基于博弈論的氫燃料電池汽車產業培育分析

劉 全，張海濤，趙振東，孫慧玉，劉國慶，薛雨淳

（1.江蘇毅合捷汽車科技股份有限公司，江蘇 無錫 214172；2.南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167）

自第一次工業革命開始，化石燃料不斷被開發利用，石油資源日益匱乏，人們對新能源汽車的需求也與日俱增。當下世界各國對新能源加大研究力度，推動新能源汽車技術發展。燃料電池完美地解決了化石燃料在汽車工作行駛中產出的廢氣廢水等污染問題，因此，各國也加大對燃料電池汽車的研究。

通過本文的研究，希望能對燃料電池汽車產業發展不同時期提出產業培育分析建議，從燃料電池汽車產業培育期與產業成熟期分段切入，探討燃料電池汽車產業經歷的不同發展時期、發展時期面對的不同主體，運用博弈論相關知識促進協調發展。

1 研究理論基礎

1.1 納什均衡分析法

在經濟學博弈邏輯中，納什均衡是指博弈中在其他參與對象的策略選擇條件既定的前提下，每個參與對象選擇的最利于自身的最優策略組合。納什均衡分析法是指利用博弈中的納什均衡，分析判斷博弈方在博弈過程中做出的策略選擇和博弈結果的方法[1]。隨著燃料電池汽車產業在國內高速發展，眾多學者基于博弈論對產業內各企業之間良性競爭現象，提出需要通過市場化、社會化政策工具以協調推動企業進入市場[2]。

1.2 演化博弈理論

演化博弈理論最早源于Fisher、Hamilton等遺傳生態學家對動植物沖突和合作行為研究提出的博弈分析。演化博弈理論是從有限理性的角度出發，認為協同參與活動的主體正是在一個不斷試錯的過程中逐漸達到一個平衡狀態，突出了動態反復的特征[3]。從演化博弈角度出發，國內產學研合作與政府政策補貼相輔相成，促進產業創新轉化進步[4]。

2 產業發展綜述

在當下科技迅速發展、經濟持續增長的時代背景下，氫燃料電池汽車產業目前已進入產業初步的培育期。國家已出臺一系列積極的補貼政策推動發展完整的汽車產業鏈，已具備生產燃料電池核心部件的能力。目前氫燃料電池汽車發展大多是基于純粹電池新能源汽車結構與傳統內燃機汽車結構，而整車運行中的儲氫與能源供給技術仍然是限制燃料電池汽車推廣的短板。產業要在如今經濟發展情況下取得創新，需從外部發展的多種環境因素入手，采取與社會主體共同協作的方式才能推動產業進步與發展。針對產業已進入培育期，采用納什均衡分析研究產業培育期各利益主體間的協調機理問題，尋求各利益主體的均衡條件，各利益主體之間協調關系如圖1所示。當步入成熟期發展時，構建氫燃料電池汽車產業強化的演化博弈鏈結構模型，研究產業成熟期的產業強化與擴散機理[5-6]。

圖1 基于納什均衡各主體之間協調關系示意圖

3 博弈模型構建

3.1 產業培育期三方博弈模型

氫燃料電池汽車產業在產業培育期，面臨著技術研發不足、關鍵原材料和核心技術受限制等難題。可知氫燃料電池汽車產業與政府、科研院所之間存在相互博弈的情況，基于納什均衡的思想，在構建政府、企業和科研院所兩兩參與均衡模型基礎上，構建政府、企業和科研院所三方混合策略博弈模型[7]。

以政府、企業和科研院所組成的產業發展系統為研究對象。政府的策略合集為完善政策和未完善政策；企業的策略合集為協調發展和未協調發展；科研院所的策略合集為著重發展技術研究力度和未著重發展技術研究力度。

政府、企業、科研院所三方面做出如下具體假設：政府完善相關政策，促進規劃發展，且企業間能各自協調發展，則政府在經濟發展方面獲得Vu的收益。政府未完善相關政策，而企業自身未協同發展，政府相比完善相關政策時，政府額外經濟收益為0。

由于政府完善相關政策也需付出一定成本，因此，設相關成本為Cu。假設政府對科研院所進行鼓勵政策，即當政府完善政策，企業之間未協調發展，如果科研院所選擇積極開發技術及提出促進協同發展理論，促進了企業自身能力提升，政府會給予一定的獎勵政策，設獎勵Vt。當政府完善政策且企業之間未協調，如果科研院所并未著重研究力度，提出相應發展理念或技術支持，則政府會對科研院所做出一定的懲罰，此懲罰成本設為Ft。

