碳排放約束下制造商競爭的逆向供應(yīng)鏈政府獎懲機制研究

王文賓，鄧雯雯，白 拓，達慶利，聶 銳

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碳排放約束下制造商競爭的逆向供應(yīng)鏈政府獎懲機制研究

王文賓1，鄧雯雯1，白 拓1，達慶利2，聶 銳1

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇徐州，221116；2. 東南大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇南京，211189）

主要探討碳排放約束下制造商競爭的逆向供應(yīng)鏈獎懲機制，建立了5個決策模型，分別針對逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)、帶碳排放約束的逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)、制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)、碳排放獎懲機制下制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)以及帶有政府對制造商實施碳排放和回收率獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈系統(tǒng)。研究表明：競爭對回收率提高有益，競爭越激烈回收率越高；積極回收再制造的制造商的新產(chǎn)品零售價較低，具有價格競爭優(yōu)勢；回收廢舊產(chǎn)品的制造商的單位碳排放量越小，與之競爭的不回收廢舊產(chǎn)品的制造商的單位碳排放量越大，越有利于其回收率的提高；政府對制造商的回收率獎懲機制是必要的；碳排放約束不利于逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)回收率的提高，且提高了制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的新產(chǎn)品價格。

競爭；碳排放；政府獎懲機制；逆向供應(yīng)鏈；回收率

0 引言

許多因素正在促進逆向物流和逆向供應(yīng)鏈的發(fā)展。這些因素包括：資源與環(huán)境問題日益凸顯；消費者環(huán)保意識的增強；產(chǎn)品廢棄周期的縮短導(dǎo)致很多潛在價值較大的廢舊產(chǎn)品；政府法律法規(guī)的限制等?；谏鲜鲈颍嫦蚬?yīng)鏈引起了企業(yè)界、學(xué)術(shù)界及政界的廣泛關(guān)注。

近年來國內(nèi)外有一些文獻致力于逆向物流與逆向/閉環(huán)供應(yīng)鏈的研究。達慶利等(2004)[1]論述了逆向物流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀并展望了未來的研究方向。Savaskan[2]分析了逆向供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)選擇問題。再制造逆向供應(yīng)鏈問題涉及到不少利益相關(guān)者，要順利實現(xiàn)廢舊電器電子產(chǎn)品（Waste Electrical and Electronic Equipment，WEEE）的回收再制造，必須保證它們的利益協(xié)調(diào)。已有部分文獻研究了再制造逆向供應(yīng)鏈的協(xié)調(diào)問題。黃穎穎等[3]研究了逆向供應(yīng)鏈的定價與激勵機制。Kaya[4]研究了再制造產(chǎn)品與新制造產(chǎn)品部分可替代的決策。

政府是逆向供應(yīng)鏈的利益相關(guān)者之一。達慶利[5]提出：政府法律法規(guī)和環(huán)保政策對回收再制造的影響是供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域值得關(guān)注的問題。Mitra和Webster[6]探討了政府的再制造補貼對于制造商和再制造商利潤的影響，通過比較只補貼再制造商、只補貼制造商及補貼制造商和再制造商，得到補貼由制造商和再制造商分享較好的結(jié)論。Chen和Sheu[7]利用微分對策建立了環(huán)境規(guī)制下制造商的定價模型，得到政府應(yīng)逐漸提高規(guī)制標(biāo)準(zhǔn)，以便引導(dǎo)制造商逐步提高產(chǎn)品回收再利用水平等結(jié)論。Aksen[8]運用二層規(guī)劃建立政府補貼制造商的兩個模型，提出相同的回收率和收益率目標(biāo)下，支持性比立法性政策需要政府提供更多的補貼。Atasu等[9]考慮了經(jīng)濟和環(huán)境的雙重影響，建立了政府、制造商及消費者的博弈模型，政府給予制造商補貼以引導(dǎo)其回收再制造WEEE，討論立法有效率的條件。晏妮娜[10]研究了第三方回收商和零售商回收情況下考慮環(huán)境立法對廢鋼回收的獎懲措施，建立廢鋼回收模型。計國君和黃位旺[11]以條例為背景，借鑒歐盟生產(chǎn)者延伸責(zé)任制，比較了企業(yè)單獨回收和集體回收兩種回收責(zé)任，得到單獨回收責(zé)任下制造商更傾向于再制造的結(jié)論。

