高鐵四電建設(shè)工程信息共享演化博弈分析

陳雍君，王璐琳，王衛(wèi)東 ，王勁 ，汪思成 ，邱實

(1. 北京建筑大學(xué) 城市經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京 102616；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075；4. 中南大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)控研究中心，湖南 長沙 410075)

高鐵建設(shè)具有規(guī)模大、過程復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)高、工程緊等特點，存在諸多不可預(yù)見性因素。高鐵建設(shè)過程中的“四電”工程(包括通信工程、信號工程、電力工程和電氣化工程)，具有隱蔽工程多、接口問題解決難、各專業(yè)之間協(xié)調(diào)困難等特征，其施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到建設(shè)工程整體質(zhì)量。因此，如何有效管控施工過程中的質(zhì)量，對于保障高鐵四電建設(shè)工程的高效率、高質(zhì)量安全建設(shè)具有十分重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者對于施工過程質(zhì)量安全問題開展了相關(guān)研究，并取得了一定的成果。WANG等[1]基于BIM數(shù)據(jù)，借助詞云可視化和聚類分析，利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(RNN-LSTM)網(wǎng)絡(luò)對建筑過程中的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)測并進(jìn)行精確定位。盧睿等[2]利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對實際過程安全質(zhì)量影響因素進(jìn)行風(fēng)險識別和評估，確定影響鐵路四電工程質(zhì)量安全的19項關(guān)鍵風(fēng)險因素。徐建軍等[3]分析了鐵路四電工程項目全生命周期質(zhì)量控制流程，并在此基礎(chǔ)上基于廣義隨機Petri網(wǎng)理論，構(gòu)建鐵路四電工程建設(shè)全過程質(zhì)量控制LQC(Lifecycle Quality Control)模型并檢驗?zāi)Ｐ偷挠行浴OVE等[4]分析569個建設(shè)項目的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，NCRs(non-conformances)與安全事件呈正相關(guān)，且人為錯誤是導(dǎo)致質(zhì)量和安全問題的關(guān)鍵因素。張梅[5]在總結(jié)和借鑒國內(nèi)外鐵路隧道修建技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行探索和創(chuàng)新，有效解決蒙華鐵路隧道建設(shè)中一些突出的質(zhì)量安全問題。敬永東等[6-7]對大型工程的施工質(zhì)量安全隱患進(jìn)行分析，提出相關(guān)的改進(jìn)措施。現(xiàn)有研究大多是從施工整體的角度分析影響質(zhì)量安全的因素，或者針對分部分項工程進(jìn)行質(zhì)量安全的研究，很少對某一種影響因素進(jìn)行研究，比如信息溝通這種涉及到主觀感情的因素。在實際高鐵建設(shè)施工過程中，因信息溝通障礙而導(dǎo)致的質(zhì)量安全問題不在少數(shù)。信息溝通作為影響高鐵建設(shè)施工質(zhì)量安全問題的關(guān)鍵因素之一，如何促進(jìn)各參建方信息溝通，是保障施工過程質(zhì)量安全的關(guān)鍵之一。信息共享的研究主要集中在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈[8-10]、企業(yè)員工[11-12]、虛擬社區(qū)[13]和醫(yī)療信息[14]等方面，而對于建筑供應(yīng)鏈，尤其是高鐵四電項目研究得較少。因此，本文通過研究各參建方之間信息共享博弈行為，為促進(jìn)信息共享提供新思路。

1 信息共享演化博弈模型分析

1.1 問題描述與假設(shè)

