基于區塊鏈的農產品溯源體系的演化博弈

王愛榮，郭曉林，何志星

（成都信息工程大學 物流學院，四川 成都 610225）

0 引言

農產品的質量安全關乎百姓的菜籃子，是關乎民生大計的要事。近年來，由于對生廠商、加工商等供應鏈節點的把握管控力度不到位，農產品供應鏈從生產、加工、運輸配送、儲存直到銷售到顧客手中的每一個環節都存在食品質量安全隱患。生產環節，農戶可能降低生產成本，以次充好；加工環節，可能因為加工技術以及加工環境從而影響農產品品質；流通環節，不正確的儲存會影響農產品的質量；消費環節，消費者沒有足夠的能力辨別質量的好壞，可能因信息不對稱買到假冒偽劣產品。當農產品從供應鏈的生產環節到銷售環節時，一旦發生質量問題，很難確定具體哪個環節出現的問題，這也使得農產品的信任風險增加。在農產品供應鏈中實施可追溯體系，可以從原材料到產成品的全過程中形成與農產品安全屬性相關的連續、可靠的信息流，確保農產品具有可追溯信息，從而實現對農產品的全過程監管。

但現階段傳統的農產品溯源系統基本依賴于中心數據庫，其負責儲存和管理信息，中心化嚴重，極易被篡改，缺乏真實可靠性。其次，由于農產品供應鏈涉及環節較多，數據沒有公開共享，上下游企業容易產生信任問題；最后，農產品供應鏈的信息傳遞效率低，且溯源信息容易丟失，丟失后難以找回，當發生質量問題時，難以找到是哪個環節出現問題，無法明確責任主體。區塊鏈技術具有不可篡改性、獨特的哈希算法加密技術和較高的安全性，可以彌補原有農產品溯源系統的不足，為農產品物流溯源體系提供保障。區塊鏈技術可以保證整個農產品供應鏈信息的透明和真實，當農產品發現質量問題時，可以迅速確定責任主體以及召回控制，有效預防應對突發的各類食品安全危害事件,杜絕各類食品安全危害事故的發生，切實保障消費者權益，同時也為政府監管提供了決策依據。

目前，已有眾多學者對區塊鏈下的農產品可追溯問題進行了探討，主要集中在以下幾個方面：首先是溯源方案的研究。Bettin-Diaz，等提出一種新的將區塊鏈技術集成到食品工業供應鏈中，以實現整個過程可追溯性的方案，最終客戶根據提供的溯源信息做出明智的購買決策。Wu，等總結了將區塊鏈技術引入供應鏈數據管理系統的關鍵技術，并研究探討了基于區塊鏈的食品可追溯系統的案例。其次是基于區塊鏈的食品供應鏈溯源模型設計。Malik，等提出了包括政府和監管機構在內的關鍵食品供應鏈實體區塊鏈框架，以追溯食品來源。朱建明，等提出了區塊鏈下的B2B+B2C的供應鏈交易結構簡圖及動態多中心協同認證模型，設計了基于區塊鏈的食品供應鏈溯源系統；Suzuki，等通過實驗檢驗了可追溯食品供應鏈的可行性，構建了一個基于區塊鏈的食品供應鏈管理系統，通過該系統，區塊鏈技術可以在沒有第三方代理的情況下實現高度可靠的數據管理。Wang，等提出了基于區塊鏈技術的產品可追溯系統，通過記錄產品轉移歷史的分布式分類賬形成了一個具有追溯信息的鏈條，還設計了為保證交易有效性而驗證身份的響應機制。最后，系統安全性分析和實驗結果證明了解決方案是可行的。Chan，等主要介紹了基于區塊鏈技術的可追溯和透明的馬來西亞食品部門供應鏈管理系統。但關于區塊鏈下的食品信息透明度的博弈研究較少。徐健，等構建了基于區塊鏈的食品信息透明度博弈模型，探討食品企業與消費者在食品質量安全中的策略選擇問題。但還未有學者研究區塊鏈下政府與農產品企業在農產品溯源體系的博弈關系。本文基于區塊鏈技術，考慮政府的獎懲行為以及農產品企業的行為，以此構建農產品企業和政府的博弈模型，研究雙方在農產品溯源體系中的策略選擇，并分析消費者的支付意愿以及政府的監管行為對雙方策略選擇的影響。

1 基本假設與模型建立

基于演化博弈理論，隨機從農產品企業和政府兩個有限理性的群體中選取一個成員進行博弈，通過不斷學習與進化，最終達到演化均衡。農產品企業在生產、運輸、加工、銷售等供應鏈環節中，選擇（區塊鏈技術，傳統溯源技術）提供溯源信息，而政府的行為策略為（積極監管，消極監管）。

區塊鏈技術可以為農產品企業、政府以及消費者提供溯源服務以及更詳細、透明的溯源信息，保證了從農場到消費者的農產品質量，當農產品發現質量問題時，可以盡快召回，盡可能地減少對消費者的影響。而政府的監管行為則可以進一步保證農產品質量，提高農產品企業選擇區塊鏈技術提供溯源信息的比例，增加消費者對于農產品企業的信任。據此建立農產品企業與政府的博弈模型，分析二者的均衡問題，假設如下：

