智能家居创意空间系统知识协同行为的博弈分析

芮海燕, 高长春, 章 瑞, 汤兵勇

(1.东华大学 旭日工商管理学院,上海 200051; 2.华东建筑设计研究院,上海 200041; 3.上海工程技术大学 管理学院,上海 201620)

0 引言

智能家居的概念于20世纪70年代在美国诞生[1]，通过利用信息技术和智能化设备，使家庭范围内的所有设备，包括家用电器、通信设备、安保装置等都集中连接到统一的家庭智能化控制系统上，以实现本地或异地实时监控与管理，从而提升家居安全性、便利性、舒适性、协调性[2]。随后欧美和东南亚一些比较发达的国家和地区先后推出众多智能家居方案。1984年，美国康涅狄格州诞生世界上第一栋智能建筑[3]。

在“互联网+”时代，创意产业对经济发展方式、价值创造方式以及城市发展方式、社会生活方式都将带来革命性的改变。智能家居作为智慧城市中创意空间以及创意产业集群的理念和技术在家庭层面的应用和体现，以家庭为载体，以家庭成员之间的亲情为纽带，通过综合利用物联网、云计算、人工智能和大数据技术，结合大系统协调控制和知识协同理论方法，不仅带来了深远的产业变革，同时推动了新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点的逐渐形成。

作为中国家居产业新的增长点，智能家居凭借时尚、环保、高效、实惠、多元化等众多特点，引领着整体行业的升级与革命。智能家居产业的创新发展离不开对新技术的融入，打破传统理念，加强知识协同创新，才能实现真正意义上的家居智能化。

为此，基于大数据的创意空间智能家居产业发展的热点话题，本文以智能家居系统的实际商业运营问题为背景，讨论这类创意产业集群的知识协同问题，运用社会网络理论及博弈理论，研究智能家居创意空间系统的知识协同网络的形式化描述与构成以及知识协同关系模型等，探讨智能家居创意空间知识协同行为的协同竞争博弈分析及演化博弈分析等热门问题。

1 智能家居创意空间的知识协同网络

智能家居产业的协同创新发展过程中，知识及创意资源发挥着尤为重要的作用，知识资源的提供者、分享者也扮演着推动行业发展的重要角色。知识协同是一种知识溢出、协同共享与创新的知识活动，近年来国内外学者对产业链上、各行各业企业之间知识协同活动过程与机理、知识溢出和创造的绩效、创新路径等方面都极为重视，并做了大量研究[4～7]，而关于知识协同活动或行为的动态演化博弈及其影响因素、发展趋势也越来越受到学者们关注[8,9]。

1.1 知识协同网络的形式化描述

智能家居创意空间系统依托网络通信技术、感知和识别技术、自动化控制技术等支持，不仅使家庭内部、外部各主体之间或“并行”或“串行”地协同工作，同时还实现信息和知识“双向”或“多向”的传递以及知识创新。这种家庭内部、外部各主体之间的互动过程可以看成是一个知识协同网络。由此可见，该网络是由多个知识协同主体和它们之间的相互关系构成，进而可用形式化的语言表述为：

N={E,R}

(1)

E={e1,e2,…,en}

(2)

R=⎣Reiej」n×n

(3)

其中，E表示智能家居创意空间系统中参与知识创意活动的企业个体，即知识协同主体的集合；R表示基于智能家居创意空间系统创作与设计过程中协同主体间建立的各种合作关系，包括知识的共享、交互、转移与创造等活动。

本文借助社会网络分析法描述产业集群内各企业间的交互与协作，若彼此间愿意建立协作关系，则表示存在知识协同关系，即两个企业节点间用实线连接，若不存在协同关系，则节点间无实线连接。此外，合作企业之间的知识协同关系具有一定的指向性和方向性，表示知识输出和提供知识能力的方向如图1[4]。

图1 协同主体间知识协同关系示意图

1.2 知识协同网络的构成

智能家居系统也称为智能家庭局域网，其利用各种网络通信平台，采用集中式或分散式的控制方法将家中各类电器和门窗等实现智能控制。运用大系统控制论[10]进行分析，依托智能家居创意空间组建的知识协同网络可被视作一个大系统，由其各子系统之间的相互关系及影响智能家居发展的外部环境构成。参与协同运作的各协同主体(即各子系统)基于任务和资源导向，逐渐耦合成执行不同合作任务、关联程度不同的知识协同子群。借助知识协同子群、协同任务/关联和协同资源三个概念要素可描述出该知识协同网络构成。如图2所示。