當科研院所選擇著重發展技術力度，需要一定的成本，假設科研院所未著重發展技術力度的成本為0，著重發展的成本為Ct。一般來說，假設企業之間未協調的正常收益為0，企業之間協調的收益為Vs，而企業各自之間協調需要付出一定成本，設此成本為Cs，因此，企業協調的凈收益為Vs-Cs。只有當Vs-Cs＞0時，企業才會選擇協調，因此假設Vs-Cs＞0。當政府發現企業之間未協調發展，互相排擠打壓等發展滯后現象，對企業本身進行一定的處罰，設為Fs。

設政府完善政策的概率為P1，則未完善政策的概率為（1-P1）；科研院所著重研究力度發展技術的概率為P2，未著重力度的概率為（1-P2）；企業之間協調發展的概率為P3，未協調發展的概率為（1-P3）。

分別構建政府與企業之間、政府與科研院所之間、科研院所與企業之間的兩兩參與混合策略博弈模型[8]。

3.1.1 政府與企業之間博弈模型

當只考慮政府和企業之間的完善政策和協調發展行為時，雙方收益矩陣如表1所示，相應可求得混合納什均衡解即政府以的概率對企業進行完善政策鼓勵企業協調發展，企業以的概率選擇進行各企業之間協調發展。政府對企業完善政策的概率基于企業協調發展獲得的收益、協調的成本以及未協調發展受到的懲罰力度；企業選擇協調發展的概率與政府完善政策獲取的收益以及完善政策的成本有關。

表1 政府與企業之間的收益矩陣

由表1企業的收益結果可知，當Vs-Cs-Fs＞0時，政府完善政策與否，企業都會選擇協同發展，因此，本文假設政府對企業未協調發展的懲罰滿足Vs-Cs-Fs＜0。

3.1.2 政府與科研院所之間博弈模型

當只考慮政府和科研院所之間的完善政策和著重研究力度行為時，雙方的收益矩陣如表2所示，相應可求得混合納什均衡即政府以的概率對科研院所進行完善政策鼓勵科研院所研究，科研院所以的概率選擇著重研究力度。政府針對科研院所主體完善相關政策的概率基于科研院所著重研究力度的成本、政府對科研院所著重研究給予的獎勵力度和科研院所自身未著重研究的懲罰力度；而科研院所著重研究的概率受到政府對科研院所著重研究的獎勵力度、政府對科研院所未著重研究的懲罰力度以及政府完善政策的成本影響。

表2 政府與科研院所之間的收益矩陣

由表2中科研院所收益結果可知，當Vt-Ct＜-Ft，即Vt-Ct+Ft＜0時，無論政府是否完善相關發展政策，科研院所都會選擇未著重研究力度這一舉措，為了督促科研院所著重研究，本文假設政府給予科研院所著重研究的獎勵和未著重研究的懲罰力度滿足Vt-Ct+Ft＞0。

3.1.3 科研院所與企業之間的博弈模型

當只考慮科研院所和企業主體時，科研院所著重研究力度和企業之間的協調發展的行為時，雙方的收益矩陣如表3所示，相應的可求得博弈模型的混合納什均衡即科研院所以的概率著重研究力度，企業以的概率選擇協同發展。科研院所著重研究的概率與企業協調發展獲得的收益、協調發展的成本以及未協調發展受到的懲罰力度相關。企業之間協調發展的概率受到科研院所著重研究的成本以及獲得的獎勵影響。

表3 科研院所與企業之間的收益矩陣

3.2 產業培育期模型收益分析

在政府完善政策以協調企業發展的過程中，政府、企業和科研院所實際會同時參加，因此，為了博弈模型分析更有效，構建政府、企業和科研院所三方參與的博弈模型[9]。

3.2.1 三方參與博弈模型的策略組合

根據上文中的模型假設確定三方各主體的收益矩陣如表4所示，收益結果對應政府、科研院所和企業。

表4 政府與科研院所之間的收益矩陣

3.2.2 模型求解

根據構建的三方博弈模型實際收益矩陣，在政府完善政策概率P1和企業協調發展的概率P3給定的情況下，整理得科研院所著重研究的期望收益為科研院所未著重研究的期望收益為當科研院所著重研究與未著重研究的期望收益相等時，實現博弈均衡，即可得此時可知由于當時，企業并不會選擇協調發展，由上文分析可得，當企業選擇未協調發展，政府未完善政策，科研院所未著重研究時，此時三方之間不存在博弈，因此，主要分析解為時的博弈。由于假設Ct-Vt＞0，表明政府給予科研院所著重研究的獎勵力度無需太大。

