Closed-Loop Supply Chain Models with Product Remanufacturing
R. Canan Savaskan
KelloggS choolo f Management,No rthwestern University, Evanston,Il linois6 0208, r-savaskan@kellogg.northwestern.edu
Shantanu Bhattacharya, Luk N. Van Wassenhove
Technology Management, INSEAD, Boulevard e Constance,77 305F ontainebleau,Ce dex,F rance {shantanu.bhattacharya@insead.edu,luk.van -wassenhove@insead.
The importance of remanufacturing used products into new ones has been widely recognized in the literature and in practice. In this paper, we address the problem of choosing the appropriate reverse channel structure for the collection of used products from customers. Specifically, we consider a manufacturer who has three options for collecting such products: (1) she can collect them herself directly from the customers, (2) she can provide suitable incentives to an existing retailer (who already has a distribution channel) to induce the collection, or (3) she can subcontract the collection activity to a third party. Based on our observations in the industry, we model the three options described above as decentralized decision-making systems with the manufacturer being the Stackelberg leader. When considering decentralized channels, we find that ceteris paribus, the agent, who is closer to the customer (i.e., the retailer), is the most effective undertaker of product collection activity for the manufacturer. In addition, we show that simple coordination mechanisms can be designed such that the collection effort of the retailer and the supply chain profits are attained at the same level as in a centrally coordinated system.
Key words: supply chain management;reverse logistics; remanufacturing; channel structure
- Introduction
The importance of the environmental performance of products and processes for sustainable manufacturing and service operations increasingly is being recognized. While legislation introduced in Europe, North America, and Japan encourages this awareness, many corporations have proactively taken measures in anticipation of evolving environmental performance requirements. Increasingly, manufacturers of durable and nondurable goods are establishing economically viable production and distribution systems that enable remanufacturing of used products in parallel with the manufacturing of new units. Remanufactured products are typically upgraded to the quality standards of new products, so that they can be sold in new product markets. In this paper, we consider product categories in which there is no distinction between a remanufactured and a manufactured product, and we refer to the distribution systems, which use a combination of manufacturing and remanufacturing, as closed-loop supply chains.
The prospect of remanufacturing poses interesting questions with respect to the design and management of closed-loop supply chains. The goal of this paper is to develop a detailed understanding of the implications that a manufacturers reverse channel choice has on forward channel decisions and the used-product return rate from the customers.
In current practice, we find a variety of reverse channel formats deployed by manufacturers. In some cases, manufacturers collect their used products directly from the customers. For instance, Xerox Corporation provides prepaid mailboxes so that customers can easily return their used copy or print cartridges to Xerox without incurring any costs. The company also remanufactures high-value, end-of-lease copiers (Xerox Corporation 2001). The used copiers are collected directly by Xerox as new ones are installed. Overall, the green remanufacturing program saves the company 40%-65% in manufacturing costs through the reuse of parts and materials (Ginsburg 2001). Similar activities are undertaken by Hewlett Packard Corporation for computers and peripherals, and by Canon for print and copy cartridges.
Manufacturers of consumer products such as single-use cameras and mobile phones utilize retailers for collecting their used products. For instance, Eastman Kodak Company receives single-use cameras from large retailers that also develop film for customers. On average, 76% of the weight of a disposed camera is reused in the production of a new one. Each time a camera is returned to Kodak, the retailer is reimbursed a fixed fee per camera and the transportation costs.
In the auto industry, independent third parties (i.e., dismantlers) are handling used-product collection activities for the original equipment manufacturers (OEMs). Recently, the 'big three' auto manufacturers in the United States started to invest in joint research and remanufacturing partnerships with dismantling centers to benefit from their scale economies and experience (Bylinsky 1995). Third parties such as GENCO Distribution System are also preferred by some consumer goods manufacturers for their experience in used-product collection (Hickey 2001).
