碳交易政策下的物流与制造业联动减排随机演化博弈
徐新扬,杨 扬 (昆明理工大学交通工程学院,云南 昆明 650500)
近年来,我国制造业的碳排放长期处于较高水平[1].物流业作为第三产业,其能源消耗可归类于交通运输业,现已成为仅次于工业领域的第二大排放源[2].制造业与交通运输业作为碳排放重点行业,其节能减排和低碳发展的必要性与迫切性显得尤为强烈.目前政府的碳规制政策重心仍是主要放在上游的高碳排放制造商层面上,脱离对整个供应链的管控,另一方面是上下游企业之间仍然缺乏绿色生产与运输的共识,使得单个企业在实施绿色管理后的整体效果并不显著.
碳排放权交易市场的启动标志着我国成为世界上最大的碳交易市场,碳市场是实现我国双碳目标的关键市场化减排机制[3].绿色生产与绿色运输顺应了社会可持续发展的需求[4],当绿色物流规模与绿色生产规模相适应时,就可以充分实现社会绿色需求,反之则不能充分实现,绿色生产与绿色物流的协同发展是伴随社会可持续发展需求应运而生的,在此背景下对供应链内多主体协同减碳问题[5]的探讨具有较大意义.环境规制与碳规制、污染型行业与碳密集型行业不同,环境规制是以“减污”和区域环境质量为目标的措施,研究多围绕规制力度[6]与政策异质性[7-8]展开.而碳规制则以“降碳”和全球气候治理为目标,多与碳交易市场或企业决策相关,如碳配额的分配机制[9-10],碳交易的定价决策[11-12]以及碳规制差异下企业的投资决策[13-14]等.演化博弈理论被广泛应用于碳规制的相关研究中,博弈主体多聚焦于政府与企业[15-16].然而现实中政府的监管策略与企业的减排策略并不单受互相影响,供应链上的消费者[16-17]、零售商[18]、服务商[19],甚至供应链外部的社会媒体[20]都会对博弈系统中各主体的策略选择产生影响.从供应链的角度看,链上单个节点的碳规制对整体减排效果并不明显,协同减排才是实现可持续发展的有效手段.此时“搭便车”行为成为了企业协同减排的新问题.为解决这一问题,学者们分别构建了制造商与供应商[21]以及零售商与制造商[22]的协同减排博弈模型,认为高水平的减排补贴与低投入的减排成本是减少供应链内“搭便车”行为的关键.聚焦回制造与物流业,在目前政府积极推行联动发展的背景下,针对两业碳规制的研究大多还是以单一主体为主,如制造业的绿色技术创新[23]、碳定价[24],物流业的碳转移[25]、碳税机制[26]等研究.
目前对于物流与制造业碳规制的研究多集中于单一主体,缺少链式视角下的整体协同规制研究.虽然演化博弈被广泛应用于碳规制下的主体策略选择研究,但传统的演化博弈只能对确定情景下的策略选择进行分析,无法描述出现实中的随机干扰,同时对于协同规制下可能存在的“搭便车”行为研究不足.因此本文在物流与制造业联动发展的背景下,用风险共担与利益共享机制消除搭便车行为,构建地方政府、制造商与物流企业的三方博弈模型,引入随机干扰系数模拟现实不确定环境,对碳交易政策下物流企业与制造商联动减排的演化过程进行分析,研究各博弈主体策略稳定性以及策略选择交互关系与动态决策.
1.1 模型基本假设与参数设置
地方政府作为碳规制政策的制定者,具有积极规制与消极规制两种博弈策略.碳规制下物流业与制造业联动发展的策略选择不仅受到地方政府的影响,还受到彼此之间策略的影响.因此本文构建由地方政府、制造商与物流企业组成的三方演化博弈模型,碳规制下各主体间关系如图1所示.
假设1:博弈主体策略选择是有限理性下独立的反复博弈行为,其中地方政府的策略集为(积极规制,消极规制),其选择积极规制的概率为x,选择消极规制的概率为1-x(0≤x≤1);制造商的策略集为(绿色生产,非绿色生产),其选择绿色生产的概率为y,选择非绿色生产的概率为1-y(0≤y≤1);物流企业的策略集为(绿色运输,非绿色运输),其选择绿色运输的概率为z,选择非绿色运输的概率为1-z(0≤z≤1).
