低碳环境友好技术创新扩散非对称演化博弈研究

肖汉杰,王 华

(1.昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南 昆明 650093；2.昆明理工大学质量发展研究院,云南 昆明 650093)

低碳环境友好技术创新扩散非对称演化博弈研究

肖汉杰1,2,王 华1

(1.昆明理工大学复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南 昆明 650093；2.昆明理工大学质量发展研究院,云南 昆明 650093)

根据影响企业策略选择的技术互补比例、政府激励参数和行业内惩罚损益等参数构建支付矩阵，构建企业间的低碳环境友好技术创新扩散非合作演化博弈模型，并利用matlab进行数字仿真分析。仿真结果表明：技术创新扩散需要政府部门优化环境规制制度，同时需要行业自身净化行业内部环境；技术互补性越强博弈主体双方选择扩散策略的比例越大，企业间进行技术创新扩散的概率越大。政府恰当的激励政策有利于企业进行扩散策略的选择。

低碳环境友好技术；创新扩散；非对称演化博弈

低碳环境友好技术(Low-carbon Environmentally-sound Technology,EST)是指减少排碳量、减轻环境污染的清洁生产技术，其转移过程影响到与减缓气候变化相关的成本和经济效益[1-2]。EST创新扩散能够扩大清洁技术利用率和覆盖范围，这对于中国实现转型发展、绿色发展、可持续发展具有重要意义。同时，EST创新扩散效率和质量对于全世界生态保护具有重要意义，是各国学者关注的焦点问题[3]。

20世纪80年代初，技术创新扩散研究开始引入博弈论的方法。近年学者围绕技术创新扩散过程中的发生机理、政府激励政策及其对技术创新扩散等问题开展了深入研究[4-5]，为低碳环境友好技术创新扩散提供了重要理论依据。现有技术创新扩散理论都采用价格博弈模型进行研究，例如张发树等[6]对企业在不同阶段价格策略进行分析。但低碳环境友好技术创新扩散的环境负外部性特征使得其不能简化为价格博弈模型，而必须是在政府政策驱动下完成的[7-8]。价格博弈模型在低碳环境友好技术创新扩散中应用受限。低碳环境友好技术创新扩散分为国家和企业两个层面，王靖宇等[9-10]基于经典博弈模型分析了转让国与技术受让国及其企业在EST技术转移过程在政治、经济方面的博弈策略并提出了相应对策。上述研究为技术创新转移扩散都做出了重要贡献，但少有研究对低碳技术创新在企业群体间扩散的特点及规律进行具体描述[11]。技术扩散本质是企业的市场行为，政府部门更多扮演的是引导角色[12]。另外上述研究的支付函数都是基于完全理性的期望效用理论建立，但研究假设中都是假设博弈主体为有限理性，这就存在研究假设与模型构建不统一的问题，所得结论有待于进一步完善。

鉴于此，本文以钢铁行业为例，分析钢铁行业低碳环境友好技术扩散问题和特征，围绕影响各博弈主体策略选择的因素，基于价值函数建立支付矩阵，从而构建钢铁企业间的低碳环境友好技术创新扩散演化博弈模型，探索钢铁企业在低碳环境友好技术扩散过程中的策略选择演化过程以及演化稳定策略。最后，通过数值仿真分析企业风险态度、技术互补等因素对企业策略选择的影响，进一步从企业经济成本、风险感知视角提出促进企业间技术扩散的对策建议。