图2 智能家居创意空间知识协同网络的构成

可表示为：

S={G,T,R}

(4)

其中，G={G1,G2,…,Gn}为知识协同子群的集合，通常一个智能家居创意空间的知识协同网络体系会聚集一个或多个协同子群，T={TG1,TG2,…,TGn}是知识协同子群执行协同任务的集合；R是知识协同网络体系中共享的资源集合。

执行每个协同任务，拥有某种知识关联的知识协同子群可进一步表示为:

Gi={M,L,TGi,Ri}

(5)

其中，M={M1,M2,…,Mk}表示智能家居创意空间中创意行为主体的集合，智能家居创意空间中参与任一协同运作的创意主体均是动态变化的，可动态地加入和退出创意合作。L为协同创意单元中的核心引导者和协调者，与协同单元中所有协同主体都有直接通信路径相连，担负着引导协同运作，及时调整协作策略、保证协作任务完成的责任。TGi={TM1,TM2,…,TMk}为协同单元中协同主体执行的协同任务集合。Ri∈R表示总创意资源中授权合作企业自由访问和应用的创意资源集合。

一般情况下，智能家居创意空间系统的知识协同总体目标分解成各个子目标，子目标映射到子任务，将子任务指派到各个知识协同子群，由子群通过执行各个子任务以达到相应的子目标从而实现知识协同总目标。智能家居创意空间环境下各协同主体之间基于创意思想和创新资源所建立的协同关系必须能够创造出新的市场价值，利于在增强各协同主体的竞争优势的同时，为整个智能家居创意空间的生存及其持续发展带来新的动力，创造新的贡献。智能家居创意空间的知识协同网络体系正是依托该创意产业集群多通道、多层次的知识交互环境，通过协同主体间的直接交互及子群集结、关联运作过程，为知识协同运作创造了条件。

2 智能家居创意空间知识协同行为的协同竞争博弈分析

2.1 知识协同行为的一般性博弈模型

在智能家居创意空间系统中，系统的稳定运行和家居设备的管理依赖于有效的知识协同。一方面，系统的知识协同可以为其提供智能控制方案，以实现家电控制、照明控制、环境监测、防盗报警等多种功能，为住户提供更为便捷、高效、智能的服务，让住户安心入住；另一方面，系统的知识协同可以实现动态方案调整，如加强紧急救护、加入居家养老等模块，以满足个性化需求。于此可见，智能家居创意空间系统的知识协同运作始终处于动态稳定的发展变化之中，是一个多维度、多层次、多目标的不断处于演化递进的复杂过程。依托于智能家居创意空间系统进行的复杂性知识协同行为可以被看作是一个无限次重复博弈。

智能家居创意空间系统中存在以下几个知识协同层次：组织个体，知识协同子群(包括协同团队、协同项目小组)和产业集群。其中，组织个体是知识协同的最基本单元，而组织个体之间的协同行为也是智能家居创意空间知识协同运作的最基本模式，直接决定和影响着其所在知识协同子群甚至是整个创意产业集群的知识协同运作成效。

本文中仅考虑两个协同主体之间协同行为的无限次重复博弈问题，构建协同竞争博弈模型。这两个协同主体在智能家居创意空间知识协同运作中互为协同伙伴，分别承担知识资源提供者和知识资源接受者两个角色(下文均称为协同主体1、协同主体2)。

根据文献[11,12]，做如下假设：

(1)参与知识协同时，各主体需要支付一定的成本。针对协同主体1而言，可能由于其提供协同性知识而产生机会成本；针对协同主体2而言，知识协同会引发其学习和掌握新知识过程中所产生的学习成本。因此，为了便于讨论，本文假设两个主体每一次知识协同的总成本为C(k)，其中协同主体1和协同主体2所占的比例分别为a、b，且a+b=1。

(2)参与知识协同时，各主体将获得分配收益和附加收益两种协同收益。

①分配收益

根据各协同主体投入到知识协同中的份额而获得的相应收入被称为分配收益。各协同主体在知识协同的同时将为智能家居创意空间系统提供知识并创造新知识，这类知识资源通过加工利用又为各协同主体带来协同收益。根据激励机制，每个主体将分得一定的分配收益。

