享-成本分担契约模型

根据以上分析可知,社会服务水平随着信息共享水平l的提升而提升,但分散契约决策与集中决策情形相比,分散契约下的社会服务水平会下降。考虑到省分局供水公司的大数据投资成本较高,为了促进省分局供水公司和地市分局供水公司的进一步合作,提高调水工程可持续供应链的整体效用,令地市分局供水公司参与分担省分局供水公司的大数据技术投资成本,δ表示省分局供水公司的大数据技术投资成本的分担比例,1-δ表示地市分局供水公司的大数据技术投资成本的分担比例,0<δ<1。令地市分局经济效益与省分局供水公司共享,λ表示地市分局供水公司的经济效益占比,1-λ表示省分局供水公司的经济效益占比,0<λ<1。构建经济效益共享-成本分担契约模型H,以此激励省分局供水公司进行信息共享以及信息共享决策上的资金投入,提升调水工程可持续供应链的社会服务水平。从供应链整体利润最大化的角度考虑,省分局供水公司和地市分局供水公司共享销售收入,即只对经济效益进行共享,省分局供水公司并未将社会效益部分分享给地市分局供水公司。因此,地市分局供水公司依旧只有经济效益函数,不存在由经济效益和社会效益共同组成的效用函数。在H契约模型下,以各自的最大效用函数值为最终目标进行决策,分别给出省分局供水公司和地市分局供水公司的经济效益函数以及省分局供水公司的效用函数:

(19)

(20)

(21)

地市分局供水公司的经济效益函数为分得的经济效益共享比例与获得的销售利润的乘积,在此基础上减去大数据技术投资。省分局供水公司的经济效益函数由供水需求量与单位水量批发利润的乘积、分得的经济效益共享比例与下游获得的销售利润的乘积以及支出的大数据技术投资三部分组成。省分局供水公司的效用函数即在自身经济效益函数的基础上加上受信息共享水平影响的社会效益部分。

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

求解得到以下两组解:

第一组解为λ=0,δ=1。该解表示省分局供水公司在承担所有的大数据技术投资成本的同时,获得了所有的销售收入,这种情况可视为集中决策情形下未达到协调优化效果。

证毕,命题成立。

(四)经济-社会双重效益共享-成本分担契约模型

借鉴姜永宏等在碳市场领域有关信息溢出效应的定义以及赵柳榕等在信息共享溢出效应相关博弈研究[27-28],将大数据技术的溢出效应引入调水工程可持续供应链的利益协调问题,在信息共享决策的基础上,地市分局供水公司和省分局供水公司均会享受到信息共享产生的溢出效益。令地市分局供水公司参与分担省分局供水公司的大数据技术投资成本,并令其经济效益和社会效益与省分局供水公司共享,η表示地市分局供水公司在B契约下大数据技术溢出社会效益中的占比,1-η表示省分局供水公司在B契约下大数据技术溢出社会效益中的占比,0<η<1。构建经济-社会双重效益共享-成本分担契约模型B,在H契约模型的基础上,增加地市分局供水公司社会效益的共享机制。在B契约下,地市分局供水公司和省分局供水公司分别以各自的最大效用函数值为最终目标进行决策。分别给出地市分局供水公司的经济效益函数、效用函数以及省分局供水公司的效用函数:

(29)

(30)

(31)

地市分局供水公司经济效益函数与H契约时保持一致,由于此时B契约对大数据技术溢出社会效益部分进行了分配,地市分局供水公司具有了效用函数,效用函数是在经济效益函数的基础上增加了自身在大数据技术溢出社会效益中的占比部分,省分局供水公司同理。

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

命题9当满足以下取值时,经济-社会双重效益共享-成本分担契约模型可实现调水工程可持续供应链协调:

三、数值仿真

通过数值仿真对集中决策、分散决策、经济效益共享-成本分担契约、经济-社会双重效益共享-成本分担契约下的可持续供应链效用和社会服务水平进行比较分析,以进一步验证经济-社会双重效益共享-成本分担契约对南水北调工程水资源供应链的优化效果。本研究在满足Δ1,Δ2,Δ3,Δ4均大于零的基础上,参考陈军飞等对南水北调中线工程的经济效益和水质提升的相关研究[21],综合考虑吴成霞和韩朝亮等的相关研究[9-10],设定基本市场需求a=400,价格敏感系数β=4,供水成本K=6,大数据技术投资成本系数k=8。

