《武汉工程大学学报》
2020年06期
698-705
出版日期：
2021-01-30
ISSN:
1674-2869
CN:
42-1779/TQ
云计算环境下基于补贴的互联网服务供应链协调研究
云计算是一种通过互联网向客户提供硬件和软件等计算资源的新型服务模式［1］。高质量的网络通信环境是云计算产业可持续发展的基础。近年来，随着网络覆盖能力与速度的提升，网络消费需求越来越大，为满足云计算企业和互联网服务公司的更高需求，网络通信商需要营造更稳定的环境，并探究新的业务模式。其中，代理产能部署服务就是重要的新业务模式之一，越来越多的网络通信商受互联网服务商的委托，与云计算提供商合作，联合开展部署产能规划业务。在此情形下，云计算提供商、互联网服务商和网络通信商三者构成一种新的互联网服务供应链。现有关于互联网服务供应链的研究，主要集中在合作关系及其协调机制研究两个方面。在互联网服务供应链合作关系的研究中，Currie等［2］认为互联网服务供应链是复杂、多变，各方必须合作才能达到共生。忽略网络通信商在整个供应链中的特殊地位，云计算服务交付将面临困境。Zhang等［3］针对阿里云的成长过程，研究了其在云计算服务部署与开发体系，指出交付能力是保持云计算服务保持竞争优势的关键，离不开网络通信商的支持，与网络通信商联合部署产能可以规避产能部署过剩或不足的风险。从技术层面看，Toosi等［4］针对云计算服务供需不匹配问题，基于弹性服务框架，提出Elastic SFC机制，可以降低成本、减少容量过剩和资源浪费。从组织层面来看，Gon?alves等［5］通过多案例研究发现，网络通信商通过网络的服务平台优势，实施基础通讯加代理业务模式，能改善互联网服务的容量管理体系。在另一方面，互联网服务供应链协调的研究视角主要是集中于传统供应链协调框架和传统信息服务模型视角。Demirkan等［6］研究发现，在ASP和AIP组成的供应链系中，代理策略可以加强供应链中各成员的合作，实现产能协调和社会最优均衡。梁昌勇等［7］基于研发努力与使用失败赔偿促销的合作契约，提出了收益共享的互联网服务供应链协调机制。李新明等［8］针对SaaS中的免费试用现状，指出成本共担契约能提高信息对称情况下免费试用水平；成本和风险共担契约能提高信息不对称情况下的免费试用水平。王文隆等［9］指出特许经营可以有效实现各方利益的协调，并达到帕累托最优。上述研究多以市场机制为主要背景，对政府干预下互联网服务供应链的合作及协调研究比较缺乏。然而，我国网络通信和云计算行业的发展受政策影响较大，与上述研究成果的应用背景存在较大差异，相关结果不能有效促进网络通信商参与和主导互联网服务供应链的问题［10］。鉴于此，本文从网络通信商的两种不同的服务业务模式入手，基于互联网服务商、网络通信商以及云计算提供商三者之间的买卖合作关系，构建两种不同的互联网服务供应链，通过引入政策补贴机制以优化互联网服务供应链，促进网络通信商的业务转型，并实现互联网服务供应链的可持续。1 模型构建1.1 问题描述当前，云计算提供商（cloud computing provider， CP）、互联网服务商（internet service company， ISC）以及网络通信商（network communication provider， NCP）已构成互联网服务供应链。其中，CP的代表企业有阿里云、腾讯云、Amazon Web Service云等，主要提供云计算服务；NCP以中国电信、中国移动、British Telecom等为代表，提供通信网络服务与代理服务；ISC以拼多多、携程、Netflix等为代表，则直接面向消费者提供信息服务。在云计算环境下，如果NCP仅提供基本通信服务，就是典型的通道基础设施提供商。面对互联网服务需求的快速增长和不确定性变化，由于对互联网服务供应链没有参与和决策主导权，很容易陷入通道拥堵或过度闲置的状态。