假设 2:目前我国碳交易市场已经初步建立,在物流与制造业联动发展背景下,地方政府分配给制造商与物流企业的总碳配额为T.假设制造商与物流企业未采取减排措施前的碳排放量为I1与I2(I1＞I2),采取减排措施后的减排量分别为ε1与ε2,即采取减排后的碳排放量为I1-ε1与I2-ε2,本研究假设当且仅当双方均采取减排措施时,制造商与物流企业的总碳排放才会小于地方政府分配的碳配额,其余策略组合总碳排放均超免费配额,需要进行碳配额购买,反之当整体碳排放小于免费碳配额,则可以销售碳排放权,为后续计算方便,令I1+I2-T=Q1,I1+I2-ε1-T=Q2,I1+I2-ε2-T=Q3,T-I1-I2+ε1+ε2=Q4,目前我国碳交易市场还是由地方政府推动进行,假设碳交易价格为P,当地方政府积极规制时将会得到积极推动碳交易的财政收入(如购买/拍卖碳排放权初始权益),地方政府的财政收入系数为µ.
假设3:地方政府积极规制与消极规制的成本分别为Cj与Cn(Cj＞Cn),上级政府与地方政府存在责任倒查关系,因此当地方政府积极规制时会得到上级政府的奖励R,反之消极规制行为会受到上级政府相应的追责损失S.
假设 4:制造商与物流企业的基本收入为V1与V2,制造商与物流企业投入绿色生产与运输的减排成本分别为C1与C2,基于联动发展下的责任一体准则,当制造商与物流企业同时选择绿色生产与绿色运输策略时将会获得地方政府的补贴奖励M,当有一方选择非绿色经营策略时将遭受地方政府连带处罚损失K ,同时地方政府也将因环境规制不当导致公信力下降受到损失G,地方政府的处罚与激励力度分别为α与β.
1.2 支付矩阵与复制动态方程
根据模型假设与参数设置,可以得到表1博弈支付矩阵.
表1 博弈矩阵Table 1 Game matrix
根据支付矩阵所示可以分别得到地方政府选择积极规制与消极规制的期望收益U1与U2:
地方政府的复制动态方程为:
同理可得制造商选择绿色生产与非绿色生产的期望收益W1与W2:
制造商的复制动态方程为:
同理可得物流企业选择绿色运输与非绿色运输的期望收益H1与H2:
物流企业的复制动态方程为:
由于x,y,z∈[0,1],因此可知1-x,1-y,1-z均为非负数,对博弈系统演化结果无影响,因此化简后可以得到地方政府、制造商与物流企业的最终复制动态方程:
1.3 随机演化博弈模型构建
1.3.1 随机扰动因素 传统博弈论如囚徒困境等的基本假设均为完全理性,然而完全理性下个体理性与集体理性存在明显冲突,演化博弈以及演化稳定策略假定博弈主体是有限理性的,通过不断试错达到最优策略,然而传统的演化博弈理论仅能对确定状态下各主体的策略演化进行研究,无法描述现实中的不确定性,因此引入随机干扰,对不确定环境下随机演化的稳定性进行判断[27].
在地方政府的碳规制政策下,制造商与物流企业虽存在联动发展关系,但仍可能存在“搭便车”心理,同时在公众舆论监督与上级政府责任倒查机制下,地方政府的监管行为存在不确定性,最后企业声誉与道德风险亦会影响各主体策略选择.高斯白噪声是一种非线性的正态分布函数,能够较好地对随机外部环境进行描述[28],因此本文引入高斯白噪声来刻画博弈系统的随机干扰,对复制动态方程进行改进得到:
式中:ω(t)是标准的一维Brown运动,是一种无规则的随机涨落现象,能够很好地描述随机干扰因素的影响;dω(t)表示高斯白噪声,当t＞0时,步长h＞0,其增量Δω(t)=ω(t+h)-ω(t)服从正态分布;σ表示随机干扰强度.式(16),(17),(18)均为一维的随机微分方程,分别表示地方政府、制造商与物流企业受到随机扰动后的复制动态方程.