To investigate how reverse channel choice affects the forward channel decisions and the used-product return rates, we consider a two-echelon supply chain and model a single manufacturer-retailer dyad with product remanufacturing.1 Based on observations from current practice and the extant literature, we consider three reverse channel formats: (1) manufacturer collecting used products directly from the customers (Model M), (2) manufacturer contracting the collection of used products to the retailer (Model R), and (3) manufacturer contracting the collection of used products to a third party (Model 3P). We contrast the results for the decentralized channels with the centrally coordinated system (Model C) to illustrate potential sou
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基于产品再制造的闭环供应链模型
摘要：二手产品再制造的重要性已经在文献和实践中得到广泛的认可。在本文中，我们解决了对从消费者处收集使用过的产品进行选择适当的逆向渠道结构的问题。具体来说，我们考虑一个制造商收集这些产品有三种选择：（1）制造商直接从消费者那里收取;（2）制造商对现有的零售商（已经有分销渠道）提供适当的激励进行收集;（3）制造商将电子废弃物的回收处理转包给第三方。根据我们在行业中的观察，我们在分散决策系统下对上述三中情形进行建模，此时制造商都是Stackelberg的领导者。在考虑分散渠道时，我们发现，无论怎样，与客户（即零售商）更接近的代理商，是制造商负责时产品收集活动最有效的承担者。另外，我们得出，可以设计简单的协调机制，使得零售商和供应链的利润达到与中央协调制度相同的水平。
关键字：闭环供应链管理 逆向物流 再制造 渠道结构
1.介绍
产品和流程在可持续制造和服务业务中的环境绩效越来越受到重视。虽然在欧洲，北美和日本引进的立法鼓励这种意识，但许多公司已经积极采取措施来预测环境绩效的不断变化。耐用和不耐用的商品制造商越来越多地建立了经济上可行的生产和分销系统，使得二手产品的再制造与新装置的制造同时进行。再制造产品通常升级为新产品的质量标准，从而可以在新产品市场上销售。在本文中，我们考虑了再制造产品和制造产品之间没有区别的产品类别，我们将使用制造和再制造的组合的分销系统称为闭环供应链。
再制造的前景对闭环供应链的设计和管理提出了更高的需求。本文的目的是详细了解制造商的反向渠道选择对转发渠道决策和客户的二手产品回报率的影响。
在目前的实践中，我们发现制造商部署的各种反向信道格式。 在某些情况下，制造商直接从客户处收集他们的二手产品。 例如，施乐公司提供预付邮箱，以便客户可以轻松地将其使用的副本或打印墨盒返回给施乐，而不会产生任何费用。 该公司还重新制造了高价值的终端复印机（Xerox Corporation 2001）。 二手的复印机是由施乐公司直接收集的，因为安装了新的复印机。 总体而言，绿色再制造计划通过重新使用零件和材料，将公司的40％-65％的成本节省成本（Ginsburg 2001）。 Hewlett Packard Corporation对计算机和外围设备进行类似的活动，Canon也由打印和复印盒进行。
一次性照相机和手机等消费产品制造商利用零售商收集他们的二手产品。 例如，伊士曼柯达公司从大型零售商那里接收一台也为客户开发电影的相机。 平均来说，配置相机的重量的76％重新用于生产新相机。 每当相机退回柯达时，零售商都会向相机偿还固定费用和运输费用。
在汽车行业，独立第三方（即拆解人员）正在为原始设备制造商（OEM）处理二手产品收集活动。 最近，美国的“三大”汽车制造商开始投资于与拆迁中心的联合研究和再制造合作伙伴关系，以从其规模经济和经验中获益（Bylinsky 1995）。 一些消费品制造商也喜欢GENCO分销系统等第三方在二手产品收集方面的经验（Hickey 2001）。