为稳定需求和保障顺畅的体验，NCP亟需探索新的业务转型。通过开展代理服务，参与互联网服务供应链并尽可能地影响其决策过程，以实现其可持续发展。当前，许多国家已认识到这一现象，纷纷出台政策支持网络通信商的业务转型［11］。针对这种实践，本文提出政府为促进NCP更好的参与和主导互联网服务供应链，会对NCP和ISC的合作进行补贴，即在集中式供应链中对ISC进行补贴。补贴对象为互联网服务供应链的各参与者，即ISC、CP和NCP。1.2 理论假设根据研究需要，提出如下假设：假设1：根据供需合作关系，将互联网服务供应链分为分散式和集中式两种类型。分散式互联网服务供应链是ISC与CP进行产能合作部署与购买，NCP仅提供基础通信服务；集中式互联网服务供应链是NCP在提供基础通信服务的基础，受ISC委托与CP进行产能合作部署［11-12］。假设2：市场需求[Dp=yp+θ]，[yp=][a-bp]，[θ]为服从[[α,β]]上某种分布的随机变量，其概率密度函数和累计分布函数分别为[f(θ)]和[F(θ)]，[f’x0]。[a]为潜在基本需求，[b]为价格敏感系数。线性需求假设在现有文献中也较为常见［13］。支撑ISC服务需求的云计算服务能力为Q。并假设单位需求与单位云计算能力对等。假设3：令云计算服务能力与互联网信息服务体验成对应关系，单位信息需求需要单位云计算服务能力进行支撑；若[Q
D(p)]，产能过剩，云计算服务的过剩产能可以提高ISC的服务质量，增强体验价值，产生网络口碑和溢出效应［8］，记其单位价值为[ε(ε0)]。假设4：为促进NCP更好地参与和主导互联网服务供应链，政府采取补贴集中式互联网服务供应链的政策，根据补贴对象的不同，分别补贴：ISC、CP和NCP［14］。在集中式互联网服务供应链中，对ISC低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴为[λ]；对CP低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴为[γ]，对NCP低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴是[δ]。根据以上描述，模型的相关参数释义如表1所示。表1 模型参数释义Tab. 1 Definition?of?model?parameters[模型参数\&参数释义\&[Q]\&ISC与CP的合作产能部署能力\&[wp]\&CP云计算服务的单位价格\&[cp]\&CP云计算服务的单位成本\&[wn]\&NCP向ISC收取的单位通信服务费\&[cn]\&NCP的单位成本\&[p]\&ISC的单位服务售价\&[ci]\&ISC的单位成本\&[πi],[πp],[πn]\&分别表示ISC、CP和NCP的利润\&]1.3 模型分析1.3.1 分散式互联网服务供应链决策 在分散式互联网服务供应链中，ISC分别与CP和NCP合作，进行产能部署与购买，其中，CP向ISC提供云计算服务，NCP负责提供基础通信服务，此时，三者构成分散式的互联网服务供应链，构建ISC、NCP和CP的利润函数如下：[πi=E(p-ci)×min[Q,Dp]-(wp+wn)Q+εE[Q-D(p)+]] （1）[πp=(wp-cp)Q] （2）[πn=(wn-cn)Q] （3）本文所采用的报童模型在有关云计算协调的研究中得到广泛的应用，如李新明等［8］在其系列研究中提出：[πi=p-w-cEQ,X-w-rQ-][EQ,X-kX-EQ,X]，[k]为云计算预购量不足导致市场需求得不到满足情况下产生的单位机会成本。之前的研究未考虑机会成本的影响，原因在于：若在模型中加上订购不足的情况，最终得出的结果只会增加一个订购不足情况下的参数[k]，并不会对最终的结果产生实质影响，为简化计算，暂不考虑。