基于演化动力学的换电新能源出租汽车扩散演化分析

孙家锐

[摘 要]随着换电市场的逐渐完善，换电新能源出租汽车成为未来出租汽车的发展趋势。因此，为减少出租汽车的排放，研究换电新能源出租汽车的扩散问题具有重要的现实意义。文章考虑到出租汽车司机、投资公司和政府的有限理性，利用演化博弈和系统动力学（SD）方法建立演化动力学模型，使用Vensim PLE进行仿真。仿真结果表明在初始状况下三方参与者会达到稳定状态，同时油价及运营补贴等因素在新能源换电出租汽车扩散过程中也起到了重要作用。文章在此基础上为政府关于换电新能源出租汽车的扩散问题提出对策建议。

[关键词]换电新能源出租汽车；系统动力学；演化博弈

中图分类号：F426 文献标识码：A 文章编号：1674-1722（2024）01-0019-03

近年来，我国一直在大力推广新能源汽车，随着政府的大力支持，我国新能源汽车的持有量、保有量、渗透率都在不断提高。但新能源汽车的发展仍然面临着许多问题，如技术不够成熟、相对高成本和不完善的环境。充电新能源汽车作为新能源汽车的主要销售车型，随着其市场份额的不断扩大和扩散速度的加快，其充电站等配套基础设施的扩散速度跟不上，使得充电新能源汽车“充电难”“充电慢”问题日益凸显，充电新能源汽车的发展遭遇瓶颈。

在此背景下，换电新能源汽车的出现为新能源汽车在我国的进一步扩散提供了动力，政府政策也逐渐倾向于换电模式[ 1 ]。在国内换电市场，各企业不断探索换电模式的发展，例如出租领域的北汽新能源与奥动、私家车领域的蔚来都是最早入局换电市场的企业。之后，吉利、力帆、宁德时代等企业也都逐步进入换电领域[ 2 ]。换电新能源汽车具备补能效率高、电池损耗小、降低消费者成本等优势，拥有充电新能源汽车现有的优点，是突破新能源汽车发展瓶颈、扩大新能源汽车的市场份额的新途径。但换电新能源汽车的扩散也存在一些问题，目前除了国内少数主要城市，其他城市换电汽车产业的发展规模较小、发展速度缓慢。

基于此，文章通过构建出租汽车司机、投资公司、政府三方演化博弈模型，基于系统动力学仿真模型深入探析换电新能源出租汽车及其换电基础设施的扩散规律，以利于促进中国新能源汽车的持续发展，突破新能源汽车的发展瓶颈。

（一）模型假设

基于三方演化博弈建立系统动力学模型，对换电新能源出租汽车扩散过程及其相关因素进行研究，为分析三方参与者的利益冲突和最优策略，文章提出如下假设。

第一，参考北汽EU快换版月租套餐及蔚来电池租赁套餐，出租汽车司机在购买换电新能源出租汽车时会选择车电分离的购买方式，每月向电池运营商缴纳电池月租费用。如果无换电站存在，出租汽车司机在购买换电新能源出租汽车时需要支付车身和电池的共同价格，补能方式也局限于充电。

第二，假设能源站的使用年限[ 3 ]，以5%的折现率[ 4 ]对投资成本进行折现。

第三，政府在干涉换电新能源出租汽车扩散时需要支付一定的政府人力成本。

第四，将碳交易成本视为环境收益[ 5 ]。

（二）模型构建

基于上述内容，根据出租汽车司机（0 =燃油出租汽车，1 =换电新能源出租汽车，2 =充电新能源出租汽车）、投资公司（0 =充电站，1 =换电站）和政府（0 =不干涉换电产业发展，1 =干涉换电产业发展）之间的策略选择得到了出租汽车司机收益矩阵，如表1所示。