王文賓[12]初步探討了政府針對制造商和回收商的逆向供應(yīng)鏈獎勵與獎懲機制，發(fā)現(xiàn)政府給予制造商比給予回收商獎懲機制更能調(diào)動制造商和回收商的積極性。王文賓[13]以獎懲力度和目標(biāo)回收率為主要參數(shù)，探討了政府的獎懲機制對制造商回收再制造決策的影響。聶佳佳等[14]討論了零售商負責(zé)回收情況下政府針對零售商的獎懲機制對逆向供應(yīng)鏈的影響。王文賓[15]比較了基于回收率和基于回收量的獎懲機制，討論了兩種機制的適用性，并比較了機制的優(yōu)劣。朱慶華[16]建立了綠色供應(yīng)鏈管理中考慮產(chǎn)品綠色度和政府補貼分析的三階段博弈模型。Chen和Chang[17]研究了第三方負責(zé)再制造和再銷售情況下的閉環(huán)供應(yīng)鏈決策問題。

政府獎懲機制的許多優(yōu)點已經(jīng)在筆者前面的一些研究中得到了驗證[12]-[15]，[19]。然而鮮有考慮制造商競爭環(huán)境下獎懲機制的研究?，F(xiàn)實中制造商面對激烈的市場競爭環(huán)境，而較少處于完全壟斷的市場環(huán)境，特別是電器電子行業(yè)，在殘酷的競爭環(huán)境下制造商的利潤率只有3%-5%。由于利潤率較低，不少企業(yè)擔(dān)心回收再制造增加成本負擔(dān)，因而不愿主動回收廢舊產(chǎn)品。因此，競爭環(huán)境與完全壟斷環(huán)境下政府獎懲機制的設(shè)計會有所不同，制造商競爭環(huán)境下逆向供應(yīng)鏈的政府獎懲機制值得探索。

另一方面，低碳經(jīng)濟要求制造商生產(chǎn)新產(chǎn)品的碳排放量不能太高，高碳排放不僅浪費能源資源，而且污染空氣，也影響人類健康。政府應(yīng)該加大對企業(yè)碳排放的約束力度。借鑒WEEE回收所采用的獎懲機制思想，碳排放約束機制可以通過獎懲機制思想實施。碳稅是政府對企業(yè)的常用做法，如果對碳排放量少的企業(yè)給予退稅獎勵，對碳排放量大的企業(yè)加重稅，那么就能有效引導(dǎo)制造商走向低碳發(fā)展軌道，生產(chǎn)低碳產(chǎn)品，如果沒有這種機制，容易造成劣幣逐良幣的結(jié)果?？諝獾奈廴靖腆w污染同樣需要給予重視，近年來中國不少城市的霧霾天氣和空氣質(zhì)量破壞的事實說明，碳排放約束是必要的。而用這個視角審視閉環(huán)供應(yīng)鏈的研究尚為鮮見。

本文考慮由兩個制造商、一個回收商和消費者構(gòu)成的逆向供應(yīng)鏈，基于碳排放約束的制造商競爭環(huán)境下逆向供應(yīng)鏈的政府獎懲機制如何設(shè)計才能有效引導(dǎo)制造商提高廢舊產(chǎn)品的回收率？為探討該問題，本文以回收率、目標(biāo)回收率、獎懲力度等為主要參數(shù)，建立各種情況下制造商與回收商的博弈模型，得到各種情形下逆向供應(yīng)鏈的定價和回收率決策，特別是通過比較回收率、新產(chǎn)品零售價的大小，探討政府獎懲機制的規(guī)律，以期通過政府獎懲機制提高廢舊產(chǎn)品的回收率。