设上标“D”表示分散式互联网服务供应链中的解，首先，获得ISC的云计算服务最优部署能力[QD]满足：[FQD-yp-2fQD-ypQD=(cp+cn-ε)(p-ci-ε)] （4）利用[QD]表示互联网服务供应链成本及各方利润见式（5）~（9）。[wDp=p-ci-εFQD-yp-fQD-ypQD+ ε-cn] （5）[wDn=p-ci-εFQD-yp-fQD-ypQD+] [ ε-cP] （6）令[TQ=E[min {Q,D(p)}]]，[πDi=p-ci-εTQD-FQD-ypQD] （7）[πDp=p-ci-εfQD-yp(QD)2] （8）[πDn=p-ci-εfQD-yp(QD)2] （9）1.3.2 集中式互联网服务供应链决策 在集中式互联网服务供应链中，NCP受ISC的委托，处理ISC与CP的产能合作业务，直接向CP支付云计算服务费用，并向ISC收取综合费用［15-16］。在这种情况下，三者之间形成以NCP为关键节点的集中式结构。可得集中式互联网服务供应链各方利润函数如下：[πi=E(p-ci)×min[Q,Dp]-wnQ+εE[Q-D(p)+]] （10）[πp=(wp-cp)Q] （11）[πn=(wn-cn-wp)Q] （12）NCP代理业务模型主要借鉴Niu［11］提出的模型，在其模型中提出[πi=pEmin[X,Q]-][wnQ]，[πp=(wp-cp)Q]，[πn=(wn-cn-wp)Q]。该模型广泛应用于实体业务领域，在云计算服务领域中应用还有待加强。云计算服务与传统的实体业务存在相似性：存在中间商代理业务；按使用实例数计量和收费；存在提前预定现象等。因此，这一模型的应用场景同样适用于云计算服务。设上标“C”表示集中式互联网服务供应链中的解，ISC的最优云计算服务部署能力[QC]满足：[FQC-yp-3fQC-ypQC-f’QC-ypQC2=] [(cp+cn-ε)/(p-ci-ε)] （13）同理，根据[QC]可得集中式互联网服务供应链各方成本及利润函数，具体见式（14）~（18）。[wCp=(p-ci-ε)F[QC-yp]-f[QC-yp]QC+b-cn] （14）[wCn=p-ci-εFQC-yp+ε] （15）[πCi=p-ci-εTQC-FQC-ypQC] （16）[πCp=(p-ci-ε)2f[QC-yp]+f’[QC-yp]QC(QC)2] （17）[πCn=p-ci-εf[QC-yp]QC2] （18）1.3.3 互联网服务供应链结构比较命题1 在互联网服务供应链的最优化运营状态下，[QD>QC]，[wDp+wDn
0]，则[ρx-ψx>0]。因此，可得[ρQC-ψQC>0]，即[ρQC>ψQC]。因为[ρ’x<0]，[ρQD=0]，[ψQC=0]，[ρQD=ψQC<ρqc]，所以[qd>QC]。[wDp+wDn=p-ci-εFQD-yp-fQD-ypQD+ε-cn+p-ci-εFQD-yp-fQD-ypQD+ε-cP
πCi]和[πDn>πCn]；但CP的情况相反，[即πDp<πcp]。 [π="iQ=p-ci-εf[Q-yp]Q>0]，[π" n="(p-][ci-ε){2f[Q-yp]Q+f’[Q-yp]Q2}">0]，表明两者是递增函数，又因为[QD>QC]，故[πDi>πCi]，[πDn>πCn]。对于CP而言，如果令集中式互联网服务供应链中的[wn]等于分散式服务供应链中[wn+wp]，则集中式互联网服务供应链中各方的利润函数与分散式情况下相同，唯一的区别在于决策顺序不同。在分散式互联网服务供应链中，CP和NCP同时作出价格决策；在集中式互联网服务供应链中，决策有先后顺序，CP具有先发优势。也就是说，给定ISC的最优云计算服务部署能力函数[Q(wp,wn)]，CP在集中式互联网服务供应链中的利润高于分散式互联网服务供应链，即[πCp>πDp]。命题2表明要提高CP的盈利能力，使其有更多的资金投入到技术创新中去，就必须发展集中式互联网服务供应链。