高铁运营安全监督博弈演化的系统动力学分析

李科宏 ，张亚东 ，郭 进 ，王梓丞

（西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 610031）

高速铁路投产运营后采取委托运输管理模式[1]开展生产经营，所以做好对实施委托运输管理的铁路局（以下简称委托路局）的安全监督工作，对于提高高铁安全管理水平、确保高铁运营安全具有重大的现实意义.因此，根据铁路总公司《关于新建合资铁路委托运输管理的指导意见》（铁政法[2011]149 号），各高铁公司（甲方）应该与委托路局（乙方）签订《委托运输管理协议》并明确各方的安全管理责任，这是对高速铁路安全管理体制的一次创新性改革.按照市场经济原则和博弈论的观点，甲、乙方分别属于不同的经济体，具有各自不同的企业目标与经济利益，甲乙双方可以制定不同的策略以实现各自利益最大化，并保障及监督高铁运输管理及安全管理，所以甲、乙方之间存在博弈现象.由于我国目前还处在铁路管理体制改革过程中，高铁委托运输管理制度正在逐步完善，高铁公司尽管作为业主，尚未明确在安全管理过程中的“责权利”，且对受委托路局的安全管理考核奖惩也未明确，使得博弈规则出现模糊，容易导致各主体间隐性的利益冲突不断加深，难以达到最优均衡状态，长期将会直接影响高铁监督检查和监管的效果，也会对高铁的运营安全产生潜在影响.目前有关高铁运营安全监督系统存在问题的研究大多为定性分析，还缺乏深入的理论研究.陈茂莹[2]认为应引入第三方力量介入高铁安全监管，以加强高铁公司的资产安全；许浩平[3]认为应建立合理有效的委托代理关系以发挥高铁公司与委托路局之间激励约束机制的作用；韩世通[4]认为应当修订和完善激励约束机制以加强高速铁路委托运输管理；彭辉等[5]认为应设计和建立有效的激励兼容机制以解决高铁公司和委托路局之间的利益分歧，使双方达到“共赢”.在其他领域，Zheng 等[6]使用演化博弈论结合委托代理理论对港口分权和集权的管理模式进行了研究；贾璐[7]使用博弈理论和系统动力学仿真对工程安全监管过程中的相关方进行分析.本文在相关领域学术研究成果的基础上结合现有高铁运营安全监督法律法规，首先对高铁运营安全监督的组织架构及其委托代理模式进行分析，指出了当前系统存在的主要问题.然后，基于优化假设条件，建立了存在高铁公司、第三方监管机构和委托路局三方的演化博弈模型，并对模型进行求解.最后，从系统演化博弈的角度对高铁运营安全监督系统进行了系统动力学（system dynamic，SD）仿真.本模型为分析高铁运营安全生产规律，科学制定高铁运营安全监督相关的政策提供了一定的理论和实践依据.

1 高铁运营安全监督系统现状及委托代理模式分析

1.1 高铁运营安全监督系统现状及问题分析

根据铁政法[2011]149 号，高铁公司应与委托路局签订《委托运输管理协议》，以明确各方的权利、责任和义务.高铁安全监督系统中，铁路总公司（国家铁路局）、高铁公司、委托路局及其它受托单位之间的关系如图1所示.

图1 高铁运营安全监管组织架构Fig.1 High-speed railway operation safety supervision organization structure