高鐵四電工程是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要多方參與、多專業(yè)協(xié)調(diào)、多工種交叉工作。不同參與者的目標(biāo)不盡相同。建設(shè)單位是以保證建設(shè)質(zhì)量、在計劃時間完成、減少成本為目標(biāo)。而勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)理等單位則是在滿足建設(shè)單位要求的基礎(chǔ)上，追求自身的利益最大化。因為工作內(nèi)容和性質(zhì)的不同，不同群體間主要是靠信息流聯(lián)系起來的。設(shè)計方根據(jù)基礎(chǔ)資料和勘察資料進(jìn)行方案設(shè)計，根據(jù)施工現(xiàn)場情況和資料進(jìn)行設(shè)計變更，為施工提供服務(wù)工作；施工方根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行施工，對施工進(jìn)度、隱蔽工程等進(jìn)行記錄，將資料提交給建設(shè)方和設(shè)計方；監(jiān)理方做好現(xiàn)場監(jiān)理，做好記錄；建設(shè)方則連接各方，在各方之間進(jìn)行協(xié)調(diào), 為施工方提供施工材料、設(shè)備等資源。

高鐵四電建設(shè)過程中，參建方在考慮信息共享會獲得收益的同時，也會考慮信息共享消耗的成本、對工期的影響、潛在損失、與其他參建方之間的信任程度等因素，造成了信息共享遲緩，信息不對稱等情況，對工程的安全質(zhì)量產(chǎn)生影響。參建方結(jié)合自己目標(biāo)后，會選擇全部信息共享、部分信息共享或者信息不共享，產(chǎn)生信息共享的博弈行為。為了簡化博弈關(guān)系，本文只考慮一個建設(shè)方、一個設(shè)計方和一個施工方之間的信息共享博弈關(guān)系；全部信息共享和部分信息共享都看作信息共享，只是共享比例不同。基于此，作出以下假設(shè)。

假設(shè)1：三方均是有限理性的，遵循利益最大化原則。建設(shè)方可選擇的策略為{促進(jìn)，不促進(jìn)}，選擇促進(jìn)的概率為x，選擇不促進(jìn)的概率為1-x。建設(shè)方若選擇促進(jìn)，會積極促進(jìn)、監(jiān)督各參建方之間進(jìn)行信息共享，為信息共享提供服務(wù)等；若選擇不促進(jìn)，則不進(jìn)行監(jiān)督、提供服務(wù)等。設(shè)計方策略為{積極，消極}，積極的概率為y，消極的概率為1-y。設(shè)計方若選擇積極，則會積極提供全部信息和資料；反之，則只會提供基礎(chǔ)信息和資料。施工方的策略為{積極，消極}，積極的概率為z，消極的概率為1-z。施工方若選擇積極，則會積極提供全部信息和資料；反之，則只會提供基礎(chǔ)信息和資料。其中0≤x,y，z≤1。

假設(shè)2：建設(shè)方選擇促進(jìn)策略時，促進(jìn)信息共享成本為CA；對積極信息共享的設(shè)計方和施工方的獎勵為JB和JC，對消極信息共享的設(shè)計方和施工方的懲罰為PB和PC；促進(jìn)信息共享所帶來的工期的縮短、成本的降低等看作獲得的收益，為SA1。建設(shè)方選擇不促進(jìn)策略時，所帶來的收益為SA2，此時可能為負(fù)值。

假設(shè)3：設(shè)計方與施工方消極信息共享所消耗的共享成本分別為CB1和CC1；積極信息共享所消耗的額外共享成本分別為CB2和CC2。因信任程度不同，設(shè)計方與施工方共享的信息占全部信息的比例分別為GB和GC。其中0≤GB，GC≤1。

假設(shè)4：設(shè)計方與施工方消極信息共享獲得的收益為SB和SC。當(dāng)設(shè)計方與施工方都選擇積極信息共享時，全部信息共享所帶來協(xié)同收益分別為RB和RC。當(dāng)設(shè)計方選擇積極信息共享，施工方選擇消極共享時，施工方因信息不對稱所獲得的收益為DC。同理，當(dāng)施工方選擇積極信息共享，設(shè)計方選擇消極共享時，設(shè)計方因信息不對稱所獲得的收益為DB。

