大型水利水電工程信息共享機制研究

李 芳,章恒全

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

大型水利水電工程信息共享機制研究

李 芳,章恒全

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

針對大型水利水電工程建設中的信息共享問題,從供應商和工程總承包商的角度出發,建立供應商和總承包商信息共享演化博弈模型,并進行數值仿真。Matlab仿真結果表明:博弈主體都選擇進行信息共享的演化結果受可共享信息量、信息收益系數、“搭便車”收益系數、信息共享成本系數影響;且業主單位可以通過獎懲措施使得博弈主體都選擇進行信息共享決策,從而提高工程建設效率,縮短工期,降低工程建設成本。

大型水利水電工程;信息共享;演化博弈;供應商;總承包商

大型水利水電工程建設程序復雜,涉及多個參與方,規模較大,施工時信息在傳遞過程中流失嚴重,信息的管理水平很低,這些均會造成工程建設出現工期延誤、成本過高等問題,因此,大型水利水電工程信息共享機制的建立非常重要。

信息共享可以使工程各參與方及時獲得有效的信息,從而采取一些措施規避風險,使工程順利且高質量地完成。大型水利水電工程建設信息共享參與方主要有業主、設計單位、總承包商、材料供應商等,本文主要針對總承包商和供應商。

在水利水電工程項目實際建設過程中,供應商和總承包商之間對信息共享的需求非常強烈。供應商需要根據總承包商的信息確認設備、原材料等的需求量、需求時間,從而組織生產和運輸,以免造成可能的供應商庫存成本;總承包商需要發布準確的材料需求量信息給供應商,以免供應商多送產生總承包商庫存費用、少送造成工期延誤等問題,同時需要準確掌握供應商提供施工所用材料的運輸信息以組織施工。供應商和總承包商的信息共享可以極大地提高工程建設質量和效率,避免工期延誤、庫存成本增加、施工材料不到位等問題。基于此,本文圍繞供應商和總承包商兩個博弈主體對大型水利水電工程的信息共享問題進行研究,建立信息共享演化博弈模型,分析影響信息共享的因素,以及業主參與下博弈雙方信息共享的策略選擇。

目前,國內外學者對水利水電工程信息共享問題已進行了很多研究。Barlish等[1]對如何衡量建筑信息模型BIM優勢進行了研究。BIM是以建筑工程數據為基礎建立的建筑信息模型,BIM將建筑工程全生命周期中的所有信息集成,允許所有工程參與方共享和使用信息。BIM的研究使得工程各參與方有效協同工作,對各參與方利益相對起到一定的改善作用。Singh等[2]基于BIM開發出了相應需求的理論框架。Anumba等[3]針對建筑領域施工協調問題,構建了一個互聯網協同工作環境。張志偉等[4]提出一種信息模型構建方法,這種方法能夠滿足水利水電工程實際需求,對信息模型標準化非常有利。杜成波[5]對水利水電工程信息共享問題進行研究,其理論體系和方法對促進水利水電工程信息共享意義重大。馮曉蘇等[6-7]構建了水利水電工程信息模型,并研究其實際應用,對提高工程建設效率有很大作用。

演化博弈最早出現在生物學,由Maynard[8]提出,現已廣泛應用于多個領域。郭本海等[9]將演化博弈運用在縣域間土地供給競合關系中,研究了不同情形下演化穩定策略的走勢。單英華等[10]對建筑供應鏈方面的知識共享問題進行了研究,構建演化博弈模型,對建筑工業化知識創新意義重大。時茜茜等[11]構建的演化博弈模型對重大工程關鍵部件供應商合作具有重大意義,并將業主方考慮到模型中,有效解決了供應商合作問題。李志剛等[12]在研究礦產行業信息共享問題時,將演化博弈、監督博弈等方法運用在模型構建中,將礦產行業信息化發展落到實際。