我国铁路实行政企分开后，国家铁路局开始行使政府职能对铁路行业进行监管，而铁路总公司仍然负责企业内部的安全监管.由于在新体制下，铁路总公司或国家铁路局针对高铁运营安全的监督管理还没有形成一个完整的体系，存在安全监督法规体系体制不完善，尚未建立高铁公司对委托路局的安全监督检查及考核奖惩工作制度等问题.关于高铁公司的安全监督检查工作，《委托运输管理协议》中明确了高铁公司应当确保安全投入，且对路局受托运输生产管理和安全管理的工作进行监督检查；铁路局需按照双方约定向高铁公司提供安全、运营等管理情况报告；铁路局对受托范围内安全生产管理工作负首要责任.因此，高铁公司作为业主有权对委托路局进行监督检查，且通过监督检查可以有效加强高铁安全.关于委托路局的安全监管工作，虽然在新体制下，各路局安监办行使的政府安全监管职能应逐步转变为企业内部安全监管职能，但由于长期以来铁路行业的体制、观念等原因，这种转变仍然需要时间.另外，安监办与铁路局“一套班子，两块牌子”合署办公，并不是一个独立的监管机构，这也会影响高铁的运营安全.

1.2 高铁运营安全监督委托代理模式分析

以铁路总公司内部高铁公司、铁路局安监办和铁路局安全生产机构三方之间的委托-代理关系为研究对象，根据委托代理理论[8-9]，委托人（高铁公司）与代理人（铁路局）建立了安全运输生产的契约关系，即高铁公司有权对委托路局进行监督检查，路局在遵循国家铁路局和铁路总公司制定的各项法律法规的基础上，应按照所签订的协议对高铁进行安全方面的投入.高铁运营安全监督系统委托-代理关系如图2所示.

图2 高铁运营安全监督系统委托-代理关系Fig.2 Principal-agent relationship of operation safety supervision system of high-speed railway

图2表明虽然委托协议中规定了高铁公司对委托路局的安全生产和监管工作都享有监督检查权，也应该实时了解委托管理工作的相关状况，但并未能按照协议规定的内容具体落实，所以路局与高铁公司之间的信息传递都用虚线表示.不同于高铁公司，安监办可以清楚地观测到委托路局的安全生产状况，所以它们之间的信息传递用实线表示.由于信息不对称，委托路局可能牺牲高铁公司的利益，而使自身利益达到最大.这种状况下，容易出现委托路局将针对高铁的安全投入与其他管理事项混用的现象，不能做到专款专用，从而导致高铁公司对委托路局的监督检查形同虚设.

综上，尽管我国高铁已经建立了相对完整的安全监督机制，但仍然存在管理体制不顺、安全责任不够明确、监督管理体制不清、安全投入管理不善等问题，需要进一步完善安全管理工作的制度机制，把握高铁安全管理规律，实现安全关键环节的卡控制度化、科学化.

2 高铁运营安全监督系统演化博弈模型建立及分析

2.1 优化假设条件提出

本文引入如下优化假设以增强高铁公司作为业主的主体地位和权威性：

假设1高铁公司应创新高铁运营安全监督检查和监管手段，尝试引入独立的第三方中介机构介入高铁运营安全监管.

假设2在委托协议中明确规定考核奖惩措施，强化高铁公司的监督检查职能，赋予高铁公司对委托路局及其监管机构更加强大的激励和处罚权.

通过假设1、2 优化后的系统委托-代理关系如图3所示.

图3 优化的高铁运营安全监督系统委托-代理关系Fig.3 Optimized principal-agent relationship of the operation safety supervision system of high-speed railway

图3表示基于假设1，高铁公司分别与委托路局、第三方独立监管机构签订了委托运输安全生产协议和委托安全监管协议，通过引入独立监管机构以确保高铁公司资产安全（因还未出台国家铁路局针对高铁的具体安全监管办法，所以用虚线表示其监管关系且暂不考虑）.由于信息不对称等原因，可能仍然存在委托路局未能按照协议规定的内容具体落实的情况，所以委托路局自身的生产状况和监管机构的监管状况不可能完全传递到高铁公司，它们之间的信息为不完全信息.由于高铁公司作为高铁资产的持有者，代表了各大股东的利益，所以假定它不会与委托路局发生“合谋”，而委托路局与监管机构有可能存在合谋的倾向.另外，随着假设2 中考核奖惩措施的明确，可以使博弈三方考虑行为改变的效应，减少信息不对称，从而保证高铁运营安全.