給定科研院所著重研究的概率P2和企業協調發展的概率P3，政府完善政策的期望收益為政府未完善政策的期望收益為當政府完善政策與未完善政策的期望收益相等時，實現博弈均衡，即此時可知

給定政府完善政策的概率P1和科研院所著重研究的概率P2，則企業協調發展的期望收益為將帶入上式可得：因此，當E協調發展＞E未協調發展時，即時，企業會選擇協調發展。

政府、企業及科研院所三方參與的博弈模型混合策略納什均衡為即政府以的概率進行完善政策，科研院所以的概率著重研究，企業是否協同發展取決于以上各參數。

綜上所述，分析影響三方概率的因素可知：1. 影響政府完善政策的因素

對政府完善政策的納什均衡解分析，降低科研院所著重研究的成本，提高政府給予科研院所的著重研究的獎勵力度，加大政府對科研院所懈怠研究的監督力度，有利于鼓勵科研院所著重研究力度，從而降低政府完善政策的成本。

2. 影響科研院所著重研究的因素

從科研院所均衡解分析可知，加大政府對科研院所懈怠研究的監督力度，提升政府完善政策的收益，降低政府完善政策的成本，能有效提高科研院所著重研究的概率。

3. 各參數對企業協調發展的影響

對企業協調發展的期望收益式子分析可知，當企業協調發展收益大，協調發展的成本小，政府給予的獎勵力度大，以及科研院所著重研究的成本大，政府的收益大，完善政策的成本小時，企業更易于選擇協調發展。

3.3 產業成熟期演化博弈模型

在目前科技發展迅速、經濟持續增長的時代背景下，氫燃料電池汽車產業采取與社會主體共同參與協作的方式才能取得產業強化與擴散發展，其中最為顯著的利益相關方面為企業和政府。氫燃料電池汽車產業在未來產業強化的過程中都隨時面臨著不確定性與風險性，而這與演化博弈的理論觀點相一致，因此，對于產業成熟期采用演化博弈理論是符合發展需求的[10]。

對氫燃料電池汽車產業的協同擴散發展、創新強化進行研究，就是在政府的監督和激勵措施等前提下，分析企業的博弈情況。提出如下假設：

假設1：參與博弈活動的主體都基于有限理性的前提下，活動過程中的各自信息內容并非完全對稱公開透明。氫燃料電池汽車產業主要負責把企業技術的創新運用到產品生產中并將其商品化，政府在其中擔任監督和引導作用。

假設2：PN表示氫燃料電池汽車企業未協同擴散發展且政府部門不監管時候氫燃料電池汽車的投資收益，CN為其成本。PG表示政府部門不進行監管，由眾多企業自主積極協同投入擴散發展而產生的額外社會收益。

假設3：為了鼓勵氫燃料電池汽車產業進行創新研究，政府發揮監督職能，盡可能覆蓋氫燃料電池汽車技術研發的每一個環節，可通過給予不同形式的補貼、專項資金、稅收減免等形式，將其定義為監管系數N。因在政府監管狀態下企業協同擴散發展會取得更好的收益，所以N＞1。

假設4：為了當地經濟社會的更好發展，當政府發揮其監管職能時候，政府需投入一定的成本，記作CG，同時因監管能帶來更好的收益效果，此時的社會收益記為NPG。

假設5：在氫燃料電池汽車技術創新研發中，有些企業因自身能力不夠，與其他企業主體進行協同的意愿更大，定義企業愿意與其他企業主體進行協同的程度強弱叫做協同意識系數M。因為企業在與其他企業主體良好協同時會獲得更多收益，所以M＞1。

假設6：當政府監管同時企業選擇協同擴散發展的時候，企業為協同擴散發展的進行需多增加的投入為CN，此時由于協同擴散發展的企業所獲得的收益記作MPG。

假設7：如果氫燃料電池汽車企業未協同，對于政府部門投入的利用效率為β。氫燃料電池汽車企業選擇協同，并且政府部門選擇監管時候，此時氫燃料電池汽車企業對于政府部門投入的利用效率為α(α＞β)。