綜上,國內外學者對BIM的研究已經很多,但因水利水電工程系統復雜,BIM并不適用。目前,國內學者針對水利水電工程信息模型的研究不多,大多借鑒BIM,且很多研究只停留在水利部門辦公信息化方面,對施工過程中的信息共享研究少之又少。基于此,本文利用演化博弈方法構建大型水利水電工程建設過程中供應商和總承包商之間的信息共享演化博弈模型,分析業主獎懲制度下供應商和總承包商的策略選擇趨勢,并利用Matlab7.0進行數值仿真,分析博弈方信息共享策略選擇和影響信息共享因素間的關系。

1 基本假設與模型建立

1.1 博弈方與策略假設

在大型水利水電工程建設施工階段,極易出現施工材料未到現場,造成工期不斷延遲、施工效率低下等問題。為解決這些問題,需對施工階段總承包商和供應商的信息共享問題進行研究。本文的博弈主體為供應商和總承包商。基于博弈主體有限理性前提,雙方都追求自身利益最大化。

在該博弈模型中,供應商和總承包商的策略集為(共享,不共享)。供應商的信息共享主要體現在:共享有關施工材料的規格、數量、價格、已有庫存量、預計交貨日期、物流在途、貨損等信息,以方便總承包商組織安排訂貨和施工。總承包商的信息共享內容有:施工進度、詳細的訂貨信息、訂貨數量、施工材料存儲條件等,方便供應商合理安排施工材料的生產和運輸。信息共享可以使供應商節約庫存成本、運輸成本,盡可能進行精益生產等,同時可以使總承包商縮短工期,提高施工效率,從而獲得更高的收益。但信息共享需要信息系統的支撐,需要信息管理人才來運營,這意味著雙方都需要投入資金才能使信息共享成為現實。另外,當供應商選擇信息共享,總承包商選擇信息不共享,此時,供應商未獲取信息,因而沒有收益,總承包商因獲得供應商共享的信息,進而得到收益,即為“搭便車”效應。反之,當只有總承包商共享信息時,供應商會獲取“搭便車”收益。

1.2 得益假設

假設1 供應商和總承包商信息均不共享時,雙方分別所獲期望收益為B1,B2,且B1>0,B2>0。

假設2 信息共享時,供應商的可共享信息量為Q1,總承包商的可共享信息量為Q2,信息量共享越多,對方可獲收益也越多;α1表示供應商信息收益系數,α2表示總承包商信息收益系數,信息收益系數即博弈方對彼此共享信息的吸收能力;β1為供應商信息共享“搭便車”收益系數,β2表示總承包商信息共享“搭便車”收益系數;λ1為供應商信息共享成本系數,λ2為總承包商信息共享成本系數,表示博弈方每單位共享信息所耗費的成本。其中,α1>β1,α2>β2,αi多出βi(i=1、2)的部分為雙方都進行信息共享時,由于信息的融合所產生的“1+1>2”效果的那部分信息所產生價值。

假設3 在長期博弈過程中,供應商進行信息共享的概率為x,總承包商進行信息共享的概率為y。

1.3 博弈模型的構建

根據以上假設,博弈主體支付矩陣[13]見表1。

表1 供應商和總承包商信息共享博弈支付矩陣

1.4 演化博弈分析

由表1可得,供應商信息共享期望收益為

U1x=y(B1+α1Q2-λ1Q1)+(1-y)(B1-λ1Q1)

(1)

信息不共享期望收益為

U1n=y(B1+β1Q2)+(1-y)B1

(2)

平均期望收益為

U1=xU1x+(1-x)U1n

(3)

進而可得,供應商復制動態方程為

x(1-x)[y(α1-β1)Q2-λ1Q1]

(4)

同理,總承包商復制動態方程如下:

y(1-y)[x(α2-β2)Q1-λ2Q2]

(5)

式(4)和式(5)即為演化博弈動力學方程式。

上述5個系統平衡點未必都是演化穩定點,其穩定性可以根據Friedman的雅克比矩陣局部穩定性[9]進行分析,由式(4)和式(5)可得

(6)

