裝配式鋼結構建筑智慧工廠降碳激勵機制

林相龍，王穎林，李煜龍

（福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350001，E-mail：510057661@qq.com）

裝配式建筑作為建筑行業向低碳轉型的核心手段，引領建筑業現代化發展和行業的變革。傳統建筑與裝配式建筑相比，生產效率、技術水平、集成化程度都比較低，基本是勞動密集型粗放式的發展[1]，因此大力發展裝配式建筑是建筑業綠色、低碳與可持續發展的必然要求。裝配式建筑通過結合BIM，GPS及VR 技術構建智慧建造體系，幫助建造商做出建造規劃，提高工作效率，降低工程造價[2]。作為信息技術的載體，智慧工廠與裝配式鋼結構建筑生產建造的有機結合有益于提升行業的降碳效能[3]。

智慧工廠是現代工業結合信息化的新發展趨勢，許多國際化公司已經在公司內推廣智慧工廠的建設。Giacomo 等[4]建立了不同的線性和非線性回歸模型，闡述了智慧工廠在信息化技術的賦能下大大推進了碳中和的進度。但是目前在國內智慧工廠的推廣仍存在轉型風險、安全可控風險、技術受限等問題，這就需要政府在項目管理的過程中應該充分引導并且設置激勵機制來保證項目的發展[5]，替企業打造完善的交流發展平臺，并且大力鼓勵企業在技術層面的突破，引入關鍵減碳技術實現有效降排；企業應統籌全局，充分結合內部因素和外部因素所帶來影響并以此制定企業的發展決策。政府在激勵的過程中與企業存在博弈關系，Kevin 等[6]提出政府應當出臺正確合理的政策激勵廣大人民投身參加公共產品的提供。Olubunmi 等[7]還劃分了各種激勵政策，并認為應當實施以政府主導的外部激勵政策為主體，多種內部激勵政策共同發展的戰略。劉娟等[8]論述了政府在商品化住宅的財稅激勵政策，從各個層次研究了政府激勵政策的最佳方案。齊寶庫等[9]著重于研究政府及企業之間的博弈，論述了政府激勵與企業努力的博弈機理。王穎林等[10]構建了政府部門與合作方二者之間的“激勵—努力”博弈模型數學模型，說明了激勵與懲罰體系的建立能夠在項目發展中起到引導作用，為政府制定合理的激勵政策提供建議。畢然[11]提出監督體系也應當參與博弈平衡中。王曉彥等[12]研究了由于利益主體不同所帶來的期望收益與預期風險?？梢钥闯?，以上研究對住宅商品化、裝配式建筑激勵政策設置的討論較多，亦考慮了企業與政府作為主體的博弈演化，但在降低碳排放進程中智慧工廠的推廣分析尚有待深入。

為完善政府和裝配式鋼結構智慧工廠企業博弈激勵機制，本文通過建立政府與企業間的“激勵—努力”博弈模型分析激勵力度及傳導機理，使用演化博弈論來分析相關利益主體的互動關系，并利用仿真工具對理論模型進行驗證。同時為政府制定碳排補貼節能獎勵系數與企業降低成本提供建議。

1 政府與企業間的“激勵—努力”博弈模型理論分析

“激勵—努力”博弈模型建立的目的在于激發裝配式鋼結構智慧工廠建立過程的積極性，加速裝配式鋼結構智慧工廠的推廣，實現工業現代化的目標。從工廠建設過程的角度，政府部門與裝配式鋼結構智慧工廠之間存在著利益的博弈關系。若政府的激勵機制設計適度，那么政策激勵則可以達到投入最小化且社會效益最大化的效果。從裝配式鋼結構智慧工廠的角度，企業會依據自身利益的最大化原則來做出決策，合理的激勵策略將促使其積極主動運營智慧工廠。

1.1 模型假設

博弈的雙方假定為政府部門及裝配式鋼結構智慧工廠，雙方的策略是動態博弈的過程，雙方在博弈中通過不斷模仿、學習和調整實現均衡?；诓┺恼摷肮狡美碚?，做出以下假設：

假設1：博弈中政府部門和裝配式鋼結構智慧工廠兩個有限理性參與人，都尋求自身利益最大化。政府和裝配式鋼結構智慧工廠任何一方的策略調整，都會引起另一方對策略選擇的變動。

假設2：政府策略空間包括對裝配式鋼結構智慧工廠的降碳行為進行“激勵”或“不激勵”。裝配式鋼結構智慧工廠的策略空間包括“低努力”和“高努力”，單純追求經濟效益的行為稱為低努力行為，引入關鍵減碳技術實現有效降排的稱為高努力行為。裝配式鋼結構智慧工廠選擇“高努力”和“低努力”的比例分別為b和(1-b)。