1.2 博弈模型

根據(jù)上述假設(shè)建立三方博弈的收益矩陣，如表1所示。

表1 三方博弈矩陣Table 1 Three-way game matrix

1.3 演化路徑

生物進(jìn)化的本質(zhì)是高適應(yīng)度基因的增長率比低適應(yīng)度基因更快。類似的，在經(jīng)濟活動中，高預(yù)期收益策略的增長率比低預(yù)期收益策略更高。生物進(jìn)化過程中形狀和行為特征變化機理的“復(fù)制動態(tài)”，也是經(jīng)濟分析中有限理性人學(xué)習(xí)博弈和策略調(diào)整的動態(tài)機制[15]。因此，建立復(fù)制動態(tài)方程分析各方的演化路徑。

1.3.1 建設(shè)方演化路徑分析

根據(jù)博弈收益矩陣，建設(shè)方采取促進(jìn)策略的期望收益Ea1，采取不促進(jìn)策略的期望收益Ea2和建設(shè)方平均收益Ea分別為：

則建設(shè)方的復(fù)制動態(tài)方程為：

1.3.2 設(shè)計方演化路徑分析

同理可得，設(shè)計方的復(fù)制動態(tài)方程為：

1.3.3 施工方演化路徑分析

同理可得，施工方的復(fù)制動態(tài)方程為：

1.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性

將8個均衡點代入JM中，得到各均衡點對應(yīng) 的雅可比矩陣的特征值，結(jié)果如表2所示。

表2 各均衡點對應(yīng)的特征值Table 2 Eigenvalues corresponding to each equilibrium point

通常情況下，建設(shè)方對積極信息共享的獎勵和消極信息共享的懲罰是相等的，即JB=PB，JC=PC；信息協(xié)同收益大于信息不對稱收益，即RB＞DB，RC＞DC。為確定各均衡點的穩(wěn)定性，分3種情形對演化穩(wěn)定策略討論，如表3所示。

表3 均衡點穩(wěn)定性分析Table 3 Analysis of the equilibrium point stability

情形1：SA1-SA2-CA+PB+PC＜0，即設(shè)計方和施工方都消極信息共享時，建設(shè)方促進(jìn)信息共享的收益與成本的差值仍小于不促進(jìn)信息共享的收益。

情形2：SA1-SA2-CA-JB+PC＞0，SA1-SA2-CA+PB-JC＞0，SA1-SA2-CA-JB-JC＜0，即設(shè)計方和施工方只有一方積極信息共享時，建設(shè)方促進(jìn)信息共享收益與成本的差值大于不促進(jìn)信息共享收益；都積極信息共享時，建設(shè)方促進(jìn)信息共享收益與成本的差值小于不促進(jìn)信息共享收益。

情形3：SA1-SA2-CA-JB-JC＞0，即設(shè)計方和施工方都積極信息共享時，建設(shè)方促進(jìn)信息共享的收益與成本的差值仍大于不促進(jìn)信息共享的收益。

本模型中，假定建設(shè)方促進(jìn)信息共享收益SA1和不促進(jìn)信息共享收益SA2為定值，促進(jìn)信息共享成本CA的降低和獎勵懲罰力度的變化，使得情形1變至情形3，得到以下結(jié)論。

結(jié)論1：情形1下，E1(0, 0, 0)即(不促進(jìn)，消極，消極)是演化穩(wěn)定策略；設(shè)計方和施工方信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值大于積極信息共享的成本時(GCRB-GBCB2-GCDB＞0，GBRCGCCC2-GBDC＞0)，E7(0, 1, 1)即(不促進(jìn), 積極, 積極)是演化穩(wěn)定策略。

結(jié)論2：情形2下，獎罰力度小于積極信息共享的成本時(JB-GBCB2+PB＜0,JC-GCCC2+PC＜0)，E2(1, 0, 0)即(促進(jìn), 消極, 消極)是演化穩(wěn)定策略；信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值大于積極信息共享的成本時(GCRB-GBCB2-GCDB＞0，GBRCGCCC2-GBDC＞0)，E7(0, 1, 1)即(不促進(jìn)，積極，積極)是演化穩(wěn)定策略。