其中:

a11=(1-2x)[y(α1-β1)Q2-λ1Q1]

a12=x(1-x)(α1-β1)Q2

a21=y(1-y)(α2-β2)Q1

a22=(1-2y)[x(α2-β2)Q1-λ2Q2]

將平衡點的數值代入后若滿足以下條件:

Tr(J)=a11+a22<0

Det(J)=a11a22-a12a21>0

則認為該系統平衡點具有局部穩定性,其為演化穩定策略ESS。

由表2可知,該博弈模型的穩定點為(0,0),(1,1),即供應商和總承包商經過長期博弈后ESS為:雙方都信息共享,或雙方都信息不共享。圖1顯示了供應商和總承包商信息共享博弈結果的走向。

表2 系統(4)(5)平衡點局部穩定性

圖1 供應商和總承包商信息共享演化博弈相位圖

由圖1可見,供應商和總承包商博弈的最終策略選擇是要么雙方都進行信息共享,要么雙方都不進行信息共享,即達到演化均衡狀態O(0,0)或者B(1,1)。系統的初始狀態決定了系統的最終收斂點。當初始狀態在圖1中的四邊形OADC內時,系統不斷向O(0,0)點趨近,即雙方都選擇信息不共享;而當在圖1中的四邊形ABCD內時,系統將不斷向B(1,1)點趨近,即雙方都選擇信息共享。據此,可以用四邊形OADC和ABCD的面積大小來表示演化策略的最終確定。ABCD面積大小可以表示信息共享的概率,通過分析影響其面積大小的因素得出大型水利水電工程施工階段供應商和總承包商信息共享的影響因素。

四邊形ABCD的面積為

(7)

由式(7)可得,影響四邊形ABCD面積的因素有Q1、Q2、α1、α2、β1、β2、λ1、λ2,通過對這些因素逐一進行分析,可以得出如下結論。

結論1 在一定限制條件下,供應商和總承包商合作的概率隨可共享信息量的增大而增大。

證明 對式(7)中的Qi(i=1,2)求一階偏導得

結論2 當供應商和總承包商都選擇信息共享時,信息收益系數越大,信息共享的概率越大。

證明 對式(7)中的αi(i=1,2)求一階偏導得

因此,四邊形ABCD的面積隨著α1、α2的增大而增大,即信息共享的概率隨著信息收益系數的增大而增大,演化均衡隨信息收益系數的增大逐漸收斂于B(1,1)。

結論3 當單方信息共享時,“搭便車”收益系數越大,信息共享概率越小。

證明 對式(7)中的βi(i=1,2)求一階偏導,可得

由此可得,四邊形ABCD的面積隨βi單調遞減,即隨著“搭便車”收益系數的增大，雙方信息共享的概率越小,演化均衡隨βi增大最終將收斂于O(0,0)。

結論4 信息共享概率隨信息共享成本系數單調遞減。

證明 對式(7)中的λi(i=1,2)求一階偏導得

因此,四邊形ABCD的面積隨λi單調遞減,即隨著信息共享成本系數的增大,雙方進行信息共享的概率越小,演化均衡隨信息共享成本系數的增大最終收斂于O(0,0)。

表4 系統(8)平衡點分析

2 業主獎懲制度下的演化博弈模型

在大型水利水電工程的建設過程中,業主方更希望項目可以盡早且高質量完成,但因其系統龐大且復雜等特點,工程的參與方之間溝通比較困難,溝通的成本也很高,因此工程參與方不愿花費較高的成本來進行信息系統的構建。業主方需要采取一些獎懲措施以解決博弈方不愿意進行信息共享的問題。業主可以通過對信息共享方進行獎勵、對信息不共享方進行懲罰使得博弈模型的演化均衡最終趨近于(1,1)。

假設業主監督情形下,業主的監察概率為P,對博弈雙方的獎懲額度為F,可以得到表3的博弈支付矩陣。

表3 業主方獎懲制度下博弈支付矩陣

此時,動力學方程為

(8)