云计算提供商是互联网服务供应链的核心企业，基于云计算的服务创新是互联网经济发展的关键路径。但是，ISC和NCP没有发展集中式供应链的动力，因此，针对云计算技术对网络安全和国家战略的重要地位，需要引入政策机制加以协调，以促进其可持续发展。2 基于补贴的集中式互联网服务供应链协调2.1 针对互联网服务商的补贴优化在集中式互联网服务供应链中，ISC低于分散式互联网服务供应链中的云计算服务最优部署能力[(QD-Q)+]的部分，每单位云计算将获得补贴[λ]。此时，ISC的利润函数为：[πi=Ep-ci×min[Q,Dp]-wnQ+ εEQ-Dp++λ(QD-Q)+] （19）现有关于政府补贴效果的研究主要针对由制造商和消费者构成的双层供应链，政府通过对制造商和消费者进行补贴，比较不同补贴方式的效果［14］。本文假设政府通过对集中式互联网服务供应上3种不同主体进行补贴，具体的补贴方式如下：对ISC低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴为[λ]；对CP低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴为[γ]，对NCP低于分散式供应链中最优产能的部分进行补贴，单位补贴是[δ]。验证补贴哪一主体更加有效。[FQCG-yp-3fQCG-ypQCG-f’QCG-yp] [QCG2=(cp+cn-ε+λ)(p-ci-ε)] （20）[πCGi=p-ci-εTQCG-F[QCG-yp]QCG+λQD] （21）[πCGp=[(p-ci-ε)[F[QCG-yp]-f[QCG-yp]QCG]+] [ε-cn-λ-cp]QCG] （22）[πCGn=(p-ci-ε)fQCG-ypQCG2] （23）设上标“CG1”表示政府补贴互联网服务商的解，政府补贴ISC时的最优云计算服务部署能力[QCG1]满足：命题3 对任何[η>0]，有[QCG
0]，有[p-ci-cp-cn>(p-ci-ε)]，[fQDQD>(p-ci-ε)fQQ]。于是，[πDi=0QDπ’iQdQ<(p-ci-cp-cn)QD][λQDπCGi]。尽管在集中式互联网服务供应链中，ISC的利润可能比较低，但政府补贴可以在一定程度上补偿其损失，此时，ISC也愿意选择NCP为代理商，处理其与CP的产能合作业务，从而形成集中式互联网服务供应链。当因集中式互联网服务供应链中的双重边际化效应导致的高成本被政府补贴所抵消，且ISC的产能部署能力并未增加时，ISC便会选择基于NCP的代理业务展开合作。但是当补贴力度并非很大时，可能无法获得[α={η|πCGi>πDi}]的有效区域，为了得出其有效范围，假设[x∈U[α,β]]遵循均匀分布，于是有：[fx=1β-α, x∈α,β,0, 其他.]推论 在随机需求[x∈U[α,β]]遵循均匀分布的情况下，存在[λ0∈(0,p-ci-cp-cn)]，当[λ>λ0]时，有[πCGi>πDi]。证明：[πCGi-πDi=-9λ2288p-ci-εβ+yp96β-α-β+yp96-cp+cn-ε12+14+β+yp3-cp+cn-εβ-α3p-ci-ελ+7β+yp2p-ci-ε288β-α-7cp+cn-εβ+yp2288β-α-ββ+ypp-ci-ε12β-α-7cp+cn-ε2288p-ci-ε-cp+cn-ε6。]当[λ=0]时，[πCGi-πDi<0]，当[λ=p-ci-cp-cn]时，[πCGi-πDi>0]，所以存在[λ0∈(0,p-ci-cp-cn)]，当[λ>λ0]时，有[πCGi>πDi]。令[ρx=(p-ci-ε)f[x-yp]x2]，对[ρx]求导得，[ρ’x=p-ci-ε[f’xx2+2f(x)x]>0]。因为[QCG