1 問題描述

考慮區(qū)域內(nèi)有少數(shù)幾個電器電子產(chǎn)品制造商，市場結(jié)構(gòu)為寡頭壟斷。不失一般性，不妨將寡頭制造商數(shù)目設(shè)為兩個，政府實施獎懲機制，假設(shè)一個制造商不回收再制造WEEE，另一個制造商回收再制造WEEE。為了表示方便，制造商為不回收再制造的制造商（這種類型的制造商對政府獎懲機制持消極態(tài)度，寧可被處罰也不回收再制造WEEE），制造商表示從事回收再制造的制造商。本文試圖探討政府獎懲機制引入后，兩制造商競爭會受到什么影響，從而討論如何設(shè)計獎懲機制才能更好的引導(dǎo)制造商積極回收再制造WEEE。根據(jù)計國君[11]的研究結(jié)論“單獨回收比集體回收責(zé)任下制造商更傾向于再制造”，假設(shè)制造商只回收市場中自己品牌的WEEE。

圖1 碳排放約束下制造商競爭的基于政府獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)

獎懲機制下逆向供應(yīng)鏈的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。政府給予制造商或回收商獎懲機制，機制主要包括獎懲力度、目標(biāo)回收率等參數(shù)。制造商和制造商生產(chǎn)同一種電器電子產(chǎn)品，制造商優(yōu)先使用WEEE生產(chǎn)，當(dāng)WEEE的數(shù)量不足時用新材料生產(chǎn)，制造商不回收再制造WEEE，完全采用新材料生產(chǎn)新產(chǎn)品。消費者分別以價格和購買制造商和制造商的新產(chǎn)品，大型第三方回收商從消費者那里回收WEEE的回收率為，回收商不僅回收WEEE，還承擔(dān)拆解、分揀等處理工作，具有回收處理功能。制造商以回購價從回收商處回購WEEE。政府的責(zé)任是引導(dǎo)逆向供應(yīng)鏈回收再制造WEEE，制造商是WEEE的主要責(zé)任者，她主導(dǎo)逆向供應(yīng)鏈。消費者既是新產(chǎn)品的購買者，又是WEEE的供應(yīng)者?；厥章湿剳蜋C制是政府給予制造商的，政府規(guī)定目標(biāo)回收率，如果逆向供應(yīng)鏈的回收率低于目標(biāo)回收率，則制造商或回收商受到政府的經(jīng)濟懲罰，反之，她們得到政府的經(jīng)濟獎勵。碳排放獎懲機制是指政府規(guī)定的每個制造商總的碳排放量上限，當(dāng)制造商生產(chǎn)新產(chǎn)品產(chǎn)生的碳排放量超過上限時，政府將處罰制造商；反之，政府將給予制造商獎勵。

1.1 符號說明

1.2基本假設(shè)

（2）回收的產(chǎn)品全部可用于再制造，用回收的WEEE再制造新產(chǎn)品的單位成本為，而用新材料制造新產(chǎn)品的單位成本為，且新產(chǎn)品同質(zhì)[14]，記，故新產(chǎn)品的單位成本。為保證所建的逆向供應(yīng)鏈模型有意義，需滿足，因為只有當(dāng)回收產(chǎn)品的單位再制造成本低于用新材料制造的單位成本時制造商才有積極性回購WEEE。

（4）制造商是逆向供應(yīng)鏈的Stackelberg領(lǐng)導(dǎo)者，回收再制造對新產(chǎn)品市場容量的影響忽略不計[10]。

2 模型描述

2.1模型Ⅰ：逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)

