政府激励下的建筑废弃物资源化博弈研究_代春泉.pdf

第 卷第期 年月 科技和产业 ，政府激励下的建筑废弃物资源化博弈研究代春泉，刘浩，李海生，张超（山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 ；荣华建设集团有限公司，山东 青岛 ；山东科技大学 基建处，山东 青岛 ）摘要：针对中国建筑废弃物持续增多、建筑原料匮乏等问题，运用动态博弈理论，构建建筑企业与建材企业的双寡头博弈市场，建立适应度函数并进行求解，分析政府奖惩制度对博弈双方策略选择的影响，并利用 软件进行仿真模拟。结果显示：政府因素在促进资源化发展的过程中具有重要作用；不同的奖惩力度对博弈双方策略的选择、演化速度影响不同；合适的政府奖惩力度对资源化发展具有推进作用，单一一方实现资源化会对另一方产生阻碍作用。因此政府需要从补贴和惩处两个方面同时加强管控，才能促使建筑企业和建材企业均选择资源化的策略，从而实现资源化发展。关键词：双寡头博弈；建筑废弃物资源化；政府奖惩力度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：教育部社科基金（）。作者简介：代春泉（），男，山东潍坊人，山东科技大学土木工程与建筑学院，副教授，博士，研究方向为建筑废弃物资源化、建筑节能、项目管理等；刘浩（），男，山东济南人，山东科技大学土木工程与建筑学院，硕士研究生，研究方向为建筑管理、工程管理；李海生（），男，山东潍坊人，荣华建设集团有限公司，总工程师，研究方向为智能建造、工程管理；张超（），男，山东泰安人，山东科技大学基建处，工程师，硕士，研究方向为建筑科学与工程、工程管理。建筑行业消耗大量建筑材料的同时也产生了大量的建筑废弃物。近年来中国建筑废弃物排放量达到了惊人的地步，每年的建筑废弃物平均产生量为（）亿，约占城市废弃物总量的，然而废弃物的处理量每年只有亿。因此政府应该重视建筑废弃物的处理，否则在未来的几十年内，中国将持续面临着“垃圾围城”的困境。城市建筑废弃物的资源化利用是循环经济领域的重要研究课题，许多学者针对建筑废弃物资源化开展了卓有成效的研究。王焯平从法律法规、经济政策、再生技术研究等方面对资源化的可行性进行了深入研究。刘婷婷等通过构建系统动力学模型，证明当前形势下建筑废弃物的处置情况并不是最佳的状态，采用建筑废弃物资源化处置才能提高环境效益。胡鸣明等基于生命周期评价方法和生命周期成本分析方法，研究了当前建筑垃圾处理的生态效率，提出资源化是目前处理建筑废弃物的最佳选择。陈伟等通过研究建筑废弃物三方非对称博弈，证明其博弈模型存在种演化稳定策略：生产企业最终的稳定策略为参与资源共享链；政府介入对产业链管理具有正面影响；政府合理采用经济手段并提高干预成功率；处理企业降低参与成本有利于促进建筑固体废弃物循环。目前对于建筑废弃物资源化的研究主要集中在资源化技术、全生命周期、政策分析等方面。大多研究定性地阐述政府在建筑废弃物资源化中发挥的重要作用，而从定量的角度分析政府重要性的研究相对较少。因此本文构建一个双头垄断的建筑废弃物市场，分析政府奖惩力度对建筑废弃物资源化发展的影响，研究不同奖惩力度下博弈双方的策略选择。模型假设根据利益相关者与演化博弈的相关理论，做出如下假设。假设：假设一个具有一条供应链的双头垄断的资源化绿色建筑市场，该市场由建筑企业和建材企业组成，参与双方均保持风险中立的态度，且都是具有学习能力的有限理性个体。假设：建筑企业、建材企业均有两种策略选择，即建筑企业对建筑废弃物是否进行资源化处理，建材企业是否进行资源化处理。建筑企业和建材企业的策略选择均为资源化处理和非资源化处理，分别用、表示选择建筑企业和建材企业进行资源化处理的比例，且，均为时间的函数。假设：建筑企业不进行资源化时的收益 为；建筑企业进行资源化处理，建材企业也进行资源化时的收益为；建筑企业进行资源化处理，建材企业不进行资源化处理时的收益为；建筑企业将建筑废弃物运往垃圾场的单价成本为，建筑废弃物的总量为；为建筑企业进行破碎、分拣、运输等工序的比重，建筑企业进行资源化处理越精细，越接近，从建材企业获得的收益就越多。