基于Swarm的企業碳交易博弈仿真分析

馬嘯原 李兵 姚興振

[摘要]近些年來，低碳的理念逐漸深入人心，碳交易市場也越來越受到各方的關注，一方面，是因為碳交易市場對減少溫室氣體的排放有一定促進作用；另一方面，碳交易市場又能為一些企業創造一定利潤。本文以碳排放權交易市場作為研究對象，根據市場中不同排放強度企業的策略，建立了碳交易博弈模型，并運用Swarm仿真平臺，對碳交易市場的運行進行模擬。對仿真結果進行分析，進而探索碳排放權交易市場的變化趨勢和運行規律，并根據所得結論提出了相應的建議。

[關鍵詞]碳交易；Swarm；博弈仿真

[中圖分類號]F205[文獻標識碼]A[文章編號]1005-6432（2014）12-0126-03

1引言

隨著世界經濟規模的日益膨脹，對化石能源的需求急劇攀升，溫室氣體排放直接導致的溫室效應和氣候變化不斷危及人類生存的空間。為此，已有諸多途徑來抑制溫室氣體的排放量，促進低碳經濟的發展，推動技術創新。在可持續發展、包容性增長方針的指導下，低碳經濟在我國整體經濟格局中的重要性日益凸顯。

在低碳經濟的大背景下，碳排放權逐漸成為了一種資源，是企業的利潤源泉。作為世界第一大溫室氣體排放國，利用碳排放權交易充分調動企業的減排積極性，提高減排的效率，對我國而言意義重大。我國的碳交易近年來在規模上發展迅猛，未來也有巨大的發展潛力，但仍存在著不少問題，如制度體系不完善、法規政策不健全等。對企業而言，很難在碳交易中取得主動權，這不僅限制了其在碳交易中實現利益的最大化，也在一定程度上影響了企業參與的積極性。

周宏春（2009）系統介紹了國外碳交易市場的形成條件，包括法律基礎、交易規則以及進入市場交易的基本條件等，提出了我國利用碳交易市場降低碳減排成本、走上能源利用效率高和碳生產率不斷提高的低碳發展道路的建議。范舒（2010）運用博弈模型，從非合作博弈和合作博弈兩方面，探究了碳排放相關方的對抗與合作關系。本文擬就高排放強度企業和低排放強度企業在碳交易中的博弈入手，利用Swarm仿真平臺，對博弈行為進行系統仿真，根據仿真結果，探究碳交易市場的變化趨勢。

2碳交易的相關概念

21基本原理

碳交易是為了減少溫室氣體排放引入的市場機制，將排放權視為一種商品，利用市場實現減排資源的優化配置，使實際減排工作由減排成本最低的企業完成。目前，我國的碳交易主要是基于《京都議定書》規定的清潔發展機制（CDM）項目。清潔發展機制中的一個重要環節就是核證減排量的使用，企業通過核證減排量來完成其減排指標。同時，核證減排量也可以在市場上進行交易。

碳交易的進行首先要由政府部門根據該地區的環境容量，推算出溫室氣體的最大允許排放量，并在初始階段分配給市場的各個參與者。進而，碳排放權逐漸成為一種稀缺資源，在流通交易中形成價格。排放強度高的企業需要在市場中購買核證減排量，從而保證其排放量不超標。

22碳排放權的初始分配

針對碳排放權的初始分配，目前主要有兩種觀點：從公平的角度出發，建議以人口指標來分配碳排放權，即認為每個人都享有相同的公共權利；從效率的角度出發，則以GDP指標來分配碳排放權，即認為每單位溫室氣體的排放都應帶來相應的產出。

在本文中，以單位GDP排放量作為分配碳排放權的依據，對該機制下碳交易的博弈進行仿真分析。若ED為該地區溫室氣體最大允許排放量，GD為地區GDP總值，Gi為第i家企業產生的GDP，則第i家企業分得的碳排放限額為Ei=EDGi/GD。

3碳交易博弈模型

31碳交易博弈基本假設

本文中討論的碳排放權交易發生在碳交易二級市場之中，假設所有市場參與者的目的都是實現自身利益的最大化，碳排放權的價格也由市場供求決定。因此，碳交易價格的形成主要受宏觀經濟環境、減排成本、外界政策和交易成本等因素影響。

假設碳交易市場的參與者可按照排放強度分為高排放企業和低排放企業，高排放企業在日常生產中的排放量超出其碳排放限額較多，面臨著較大的減排壓力，需要進行大幅度減排或購買碳排放量；低排放企業的碳排放量超出排放限額較少，甚至低于其排放限額，減排壓力不大，甚至有剩余的排放量可供出售。

假設不同企業會根據自己的利潤函數采取行動，其行動也是不分先后的，即碳交易博弈為靜態博弈。

32模型的建立

將企業i正常生產排放的溫室氣體量記為Pi，若Pi-Ei>0，則說明企業i的碳排放量超出限額，為高排放企業，在碳交易市場中主要為買方；若Pi-Ei<0，則說明企業i的碳排放量低于限額，為低排放企業，在碳交易市場中主要為賣方。設企業i在碳排放交易中的需求量為Di，則Di>0說明企業i有出售相應排放量的意愿，Di<0時表示企業i有購入相應碳排放量的需求。設企業總數為n，對整個市場，若ni=1 Di>0，則表示供過于求，若ni=1 Di<0，則意味著供不應求。由此可以推算，在碳交易需求量為Di的情況下，企業i的實際減排量為Pi-Ei+Di，則企業i減排成本函數為Ci=ki（Pi-Ei+Di）2， 其中成本系數ki與企業減排技術水平有關。企業的減排成本包括企業為提高單位排放量的產出而投入的技術成本以及為排放達標而減少產量的損失兩個方面。考慮到企業在碳交易市場上的所得，若單位碳排放量的成交價格為x，則企業i在碳交易行為中的實際利潤Mi為：