为了研究反向渠道选择如何影响前进渠道决策和二手产品回报率，我们考虑一个双梯级供应链，并对产品再制造的单一制造商 - 零售商二进制模型进行模型。1根据当前实践和现有文献的观察 我们考虑三种反向渠道格式：（1）制造商直接从客户（型号M）收集使用的产品，（2）制造商将二手产品的收取合同到零售商（R型），以及（3）制造商承包集合 的二手产品给第三方（3P型）。 我们将分散渠道的结果与中央协调系统（C型）进行对比，以说明闭环供应链中低效率的潜在来源。
更具体地说，我们讨论以下研究问题：（1）批发价格，零售价格和总渠道利润如何受到反向渠道结构选择的影响？ （2）闭环供应链结构如何影响投资二手产品收集和产品回报率的动机？本文的一些关键结果表明，在闭环供应链中，零售商由于靠近市场而具有重要的双重作用。分析表明，当价格对单位生产成本变化敏感时，通过接近最终需求，零售商可以有效地将再制造成本节省到产品的最终价格，共同优化二手产品的投资采集。制造商在协调定价和二手产品回报率方面处于不利地位，因为她在前进渠道中面临双边边缘化。第三方模式是最不喜欢的选择，因为向第三方收取的收款成为供应链的直接成本，不鼓励提高最终需求，从而降低产品再制造的盈利能力。该模型还证明，制造商可以通过使用单一的两部分关税，将R模型的利润进一步提高到集中协调系统的水平。因为我们根据产品回报率定义了两部分关税，它不仅协调了零售商在正向渠道中的定价决策，而且在反向渠道中协调收款工作。
在更广泛的层面上，本文有助于我们对反向和前向渠道决策之间的相互作用的理解，以及代理人在不同反向渠道结构中投资二手产品收集的动机。
本文的其余部分安排如下。 在下一节中，我们简要讨论了当前文献和本文的贡献。 第3节专门用于模型的概念化和形成。 随着模型的发展，最优闭环供应链结构的分析结果见表4。 第5节研究使用产品收集的渠道协调机制。 我们概述了这项工作的局限性以及将来研究的可能方向。
- 文献综述
本文借鉴了几篇文献，我们在下面回顾一下。运营管理中日益增长的文献涉及可再制造产品的逆向物流管理问题。我们将读者引用到Fleischmann等人（1997）和Guide et al。 （2000）完整的文献综述。这些论文的基本假设是，闭路供应链运营的规划，如网络设计（Krikke 1998），车间控制（Guide et al。1997）和库存控制（van der Laan 1997）是由中央决策者完成系统性能优化。通过适应游戏理论方法，我们放松了集中规划者的假设，并对每个供应链成员的独立决策过程进行了模型化。具体来说，我们检查前向渠道的定价决策与不同反向渠道结构下收集使用产品的动机之间的相互作用。有越来越多关于逆向物流的研究论文，使用游戏理论来模拟再制造决策。 Majumder和Groenevelt（2001）研究了第三方再制造如何在回收产品消耗原始产品的需求时引发竞争行为。 Debo等人（2002）模拟了消费者在战略上采取行动时制造商的耐久性选择。虽然我们专门模拟反向渠道设计决策，在引用的论文中，这种决定被假定为模型结构的外在因素。
在供应链管理文献中，Pasternack（1985），Emmons和Gilbert（1998）和Donohue（2000）确定了短期生命周期产品的最优产品回报合同。 这些研究中考虑的回报是在销售季节结束时发生的，因为需求不稳定和零售商库存过剩。 与这组工作相关，Padmanabhan和Png（1997）探讨了回购合同中的订购灵活性如何影响零售层面的竞争。 相比之下，我们考虑从消费者回收的二手产品进行再制造，我们讨论合同形式，共同协调反向和前向渠道。
最近的研究也显示了供应链管理与环境改善之间的紧密联系。 Bierma和Waterstraat（2000）和Reiskin et al。 （2000）讨论减少资源利用的契约机制。 Corbett和DeCroix（2001）研究了共享储蓄合同，以克服供应商和买方之间的冲突，以减少间接材料的使用。这个最近的工作重点是减少消费所带来的成本节约（事前），同时我们考虑从产品重用（事后）获得的成本节省。在营销文献中，Stern等（1996）描述了每个通道成员在不同闭环供应链结构中的作用和功能，而不提供用于比较这些不同通道格式的定量基础。相比之下，在本文中，我们尝试提供不同渠道方之间角色的比较。营销渠道设计的定量模型只考察了前向分配系统（Jeuland和Shugan 1983，McGuire和Staelin 1983，Coughlan 1985）。虽然本文提出的模型结构与这一工作流程是一致的，但我们将这些模型扩展到包括从消费者到制造商的逆向产品和资金流动。
最重要的是，当回报流量存在质量不确定性时，对二手产品采购决策模型的研究兴趣也在不断增加。 参见Guide和Van Wassenhove（2001），详细讨论了这个问题。 在本文中，我们专注于渠道选择决策，并假设产品质量均匀。
接下来，我们介绍我们的建模假设和三个闭环供应链模型。
3.模型假设和符号：