由于模型的复杂性，现有条件并不能直接决定模型中平衡点的稳定性，如果直接使用数值分析的结果则不够直观。因此，使用系统动力学模型进行后续研究分析。

（一）系统动力学模型

目前，将演化博弈论和系统动力学相结合的方法，为研究各时间点博弈参与者的策略选择提供了可能，这种方法也被各领域学者广泛应用与研究。Tian等[ 6 ]基于演化博弈和系统动力学，分析了在中国绿色供应链管理扩散过程中各个利益相关者的关系。Zhu等[ 7 ]分析了电力市场中利益相关者的战略交互。Sun等[ 8 ]建立了汽车制造企业、政府、消费者演化动力学模型，研究政府对制造企业的补贴对新能源汽车扩散的影响。Zhou等[ 9 ]提出了一种基于演化博弈的系统动力学模型，检验价格补贴和税收偏好对于电动汽车发展的影响，通过将政策分为静态激励和动态激励比较政策绩效。文章通过建立系统动力学模型，分析Vensim仿真结果。

（二）初始策略演化

在此，将讨论出租汽车司机、投资公司、政府在初始市场比例下的演变趋势。当博弈中三方参与者的初始策略都是纯策略时，可以得到1 2种初始情况。各方选择这些纯策略后，在演化过程中不会发生变化，系统也会处于稳定状态；当其中一方选择混合策略时，整体系统将逐渐从不稳定状态转向稳定状態。当参与者三方初始比例为（0 . 0 5，0 . 5，0 . 5），所有参与者都将选择（1，1，1）作为他们的最终策略。政府选择持续干涉换电出租汽车的发展，投资公司选择新建换电站，出租汽车司机选择购买换电新能源出租汽车，整体系统达到演化稳定。

第一，对于换电新能源出租汽车的扩散，整体演化过程为S形生长曲线，与Ref的新产品扩散理论中的扩散曲线相一致。对于出租汽车司机来说，在有限理性的前提下，他们基本会根据自身利益最大化选择能让自己获得最大收益的策略。随着时间的推移，换电新能源出租汽车的扩散经过新产品前期扩散过程中的起伏后，后续的比例在稳步增加，最终达到演化稳定状态。

第二，投资公司的收益与出租汽车司机和政府的策略选择密切相关。

首先，尽管换电新能源出租汽车相比于充电新能源出租汽车可以进一步节约出租汽车司机们的运营成本，但由于初始市场比例较低，前期选择新建换电站策略的收益较低，大多数投资公司会更加倾向于选择新建充电站获取相对较多的盈利。

其次，由于政府選择换电新能源出租汽车作为发展对象时，会与选择新建换电站策略的投资公司共同给予换电新能源出租汽车司机运营补贴，这在初始阶段会降低投资公司收益，这也是投资公司前期更加倾向于选择新建充电站的原因之一。在前期扩散阶段，政府选择干涉换电新能源出租汽车发展策略的比例降低时，投资公司选择新建换电站的策略比例逐渐上升，两者呈负相关。

第三，政府推动新能源汽车的主要目的是增加新能源汽车的市场份额，降低二氧化碳排放，获得环境收益。在演化刚开始时，选择干涉换电新能源出租汽车的政府比例迅速增加，随着前期换电新能源出租汽车司机比例和投资公司新建换电站的概率的变化，政府由于补贴预算等原因会在较短的一段时间内发生波动，然后再趋于稳定。

（三）参数敏感性分析

为探究换电新能源出租汽车扩散过程中相关因素对出租汽车司机策略选择演变的影响，文章选择了油价和运营补贴因素，以初始策略为例，研究这些参数的改变对演化仿真造成的影响。

1.油价对演化稳定性的影响

油价的涨跌可以间接影响出租汽车司机策略选择的期望收益。演化仿真结果表明，随着油价的逐渐上涨，系统也会发生振荡，失去演化稳定状态，出租汽车司机会在换电新能源出租汽车和燃油出租汽车之间徘徊。当油价达到临界值9 . 5元时，出租汽车司机会逐渐放弃燃油出租汽车，选择期望收益更高的充电新能源汽车。当油价继续增长时，选择换电新能源出租汽车的期望收益会逐渐增加。