Mi=xDi-ki（Pi-Ei+Di）2（1）

企業在碳交易行為中獲得的利潤由兩個方面構成：在交易中的所得和減排付出的成本，企業的決策需要統籌考慮這兩個方面的因素。將利潤作為目標函數，參數中x，Di均隨時間t變化，每家企業都以利潤最大化為最優決策，則t時刻企業i的策略可表示為：

maxMi（t）=x（t）Di（t）-ki[Pi-Ei+Di（t）]2（2）

對該地區總體的碳交易市場而言，在完全競爭市場的條件下，碳排放權的價格可由逆需求函數表示：

x（t+1）={a-b×[DB+ni=1 Di（t）]}×σ（t）

DB=ED（3）

上式中的a，b為逆需求函數中的參數，其中b反映價格對需求的敏感性。逆需求函數中的需求由基礎性需求和可變需求兩部分組成，其中DB為基礎性需求，即在所有企業可變交易需求供求平衡時的總排放需求，與該地區總排放限額ED相等，可變需求則為整個市場全部企業交易需求量的總和。考慮到實際市場交易中宏觀經濟形勢和外界政策等因素對價格的影響，在供求博弈形成的價格基礎上增加波動因子σ，從而形成下一時刻碳排放權的價格。

4模型仿真及結果分析

根據上述模型，運用Swarm仿真平臺，對不同排放強度的企業在碳交易市場中重復博弈的過程進行仿真。令企業總數n=100，地區溫室氣體排放總配額量為500萬噸，即ED=500，逆需求函數中參數a=3500，b=0007236，初始價格為80元/噸，可得到如下仿真結果。

對博弈的演化過程進行20次迭代，仿真結果如圖1～圖3所示。由圖1可以看出，碳排放權的價格隨時間圍繞初始價格上下波動，波動范圍在50～115元/噸。圖2、圖3反映了不同排放強度的企業在碳交易行為中的平均預期年利潤隨時間的走勢，其中高排放企業的利潤與碳排放權的價格基本呈負相關，低排放企業的利潤與碳排放權的價格基本呈正相關，并且兩類企業對價格的反應都存在延遲。

圖1碳排放權價格隨時間變化趨勢（20次迭代）

圖2高排放企業平均預期年利潤隨時間變化趨勢（20次迭代）

圖3低排放企業平均預期年利潤隨時間變化趨勢（20次迭代）

對博弈的演化過程進行500次迭代，仿真結果如圖4～圖6所示。由圖4可知，碳排放權的價格長時間在45～130元/噸的范圍內波動。根據圖5、圖6所示，高排放企業在碳交易行為中的平均預期年利潤在-65萬～-25萬元的范圍內波動，而低排放企業的利潤則在15萬～55萬元波動，兩類企業的利潤與碳排放權價格的相關性沒有改變。

圖4碳排放權價格隨時間變化趨勢（500次迭代）

圖5高排放企業平均預期年利潤隨時間變化趨勢（500次迭代）

圖6低排放企業平均預期年利潤隨時間變化趨勢（500次迭代）5結論及建議

本文中，將企業按照不同的排放強度進行分類，根據企業各自的策略，建立碳交易博弈模型。基于Swarm仿真平臺，對博弈行為進行仿真分析，得到了碳排放權的價格和企業預期利潤的變化趨勢及相關性。在完全競爭市場的條件下，碳排放權的價格基本反映了其內在價值，市場呈現出的規律符合預期，市場機制的存在促進了減排資源的優化配置。

目前，我國碳交易市場的發展方興未艾，未來也有十分光明的前景。對碳交易市場而言，需要進一步完善市場機制，提高市場運行的透明度，吸引更多的企業參與到碳交易活動中，通過市場實現對更大范圍資源的優化配置。對企業而言，需要進一步樹立節能減排的發展觀念，努力提高減排的技術水平，降低自身的減排成本，才能真正在碳排放權的博弈中取得主動權。

參考文獻：

[1]于天飛，沈文星，黃喜碳排放權交易的市場分析[J].林業經濟，2008（5）.

[2]周宏春世界碳交易市場的發展與啟示[J].中國軟科學，2009（12）.

[3]范舒關于碳排放的博弈論分析[J].現代物業（中旬刊），2010（7）.

[4]張立杰，苗苗低碳經濟背景下中國企業碳交易博弈模型初探[J].企業經濟，2012（2）.

[5]聶力我國碳排放權交易博弈分析[D].北京：首都經濟貿易大學，2013

[6]弗蘭西斯·路納，本尼迪克特·史蒂芬森Swarm中的經濟仿真：基于智能體建模與面向對象設計[M].北京：社會科學文獻出版社，2004

[7]劉貞，程勇軍Swarm for Java仿真及編程實現[M].北京：機械工業出版社，2009

[基金項目]首都經濟貿易大學研究生科技創新資助項目。

[作者簡介]馬嘯原（1989—），男，北京人，首都經濟貿易大學信息學院碩士研究生。研究方向：管理工程方法與技術；李兵（1990—），男，北京人，首都經濟貿易大學信息學院碩士研究生；姚興振（1988—），男，河北秦皇島人，首都經濟貿易大學信息學院碩士研究生。