系統的平衡點為(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。當且僅當2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}時,系統只存在唯一演化均衡點(1,1)。

證明 由表4可知，(1,1)是唯一的ESS的充要條件是:

Tr(J)=a11+a22<0

Det(J)=a11a22-a12a21>0

即-[(α1-β1)Q2-λ1Q1+2PF]-

[(α2-β2)Q1-λ2Q2+2PF]<0

且[(α1-β1)Q2-λ1Q1+2PF]

[(α2-β2)Q1-λ2Q2+2PF]>0

同時 -(λ1Q1-2PF)-(-λ2Q2-2PF)>0

且(λ1Q1-2PF)(-λ2Q2-2PF)>0

則2PF>max{λ1Q1-(α1-β1)Q2,

λ2Q2-(α2-β2)Q1}>0

2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}>0

因此2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}

3 Matlab數值仿真

由以上分析可知,決定大型水利水電工程建設過程中供應商和總承包商信息共享決策的影響因素有雙方的可共享信息量、信息共享時雙方的信息收益系數、單方進行信息共享時的“搭便車”收益系數、雙方信息共享成本系數,以及業主監督情況下的監察概率和獎懲額度。從業主不參與、業主獎懲制度兩個角度,利用Matlab7.0仿真研究各因素對演化結果的影響。

3.1 業主不參與

假設Q1=20、Q2=22、α1=1.4、α2=1.8、β1=0.4、β2=0.5、λ1=0.5、λ2=0.7、P=0、F=20。將上述假設值帶入式(8),進行仿真可得。

3.1.1 共享模式下,Q1和Q2對演化結果的影響

圖2 Q1、Q2對信息共享概率的影響

由圖2(a)可知,當總承包商的可共享信息量一定時,信息共享概率隨供應商可共享信息量的增大先增大后減小。由結論1的分析可知,供應商和總承包商的可共享信息量有一定的比例關系,這意味著當總承包商的可共享信息量一定時,供應商的共享信息量并不是越多越好。因為從供應商的角度來說,當其共享信息量超過一定值時,共享概率會越來越小。這是因為總承包商的信息共享量是一定的,供應商因此所獲的收益也是一定的,當供應商的共享信息量超過一定值時,供應商的信息共享成本會超過其所獲取的收益,此時隨著供應商可共享信息量的增多,供應商將停止信息共享。對于圖2(b),當總承包商的信息共享成本超過因為供應商信息共享所獲取的收益時,隨著總承包商共享信息量的增加,共享概率會減小,總承包商不愿意再進行信息共享。只有雙方的可共享信息量同比例增加時,雙方才會一直愿意進行信息共享,這也是對大型水利水電工程建設最有利的一種狀態。

3.1.2 共享模式下,α1和α2對演化結果的影響

假設大型水利水電工程建設過程中,供應商和總承包商都進行信息共享,設其他假設值不變,令α1在區間[1,3]內變動,α2在 [1.5,3.5]內變動,進行Matlab數值仿真可得圖3。分析圖3可知,信息共享概率隨信息收益系數α1、α2的增大而增大,即信息收益系數越大,供應商和總承包商因為信息共享所獲的收益也越大,從而雙方合作進行信息共享的概率也越大。

圖3 α1和α2對信息共享概率的影響

3.1.3 單方信息共享時,β1和β2對演化結果的影響

當只有一方進行信息共享時,設其他假設值不變,令β1在區間[0.1,0.8]內變動,β2在 [0.4,1.1]內變動,進行Matlab數值仿真可得圖4。分析圖4可知,信息共享概率隨“搭便車”收益系數β1、β2的增大而減小,即“搭便車”所獲的收益越大,博弈方將選擇“搭便車”,而不進行信息共享,最終雙方都信息不共享。