(一)信息共享水平对社会服务水平的影响

图2显示了信息共享水平对社会服务水平的影响。信息共享水平在各个情形下都与社会服务水平呈正相关,其中H契约和B契约走向一致。原因可能是信息共享有助于各方更好地了解资源分配和需求趋势,从而更精确地规划和优化资源利用,更有效地满足日益增长的人口和产业需求,确保水资源的合理分配,从而提供更优质的社会服务。B契约下的社会服务水平最高,表示该契约下社会效益最高,N契约下的社会服务水平最低。社会服务水平与经济效益的目标存在冲突,社会服务水平的提升将会对经济效益产生一定的负面影响,分散决策下省分局供水公司对于经济效益的追求将使得社会服务水平降低。H契约虽使得社会服务水平达到集中决策水平,相比于N契约已取得了显著成效,但由于没有考虑溢出社会效益的分配问题,双方得到的社会效益有限,无法实现最优协调效果。

图2 信息共享水平对社会服务水平的影响

(二)信息共享水平对可持续供应链效用的影响

图3显示了信息共享水平对可持续供应链效用的影响。当信息共享水平低于某一阈值时,集中决策下的可持续供应链总效用最高,N契约下可持续供应链总效用最低。当信息共享水平超过某一阈值时,B契约下的可持续供应链总效用最高,超过集中决策下的可持续供应链总效用,这表示信息共享产生的溢出社会效益有利于可持续供应链总效用的提高。原因可能是B契约除了考虑信息带来的更精确的水资源规划和优化利用效用,还包含了及时响应突发事件或自然灾害等溢出的社会效益,政府可以更及时地响应突发事件或自然灾害,这对于提高调水、供水和售水等业务活动的效率和质量至关重要。由此可以创造更多的社会效益,从而提升可持续供应链的整体效用,使其增速高于集中决策。H契约虽没有使得可持续供应链总效用达到集中决策水平,但相比于N契约已取得了显著成效。

图3 信息共享水平对可持续供应链效用的影响

(三)契约参数与信息共享水平对可持续供应链决策的影响

图4显示了省分局供水公司(分销商)大数据技术投资成本分担比例与地市分局供水公司(零售商)经济效益占比、溢出社会效益占比的反比关系。省分局供水公司成本分担的越多,地市分局成本分担的就越少。相应地,省分局供水公司出于自身效用的考虑,愿意分给地市分局供水公司的溢出社会效益就越少,故成反比。因此,在讨论契约参数与信息共享水平对可持续供应链决策的影响时,仅讨论一个参数即可。

图4 契约参数关系图

图5显示了在H契约下,地市分局供水公司经济效益占比越低,分享给省分局供水公司的经济效益占比越高,省分局供水公司愿意承担的大数据技术投资成本比例越高。社会服务水平随信息共享水平提高而提高。B契约下,当地市分局供水公司经济效益和溢出社会效益占比越低,分享给省分局供水公司的经济效益和溢出社会效益占比越高,省分局供水公司愿意承担的大数据技术投资成本比例越高,社会服务水平随信息共享水平提高而提高。两种契约下参数与信息共享水平对社会服务水平的影响趋势相同,但B契约协调效果优于H契约,原因可能是引入信息共享所带来的溢出社会效益。地市分局供水公司得到了一定比例的数据分析带来的溢出社会效益,更愿意将经济收益与省分局供水公司进行共享,从而激励省分局供水公司牺牲部分经济收益,提升其对信息共享的重视程度,进而完成更高水平的社会服务,形成良性循环。

图5 契约参数与信息共享水平对社会服务水平的影响

图6显示了在H契约下,地市分局供水公司经济效益占比越低,分享给省分局供水公司的经济效益占比越高,省分局供水公司愿意承担的大数据技术投资成本比例越高,可持续供应链总效用随信息共享水平提高而提高。B契约下,当地市分局供水公司经济效益和溢出社会效益占比越低,分享给省分局供水公司的经济效益和溢出社会效益占比越高,省分局供水公司愿意承担的大数据技术投资成本比例越高,可持续供应链总效用随信息共享水平提高而提高。两种契约下参数与信息共享水平对可持续供应链总效用的影响趋势相同,但B契约协调效果优于H契约,原因可能是B契约引入了信息共享所带来的溢出社会效益。信息共享水平越接近1,数据分析价值随信息共享水平的提升而增加的速度越快,两种契约下政府应对紧急情况的能力差距越大,B契约的协调优势越明显。