<πdn]。 上述命题表明，当政府对isc的单位补贴额达到单位利润（[p-ci-cp-cn]）时，isc在集中式互联网服务供应链中的利润可以达到分散式互联网服务供应链中的水平，而网络通信商的利润仍低于分散式互联网服务供应链。在此情形下，isc有动力改变与ncp的合作方式，由分散式互联网服务供应链向集中式互联网服务供应链进行转变。="" 2.2 针对云计算提供商的补贴优化="" 在集中式互联网服务供应链中，cp低于分散式互联网服务供应链中的云计算服务最优部署能力[(qd-q)+]的部分，每单位云计算将获得补贴[γ]。="" 此时，cp的利润函数为：="" [πp="wp-cpQ+γ(QD-Q)+]" （24）="" 设上标“cg2”表示政府补贴云计算提供商的解，补贴对象是cp时的最优云计算服务部署能力[qcg2]满足：="" [fqcg2-yp-3fqcg2-ypqcg2-f="QCG2-ypQCG22=(cp+cn-ε+γ)(p-ci-ε)] （25）[πCG2i=p-ci-εTQCG2-F[QCG2-yp]QCG2] （26）[πCG2p=p-ci-ε2fQCG2-yp+] [f" qcg2-ypqcg2qcg22+γqd]="" （27）="" [πcg2n="(p-ci-ε)f[QCG2-yp]QCG22]" （28）="" 命题5 对任何[γ="">0]，有[QCG2
0]，有[πCG2i<πdi]，[πcg2n><πdi]。 证明：="" 令[μx="p-ci-ε{Tx-Fx-ypx}]，" 对[μx]求导，[μ="x=p-ci-ε[Fx+][fx-yp-Fx]=p-ci-εfx-yp>0]因此，[μx]为增函数。又因为[QCG2<QD]，所以[πCG2i<πDi]。同理，可得[πCG2n<πDi]。上述结果表明，在补贴政策的规制下，互联网服务商从直接与网络通信商和云计算提供商合作转变为采用网络通信商的代理服务，相较于直接合作，其产能部署能力更小。在补贴云计算提供商的情况下，网络通线商和互联网服务商在集中式服务供应链之下的利润始终低于分散式服务供应链。基于此，网络通线商和互联网服务商缺乏向集中式互联网服务供应链转变的动力。2.3 针对网络通信商的补贴优化在集中式互联网服务供应链中，NCP低于分散式互联网服务供应链中的云计算服务最优部署能力[(QD-Q)+]的部分，每单位云计算将获得补贴[δ]。此时，NCP的利润函数为：[πp=(wn-cn-wp)Q+δ(QD-Q)+] （29）设上标“CG3”表示政府补贴网络通信商的解，补贴对象是NCP时的最优云计算服务部署能力[QCG3]满足：[ FQCG3-yp-3fQCG3-ypQCG3-f" qcg3-ypqcg32="(cp+cn-ε+δ)(p-ci-ε)]" （30）="" [πcg3i="p-ci-εTQCG3-F[QCG3-yp]QCG3]" （31）="" [πcg3p="p-ci-ε2fQCG3-yp+f’QCG3-ypQCG3(QCG3)2]" （32）="" [πcg3n="(p-ci-ε)fQCG3-ypQCG32+δQD]" （33）="" 命题7 当[δp-ci-cp-cn]时，有[πcg3n="">πDn]；对任意[δ>0]，[πCG3i<πdi] 证明过程同命题4。="" 上述命题表明，当政府补贴可以在一定程度上弥补网络通信商选择集中式互联网服务供应链时的损失，当每单位补贴额达到isc的单位利润（[p-ci-cp-cn]）时，网络通信商在集中式服务供应链中的利润可达到分散式供应链中相同的利润水平，互联网服务商在集中式服务供应链中的利润仍低于分散式下的情形。此时，网络通信商有足够的动力扩展代理服务业务，向集中式互联网服务供应链进行转变。="" 3 数值仿真="" 3.1 [θ]对供应链各方利润的影响="" θ表示需求不确定性的大小，θ越大，需求波动越大，风险也越大。假设[θ]遵循[[0,10]]上的均匀分布，[a="20]，[b=1]，[p=12]，[cp=5]，[cn=2]，[ci=3]，[ε=1]。不同供应链的利润与[θ]的关系如图1所示。" [0="" 2="" 4="" 6="" 8="" 10="" θ][π]