假設1：農產品企業使用傳統溯源技術提供溯源信息的基本收益為R,選擇區塊鏈技術增加的額外成本為C，因此增加的額外收益為βR，β的大小取決于消費者對于使用區塊鏈技術的溯源農產品的支付意愿。例如，通過調查發現受教育程度較低和健康狀況相對不佳的消費者相比普通消費者對可溯源信息詳細的食品有更高的支付意愿。

假設2：消費者對政府監管的信任程度會正向影響消費者對可溯源食品的支付意愿。即當政府積極監管時，消費者會更青睞于選擇溯源農產品，農產品企業因此獲得的額外收益為T。

假設3：農產品企業選擇提供溯源信息時，政府獲得的基本收益為R，農產品企業選擇區塊鏈技術提供溯源信息時政府獲得的收益為（1+α）R，α為政府的收益系數,具體體現為政府的名譽提升以及未來的潛在收益等。

假設4：政府的監管成本為C。當農產品企業選擇傳統的溯源技術時，由于信息可靠性低，農產品發現質量問題時無法明確責任主體，政府需要消耗治理成本C來處理相關糾紛以及安撫消費者等。

假設5：當政府積極監管時，會針對選擇區塊鏈技術的農產品企業實施激勵政策，提供政府補貼或貸款優惠，記農產品企業獲得的激勵收益為E。而針對選擇傳統技術提供溯源信息的農產品企業，則會相對應的征收稅費，記為Z。

假設6：農產品企業選擇區塊鏈技術策略的比例為x（x∈[0,1]）,選擇傳統溯源技術的比例為1-x；政府選擇積極監管的比例為y(y∈[0,1]),消極監管的比例為1-y，則相對應的收益矩陣見表1。

表1 農產品企業與政府的收益矩陣

2 演化模型分析

2.1 演化穩定過程策略求解

當C-βR＞0時，即成本增量大于收益增量，農產品企業虧損，結合復制動態方程可得，當政府選擇積極監管的比例y=y*時,此時農產品企業選擇區塊鏈技術提供溯源信息的比例x為穩定狀態；當政府選擇積極監管的比例y≠y*時，農產品企業選擇區塊鏈技術與選擇傳統溯源技術都為穩定狀態。演化經濟學表明，當政府積極監管比例yy*時，農產品企業選擇區塊鏈技術是穩定狀態，這表明政府監管的態度影響企業是否選擇區塊鏈技術提供溯源信息，即政府越傾向于積極監管，則農產品企業越有可能選擇區塊鏈技術。

當C-βR<0時，此時成本增量小于收益增量，農產品企業盈利，結合復制動態方程可得x=1是系統唯一的演化穩定策略。此時，無論政府采取何種策略，選擇區塊鏈技術策略始終是農產品企業群體的演化穩定策略。

2.2 演化博弈分析

由上述分析可得一個二維動力系統(O)：

在輪滑運動教學中，教師應該指導學生學會正確的摔倒方式，使其在發生摔倒事件時能夠將身體的損傷程度降到最低。輪滑教師要指導學生在摔倒時候應該盡量保持冷靜，努力將自身的膝蓋先行著地，之后是手肘，最后是手掌，以此來減少身體與地面的接觸面積。在摔倒時候避免身體部位直接與地面接觸而產生嚴重的身體損傷，在向前摔倒時應將頭部向后仰，向后摔倒時應將頭部向前仰，盡量避免傷害到頭部。

在二維動態系統中，如果一個局部平衡點滿足detJ>0，trJ<0,那么這個點就是局部漸進平衡點，稱為演化博弈的穩定策略，即ESS。下面根據雅克比矩陣進行系統的穩定分析，見表2。

表2 局部穩定性分析

根據分析結果可以看出，（0,0）、（1,1）為ESS點，（1,0）、（0,1）是不穩定點，（x*,y*）是鞍點，此時的演化穩定策略為農產品企業選擇區塊鏈技術的同時政府積極監管，又或者農產品企業選擇傳統溯源技術而政府消極監管。但是系統演化到哪一種狀態與其原始狀態和支付矩陣相關，由（0，1）、（x*，y*）和（1，0）的連接線構成了兩個狀態的臨界線，系統相應的演化相位圖如圖1所示。

圖1 演化相位圖

第一，農產品企業選擇區塊鏈的額外成本C。y*是C的單調增函數，當其他因素不變時，使用區塊鏈技術成本越低，S就越大，此時該系統收斂于（1，1）的概率不斷增大，雙方選擇（區塊鏈技術，積極監管）策略的概率增大，即企業越有動力去選擇區塊鏈技術，政府也有動力積極監管。