我们在整个论文中使用以下符号：cm将表示制造新产品的单位成本，并将退回产品再制造的单位成本转化为新产品，p是产品的零售价格，w是单位产品批发价格和b将表示从零售商/第三方到制造商的退货产品的单位转移价格。 D（p）是市场对新产品的需求，作为产品价格的函数，II表示供应链模型i中渠道成员j的利润函数。 上标我将采用C，M，R和3P值，分别表示中央协调的制造商收集，零售商收集和第三方收集模式。 子脚本j将取值M，R和3P，分别表示制造商，零售商和第三方。
本文的主要目的是了解不同闭环供应链结构对使用产品收集和供应链利润投资的激励的影响。 因此，我们考虑以下情况，并作出以下建模假设。
假设制造商已经将二手产品的再制造工艺纳入其原始生产系统，从而可以直接从原材料制造新产品，或者将退回的部件或整个部件再制造成新产品。
假设一：使用二手产品生产新产品比制造新产品的成本要低一些，即所有再制造产品的cr lt;cm和cr对所有的再制造产品是相同的。
这种假设表明，新产品中的材料和子系统的组装节省主导拆卸的可能性，可再利用性检查和再制造成本的额外成本。因此，制造商对于较低的产品严格偏好较高的产品回报率 通过再制造，她可以降低生产成本。 假设1的最后一部分可以通过对退货产品质量纳入收益率来轻松放宽。 产量率由于不同的使用模式模拟了二手产品的可重用性的不确定性。
假设2.我们将反向渠道业绩表现为，客户使用的产品的回报率。 表示从返回单位重新制造的当前一代产品的比例，即0 lt;r lt;1。我们将r作为产品收集工作的函数，由I表示为收集活动的投资。这些投资可以考虑 作为收集代理人进行的促销支出。
因此，可以将r视为反向渠道中的代理人的促销/广告活动的结果，对于对其二手产品的再制造具有激励/热忱的消费者的反应。 为了表征投资收益递减，我们使用成本结构7 = VI / CL，其中CL是缩放参数。 消费者保留和产品意识的广告响应模型中已经广泛应用了类似的形式的响应函数（Lilien et al。1992，Fruchter and Kalish 1997，Zhao 2000），以及营销文献中的销售团队努力响应模型（Coughlan 1993） 。 在运营文献中，Porteus（1986）和Fine and Porteus（1989）使用类似的投资功能，通过投资设置成本降低和质量改进来调查过程改进和大量调整的机会。 本文研究了与再制造背景下的上述研究相似的权衡。
从假设1和2，制造的平均单位成本可以写成c = cm（1-） cr ，7。 注意，当每个消费者返回他或她的旧产品（即r = 1）时，c = cr。 如果二手产品的回报率为零，则所有需求都将从制造单位得到满足，因此c = cm。 如果我们用A（即A = cm-c，）重新使用单位成本节省，则平均单位成本由cm-TA给出。 在文献中也可以看到类似的成本结构，它们考察了供应链中的过程改进决策和降低成本的动机（Gupta和Loulou 1998，Gilbert和Cvsa 2000）。 制剂的相似性是一致的，因为在本文中，产品再制造的增加也意味着平均单位制造成本的降低。
假设3.收集和处理返回单元的可变单位成本，由A表示。为了再制造在经济上可行，我们假设A lt;，即每单位的固定支付少于每单位再制造单位节约的成本。
人们可以将A看成是给予返回二手产品的消费者的固定支付。考虑收集用过的产品（如软饮料罐）的反向自动售货机。每个向这些机器返回使用过的产品的客户将收到每单位的固定支付，由我们的模型中的参数A表示。注意A对模型是外生的，不影响对产品的需求。对于具有低残值价值且没有二级市场的消费品（即照相机，墨盒），情况就会如此（Swan 1972）。在耐用品方面，还应考虑二手市场/二手商品的价值如何影响消费者取代其二手产品的决定。假设3也意味着A不随着作业规模而增加。这与供应链结构一致，其中反向渠道具有足够的能力，以便产品回报率由收集工作和消费者对产品再制造的意识和参与引起。
C（）= I ArD（p）= CLT2 AD（p）给出C（r）的总成本可以表示为使用产品的返回率的函数，其中TD（p） 是从消费者回收并重新制造成新产品的单位总数。 因为我们打算比较不同反向渠道结构收集代理人的动机，所以我们假设所有闭环供应链模型都采用相同的成本结构。 在结论部分中，我们讨论了可能为某些反向渠道结构带来收集成本优势的其他因素。
假设4.我们考虑一个两梯级的供应链，并在单一制造商和单一零售商之间建立双边垄断地位。这使我们能够探索向前进渠道成员分配双重角色的影响。具体来说，如果零售商收取不足，他不仅通过设定产品的零售价格，而且通过收集工作水平来确定市场需求量，影响产品的平均制造成本。即使我们考虑一个单一的制造商 - 零售商结构，如果零售商不直接竞争，制造商实际上可以向不同的零售商销售。制造商也可以制造竞争品牌，但她不会将同类品牌卖给同一零售商，品牌也不具有相同的制造流程。零售商也可以携带许多品牌，但为简单起见，我们只考虑一个
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