一方面為了與競爭情形下逆向供應(yīng)鏈的決策進行比較，另一方面，一個制造商在一定區(qū)域內(nèi)無競爭者（即完全壟斷）的情況在我國的確存在，故本節(jié)首先研究這種情形下逆向供應(yīng)鏈的決策。作為基礎(chǔ)情形，這是一種制造商回收再制造的集中式?jīng)Q策模式。筆者在文獻[13]中已對該情形做過探討，考慮到論文的篇幅，此處不做詳細解釋。制造商的利潤函數(shù)為回收商的利潤最大化目標(biāo)函數(shù)為。故該情形下逆向供應(yīng)鏈集中式?jīng)Q策的目標(biāo)函數(shù)[13]為

（2）

2.2模型Ⅱ：帶碳排放約束的逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)

這是一種制造商回收再制造的集中式?jīng)Q策模式。筆者在文獻[13]中已對該情形做過探討，考慮到論文的篇幅，此處不做詳細解釋。與文獻[13]不同的是，制造商的利潤函數(shù)里增加了碳排放約束項。制造商的利潤函數(shù)為回收商的利潤最大化目標(biāo)函數(shù)為。故該情形下逆向供應(yīng)鏈集中式?jīng)Q策的目標(biāo)函數(shù)[13]為

（5）

2.3模型Ⅲ：制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)

由于制造商是逆向供應(yīng)鏈的Stackelberg領(lǐng)導(dǎo)者，制造商除了具有新產(chǎn)品定價權(quán)外，在與回收商的博弈中也處于主導(dǎo)地位，WEEE的回購價由制造商決定，因此，制造商的決策變量為和，其利潤為銷售新產(chǎn)品獲得的收益與回購WEEE再制造新產(chǎn)品而節(jié)約的成本之和減回購WEEE的成本，故其利潤最大化目標(biāo)函數(shù)為

（7）

（9）

這個博弈問題是由靜態(tài)博弈和動態(tài)博弈構(gòu)成的多階段博弈，決策順序為：首先制造商和制造商的靜態(tài)定價博弈，接下來制造商決定WEEE的回購價，最后，回收商根據(jù)回購價決定回收率。根據(jù)逆向歸納法的思想求解可得

（11）

（12）

2.4模型Ⅳ：碳排放獎懲機制下制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)

（15）

（16）

求解思路同2.2節(jié)，根據(jù)逆向歸納法的思想求解可得

（18）

（19）

2.5模型Ⅴ：帶有政府對制造商實施碳排放和回收率獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈系統(tǒng)

基于生產(chǎn)者延伸責(zé)任的思想，該情況下政府給予制造商獎懲機制，以引導(dǎo)其領(lǐng)導(dǎo)回收商回收較多的WEEE。機制的設(shè)計方法與文獻[13]一致。制造商的目標(biāo)函數(shù)除了式（14）外，還包括政府獎懲機制引入后的獎勵或懲罰額度，根據(jù)第1.1節(jié)符號說明，為政府對制造商或回收商單位回收率的獎懲力度，為政府規(guī)定的最低回收率（目標(biāo)回收率），故表示獎勵或懲罰額度，當(dāng)時，政府將給予制造商的獎勵額度與成正比，當(dāng)時，為負，政府處罰制造商的罰款額度也采用同樣的力度以確保公平性和易操作性，故獎勵或罰款額度均為。制造商因為不回收WEEE，其回收率為零，故根據(jù)政府獎懲機制的額度計算公式，他要被罰款的額度為。因此，制造商，制造商以及回收商的利潤最大化目標(biāo)函數(shù)分別為

（22）

（23）

與第2.3節(jié)同樣的求解順序解得

（25）

（26）

從式（27）可以觀察得到性質(zhì)1如下：

3 五種情形下逆向供應(yīng)鏈的決策結(jié)果比較及管理規(guī)律分析

命題1 單位碳排放量越多，逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)的回收率越低；碳排放獎懲力度越大，逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)的回收率越低；帶碳排放約束的逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)比無碳排放約束的逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)的新產(chǎn)品價格提高。

從命題1可以看出，碳排放約束對逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)回收率的提高不利，還會導(dǎo)致新產(chǎn)品價格的提高，這也是對制造商和消費者不利的因素。