设智能家居创意空间系统实施知识协同所获得的总收益为U，可以表示为一个函数g，则

U=g(C(k),γ,ω)

(6)

其中，γ是智能家居创意空间系统整体的知识增长率。γ·C(k)表示通过知识协同实践，基于知识协同投入所获得的知识增量;ω是知识增量转化成整体收益的效率。为简化讨论的问题，且不失一般性，则总收益可表示为:

U=γ·ω·C(k)

(7)

因此，根据上述分析，可以得到：①当两个协同主体均不参与知识协同时，因双方知识协同成本投入均为0，根据式(7)可知知识协同收益也为0；②若协同主体1参与知识协同，协同主体2不参与知识协同，则协同主体2将无偿获得协同主体1的投入，即协同主体1损失aC(k)，这也将导致两个主体之间未来将进行知识协同的可能性几乎为零。反之亦然。

②附加收益

当协同主体将知识协同中获得的新知识应用于自身业务时，将获得额外的收益，即附加收益。

与分配收益的分析方法相同。假设协同主体1和协同主体2分别获得γ1C(k)和γ2C(k)的知识增量，其中γ1、γ2分别表示两个知识协同主体的知识增长率；协同主体1和协同主体2由这些知识增量所产生的额外收益分别为γ1C(k)P1和γ2C(k)P2，其中P1、P2分别为两个协同主体的附加利益率。

(3)γ、γ1、γ2三者正相关，反映了协同主体1和协同主体2在知识协调中知识强度与知识关联度的增长。

其中，知识强度表示知识协同主体提供的参与协同的知识资源数量，越大表示参与协同的知识资源数量越大。知识的关联度表示在当前知识协同途径下知识协同主体1和2之间参与协同的知识的关联程度。

(4)设两个协同主体的知识协同运作与激励强度有关。激励强度表示该产业集群对所有知识协同主体的激励程度。激励具有累积性，与合作的次数的多少、合作默契的程度有关。

下面分析两个知识协同主体的行为与收益，分为四种情况：

第一种情况，当协同主体1、协同主体2均合作时，协同主体1获得的收益为按投入份额a获得的分配收益和利用知识协同运作获得的附加收益之和：

G11=a「γ×ω×(1+δ)n-1-1⎤×

C(k)+γ1×C(k)×P1

(8)

同理，协同主体2获得的收益为按投入份额b获得的分配收益和利用知识协同运作获得的附加收益之和，可表示为:

G21=b⎣γ×ω×(1+δ)n-1-1」×

C(k)+γ2×C(k)×P2

(9)

第二种情况，当协同主体1合作、协同主体2不合作时，协同主体1的收益为:

G12=0

(10)

协同主体2获得的收益是协同主体1投入的损失，即:

G22=aC(k)

(11)

第三种情况，当协同主体1不合作、协同主体2合作时，协同主体1获得的收益是协同主体2投入的损失，即:

G13=bC(k)

(12)

协同主体2获得的收益为：

G23=0

(13)

第四种情况，当协同主体1、协同主体2均不合作时，两者获得的收益均为0，即:

G14=G24=0

(14)

知识协同主体1和知识协同主体2在第n次知识协同时的收益矩阵如表1所示。

表1 知识协同的收益矩阵

2.2 基于博弈模型的知识协同条件分析

由表1可以看出，协同主体1的策略选择关键在于选择合作时收益与选择背叛时收益之差ΔG1的大小。

显然，协同主体1选择合作的条件是ΔG1≥0，即:

a⎣γ×ω×(1+δ)n-1-1」×

C(k)+γ2×C(k)×P1≥bC(k)

(15)

可得出：

(16)

同理，协同主体2选择合作的条件为ΔG2≥0，即：

b|γ×ω×(1+δ)n-1-1|×

C(k)+γ2×C(k)×P2≥aC(k)

(17)

可得出：

(18)