由假設可得出企業與政府的支付矩陣如表5所示。

其中x為博弈中氫燃料電池汽車企業采取協同擴散發展的比率，(1-x)為采取未協同的比率；y為政府部門采取監管的比率，(1-y)為采取不監管的比率。為氫燃料電池汽車企業選擇協同、未協同的期待投資收益及總體的平均期待投資收益。UG1,UG2為政府部門選擇監管及不監管的期待投資收益。

表5 政府與企業之間的收益矩陣

氫燃料電池汽車企業的收益為

政府選擇監管、不監管的期望收益及平均收益為

可知氫燃料電池汽車企業復制動態方程為

政府的復制動態方程為

當復制動態方程為0時，即F(N) = 0,F(G) =0時，博弈達到一種相對穩定的均衡狀態，得到五個均衡點：將F1(0,0)，F2(0,1)，F3(1,0)，F4(1,1)及個均衡點代入雅各比矩陣，通過對矩陣均衡點的穩定性具體分析，得出氫燃料電池汽車企業及政府在不同抉擇下的演變途徑，終究達到一種穩定狀態。由于前面得出的五個點也是均衡點，所以F5∈ (0,1)，即0＜CG/(N-1)PG＜1且CG＜/(N-1)PG，由于(α-β)CG＞0，則(α-β)CG＞C'N-(M-1)PN，且(α-β)CG＞C'N-(M-1)PN＞0。意味著對于氫燃料電池汽車產業來說，政府部門監管時的收益大于不監管的總體情況；而對政府來說，新能源汽車產業選擇協同擴散時候的此時監管將比不監管帶來更多的額外收益。

將F1(0,0)，F2(0,1)，F3(1,0)，F4(1,1)及F5(CG/代入雅各比矩陣后，可得各雅各比矩陣數值。

對結果（7）、（8）、（9）、（10）、（11）進行穩定性分析，計算雅各比矩陣的行列式與跡：

由此可以得到各平衡點的行列式和跡，如表6所示。氫燃料電池汽車及政府演變途徑如圖2所示。

表6 均衡點的行列式和跡

圖2 企業及政府的演化博弈相位圖

3.4 演化博弈結果

由此可知演化博弈過程中會出現企業協同擴散發展、政府不監管，以及企業未協同、政府監管的情況，但是結果最終都會向企業協同擴散發展、政府監管或企業未協同、政府不監管的方向發展，最終到達一個平衡穩定的狀態。根據均衡點的分析來看，求出F5為鞍點，如果此時政府加大監管力度，例如加大補貼等措施，此時則會更接近平衡點，此時得出的社會效益也會越大，演化平衡點越接近穩定點。為了有更好的氫燃料電池汽車產業強化發展，那政府可以加大支持力度，提供有足夠力度的補貼政策，并且對各企業之間互助協同擴散發展情況進行監管，對相應的情況進行警告懲罰，使氫燃料電池汽車產業在更好的環境中強化發展，同時也需要對氫燃料電池汽車產業的扶持，推動技術創新能力，促進產業的整體擴散發展[11]。

4 結論與建議

4.1 產業培育期

從政府角度出發需要構筑相對完善的政策體系，對于企業的協調發展給予更多的幫助與保障，對于科研機構的著重研究給予一定的監督與獎勵政策。而科研機構方面在政府政策指導下，研發并給予企業關鍵性研發材料與核心技術。企業方面以科研院所科學有效的理論指導及政府政策補貼激勵下形成關鍵部件的有效產能，構建穩定的零部件供應體系，引領與推動產業發展。

4.2 產業成熟期

為了促進氫燃料電池汽車產業強化發展，政府可以加大支持力度，提供足夠力度的補貼政策，并且對各企業之間互助協同擴散發展情況進行監管，對相應企業壟斷情況進行警告懲罰，從而使得氫燃料電池汽車產業在更好的環境中強化發展。同時，氫燃料電池汽車產業方面在政府的政策扶持下，發揮高水平企業具有的主導利益協調作用，增強產業技術創新能力，推動產業的整體強化與擴散發展。

5 結語

本文首先從納什均衡的理論基礎上，對氫燃料電池汽車產業的產業培育期分析，認為政府、科研院所與企業之間的三方共同協調發展是促進產業發展的必經之路；然后從演化博弈角度，對產業成熟期的強化發展提出政府與企業需要互相促進，政府發揮主導協調角色，推動汽車產業的強化發展。