命題2表明，帶有政府對制造商實施碳排放和回收率獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈系統(tǒng)的回收率高于碳排放獎懲機制下制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)，說明政府的回收率獎懲機制是必要的。碳排放獎懲機制下制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)與制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的回收率大小關(guān)系取決于制造商之間的產(chǎn)品替代系數(shù)、制造商和制造商生產(chǎn)單位新產(chǎn)品的碳排放量等因素，具有不確定性。

證明：

從命題4可以看出，碳排放約束不影響制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的回購價，而政府對制造商的碳排放和回收率獎懲機制下的回購價與無回收率獎懲機制的回購價不同，他們的大小關(guān)系取決于多個因素，當(dāng)滿足一定條件時，帶有政府對制造商實施碳排放和回收率獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈系統(tǒng)高于碳排放獎懲機制下制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的回購價。

4 算例

從圖2可以看出，回收率隨針對回收率提高的獎懲力度（不包括碳排放獎懲力度）的增加而增大，實施獎懲機制可以有效的引導(dǎo)WEEE的回收。

圖2 回收率隨獎懲力度的變化趨勢

從圖3可以看出，在競爭環(huán)境中對制造商或者回收商實施獎懲機制后，其回收率隨替代系數(shù)的增大而增加，這表明競爭越激烈，回收率越高，獎懲機制越有效。

圖3 回收率隨產(chǎn)品替代系數(shù)的變化趨勢

5 結(jié)語

本文考慮碳排放約束下制造商競爭的基于政府獎懲機制的逆向供應(yīng)鏈決策，分別建立了5種情形的模型，通過對決策結(jié)果的比較和討論，得到以下主要結(jié)論：

（1）競爭有利于WEEE回收率的提高，競爭越激烈WEEE的回收率越高；碳排放約束下政府實施針對回收率的獎懲機制能夠提高WEEE的回收率。

（3）碳排放約束對逆向供應(yīng)鏈集中系統(tǒng)回收率的提高不利，而碳排放約束不影響制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的回購價，碳排放約束提高了制造商競爭逆向供應(yīng)鏈分散系統(tǒng)的新產(chǎn)品價格。

可見，碳排放約束和制造商競爭對逆向供應(yīng)鏈獎懲機制的影響較大，碳排放約束對WEEE回收率有影響，影響取決于具體情況。本文將碳排放和一般回收率均利用獎懲機制進行引導(dǎo)，并分析了二者之間的交互作用（例如碳排放的引入對回收率產(chǎn)生了明顯影響），較以往的相關(guān)研究有所突破。不可否認的是，本文的研究沒有考慮信息不對稱情形，信息不對稱情況下制造商競爭對逆向供應(yīng)鏈獎懲機制的影響是進一步研究方向之一。

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Design the Reward-penalty Mechanism for Reverse Supply Chains Based on Manufacturers’ Competition and Carbon Footprint Constraints

WANG Wen-bin1, DENG Wen-wen1,BAI Tuo1, DA Qing-li2,NIE Rui1

(1. School of Management, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Economics and Management, Southeast University, Nanjing 211189, China)

This paper uses government’s reward and penalty mechanisms to guide manufacturers into cutting down carbon footprint and increasing collection rate of waste products. Furthermore, we analyze the interaction between carbon emission and collection rate, which aims to increase the collection rate of waste products and actively improve manufacturers to recycle and remanufacture waste products. Certainly, the ultimate purpose of this approach is that it can save resource and energy, and cut down air pollution in order to improve air quality and protect human.

Mainly considering the reward-penalty mechanism of reverse supply chains under manufacturers’ competition environment and from the perspective carbon emission, we develop five decision models: centralized decision-making of reverse supply chain, centralized decision-making of reverse supply chain with carbon emission constraints, decentralized decision-making of reverse supply chain under manufacturer’s competition, decentralized decision-making of reverse supply chain under manufacturer’s competition with carbon emission constraints, and decentralized decision-making of reverse supply chain under manufacturer’s competition with carbon emission constraints and government’s reward-penalty mechanisms. The main method used to develop these five models is dynamic game of Stackelgerg.