1 EST创新扩散需求现状及囚徒困境

1.1 EST技术扩散需求现状

钢铁行业是能源消耗密集行业，是高污染、高排放行业。近年来，我国钢铁行业节能环保虽然取得了显著成效，部分先进钢企的部分能耗指标已接近或达到国际先进水平，但与美、日、韩等国相比，国内重点钢铁企业吨钢可比能耗与国外先进企业相比差距很大，我国吨钢可比能耗高于国外64.4kgce[3]。碳交易市场的建立与完善，使得钢铁企业不得不考量碳成本对于企业运营的影响。目前钢铁企业对节能环保工作的态度正在由被动向主动转型的过程中，企业间进行低碳环境友好技术扩散需求和紧迫性加强。同时，钢铁企业的生产系统是个复杂系统，涉及焦化、烧结、炼铁等多个环节，因此，对于钢铁业来讲，节能减排的技术分布在生产流程的各个节点，做好节能减排工作是一项复杂工程，难点较多，需要企业间的相互协同、协作和扩散应用低碳环境友好技术，才能实现节能减排目标任务。

1.2 EST创新扩散的囚徒困境

低碳环境友好技术扩散风险和需求矛盾对立。在碳交易市场逐步完善的背景下，钢铁企业对于低碳环境友好技术的需求十分旺盛。企业进行低碳环境友好技术创新扩散的目的是为了在市场竞争中获取最大的收益。但低碳环境友好技术通常属于技术创新，而采用创新技术需要潜在采纳者投入大量资金和人力资源，并且效益通常不确定，而这种不确定性将使企业在采用低碳环境友好技术时需承担一定的风险。同时，钢铁企业可能因为扩散低碳环境友好技术而失去在未来碳交易中的竞争优势，企业也不愿意透露高成本低碳环境友好技术Know-How(技术Know-How有别于技术硬件设备本身，具有知识性和经验性，并具有一定隐蔽性)的信息而被采纳方低价支付或者被模仿遭受损失[13]。另外，由于EST创新扩散中带来的温室气体排放GHGs减排及其带来的附带利益都具有“公共物品”的性质，企业都有搭便车、让对方采取行动的动机。作为有限理性人，合作企业之间为了防范合作方的搭便车和机会主义行为，在低碳环境友好技术创新扩散合作过程中相互提防，互设障碍，则创新扩散合作必然无法深入，从而导致合作失败。同时，技术创新扩散过程中信息的不对称，使得追求自身利益最大化的机会主义行为常常给合作企业带来损失，最终导致合作关系解体。因此，低碳环境友好技术很难在短时间内在行业内部进行扩散，形成“囚徒困境”，需要探索破解困境的途径。

2 EST创新扩散的演化博弈模型

针对EST创新扩散的需求现状及其囚徒困境问题，采用演化博弈论探索扩散对策与路径。

2.1 演化博弈模型构建

假设1：在钢铁行业低碳环境友好技术扩散系统中存在两类有差别的有限理性群体：企业A为先进型钢铁企业；企业B为一般钢铁企业。A和B在某些环节都拥有节能减排先进技术。A和B可以采用的策略有{扩散(S1)、不扩散(S2)}，双方博弈行为是重复且动态的，二者不断根据对方策略的变化调整策略，直至达到“演化稳定策略”。假设企业A选择S1策略概率x，选择策略S2的概率为1-x；企业B中选择S1策略概率y，选择策略S2的概率为1-y。x、y均为关于时间t的函数。

假设2：A、B低碳环境友好技术节能降耗、减少碳排放的质量水平有差异，其带来的总效益(经济、社会和环境等)存在差异。CA、CB分别表示A、B采用节能排技术所能带来的总收益(社会声誉、碳税、核心竞争力等)。假设A拥有低碳环境友好技术的总收益高于B，即CA>CB。

假设3：低碳环境友好技术种类繁多，在同一生产环节可能采用不同技术，技术水平存在差异，如果技术间没有互补性或者异质性，技术存在重叠，那么企业间就没有比较进行扩散。μ表示A、B低碳环境友好技术互补性比例。企业只有将互补性低碳环境友好技术加以消化和吸收才能将其转化为自身节能降耗能力的一部分，从而增加收益。但由于企业人才、技术水平、管理能力等多方面的差异，企业消化和转化技术的能力存在差异。令φA、φB分别为A、B的技术转化能力系数。根据文献[14]可知，低碳环境友好技术间具有协同效益，也就表明相互技术扩散将能够创造出“1+1>2”的协同效应，这也是企业愿意进行技术扩散的原因之一，协同效益系数为δA、δB。根据上述假设，那么A选择扩散技术时给B带来收益为CAμδBφB；B选择扩散技术时给A带来收益为CBμδAφA。