[30025020015010050][ISCNCPCP][0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0θ][π][30025020015010050][ISCNCPCP][ a ][ b ]图1 [θ]对不同供应链结构中各主体的利润的影响：（a）分散式，（b）集中式Fig.1 Impact?of?[θ]?on?profits?of each main member??in?different?supply?chain?structures：（a）decentralized?structure，（b）centralized?structure图1表明，ISC、NCP和CP的利润都与风险呈负相关关系，ISC的利润较高。在分散式供应链中，ISC相较于NCP和CP，可以获得更高的利润。在集中式供应链中，风险的增加带来的ISC产能部署不确定性的提高使得NCP的利润逐渐降低，两部分服务成本带来NCP总成本的增加，故ISC的利润最高。3.2 补贴对象与补贴系数对ISC和NCP利润的影响3.2.1 互联网服务商的每单位补贴系数[η]对各方利润的影响 如图2（a）所示，互联网服务商的单位补贴低于某一阈值时，改变互联网服务供应链结构将使ISC和NCP陷入亏损，因而供应链各方缺乏转向集中式互联网服务供应链的动力；而当单位补贴超过这一阈值时，ISC因转变与NCP的合作方式所造成的损失得到弥补，ISC愿意转变，此时，互联网服务供应链向集中式互联网服务供应链转变。且由于NCP的特殊地位得到进一步提升，ISC的产能部署能力得到有效降低，并有利于可持续价值的创造。3.2.2 云计算提供商的每单位补贴系数[γ]对各方利润的影响 观察图2（b）可得，政府对云计算服务提供商的补贴只能有效降低ISC的云计算产能部署规模，而不能带来互联网服务商和网络通信商利润的提升，相反，当政府的补贴对象为互联网服务商时，互联网服务商和网络通线商的利润无法达到分散式供应链中的利润水平，因此缺乏向集中式互联网服务供应链转变的动力。3.2.3 网络通信商的每单位补贴系数[δ]对各方利润的影响 如图2（c）所示，网络通信商的单补贴低于单位利润时，ISC改变与NCP的合作方式，将会使双方同时陷入亏损，因而双方均缺乏向集中式互联网服务供应链转变的动力；而当单位补贴超过单位利润时，NCP因开拓代理业务、转变与ISC的合作方式所造成的损失得到弥补，NCP愿意转变，此时，互联网服务供应链向集中式互联网服务供应链转变。且由于NCP的特殊地位得到进一步提升，ISC的产能部署能力得到有效降低，并有利于可持续价值的创造。4 结 论本文基于ISC、NCP及CP三者之间的买卖关系构建理论模型，研究分散式和集中式两种供应链的决策结构及各方利润，探讨基于补贴的供应链的结构优化与协调。在分散式互联网服务供应链中，ISC具有低成本的优势，有较高云计算服务的部署能力；同时，ISC和NCP在分散式互联网服务供应链中的利润高于集中式互联网服务供应链。但分散式互联网服务供应链会导致NCP的地位受损，造成互联网服务供应链基础设施的发展滞后，需要基于规制降低其产能部署能力，从而促进供应链可持续价值的产生。有关补贴对象的选择问题研究中发现，对ISC、NCP补贴，可以使得ISC在集中式互联网服务供应链的利润等于或大于其在分散式互联网服务供应链中的利润。对CP补贴时，不能实现这一目标。这些结果为政府发展基于云计算的互联网经济提供决策支持。 undefinedundefinedundefined
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