1.2 博弈矩陣及參數解釋

政府部門與裝配式鋼結構智慧工廠的博弈支付矩陣如表1 所示。

表1 政府部門與裝配式鋼結構智慧工廠的博弈支付矩陣

相關參數解釋如下：R1、C1、S1：裝配式鋼結構智慧工廠基于“高努力”的收益、成本、碳排費用。R2、C2、S2：裝配式鋼結構智慧工廠基于“低努力”的收益、成本、碳排費用。S3：裝配式鋼結構傳統工廠制造商生產的碳排費用。θ：政府提供的碳排補貼節能獎勵系數。

1.3 模型求解

（1）政府方。政府在實行“激勵”時的期望效益為E11，政府實行“不激勵”時的期望效益E12政府的平均期望效益為E1、政府的復制動態方程為F(a)。

（2）企業方。裝配式鋼結構建筑智慧工廠選擇“高努力”獲得的期望獲益為E21、選擇“低努力”獲得的期望獲益為E22、平均期望獲益為E2、對應的復制動態方程為F(b)。

1.4 均衡點和穩定狀態

從已知的式（3）中可以得到政府的復制動態方程F(a)。令F(a)=0，F′(a)<0，由此可以得到a*=0，

（1）若(1-θ)(S3-S2)>0，即當a=1 時a=1 為穩定點。

同理，從式（6）F(b)可以得出F(b)=0，F′(b)=0，如此可得

（1）若 (R1-C1-S1) - (R2-C2-S2) ＜ 0，即b=0 時為穩定點。

對裝配式鋼結構智慧工廠而言，若(R1-C1-S1)-(R2-C2-S2)<0，即進行高努力的收益不及低努力的收益，那么即使政府愿意做出補貼行為，裝配式鋼結構智慧工廠仍舊因為無法產生利潤而選擇傳統的生產方式。

當進行高努力的收益遠超低努力的收益時，即便前期需要投入大量資金，裝配式鋼結構智慧工廠為了長期的收益仍舊會選擇高努力行為，此時政府的激勵與否對裝配式鋼結構智慧工廠的選擇并無太大影響，故此最終裝配式鋼結構智慧工廠將進行高努力行為而政府不進行激勵。

2 仿真驗證

2.1 規定初始狀態并進行博弈演化

為研究政府和企業雙方在決策時各參數變化對博弈演化路徑的影響，更加直觀表現雙方博弈動態演化過程，運用Matlab 軟件對影響雙方決策行為動態路徑的相關參數進行數值驗證和分析?；趯υO計模型的結果和穩定性仿真分析，參考《中國環境年鑒2021》和《環境保護稅法》，假設初始值為：R1=100，R2=100，C1=30，C2=17，S2=10，S1=20，S3=53，θ=0.55，結果如圖1 所示。隨著演化迭代的進行，雙方博弈的趨勢趨于（1，1）（政府激勵，企業高努力）和（0，0）（政府不激勵，企業低努力）。

圖1 政府部門與裝配式鋼結構建筑智慧工廠博弈相位圖

2.2 敏感性分析

由上述模擬和分析可知，政府和企業的博弈演化是有可能達到最優策略（政府激勵，企業高努力），同時也有可能演化至（政府不激勵，企業低努力）。那么增加最優策略組合的概率就成為了需要解決的問題。

（1）對博弈雙方在不同的初始意愿狀況下進行仿真模擬，來分析不同初始意愿情況下對博弈演化的影響。假定雙方初始意愿為（0.4，0.4）和（0.5，0.5），其他參數與初始值相同，仿真結果如圖2 所示?？梢园l現當政府選擇“激勵”策略的初始概率為0.4，企業選擇“高努力”初始概率為0.4 時，系統最后的博弈演化趨近與（政府不激勵，企業低努力）；但是當雙方的初始意愿提升至0.5 時，最終系統的演化策略為（政府激勵，企業高努力）。由上述分析可以得出，雙方的初始意愿會影響系統博弈演化的最終策略。因此，應當采取相關措施來提高政府的初始激勵意愿和企業的初始努力意愿，來確保最終實現高效的碳減排行為。