第二，消費者的支付意愿β。y*是β、R的單調減函數，消費者的支付意愿越高，則S就越大，此時該系統收斂于（1，1）的概率不斷增大，雙方選擇（選擇區塊鏈技術，積極監管）策略的概率增大。

第三，政府對農產品企業征收的稅費Z。x*與y*是Z的單調減函數，由此可見，其他因素不變時，隨著政府加大稅收力度，S也就越大，此時該系統收斂于（1，1）的概率不斷增大，雙方選擇（區塊鏈技術，積極監管）策略的概率增大。

第四，政府對農產品企業的補貼E。E對S的影響是非單調的。因此對S求關于E的二階導數，得到二階導數恒大于0，即當其他條件不變時，隨著E的變化，S將取得極小值，此時系統收斂于（1，1）的概率最大。

3 仿真模擬

本文主要分析區塊鏈的額外成本C、消費者的支付意愿β以及政府的補貼E與稅費Z變化時的演化趨勢。首先對x∈[0,1]，y∈[0,1]時各博弈主體策略的演化穩定性進行仿真分析，假設初始值為：β=0.5，Z=80，E=80，R=300，C=250，C=100，R=300，α=0.7，結果如圖2所示。

圖2 初始系統演化相位圖

首先分析消費者支付意愿對演化結果的影響，討論消費者不同支付意愿下的演化路徑，如圖3所示，隨著消費者支付意愿的提高，農產品企業會選擇區塊鏈技術提供溯源信息以及政府會積極監管。

圖3 不同消費者支付意愿的系統演化軌跡

其次分析使用區塊鏈技術的額外成本C對演化結果的影響，討論不同的額外成本下的演化路徑，如圖4所示，隨著使用區塊鏈技術的額外成本降低，農產品企業會傾向于選擇區塊鏈提供溯源信息。

圖4 不同的額外成本值的系統演化軌跡

最后是政府征收的稅費與補貼行為對演化結果的影響，討論不同的補貼與懲罰行為下的演化路徑，如圖5所示。隨著政府征收稅費的增加，農產品企業會選擇區塊鏈技術提供溯源信息。此外，政府征收稅費的初始值越小，則收斂速度越快。但是政府不能沒有節制地對農產品企業進行補貼，應當掌握好對農產品企業支持的力度，如圖6所示。

圖5 政府征收不同稅值的系統演化軌跡

圖6 不同補貼值的系統演化軌跡

4 結語

基于演化博弈理論研究了農產品供應鏈企業和政府之間的演化博弈問題，通過分析可以得出二者博弈的穩定策略為選擇（區塊鏈技術，積極監管）和（傳統溯源技術，消極監管），而最終的演化結果取決于農產品企業選擇區塊鏈技術的成本、消費者的支付意愿以及政府的行為。研究結果表明：（1）農產品企業和政府的策略選擇與雙方的成本密切相關，當政府的監督成本以及企業選擇區塊鏈技術的成本發生變化時，會出現不同的演化結果；（2）消費者的支付意愿會影響政府以及農產品企業的策略選擇，消費者支付意愿越高，則農產品企業更愿意選擇區塊鏈技術，政府也會積極監管；（3）政府不同的懲罰和補貼力度會影響企業的策略選擇，因此政府應該根據實際情況制定合適的政策。

根據以上結論，本文對建立全面有效的區塊鏈下的農產品可追溯體系提出以下建議:（1）構建嚴格的監督懲罰機制。當政府加大對企業的懲罰力度時，強制性稅收政策可以消除不選擇區塊鏈技術的外部不經濟性，提高邊際成本，增加選擇傳統溯源技術的“懲罰成本”，從而約束企業行為，促使企業選擇區塊鏈技術來實現信息公開化、透明化。（2）科學化的補貼政策。當前農產品供應鏈運作已高度成熟，而選擇區塊鏈技術會增加供應鏈各成員的負擔，影響其選擇區塊鏈的意愿。因此，政府部門需要提供有力的支持措施，對于積極使用區塊鏈技術的農產品企業進行鼓勵，如給予技術指導和補貼等，以降低企業的生產成本。針對大規模企業，由于其基礎設施完善，信息化水平高，相比較更容易使用區塊鏈技術實行農產品的可追溯，政府只需要在政策上、技術上稍加引導、扶持以及指導；針對中小型企業，則需要重點幫助扶持，不僅僅要在技術上引導，更需要提供資金支持，從而提高農產品企業的積極性。（3）引導消費者充分了解區塊鏈下農產品追溯體系的功能。為更好地解決農產品可追溯體系建立過程中面臨的難題，首先需要了解市場中消費者的偏好。隨著對農產品可追溯體系增加了解，消費者對溯源農產品的支付意愿也會同步增長，農產品企業提供溯源信息的基本收益也會不斷增加。此外，消費者只有充分了解區塊鏈下食品追溯體系的功能，充分認可區塊鏈在農產品追溯體系中的作用，支付意愿才會相應提高，從而擴大區塊鏈技術的市場需求，激勵企業積極選擇區塊鏈技術提供可追溯信息產品。