下面根据公式(16)，以协同主体1为例对协同条件进行详细分析：

(1)如果δ、n、P1给定，当γ、ω较大时，a的取值可以相对较小，反之当γ、ω较小时，a的取值可以相对较大。由公式(7)可知，γ、ω直接影响整个智能家居创意空间系统实施知识协同所获得的总收益。因此，当γ、ω较大时，γ1也较大，智能家居创意空间系统实施知识协同所获得的总收益较大，那么即使协同主体1每一次知识协同的投入成本比例较小，仍能从中获得较多的分配收益和附加收益，故协同主体1仍愿意进行知识协同。而当γ、ω较小时，γ1也较小，总收益也受到影响，只有协同主体1投入成本比例较大，获得的分配收益才会较大，这时协同主体1才愿意进行知识协同。

(2)如果γ、ω、n、δ给定，当P1较大时，a的取值可以相对较小，反之当P1较小时，a的取值可以相对较大。也就是说，即使协同主体1每一次知识协同的投入成本比例较小，只要获得的附加利益较多，其仍愿意进行知识协同。而如果获得的附加利益较少，只有投入成本比例较大，获得的分配收益才会较大，这时协同主体1才愿意进行知识协同。

(3)如果γ、ω、n、P1给定，当δ较大时，a的取值可以相对较小，反之当δ较小时，a的取值可以相对较大。这表明，正的激励越大，知识协同效果就会越好，协同主体1的收益越大，即使其每一次知识协同的投入成本比例较小，仍会愿意进行知识协同。但如果正的激励强度较小，只有投入成本比例较大，协同主体1才愿意进行知识协同。

(4)如果γ、ω、δ、P1给定，当n较大时，a的取值可以相对较小，反之当n较小时，a的取值可以相对较大。n表示合作次数，次数越多表明协同主体间合作关系越紧密，彼此之间具有一定的信任关系，即便投入成本比例较小，仍愿意进行知识协同。而合作次数越少，协同主体间信任关系尚未建立，只有投入成本比例较大，协同主体1才愿意进行知识协同。

联立公式(16)和(18)，可以得到协同主体1和协同主体2同时愿意合作的条件:

(19)

显然，要实现协同主体双方进行长期稳定的知识协同，在满足公式(19)的同时，一般需要满足双方受益对等。即：

a|γ×ω×(1+δ)n-1-1|×C(k)+γ1×C(k)×P1

-b「γ×ω×(1+δ)n-1-1⎤×C(k)+γ2×C(k)×P2

(20)

且a+b=1。

(21)

此时，则需要γ、P1、P2尽可能较大，从而减小公式(19)中对a、b的限制约束，进而得到公式(21)的最优解。

3 智能家居创意空间知识协同行为的演化博弈分析

考虑到智能家居创意空间系统中的知识协同行为是一类群体行为，准确预测这类群体行为的变化轨迹，并做出相应引导，是研究智能家居创意空间系统的知识协同行为的关键。因此，本文利用演化博弈理论，对智能家居创意空间系统中的知识协同行为博弈的演化问题进行分析，探讨其演化稳定策略(Evolutionarily Stable Strategy，ESS)[13,14]。

在智能家居创意空间系统的知识协同行为的重复动态博弈中，假定有若干个协同主体进行知识协同的策略博弈，策略集合均为{知识协同，知识不协同}。在不确定性和有限理性前提下，每个协同主体所采用的协同策略之间相互影响，他们均会根据其他协同主体的策略选择，随时调整和选择各自的策略。

由于该系统中不同知识协同主体在协同资源、协同能力等方面实力各不相同，因此分别讨论对称合作博弈与非对称合作博弈两种情况。

3.1 对称合作博弈的ESS分析

假设采取“协同”策略的协同主体比例为p，采取“不协同”策略的协同主体比例为1-p。当协同主体采取“不协同”策略时，将获得基础收益W；当协同主体采取“协同”策略时，除了基础收益W外，还将获得协同收益A；当双方采用的策略不相同时，采取“协同”策略的协同主体将要支付协同成本C。由此可以得到对称合作博弈的收益矩阵，如表2所示。

表2 对称合作博弈的收益矩阵

协同主体选择“协同”策略时期望收益为：

EC=(W+A)×p+(W-C)×(1-p)

(22)

协同主体选择“不协同”策略时期望收益为：

EN=W×p+W×(1-p)=W

(23)

协同主体的平均期望收益为：

(24)

采取“协同”策略的协同主体的复制动态方程为:

=p(1-p)[Ap-C(1-p)]

(25)