由于信息不對稱,在大型水利水電工程建設過程中,會存在“搭便車”行為。這種收益的存在使得“搭便車”博弈方不愿意為信息共享投入成本,且“搭便車”收益越大,信息共享的概率越小。

圖4 只有一方信息共享時,β1和β2對信息共享概率的影響

3.1.4 λ1和λ2對演化結果的影響

信息共享必然伴隨著成本的產生,假設λ1在區間[0.1,0.9]內變動,λ2在 [0.5,1.3]內變動,其余假設值不變,進行Matlab仿真可得圖5。分析圖5可知,λ1、λ2增大,ABCD面積減小,即信息共享成本系數越大,博弈方愿意進行信息共享的概率越小。信息共享成本系數的增大使得博弈方所獲的收益越來越小,甚至出現負收益,這勢必會削弱博弈方進行信息共享的積極性。

圖5 λ1和λ2對信息共享概率的影響

3.2 業主參與

為了使博弈雙方都進行信息共享,業主對供應商和總承包商實施獎勵和懲罰措施。設其他假設值不變,由表4的分析可知，當PF>7.7時,供應商和總承包商信息共享演化博弈模型存在唯一演化均衡點(1,1),即信息共享概率趨近于1。已知0≤P≤1,令F在區間[0,8]內變動,進行Matlab仿真可得到圖6。分析圖6發現,當P和F都很大時,PF才有可能超過7.7,信息共享的概率才會趨近于1。當P很大,而F很小時,信息共享的概率很小,說明業主的監督起不到作用,博弈主體寧愿支付懲罰金額也不愿意信息共享。

在實際的水利水電工程建設過程中,業主為了使工程盡快高質的完工,對供應商和總承包商的獎懲力度一定不能太小。當懲罰力度太小時,供應商和總承包商不進行信息共享所獲取的利潤遠遠大于政府的懲罰,而進行信息共享會承擔來自對手博弈方的機會主義行為風險,還要投入大量的信息共享成本,這種無法保證自身利益的措施最終會使得博弈方都不進行信息共享。

圖6 業主P和F對信息共享概率的影響

4 結 語

信息共享的需求存在于大型水利水電工程各個參與方。設計單位和業主之間、總承包商和設計單位之間、業主和總承包商之間、供應商和總承包商之間等都需要信息共享的支撐。各參與方之間由于信息不對稱所造成的成本、風險可以通過信息共享解決。

本文通過構建供應商和總承包商信息共享演化博弈模型分析影響信息共享的主要因素,仿真得到以下結論:可共享信息量、信息收益系數、“搭便車”收益系數、信息共享成本系數這些因素的變化會影響博弈主體信息共享的策略選擇。博弈雙方的可共享信息量以一定的比例增長才會使得信息共享的概率增長,一方的可共享信息量和另一方的可共享信息量存在一定的比例關系;信息共享概率隨信息收益系數單調遞增，隨“搭便車”收益系數單調遞減，隨信息共享成本系數單調遞減。

為使大型水利水電工程盡快完工,提高工程建設效率,業主可以采取一些獎懲措施使得供應商和總承包商都選擇進行信息共享策略,對不進行信息共享的博弈方進行懲罰,對進行信息共享的博弈方進行獎勵。同時,業主方要注意獎懲力度,這非常關鍵。因為當獎懲力度很小時,博弈主體根本不在乎這些獎懲收益,依然會選擇信息不共享策略,但當懲罰力度很大時,也可能會造成供應商和總承包商畏懼懲罰而不得不艱難運營,獎勵力度很大時,業主方可能無力承擔,因此,業主方的獎勵和懲罰要適度。

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10.3880/j.issn.1003-9511.2017.01.014

李芳(1992—),女,碩士研究生,主要從事管理科學與工程研究。E-mail:630688361@qq.com

章恒全(1957—),男,教授,主要從事工程管理和項目管理、投資管理研究。E-mail:hqzhang630@163.com

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1003-9511(2017)01-0055-06

2016-09-16 編輯：胡新宇)