1.3.2 均衡解与稳定性分析 对于式(16)～(18),当初始博弈t=0时,x(0)=0,y(0)=0,z(0)=0,即有:
设存在函数V(t,x)与正常数c1,c2使得:
b)若存在正常数λ,使得
若式(1)～(3)零解矩指数稳定,则需满足:
Euler显式向前数值法的格式为:xn+1=xn+hf(xn)+Δωng(xn).现将式(16)～(18)按上述方法展开可得:
将三方初始选择概率均设置为0.5,扰动系数设置为0.5,其余参数随机设置为满(26)～(28)稳定性条件的 2组值,其中情形一为:α=0.2,β=0.3,μ=0.1,M=2,Cj=6,Cn=5,R=1,S=2,Q1=10,Q4=5,K=3,P=6,C1=15,C2=13,情形二为α=0.1,β=0.5,μ=0.3,M=1,Cj=3,Cn=1,R=3,S=1,Q1=8,Q4=4,K=2,P=10,C1=5,C2=8.图2仿真结果证明了稳态条件的有效性,给出了在随机干扰环境下博弈系统各主体的条件边界.
图2 随机干扰下三方动态演化路径Fig.2 Three-party dynamic evolution path under random interference
根据两种稳态情形对碳规制下两业联动发展策略选择做参数敏感性分析.
2.1 初始选择概率对演化结果影响
设概率0.1、0.5与0.9分别代表着低、中、高初始概率,对碳规制下各主体混合初始概率的演化趋势进行研究,演化结果如图3所示.
图3 不同混合初始概率下三方动态演化路径Fig.3 Tripartite dynamic evolutionary paths under different hybrid initial probabilities
地方政府作为碳规制政策的制定者,分别令其选择积极规制策略的初始概率为高与低,对联动发展下制造商与物流企业的演化路径进行研究,由图3可知,地方政府初期积极规制意愿的大小不会改变博弈系统向积极规制、绿色生产、绿色运输策略集演化,在混合初始概率下,制造商仍是积极推进绿色生产的一方,即便在初期选择绿色生产策略概率较低时,也会以很高的演化速率快速向绿色生产策略演化;当物流企业初始选择绿色运输策略概率较高时,将会在博弈开始时即达到绿色运输的稳定状态,但持续时间不长便在随机干扰下再次变得不稳定,只有当制造商达到绿色生产稳定策略后物流企业将再次演化至绿色运输的稳定策略,类似情况同样发生在地方政府身上,但地方政府的随机波动要小于物流企业,说明在随机干扰下地方政府仍然保持着较高的积极规制意愿,联动发展中制造商的绿色生产选择影响着物流企业的绿色运输选择.
2.2 碳交易价格对演化结果影响
碳交易政策下的定价决策是保证政策有效的重要一环,分别设定碳交易价格为6、8与10,对碳交易价格变化下各主体演化路径进行研究,演化结果如图4所示.
图4 碳交易价格对不同主体的演化影响Fig.4 The evolutionary impact of carbon trading price on different agents
改变碳交易价格可以发现,相对于制造商与物流企业来说,碳交易价格的增加略微加速了地方政府向积极规制策略演化的速率,但总体来说对政府策略选择的影响不明显,对制造商与物流企业的碳规制效果较为明显,碳交易价格的上升明显增加了制造商与物流企业向绿色经营策略演化的速率,其中对物流企业的影响最为明显,当碳交易价格较低时,即便制造商与环境监管部门已经向积极规制与绿色生产策略收敛,物流企业仍在一段时间内无法达到绿色运输的稳定策略,并且波动较大,伴随碳交易价格的提升,物流企业向绿色运输策略演化的速率迅速加快,并且波动情况减弱.
2.3 碳配额对策略选择影响
碳配额与碳交易价格是碳交易市场最重要的两大要素,对制造商与物流企业联动发展下的碳规制具有较大影响,因此分别设定碳配额为55、57.5与 60,对碳配额变化下各主体演化路径进行研究,演化结果如图5所示.