演化博弈策略需要一个稳定状态具有抗扰动的功能，因此应满足F′(p)<0，即:

p[Ap+Cp-C]+p(1-p)(A+C)<0

(26)

3.2 非对称合作博弈的ESS分析

在知识协同行为的非对称合作博弈的分析中，“知识提供者”和“知识接受者”双方可能在协同资源储备或协同能力方面存在一定程度的差异，即知识位势差。

假设知识提供者群体中采取“协同”策略与“不协同”策略的协同主体比例分别为p和1-p；知识接受群体中的比例分别为q和1-q。当博弈双方采取“不协同”策略时，将分别获得基础收益W1和W2；当博弈双方采取“协同”策略时，除了获得基础收益外，还将分别获得协同收益A1和A2；当双方采用的策略不相同时，采取“协同”策略的协同主体将要支付协同成本Ci(i=1,2)。由此可以得到非对称合作博弈的收益矩阵，如表3所示。

表3 知识协同的进化博弈模型

演化系统均衡点的稳定性可通过雅克比矩阵稳定性判定方法得到。雅可比矩阵为:

(28)

由此，可以画出知识协同中知识提供者和知识接受者之间的动态博弈过程，如图3所示。由图可见，当初始状态落在ADBC部分时，知识协同群体最终将趋向于均采取知识协同的状态；当初始状态落在ADBO部分，知识协同群体最终将趋向于均采取知识不协同的状态。

图3 知识协同行为的动态演化图

基于知识协同行为的演化博弈模型可知：智能家居创意空间系统中多个协同主体之间知识协同行为演化轨迹及最终状态受到了博弈双方初始状态的影响，与收益矩阵相关。这个结果验证了上节静态博弈中的结果，即在知识协同过程中，同时存在合作和非合作两个不同的纳什均衡，而合作均衡帕累托优于非合作均衡解，这构成了演化博弈的初始状态。可见，知识协同所产生的协同收益A与协同成本C是影响知识协同演化的重要参数。

根据图3可知，当知识协同所产生的协同收益A越大时，ADBC部分面积将越大，知识协同群体最终将趋向于均采取知识协同的概率也将越大。因此，在知识协同实际运作中，为了推进知识协同主体之间建立长期稳定的协同关系，重点关注影响协同收益的各类因素，如资源互补性、协同意愿及合作能力等。如果协同主体之间协作的因素不确定或不对称，则演化博弈均衡会逐渐收敛到非合状态，而非处于ADBO中任何其他的区域，即博弈人通过进化学习的机制在遭遇机会主义行为后，会趋向于保守的纳什均衡。可见，在知识合作过程中保持对等和开放的态度对达成合作演化均衡有着至关重要的作用。

当协同成本C越小时，ADBC部分面积将越大，知识协同群体最终将趋向于均采取知识协同的概率也将越大。一般协同成本包含了决策成本、人力资本和物力资本，其中决策成本常产生于对协同主体进行选择、评估的过程中。协同成本越低，表示双方合作意愿越强烈，省去了大量进行评估、决策的时间与精力，且双方的协同资源及协同能力越来越能有效实现互补、融合。

4 结论

本文以智能家居系统的实际商业运营问题为背景，讨论这类创意产业集群的知识协同问题，运用社会网络理论，研究了智能家居创意空间系统的知识协同网络的形式化描述与构成及知识协同关系模型等，使得各协同主体之间基于知识资源所建立的协同关系能够创造出新的市场价值，利于在增强各协同主体的竞争优势的同时，为整个智能家居创意空间系统的生存及持续发展带来新的动力，创造新的贡献。

为明确智能家居创意空间系统知识协同行为实质，本文考虑其知识协同过程所具有的演化递进的复杂特征，建立了该创意产业集群知识协同行为的一般博弈模型，并基于构建的博弈模型，探讨实施知识协同行为的几项条件，给出了激励知识协同行为的若干策略。同时利用演化博弈理论，引入知识位势差，分别建立了对称与非对称合作博弈模型，对该产业集群中知识协同行为的演化过程作进一步分析。结果发现，知识协同行为的演化方向与参与协同博弈的各协同主体的收益矩阵相关，在非对称合作博弈中，协同带来的协同纯收益和协同主体为支持协同运作所支付的初始成本是影响知识协同行为演化的重要参数。