破碎、分拣、运输的单价成本为；出售给建材企业再生原料的单价为；处理后的废弃物运往垃圾填埋场时的单价为。因为废弃物进行了初步资源化，所以。当建筑企业不进行资源化时，政府对建筑企业进行的单位处罚金额为。建筑企业在两种策略选择下的收益方程为 （）假设：建材企业不进行资源化时的收益 为；当建材企业进行资源化处理，建筑企业也进行资源化时的收益为；建材企业进行资源化处理，建筑企业不进行资源化时的收益为；天然原料的采购单价为；原料转化成建材的转化率，随着科技的发展越来越接近于；普通建材的价格为；提升改进普通建材生产的技术成本为；再生建材的价格为，建材企业引进先进资源化技术的技术成本为；建材企业采用资源化时获得良好的声誉收益为；建材企业从垃圾填埋场购买建筑废弃物的单价为；当建筑企业进行资源化时，政府对其进行的单位补贴金额为。建材企业在两种策略选择下的收益方程为 （）（）建筑企业与建材企业收益矩阵见表。建筑企业进行资源化时的期望收益 为 （）（）表政府参与下的建筑企业与建材企业收益矩阵建材企业建筑企业进行资源化（）不进行资源化（）进行资源化（），不进行资源化（），建筑企业进行非资源化时的期望收益 为 （）（）根据 动态方程，建筑企业的平均收益为 （）（）根据动态演化博弈复制动态方程公式，此时建筑企业的复制动态方程为（）（）（）（）（）（）（）（）当（）（），（），此时取任意值，建筑企业的策略选择均处于稳态。当（）（），（），（），此时为演化均衡点，建筑企业选择资源化策略。当（）（），（），（），此时为演化均衡点，建筑企业选择非资源化策略。由上述分析可知，当增加政府对建筑企业进行非资源化时的单位罚金，可促使趋向于，即促使建筑企业选择资源化策略。同理可得，建材企业的复制动态方程为（）（）（）（）（）（）（）（）当（）（），（），此时取任意值，建材企业的策略选择均处于稳态。当（）（），（），（），此时为演化均衡点，建材企业选择资源化策略。当（）（），（），（），此时为演化均衡点，建材企业选择非资源化策略。由上述分析可知，当增加政府对建材企业进行资源化时的单位补贴，可促使趋向于，即促使建材企业选择资源化策略。上述的动态方程反映了有限理性的各利益相关方通过学习、模仿而选择行为策略的过程。为寻求各博弈方均达到稳定状态时的博弈均衡点，令（）（）可求出系统的个局部均衡点（，）、（，）、（，）、（，）、（，）。其 中（）（），（）（）。科技和产业 第 卷第期均衡点分析复制动态方程的均衡点不一定都是该系统的演化稳定策略，建筑企业和建材企业演化系统的局部稳定性可通过雅可比矩阵的行列式的值和迹来验证，从而求出系统的最终稳定策略。雅可比矩阵的行列式和迹分析局部均衡点稳定性的相关原则见表。表雅可比矩阵行列式和迹的局部均衡点稳定性原则项目 行列式 迹 稳定性不稳定点演化稳定策略鞍点根据 的方法将系统的复制动态方程分别对、求偏导可得到本系统的雅可比矩阵，即 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）雅可比矩阵的行列式和迹的表达式为 ，。将建筑企业和建材企业的复制动态方程求出的个局部均衡点分别代入矩阵行列式 和轨迹 的表达式中，得到系统均衡点对应的矩阵行列式和迹的表达式，具体内容见表。政府奖惩力度的不同，对博弈双方的资源化策略选择也有所不同。对政府的奖惩力度进行分类讨论，有益于更好地促进建筑废弃物资源化发展。情形：当博弈双方皆处于无政府情况下，即奖惩力度皆为时，博弈双方的收益大小之比满足，。情形：当政府补贴力度较小、惩处力度较小表政府情况下简化后的系统均衡点对应的行列式和迹的表达式均衡点 （，）（）（）（，）（）（）（，）（）（）（，）（）（）（，）无须计算时，博弈双方的收益大小之比满足，。情形：当政府补贴力度足够，惩处力度较小时，博弈双方的收益大小之比满足，。情形：当政府补贴力度较小，惩处力度较大时，博弈双方的收益大小之比满足，。