2.2 模型描述及建立

基于优化假设条件，依据国务院制定的《铁路安全管理条例（国务院第639 号令）》，铁路总公司出台的《安全管理规定》和《安全监督管理办法》，高铁公司与委托路局签订的《委托运输管理协议》中有关高铁公司的监督检查权、铁路局安监办的监管职责和生产机构的安全生产职责.本文建立的高铁运营安全监督系统演化博弈模型描述如下：

高铁公司以比率X（0 ≤X≤ 1）对委托路局的安全生产状况进行监督检查，并设高铁公司对委托路局进行监督检查的支付成本为CS.如果高铁公司不进行监督，则委托路局可能违反协议，导致高铁事故发生概率上升，其将承担后期的资产和声誉损失成本为LS；如果高铁公司对委托路局进行监督发现其存在违反和遵守协议的行为将分别对其进行处罚PR和奖励BR；同样，高铁公司需要对第三方监管机构进行监督，如果发现其履行和不履行职责分别进行奖励BE和处罚PE.假设委托路局按照与高铁公司签订的委托协议进行安全投入，安全投入率为Y（0≤Y≤1），其进行安全生产可以取得的正常收益为πR，如果违反协议，可以节约安全投入成本CR.由于委托路局与监管机构之间“合谋”关系的存在，假设委托路局寻租（委托路局为寻求监管机构的包庇而支付的费用）成功时的成本为WB（WB＜CR），寻租不成功时的成本为WNB（WNB＜WB）；假设监管机构以比率Z（0 ≤Z≤ 1）对委托路局进行日常安全监管.当其不进行监管时，可能利用自己的权利与委托路局“合谋”.假定监管机构严格监管的成本为CE（CE＞CS），但在严格监管的情况下可能由于监管人员素质等原因出现监管失误的情况，监管失误率为RE；假定监管机构按协议要求获取的正常收入为πE（一般为高铁公司根据委托监管协议的拨款等），而不监管与委托路局发生“合谋”时，将获得来自委托路局的收益πBE（LE＜πBE＜WB），同时将承担后期的期望损失成本LE（如经济损失或失去公众信任的损失）.

由以上基本假定和描述可得高铁公司、监管机构与委托路局的博弈收益矩阵如表1所示.

表1 高铁公司、监管机构和委托路局的收益矩阵Tab.1 Payoff matrix of the high-speed railway company，regulatory agencies，and commissioned railway bureau

2.3 模型求解与分析

根据演化博弈理论[10-11]，当一个种群中的博弈参与者发现自身获益低于同种群的其他参与者时，它们会主动模仿高收益者的行为，从而动态改变自己的策略.在高铁运营安全监督系统三方博弈过程中，当博弈各方无法确定自身的最优策略时，可以通过复制动态（replicator dynamics，RD）方程描述策略的选择机制.假设概率分布（X，1 -X），（Y，1 -Y），（Z，1 -Z）分别为高铁公司、委托路局和监管机构的混合战略，由表1可得高铁公司选择监督和不监督的期望获益分别为LX和L1-X，则

高铁公司安全监督的平均获益为

同理可得委托路局和监管机构策略选择的变化率，则整个高铁运营安全监督系统三方博弈演化复制动态方程组如式（5）所示.

复制动态方程组可以反映出高铁运营安全监督系统博弈三方进行模仿学习的速度和方向，令式（5）为0，解方程可以得到演化系统的8 个纯策略均衡解和7 个混合策略均衡解E1～E15分别为

3 高铁运营安全监督系统演化博弈模型SD 仿真

SD 是研究系统反馈结构与行为的建模学科，利用它可以有效对管理政策进行设计、制定和优化[12].在高铁运营安全监督系统演化博弈过程中，某一方中的个体通过观察和对比自身与同一方中其他个体的获益进行学习，动态改变自身的策略选择.因此，可以使用SD 来研究高铁运营安全监督系统演化博弈的反馈结构，分析系统中博弈各方进行决策的行为和均衡点的稳定性.使用Vensim PLE 5.6a 建立高铁运营安全监督系统的演化博弈模型如图4所示.