圖2 不同初始意愿的演化結果

（2）為了進一步探究企業高努力情況下碳排放費用S1對雙方博弈演化最終策略的影響，保持其他參數不變，規定企業和政府初始意愿為（0.5，0.5），取S1分別為9、9.5、10.5、11。得到系統演化博弈結果如圖3 所示。當S1=11 時，政府和企業最終的演化策略為（政府不激勵，企業低努力），但是當S1下降至10.5 時政府和企業最終的演化策略為（政府激勵，企業高努力），而且政府到達穩定策略所需要的時間比企業更快。因此可以得出當企業做出高努力的行為時能帶來有效的降碳效益，此時政府會更加積極地做出激勵行為來鼓勵企業進行高努力的降碳行為，以獲得更多的社會效益。隨著S1的不斷下降，雙方達到穩定的時間就越短。

圖3 S1 對演化結果的影響

（3）對政府提供的獎勵系數θ與雙方演化的最終策略做出探究。保持其他參數不變，雙方在初始意愿為（0.5，0.5）的情況下開始進行數值仿真模擬。設θ分別為0.3、0.4、0.6、0.7。仿真結果如圖4 所示。當補貼系數為0.3 時，政府很快達到穩定策略，但是對于企業來說所能獲得的補貼過少無法彌補所投入的成本，因此政府的激勵無法有效地調動企業高努力的意愿。當補貼系數提高到0.4 時，雙方的最終演化策略為（政府激勵，企業高努力）的最優策略。補貼系數提高到0.6 時，企業達到穩定的速度比補貼系數為0.4 時大有提升。因此可以推斷θ在0.4 到0.6 這個區間內時補貼系數越高，對企業的激勵越大。但是當θ= 0.70 時，雙方的最終演化策略為（政府不激勵，企業低努力），此時的補貼成本過高導致政府的激勵意向降低，最終也影響企業的努力意向，使得最終變成（政府不激勵，企業低努力）這種不利的狀態。因此政府在做出補貼的同時，應該把握對企業的支持力度。

圖4 θ 對演化結果的影響

2.3 激勵機制設置建議

（1）政府可作為引導者以適當的補貼支持來激勵裝配式鋼結構建筑智慧工廠進行高努力降碳行為，政府設定的碳排補貼節能獎勵系數位于區間為佳。其中，直接補貼（基于企業的實際碳排放減少量提供現金補貼）、稅收減免（為符合條件的企業提供稅收優惠或減免）、低息貸款（為需要進行技術改造以降低碳排放的企業提供低息貸款）都是可借鑒的補貼路徑。另外，從制定技術標準體系出發，有必要推進構建并完善裝配式智慧工廠降碳技術標準體系，基于行業的碳排放基線，隨著技術進步和成本降低，定期審查并調整補貼系數。

（2）政府對企業的激勵目標應采取動態控制的方法，在企業轉型初期承擔的成本壓力大，即當(R1-C1-S1)-(R2-C2-S2)<0 時，政府可以適當提高補貼系數幫助企業度過低碳轉型初期；當企業低碳轉型步入正軌后，即當時，政府則可適當回調補貼系數。如在初創階段，政府可為提供關于智慧轉型的培訓課程和專家指導、建立信息交流平臺，促進企業之間的經驗分享和合作；在探索階段，則可鼓勵企業與高校、研究機構進行合作，共同開展智慧轉型項目，鼓勵技術創新；在智慧建造實施階段，可鼓勵優秀的企業將其成功經驗進行推廣，并根據企業的智慧轉型績效，為其提供獎勵或補貼；在項目成熟階段，則應定期與成熟階段的企業進行政策對話，了解其需要和建議，調整相關政策。

總的來說，政府的激勵政策應該根據企業的智慧轉型階段進行差異化設計，確保每個階段的企業都能得到適當的支持和鼓勵。

3 結語

裝配式鋼結構建筑是綠色建筑的重要組成部分，由于其預制化、模塊化的生產特性，有著巨大的潛力實現高效、低碳生產，通過智慧工廠的降碳激勵，可以推動整個建筑行業走向低碳、環保的發展路徑。本文著眼于裝配式鋼結構建筑智慧工廠帶來的成本增量與降碳效能的博弈關聯，構建了政府與企業之間的“激勵—努力”博弈矩陣，旨在探索有效政策激勵與綠色生產之間的動態均衡關系。研究結果表明政府企業雙方存在最優策略組合的可能性，即政府和裝配式鋼結構智慧工廠分別選擇“激勵”和“高努力”策略，此概率將受雙方初始意愿及成本、收益等相關參數的影響。有效的政策制定應異質參照激勵目標的異質特性動態調整，從而推動企業更積極地引入和研發新技術、新工藝，促進行業成功實現智慧化綠色生產轉型。