图5 碳配额对不同主体的演化影响Fig.5 The evolutionary impact of carbon quotas on different agents
改变碳配额后可以发现,地方政府、制造商以及物流企业向积极规制与绿色经营策略演化的速率均与碳配额的大小成反比,其中物流企业对于碳配额的变化最为敏感,较高的碳配额将使得物流企业的策略选择无法稳定,地方政府与制造商对碳配额的改变不太敏感.由于在联动发展下只有当物流企业与制造商同时选择绿色经营策略时,两业的总碳排量才会低于碳配额,因此当碳配额额度越来越小时,物流企业与制造商在购买碳配额的成本压力面前,倾向于投入绿色技术成本选择绿色经营策略从而获取碳交易收入,对比图5(c)～(f)可以发现物流企业向绿色策略演化的整体速率低于制造商,波动要大于制造商,主要原因在于物流企业作为碳排放较小的一方在碳配额增加时所获得的收益将小于制造商.
2.4 碳交易财政收入系数对策略选择影响
碳交易政策下政府的财政收入系数可以很好地体现政府的环境和经济多重目标,因此分别设定财政收入系数为0.1、0.2与0.3,探究政府碳交易财政收入系数变化对演化趋势的影响,演化结果如图6所示.
图6 碳交易财政收入系数对不同主体的演化影响Fig.6 The evolutionary impact of carbon trading fiscal revenue coefficients on different agents
改变政府碳交易财政收入系数可以发现,财政收入系数的增加能够有效促进地方政府选择积极规制政策,但会降低制造商与物流企业向绿色经营策略演化的速率,由图6(e)可以发现,当财政收入系数较高时,物流企业在情形 1中可能无法锁定绿色运输策略,对比情形 2中各主体的演化结果可以发现,伴随财政收入系数的增加地方政府的策略选择波动最大,高分配率增加了地方政府积极规制的动力,随着时间的推移制造商与物流企业都将锁定绿色经营策略,情形 2较好地描述了政府环境与经济多重目标的实现.
2.5 随机干扰强度对策略选择影响
随机干扰系数能刻画出现实中的不确定环境,因此本文分别令随机干扰强度为0、0.5、1以及1.5,研究随机干扰强度变化下演化趋势的变化,演化结果如图7所示.
图7 随机干扰强度对不同主体的演化影响Fig.7 The evolutionary effects of random disturbance intensity on different agents
当随机干扰强度为0时,三方主体均将平滑地向积极规制、绿色生产、绿色运输策略集演化,其中制造商演化的速率最快.伴随干扰强度的增加,三方主体策略选择的波动越大,其中物流企业的波动最大,在情形1中最低降至了0.3856,地方政府其次,最低为0.442,而制造商的波动最小,最低仅为0.4667.这说明物流企业的策略选择最不稳定,也是在碳交易政策下联动减排中最有可能出现投机行为的主体,而制造商具有较好的稳定性.
本文未对制造行业进行细分,不同制造行业对物流服务的需求存在差异,地方政府对其碳规制细节可能也存在差异.同时不同区域制造与物流业的协调度与发展水平也存在差异,物流业议价能力的异质性也可能对碳规制下的联动减排产生影响,这些也是本文接下来研究的要点.
3.1 积极规制成本以及上级政府的倒查机制是影响地方政府策略选择的重要因素,若想达到积极规制、绿色生产、绿色运输的环境友好理想策略集,需要设置较高的碳交易价格.
3.2 在随机干扰下,各主体较高的初始积极绿色策略选择概率将使其策略选择快速达到稳定,相较于物流企业,制造商体现出更强的稳定性,制造商的绿色生产是两业联动减排的前提.
3.3 相对于物流企业来说,碳配额与碳交易价格的改变对制造商向绿色生产策略演化的影响并不大,制造商均会以较高的速率快速达到稳定,物流企业向绿色运输策略演化的速率与碳配额大小成负相关,与碳交易价格成正相关,较低的碳交易价格将使物流企业在较长一段时间处于不稳定状态.
3.4 地方政府向积极规制策略演化速率与碳配额成正比,财政收入系数的增加能有效促进地方政府的积极规制行为,但若想达到环境与经济的双重目标,财政收入系数不宜设置过高,可能会导致物流企业无法锁定绿色运输策略.
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