假设4：低碳环境友好技术的扩散可能会影响企业在碳交易市场上的竞争力，从而使企业在整个市场竞争中丧失优势。因此，低碳环境友好技术扩散存在风险损益。假设令γA、γB分别为A、B采用扩散策略时的风险损益系数。那么，A和B采取扩散策略时的风险损益分别为CAγA和CBγB。同时，A、B采用扩散策略时而另一方采取不扩散策略，从而实现“搭便车”和投机行为，不扩散企业将会在行业内部失去信誉，且可能按照契约赔偿扩散方企业损失。令K为A、B“搭便车”和投机行为受到行业内惩罚的损益。政府部门通过建立环境规制制度鼓励企业扩散低碳环境友好技术。为了激励企业间进行低碳环境友好技术扩散，减小企业在扩散中的经济损失，考虑加入一个激励系数ϑ。因此，A、B在选择扩散时得到的损失补偿分别为CBμBφAϑ、CAμAφBϑ。

根据上述假设，博弈主体的收益矩阵如表1所示。

表1 博弈主体的收益感知矩阵

2.2 演化博弈稳定策略分析

根据表1中低碳环境友好技术转移中企业A和企业B的收益感知矩阵可得到各策略的收益和混合策略的收益，进一步可以确定A和B的收益分别如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

运用非对称复制动态演化方式，得到低碳环境友好技术扩散系统的演化复制动态方程为：

(3)

(4)

2.3 稳定性分析

推论1：当CBμφAϑ

推论2：当CBμφAϑ>CAγA且K+CAμφBϑ

推论3：CBμφAϑ+K>CAγA且CBμφAϑ+K>CBγB时，G(1,1)是系统的演化稳定点。企业选择技术扩散时所带来的收益与“搭便车”和机会主义行为的行业内惩罚损益之和大于企业选择技术扩散策略时的风险损益。企业双方基于“收益大于成本”的策略选择原则将会积极选择技术扩散策略。这是一种理想情况，是最符合市场需求，也是扩散最快的情景。但是由于碳交易市场刚刚建立，很多政策措施正在完善当中，同时行业内部就低碳环境友好技术扩散共识和信誉制度等都在完善当中，就目前而言这种理想情况很难在现实中实现。因此，低碳环境友好技术的扩散不仅需要政府部门优化环境规制制度，行业内部对于技术扩散过程中的“搭便车行为”、机会主义行为等应该采取“黑名单”、“信誉评级”等措施来净化行业内部环境。只有内外部环境同时不断优化，才能帮助整个行业获得最大收益。

结合上述推论，可以绘制技术扩散演化博弈系统的系统动态演化相图，如图1所示。

图1 系统动态演化相图

3 数值仿真

昆明钢铁集团有限责任公司、云南德胜钢铁有限公司等云南钢铁生产企业为了积极适应碳交易市场制度，立足于低碳战略积极探寻企业间的低碳环境友好技术扩散途径和方法。博弈模型中的μ、K、ϑ等参数影响企业策略选择，从而影响演化动态过程。本文利用Matlab软件以某项低碳环境友好技术创新的扩散情形为例，模拟钢铁企业扩散双方策略选择的动态演化过程。鉴于云南省碳排放交易市场正在逐步建立，博弈双方对碳排放和节能所带来效益的认识是逐渐深化的，技术扩散开始前博弈双方重视技术扩散企业所占比例均较低(因此假设x，y初始值均为0.4)。其余各参数的初始值设置为：低碳环境友好技术所带来总效益的初始值设为CA=100、CB=80(单位，万元)；技术互补性参数初始值设为μ=0.5；技术转化能力系数初始值设为φA=0.8、φB=0.6；企业风险态度系数初始值设为γA=0.6、γB=0.8。企业受到行业内惩罚损益的初始值设为K=20。政府部门激励系数的初始值为ϑ=1.5。