情形：当政府补贴力度足够，惩处力度较大时，博弈双方的收益大小之比满足，。结合上述分析得出局部均衡点稳定性关系分析表（表），绘制系统的演化博弈相位图（图）。由图可得，无政府干预与政府的奖惩力度较小时，建筑企业与建材企业的策略选择一致，双方都选择资源化策略，博弈双方演化过程逐渐趋向于（，）；当政府补贴力度足够，而惩罚力度不够时，建材企业会因政府补贴力度较高从而选择资源化策略，但是政府的惩罚力度不够，建筑企业考虑到资源化远高于非资源化成本，最终选择非资源化的策略，即（，）；当政府补贴力度较低，惩罚力度足够时，建筑企业会因惩处力度的增大进行资源化发展。政府无法通过惩罚的方式促使建材企业进行资源化，只能采用补贴奖励的方式进行引导，因此当企业补贴力度较低时，建材企业将选择非资源化处理，博弈双方的演化路径最终会逐渐趋于稳定态（，）；当政府奖惩力度都较大时，建筑企业与建材企业都会选择资源化处理，博弈双方演化结果收敛表政府参与下 均衡点稳定性分析情形均衡点（，）（，）（，）（，）不定不定稳定性稳定点鞍点鞍点不稳定点 不定不定稳定性稳定点鞍点鞍点不稳定点 不定不定稳定性鞍点不稳定点稳定点鞍点 不定不定稳定性鞍点稳定点不稳定点鞍点 不定不定稳定性不稳定点鞍点鞍点稳定点代春泉等：政府激励下的建筑废弃物资源化博弈研究图演化博弈相位图于（，），最终双方就建筑废弃物资源化达成合作局面。因此在政府强大的奖惩制度影响下，将会促使博弈双方选择建筑废弃物资源化策略，实现建筑废弃物资源化发展。动态仿真模拟对比以参数变化为条件变量进行深入研究，分析参数变量对系统演化路径的影响，能够清晰地展现不同参数对利益相关者的策略选择影响。由于演化博弈模型更侧重的是参数变化对参与主体策略选择的敏感性研究，主要观察的是参数变动对系统最终稳定状态的影响，并不要求数据完全精确，且既有文献中指明模型本身结构的正确性远比变量选值更为重要。依据建筑统计年鉴等相关资料，对系统相关参数进行初始赋值，见表。、分别表示施工企业和建材生产企业中实施建筑废弃物资源化利用的比例，初始状态情况下，建筑企业与建材企业对资源化的态度为中立，即 ，。情形：无政府状态（初始状态）下，即，。无政府状态下系统演化的仿真结果如图所示。由系统演化路径可知，在无外力作用情况下，建筑企业和建材企业都只追求经济效益，忽略环境效益，基于利益最大化原则，最终双方都会选择经济效益最大的非资源化策略，系统在最终在非资源化处趋于稳定。图无政府情形下系统演化初始状态以无政府情况下的演化路径作为初始路径，与上述其他种情形（情形、）进行路径演化对比分析，有助于更好地研究政府奖惩手段对资源化发展的影响。图图为不同奖惩力度下博弈双方演化路径选择。情形：政府奖惩力度都较弱，即 ，。将图与图进行对比可知，因为政府惩处力度较小，所以建筑企业进行资源化成本大于非资源化成本。虽然政府的惩处降低建筑企业选择非资源表相关参数初始化赋值参数数值 科技和产业 第 卷第期图情形状态下系统演化路径图图情形状态下系统演化路径图图情形状态下系统演化路径图化的速度，但随着系统的演化，建筑企业成本的不断累积，建筑企业将会突然倾向于非资源化策略，以缓解前期成本累积的压力；随着政府补贴措施的实施，建材企业的策略选择受到了一定的影响，相比于图在处稳定，图在 处达到稳定，由此可以看出，政府补贴措施的实施延缓了建材企业选择非资源化的进程。情形：政府惩处力度较弱，补贴力度较强，即 ，。将图与图进行对比可知，随着政府补贴力度的增大，建材企业将倾向于资源化，图情形状态下系统演化路径图同时建材企业对再生建材原料的需求也将变大。因为建材企业的再生原料来源主要是建筑企业与垃圾填埋场，政府对建筑企业的惩处力度较低，建筑企业考虑到企业收益将会进行非资源化处理，此时建材企业的原料来源是垃圾填埋场，垃圾填埋场的废弃物也是来源于建筑企业，所以建材企业的资源化促进了垃圾填埋场对建筑废弃物的需求，也促进了建筑企业对于非资源化策略的选择，相比于图建筑企业在 处达到稳定，在图中建筑企业在 处更快地达到稳定。情形：政府惩处力度较强，补贴力度较弱，即，。将图与图