This paper considers two oligarch manufacturers，one recycler and one consumer in a reverse supply chain. There are two oligarch manufacturers: one does not recycle and remanufacture waste products and the other one does recycle and manufacture waste products. The government's responsibility is to encourage the reverse supply chain to recycle and remanufacture waste products based on reward-penalty mechanisms. The government decides the target collection rate. If the collection rate of the reverse supply chain does not exceed the target collection rate, the government will punish the manufacturers or recycler. On the contrary, the manufacturers or recyclers will be rewarded. Government dictates the reward-penalty mechanism of the carbon emission, which is the ceiling target of carbon emission to every manufacturer. When new products generate carbon footprint above the ceiling, the government will punish the manufacturers. Otherwise, the government will reward them. Manufacturers play key roles to recycle waste products. Recycler recycles waste products from the consumer. Recyclers not only recycle waste products, but also dismantle and sort out waste products. Recyclers perform the functions of recycling and disposing. Consumers are both buyers of new products and providers of waste products. In the scenario, the market structure is oligopoly and the government implementsreward-penalty mechanisms. We establish several kinds of game models by using parameters such as collection rate, target collection rate, which is decided by government and penalty levels. This study investigates the design method of the government reward-penalty mechanism and gains the regularities which affect the reverse supply chain. Furthermore, a numerical example considering the situation is used to illuminate the effect of the parameters, such as reward-penalty strength and products substitution coefficient, on collection rate.

In the first model, there are two scenarios. One scenario is that there is competition among manufacturers in some felids. The other scenario is completely monopoly manufacturer. The second model is centralized decision-making of a reverse supply chain. The model is different from other models in that the profit function of manufacturers is added to the carbon emission constraint option；In the third model, the manufacturers is the Stackelbergleader of the reverse supply chain. This multi-stage game consists of static and dynamic games. The fourth model is solved by backward induction. The fifth model is based on the extended responsibilities of producers. In this circumstance, the government gives reward-penalty mechanisms to the manufacturers to lead the recycler to recycle more waste products. In the fifth model, the effect of the carbon emission constraint on the collection rate of recycling remanufactures is related to such factors as the products substitution coefficient, the reward and penalty strength of the carbon emission, the unit carbon footprint of the two manufacturers and so on. The less the unit carbon footprint quantity of the recycle manufacturer and the more the unit carbon footprint quantity of the other manufacturer, the more collection rate increases.

Competition is beneficial to raising collection rate. The more intense the competition, the higher the collection rate is. The retail price of new products belongs to manufacturers because active recycling is lower and can create price-competitive advantage. The less the unit carbon footprint quantity of the recycle manufacturer and the more the unit carbon footprint quantity of the other manufacturer, the more collection rate can be increased. It is necessary for government to provide reward-penalty mechanism in order to increase the collection rate. A carbon emission constraint is disadvantageous to the increase of collection rate. Moreover, the selling price of the remanufactures increases.

This study explores the effect of government reward and penalty mechanisms on the competition of manufacturers. This paper has two major contributions. First, it introduces government reward and penalty mechanisms to influence manufacturers’ carbon emission and increase collection rate of waste products. Second, the findings of this study indicate that recycling resources can not only save resources, but also protect our environment by using reasonable government reward and penalty mechanisms.

competition; carbon emission; government’s reward-penalty mechanism; reverse supply chain; collection rate

中文編輯：杜 ??；英文編輯：Charlie C. Chen

F252

A

1004-6062(2016)02-0188-07

10.13587/j.cnki.jieem.2016.02.023

2012-09-24

2013-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（71102164，71271054，70971022）；教育部人文社會科學(xué)研究青年基金資助項目（10YJC630249）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（20110491478）

王文賓（1979—），男，山東諸城人，中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：物流與供應(yīng)鏈管理。