(1)博弈系统对技术互补性参数μ值的敏感性分析。为了分析博弈系统对参数μ值敏感性，令μ=0.5、0.7、0.9，博弈系统演化情况如图2、图3和图4所示。

图2 博弈系统对μ值的敏感性分析

图3 企业A对μ值的敏感性分析

从图2～4中可知，当μ=0.5、0.7、0.9，此时企业双方技术互补性越强博弈系统越容易趋于稳定，越容易收敛于G(1,1)，即双方更趋向于进行技术扩散策略。当μ=0.5时，扩散系统明显处于非稳定状态，系统不存在演化稳定点。此时，这显然不利于企业间技术进行扩散。因此，数值仿真表明，技术互补性是影响企业间进行低碳环境友好技术扩散的重要因素。结合数值仿真结果来看，技术间互补性越强博弈主体双方选择扩散策略的比例越大，系统越容易收敛于稳定点。在实际中，企业常常受限于技术采纳成本和自身技术水平，技术采纳无力，企业采纳技术无力阻碍了低碳环境友好技术创新扩散。但在日益严格的环境规制制度下，企业基于自身利益最大化，选择采纳EST的动机巨大，但是受限于成本因素和技术因素，形成了较为尖锐的矛盾。因此，在低碳环境友好技术创新过程散的政策制定中，必须重视这一现象。政府政策需采用税收、财政等多种政策降低采纳成本，同时政府不能单向进行激励，防止技术采纳无力企业的投机行为，造成激励制度失效。

(2)企业双方对行业内惩罚损益K值的敏感性分析。由于“搭便车”和机会主义行为所带来的行业内惩罚损益是企业必须考虑的因素之一。令K=20、30和40，博弈系统演化情况如图5和图6所示。

图5 企业A对K值的敏感性分析

图6 企业B对K值的敏感性分析

根据图5和图6可知，当K=20和30时，扩散系统先向稳定点G(1,1)收敛，但很快失去稳定趋势，短时间企业会选择“不扩散策略”，从而系统不存在稳定点，不利于低碳环境友好技术进行扩散。当K=40时，A群体中企业选择扩散策略的比例不断增加，最后趋向于稳定，收敛于系统稳定点G(1,1)。因此，从数值仿真的结果来看，低碳环境友好技术的扩散需要整个行业共同制定严格共同约束机制，形成信誉联盟，共同打击低碳环境友好技术扩散中“搭便车”和机会主义行为。否则，拥有低碳环境友好技术优势企业很难选择扩散策略，往往会在短时间内扩散(见图5)，但是不扩散企业比例会开始增加。因此，企业信誉和诚信机制的建设对于企业采取扩散策略的影响重大。在实际中，博弈主体都是基于自身利益最大化进行策略选择。企业为了降低环境保护成本获取更大经济效益，其虽然具备了低碳环境友好技术，但是仍然可能进行偷排，这种现象常见报道。因此，信誉联盟机制不仅要涉及技术扩散过程，还要涉及技术应用环节，促使企业积极应用环境友好技术。同时，政府部门因执法成本、政府绩效和自身利益等问题无法实现对企业有效管制，从而导致环境保护机制失灵。自媒体时代的到来，给社会个体创造了参与环境保护更大的空间，同时降低了参与环境保护的成本，基于自身环境利益，社会个体参与环境保护的动机明显增强。因此，结合推论1结论，信誉联盟机制不仅要在行业内部建立，还需要发动和激励社会群众参与环境保护，形成政府主导、企业主体、群众广泛参与的低碳环境友好技术创新扩散信誉联盟机制。