根据上节的假设和理论分析，通过领域内专家调研对模型中各变量赋初值，得到具体仿真参数如表2所示.

将以上具体数值代入第2.3 节的高铁运营安全监督演化系统均衡解E1～E15中，并舍去不合理的结果E9～E11、E14和E15，最终可得：

其中：E1～E8为纯策略均衡解，E12～E13为混合策略均衡解.以E12= （1/4，27/28，0）T为例，将其代入图4建立的SD 模型中进行仿真，得到系统的演化博弈仿真结果如图5（a）所示，但如果改变高铁公司监督检查的比率X= 1/4 为X= 1/5 时，其仿真结果如 图5（b）所示.

图4 高铁安全监督系统演化博弈SD 模型Fig.4 System dynamics model of high-speed railway safety supervision evolution game system

表2 仿真参数设置Tab.2 Simulation parameter setting

图5 均衡解E12 策略下及发生突变的系统演化博弈过程Fig.5 Game results under the equilibrium solution E12 strategy and mutation

图5（a）和（b）说明均衡解E12策略下的系统演化博弈过程本来处于一种均衡状态，但如果高铁公司一方中有小部分个体发生突变，会同时引起高铁公司和委托路局博弈过程的波动，说明高铁公司方中的小部分个体由于初始策略发生改变后的获益较高，会被群体当中的其他个体所学习和模仿，所以均衡解E12不是稳定演化均衡，同理可验证均衡解E1～E8和E13都不是稳定演化均衡.

对于博弈初始策略不为均衡解时的一般情况，例如，随机选择博弈三方的初始策略分别为X= 0.2，Y= 0.8，Z= 0.4 时系统演化博弈过程如图6所示.

图6 非均衡解策略系统演化博弈过程Fig.6 Game results under the non-equilibrium solution strategy

图6说明当博弈三方随机采取非均衡解的初始策略时，博弈过程也不存在稳定演化均衡，高铁公司和委托路局的博弈演化过程都出现了波动，但第三方监管机构的监管比率将始终向Z= 1 的状态演化，同理可验证其他非均衡解策略会出现同样的变化趋势.

4 结 论

本文基于增强高铁公司主体地位和权威性的优化假设条件，建立和分析了高铁运营安全监督系统的演化博弈模型，并使用理论证明结合系统动力学仿真分析了系统三方策略的动态选择机制.由上述研究结果可以得到以下结论：

（1）该模型的8 个纯策略均衡解和2 个混合策略均衡解都不是演化稳定策略均衡，当系统博弈三方的初始策略选择为纯策略或混合策略均衡解时，博弈过程表现为相对稳定，但如果任意一方中的个体发生突变，则博弈过程会出现波动.

（2）在任意非均衡解初始策略下，高铁公司和委托路局的博弈演化过程虽然也都出现了波动，但是第三方监管机构的安全监管率将始终向Z= 1 的状态演化，说明在优化假设条件下，高铁运营安全监督系统的安全监管率得到了有效提高.

由于本文所建立模型的系统演化博弈过程并不存在演化稳定策略均衡，且由于篇幅限制，关于不同因素和参数影响下的系统均衡状态变化和演化过程也没有在文中体现.未来的工作将对模型继续进行分析和优化，首先，希望找到演化稳定策略均衡点使系统达到稳定状态，其次，通过对模型中影响演化稳定策略均衡的变量进行分析，以给出不同运营内外部环境下高铁运营安全监督机制的差异化建议.本研究可以为我国高铁委托运输管理制度的进一步完善奠定良好的理论基础.