2.运营补贴对演化稳定性的影响

参考相关研究，设置不同维度的运营补贴，探究不同数值下静态运营补贴对换电新能源出租汽车扩散的影响。同时为探究动态运营补贴对换电新能源出租汽车扩散的影响，假设动态运营补贴与换电新能源出租汽车比例呈负相关。设置初始运营补贴为0 . 5 5元/度，当运营补贴下降到0 . 5元/度时，政府因为前期补贴成本下降会更愿意支持换电新能源出租汽车的发展，间接增加了换电出租汽车司机的期望收益，达到演化稳定状态的时间也会降低。随着运营补贴降低到0 . 4 5元/度时，尽管政府会大力支持换电新能源出租汽车扩散，但出租汽车司机群体由于期望收益的下降，选择换电新能源出租汽车的期望收益和意愿会降低。这使得达到演化稳定状态的时间也会大大增加。运营补贴上升时，会增加投资公司前期的运营成本，降低投资公司新建换电站的意愿，同时选择建设换电站的投资公司比例的降低会加剧政府的补贴支出，政府的选择也在干涉和不干涉换电新能源出租汽车扩散之间徘徊，出租汽车司机也由于政府和投资公司意愿的不稳定性导致三种策略的期望收益不断发生改变，系统也会发生振荡，失去演化稳定状态。当实施动态运营补贴政策后，在出租汽车司机群体选择换电新能源出租汽车的比例增加时，运营补贴会随之下降，在一定程度上降低了政府支出。采用动态运营补贴后换电新能源出租汽车的比例会趋于稳定，剩下的出租汽车司机也会继续选择燃油出租汽车。

由仿真结果可知，按照目前的政策法规发展，换电新能源出租汽车扩散过程中三方参与者都可达到演化均衡状态，换电新能源出租汽车在未来会成为出租汽车司机的首选，投资公司在计算投资期望收益后会更倾向于建设换电站，政府为了换电新能源出租汽车的持续发展而选择不断干涉换电新能源出租汽车发展的策略。但目前演化均衡状态的达成是由于较高的补贴的存在，这会加重政府的补贴成本，不存在可持续性。政府需要根据换电新能源出租汽车的实际发展情况，提供合理的补贴，以动态方式及时调整补贴水平。

对投资公司来说，适度增加换电站的数量可以加快换电出租汽车在市场中的扩散速度，引导后续的出租汽车司机选择换电新能源出租汽车，增加换电站的收益。但是由于充电站销售电价等因素的变化，投资公司可能会更加注重充电站的建设，选择新建充电站获取更大收益。出租汽车司机会选择运营车辆更注重利益得失，不是像绿色消费者更加重视环境收益。

总的来说，在目前的政府政策的推动下，换电新能源出租汽车的发展前景非常广阔，但政府在关注换电新能源出租汽车发展的同时，除了探究直接影响换电出租汽车司机收益的因素，还需要关注换电站等换电基础设施这类间接影响换电新能源出租汽车扩散的因素。

[1]卢志平，姚逸飞，刘婷，等.换电站建设补贴对新能源汽车换电模式的影响—基于供应链决策视角[J].供应链管理，2022（09）：64-82.

[2]岳为众，刘颖琦，童宇，等.政府补贴在新能源汽车充电桩产业中的作用：三方博弈视角[J].中国人口·资源与环境，2020（11）：119-126.

[3]Huang X， Lin Y， Lim M K， et al. Electric vehicle charging station diffusion： An agent-based evolutionary game model in complex networks[J].Energy （Oxford），2022.

[4]Ouyang D， Zhou S， Ou X. The total cost of electric vehicle ownership： A consumer-oriented study of China’s post-subsidy era[J].Energy policy，2021.

[5]Li J， Ren H， Wang M. How to escape the dilemma of charging infrastructure construction？ A multisectorial stochastic evolutionary game model[J].Energy， 2021.

[6]Tian Y， Govindan K， Zhu Q. A system dynamics model based on evolutionary game theory for green supply chain management diffusion among manufactures[J].Journal of Cleaner Production，2014.

[7]Zhu C， Fan R， Lin J. The impact of renewable portfolio standard on retail electricity market： A system dynamics model of tripartite evolutionary game[J].Energy policy， 2020.

[8]Sun H， Wan Y， Lv H. System Dynamics Model for the Evolutionary Behaviour of Government Enterprises and Consumers in China’s New Energy Vehicle Market[J].Sustainability （Basel， Switzerland），2020.

[9]Zhou X， Zhao R， Cheng L， et al. Impact of policy incentives on electric vehicles development： a system dynamics-based evolutionary game theoretical analysis[J].Clean technologies and environmental policy，2019.