(3)企业对政府激励系数的敏感性分析。政府部门为了激励企业采取扩散策略，常常会采取一些激励政策激励企业部门进行技术扩散，这将影响企业的策略选择。令ϑ=1、1.5和2.0时，博弈系统演化动态如图7和图8所示。

图7 企业A对ϑ值的敏感性分析

图8 企业B对ϑ值的敏感性分析

根据图7和图8可知，企业间技术扩散受到政府激励政策的影响。当ϑ=1.0时，显然企业A采取不扩散策略，而企业B也不采取扩散策略，此时系统向稳定点O(0,0)进行演化。这是政府部门最不愿意看到的情景，此时所有企业都不进行扩散策略。当ϑ=1.5时企业A群体仍然选择不扩散策略，而企业B选择扩散策略，此时博弈系统向M(0,1)稳定进行演化；当ϑ=2.0时，企业选择扩散策略的比例均增大，此时系统向从稳定点G(1,1)进行演化。因此，数值仿真的角度看，政府的激励政策有利于企业进行扩散策略的选择，但是激励的力度不能过低，否则不仅没有起到激励作用，反而使企业均选择不扩散策略。在实际中，政府激励措施很容易因为财政问题、领导环节等问题无法兑现，造成采用扩散企业承受较大损失，政府的公信力也受到影响，从而造成整个扩散系统的失效。因此，当前政府在低碳环境友好技术扩散中，不仅要注重扩散机制的建立，更要注重保障机制的建立和完善，形成政府激励的长效机制。另外，结合参数μ值来看，激励措施要着重倾向于技术采纳能力较高的企业，提升激励措施的实施效力。

4 结论

(1)技术互补比例参数对低碳环境友好技术扩散有正向扩散作用；技术间互补性越强博弈主体双方选择扩散策略的比例越大，系统越容易收敛于稳定点。

(2)低碳环境友好技术的扩散需要整个行业共同制定严格共同约束机制，形成信誉联盟，共同打击低碳环境友好技术扩散中“搭便车”和机会主义行为。否则，拥有低碳环境友好技术优势企业很难选择扩散策略，往往会在短时间内扩散，但是不扩散企业比例会开始增加。企业信誉和诚信机制的建设对于企业采取扩散策略的影响重大。因此，技术创新扩散需要政府部门优化环境规制制度，同时需要行业自身净化行业内部环境。

(3)政府部门的激励制度难以促进企业间进行技术扩散，在行业内部建立企业信誉和诚信机制对于企业策略选择影响重大。政府的激励政策有利于企业进行扩散策略的选择，但是激励的力度不能过低，否则不仅没有起到激励作用，反而使企业均选择不扩散策略。

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(责任编辑 沈蓉)

Asymmetric Evolutionary Game Study of Low-Carbon Environmentally-Sound Technology Innovation Diffusion

Xiao Hanjie1,2，Wang Hua1

(1.State Key Laboratory of Complex Nonferrous Metal Resources Clean Utilization,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;2.Quality Development Institute,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Firstly it built a payoff matrix based on parameters affecting the decision making of enterprises like technological complementary proportion,government incentives and penalty loss and gain in the industry.Then,it made a numerical simulation analysis by means of matlab.Simulation outcomes show that,technological innovation diffusion demands an optimization of environment control system by the government,and a cleaner internal environment of the industry.When there is a stronger technological complementation,both game players will be more inclined to make decision of diffusion,Which means there is a larger probability of technological innovation diffusion among enterprises.Government incentives is conducive to the diffusion decision among enterprises.

Low-carbon environmentally-sound technology;Innovation diffusion;Asymmetric evolutionary game

世界银行CRESP项目“中国应对气候变化技术需求评估”(TF012536)。

2016-11-09

肖汉杰(1987-),男,湖北鄂州人,博士研究生；研究方向：质量工程与节能减排评价。

F270；F224.32

A