图6 契约参数与信息共享水平对可持续供应链总效用的影响

四、结论

本研究讨论了调水工程可持续供应链利益主体经济效益与社会效益的利益权衡问题。以调水工程可持续供应链经济效益与社会效益为决策目标,构建水资源用水需求量函数、经济效益目标函数、社会效益目标函数和大数据技术投资成本函数,并在此基础上构建多目标优化函数。

通过模型求解与算例分析得出以下结论:第一,在集中决策、分散决策、经济效益共享-成本分担契约和经济-社会双重效益共享-成本分担契约四种情形下,调水工程可持续供应链利益主体对信息共享的重视均会提高社会服务水平,且信息共享水平越高,社会效益提升越显著;第二,在省分局供水公司主导的分散决策下,社会服务水平的提升将会使省分局供水公司牺牲一部分经济效益,地市分局供水公司的经济效益则随着社会服务水平提升而增加,在经济效益共享-成本分担契约或经济-社会双重效益共享-成本分担契约作用下,调水工程可持续供应链总效用都将得到提升,双方具有接受经济效益共享-成本分担契约或经济-社会双重效益共享-成本分担契约的动机;第三,经济效益共享-成本分担契约下的决策目标均优于分散决策水平,且在该契约的协调作用下,社会服务水平达到集中决策水平,社会效益目标实现协调,考虑溢出社会效益的经济-社会双重效益共享-成本分担契约协调效果更优,当信息共享水平高于某一阈值,该契约协调效果超过集中水平;第四,省分局供水公司大数据技术投资成本分担比例与地市分局供水公司经济效益占比、溢出社会效益占比呈反比,在参数变动情况下,经济-社会双重效益共享-成本分担契约社会服务水平、可持续供应链总效用均优于经济效益共享-成本分担契约情形,经济-社会双重效益共享-成本分担契约具有更强的协调效果和适用性。

在后续研究中,可以把多目标协调拓展到可持续供应链理论中的环境效益目标,进一步研究调水工程可持续供应链多目标权衡问题。此外,还可以考虑扰动情形下调水工程可持续供应链韧性问题,尝试引入更多契约模式以实现调水工程可持续供应链多目标协调。

五、政策启示

为推动南水北调水资源供应链的可持续发展,从可持续供应链视角出发,对南水北调工程各利益相关方协同机制的构建提出以下三个方面的政策启示:

第一,从“互联互通”到“共建共享”。推动各方重视信息共建共享是提升社会服务水平的关键路径。一方面,新时代提升社会服务水平需要逐步探索数据共建共享的价值分配机制,让数据要素充分流动,不断提升水资源优化配置能力。另一方面,应当在数字化基础设施互联互通基础上,推动大数据中心建设,突出一体化部署、一盘棋推进,会同高校、科研院所、创新企业搭建创新联合体。此外,应以合作、互补、开放、共创、共享为宗旨,为水利政策提供前瞻性、科学性、精准性、安全性建议,服务南水北调大局,为提升南水北调工程运行的智慧化水平打下坚实基础,为南水北调事业发展作出更大贡献。

第二,从“自主应用”到“合作开放”。南水北调高质量发展,需要更加开放创新的数字化平台。在传统观念中,供应链上下游的利益分歧使合作难以实现,然而当研究调水工程可持续供应链的视角扩展至经济-社会双重维度时,这个零和关系会被打破,恰当的利益分配能够带来调水工程整体经济效益与社会服务水平的同步提升。推进南水北调数字化建设,应当坚持系统观念,基于南水北调中线整体最优的长远视角,打造开放的南水北调数字化服务平台,共同推进落实大开放、大协同、大生态。调水工程作为关乎民生发展的重大工程,更应积极适应时代,抓好调水工程这一巨型工程的大数据价值再创造的风口,完成经济社会双重维度的效益跃升。

第三,从“南水北调”到“国家水网”。由于南水北调工程的复杂性,工程整体的安全稳定运行离不开跨部门交流互动的协同机制。南水北调作为国家水网的主骨架大动脉,要本着合作共商、资源共享、协作共管、优势互补的原则,通过制定跨区域多部门协作机制,实现从源头到水厂的信息共享与科学应用,以达成水资源在水源区与受水区的协同优化配置。同时,要逐步实现全场景覆盖、实时监控、智能调控,支持“四预”决策,提升综合调度管理水平,为赋能南水北调高质量发展、建设数字孪生水网骨干网提供支撑。2023年,多地政府陆续与中国南水北调集团签署战略合作框架协议,希望引入先进理念,引导南水北调集团深度参与城市现代化建设,大力支持现代水网建设,助力多方价值共创。