結(jié)論3：情形3下，獎罰力度小于積極信息共享的成本時(JB-GBCB2+PB＜0,JC-GCCC2+PC＜0)，E2(1, 0, 0)即(促進(jìn)，消極，消極)是演化穩(wěn)定策略；信息共享的獎勵和懲罰的力度大于信息協(xié)同收益與信息不對稱收益和積極信息共享的成本的差值時(JB+GCRB-GBCB2-GCDB+PB＞0，JC+GBRCGCCC2-GBDC+PC＞0，E8(1, 1, 1)即(促進(jìn)，積極，積極)是演化穩(wěn)定策略。

除上述影響因素外，不難發(fā)現(xiàn)，設(shè)計方和施工方信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值、積極信息共享成本、信息共享的比例和信息利用率也會影響整個系統(tǒng)穩(wěn)點演化策略的變化。

2 仿真模擬

為了驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，對模型進(jìn)行賦值，利用MATLAB R2020a進(jìn)行仿真模擬。在滿足基本條件和情形1所述的條件下，結(jié)合實際情況，且為了便于觀察，調(diào)整優(yōu)化后，將參數(shù)組1賦值為：SA1-SA2=150，CA=190，JB=PB=15，JC=PC=20，GB=0.7，GC=0.7，CB2=55，CC2=70，RB-DB=80，RCDC=90，將該參數(shù)組以不同初始策略組合出發(fā)隨時間變化進(jìn)行演化，結(jié)果如圖1所示。參數(shù)組2為：SA1-SA2=150，CA=125，JB=PB=15，JC=PC=20，GB=0.7，GC=0.7，GB2=55，GC2=70，RB-DB=80，RC-DC=90，符合情形2，如圖2所示。參數(shù)組3為：SA1-SA2=150，CA=60，JB=PB=15，JC=PC=20，GB=0.7，GC=0.7，CB2=55，CC2=70，RB-DB=80，RC-DC=90，符合情形3，如圖3所示。

圖1 情形1演化結(jié)果Fig. 1 Case 1 evolution result

圖2 情形2演化結(jié)果Fig. 2 Case 2 evolution result

圖3 情形3演化結(jié)果Fig. 3 Case 3 evolution result

上述結(jié)果與結(jié)論一致，且是在只改變建設(shè)方促進(jìn)信息共享成本的情況下，由情形1變化到情形3。可見，仿真分析的結(jié)果與系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的結(jié)果一致且有效，對高鐵四電建設(shè)工程信息共享具有一定的指導(dǎo)意義。現(xiàn)在在參數(shù)組3的基礎(chǔ)上，假設(shè)初始策略為(0.5，0.5，0.5)，分析建設(shè)方促進(jìn)信息共享獲得的額外收益(SA1-SA2)、促進(jìn)信息共享的成本(CA)、獎罰力度(JB，PB，JC，PC)、信息共享率(GB，GC)、積極信息共享的成本(CB2，CC2)、信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值(RB-DB，RC-DC)的變化對整個博弈過程和結(jié)果的影響。

為了分析建設(shè)方促進(jìn)信息共享獲得的額外收益的變化對整個博弈過程和結(jié)果的影響，在符合情形3的條件下，其他參數(shù)保持不變，在合理的范圍內(nèi)將SA1-SA2分別賦值為100，150，200，演化結(jié)果如圖4所示。為了分析促進(jìn)信息共享成本的變化對整個博弈過程和結(jié)果的影響，在符合情形3的條件下，其他參數(shù)保持不變，在合理的范圍內(nèi)將CA分別賦值為10，60，110，演化結(jié)果如圖5所示。

由圖4看出，隨著SA1-SA2的增加，即建設(shè)方促進(jìn)信息共享額外收益的增加，建設(shè)方促進(jìn)信息共享的意愿提高，進(jìn)而加強對設(shè)計方和施工方信息共享的服務(wù)和監(jiān)督。由圖5看出，隨著CA的增加，即建設(shè)方促進(jìn)信息共享的成本的增加，建設(shè)方促進(jìn)信息共享的意愿降低。因此，建設(shè)方可以利用BIM，區(qū)塊鏈等信息技術(shù)促進(jìn)高鐵建設(shè)過程中的信息共享，雖然在初期的花費更多，但從長期考慮，成本會降低，整體收益會有所提高。

圖4 SA1-SA2對博弈的影響Fig. 4 Effect of SA1-SA2 on game

圖5 CA對博弈的影響Fig. 5 Effect of CA on game

將JB分別賦值為15，10，5，結(jié)果如圖6所示。將GB分別賦值為0.5，0.7，0.9，結(jié)果如圖7所示。

由圖6看出，隨著JB的減少，即對設(shè)計方積極信息共享的獎勵的減少，建設(shè)方促進(jìn)信息共享的意愿提高，但設(shè)計方積極信息共享的概率降低，也就是說，獎罰力度的降低，使建設(shè)方更傾向于選擇促進(jìn)，設(shè)計方和施工方傾向于選擇消極信息共享。由圖7看出，隨著GB的增加，即設(shè)計方信息共享率的提高，設(shè)計方積極信息共享的概率下降，但是施工方積極信息共享的概率上升。因此，制定合理的獎罰制度和選擇適當(dāng)?shù)男畔⒇暙I(xiàn)率，可以最大限度地促進(jìn)整體信息共享。

圖6 JB對博弈的影響Fig. 6 Effect of JB on game

圖7 GB對博弈的影響Fig. 7 Effect of GB on game

將CB2分別賦值45，60，75，如圖8所示。將RB-DB分別賦值為40，80，120，如圖9所示。

圖8 CB2對博弈的影響Fig. 8 Effect of CB2 on game

由圖8看出，隨著CB2(設(shè)計方積極信息共享的成本)的增加，使得設(shè)計方積極信息共享的概率下降。由圖9看出，隨著RB-DB的增加，即設(shè)計方信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值的提高，設(shè)計方積極信息共享的概率上升。積極信息共享的成本和信息協(xié)同收益與信息不對稱收益的差值的提高，會使設(shè)計方和施工方積極信息共享的意愿提高。因此，設(shè)計方和施工方可以利用信息技術(shù)或及時對資料等進(jìn)行歸檔保存來降低信息共享的成本，提高自己的能力減少返工的情況來提高收益，以此提高整體效益。

圖9 RB-DB對博弈的影響Fig. 9 Effect of RB-DB on game

3 結(jié)論

1) 基于有限理性的三方演化博弈理論，構(gòu)建高鐵四電建設(shè)項目建設(shè)方、設(shè)計方和施工方三方信息共享演化博弈模型，分析單個主體及整體的信息共享策略選擇的演化過程，研究不同因素對選擇策略的影響。研究表明：不同情形下，三方博弈存在的演化穩(wěn)定策略不同；促進(jìn)信息共享額外收益的增加，獎罰力度和促進(jìn)信息共享成本的降低，都會提高建設(shè)方促進(jìn)信息共享的意愿；獎罰力度和信息協(xié)同收益與信息不對稱收益差值的增加，積極信息共享成本的降低，會提高設(shè)計方和施工方積極信息共享的意愿；信息貢獻(xiàn)率的變化，會降低一方積極信息共享的意愿，提高另一方的意愿。

2) 為了促進(jìn)各參建方能夠積極加入到信息共享中，給出如下建議：利用BIM和區(qū)塊鏈等信息技術(shù)幫助進(jìn)行信息共享，以此提高信息共享的效率和質(zhì)量，降低信息共享的成本；制定合理的獎罰制度，促進(jìn)各方積極進(jìn)行信息共享；加強設(shè)計和施工的質(zhì)量，提高整體的收益。

3) 本文只考慮了高鐵四電建設(shè)項目三方之間的信息共享，并沒有考慮運維階段。因此，在未來的研究中，基于演化博弈理論，考慮信息共享的先后順序，建立模型研究高鐵四電項目的建設(shè)方、設(shè)計方、施工方和運維方四方信息共享博弈行為，探索不同因素對博弈策略的影響。