装配式钢结构建筑智慧工厂降碳激励机制

林相龙，王颖林，李煜龙

（福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350001，E-mail：510057661@qq.com）

装配式建筑作为建筑行业向低碳转型的核心手段，引领建筑业现代化发展和行业的变革。传统建筑与装配式建筑相比，生产效率、技术水平、集成化程度都比较低，基本是劳动密集型粗放式的发展[1]，因此大力发展装配式建筑是建筑业绿色、低碳与可持续发展的必然要求。装配式建筑通过结合BIM，GPS及VR 技术构建智慧建造体系，帮助建造商做出建造规划，提高工作效率，降低工程造价[2]。作为信息技术的载体，智慧工厂与装配式钢结构建筑生产建造的有机结合有益于提升行业的降碳效能[3]。

智慧工厂是现代工业结合信息化的新发展趋势，许多国际化公司已经在公司内推广智慧工厂的建设。Giacomo 等[4]建立了不同的线性和非线性回归模型，阐述了智慧工厂在信息化技术的赋能下大大推进了碳中和的进度。但是目前在国内智慧工厂的推广仍存在转型风险、安全可控风险、技术受限等问题，这就需要政府在项目管理的过程中应该充分引导并且设置激励机制来保证项目的发展[5]，替企业打造完善的交流发展平台，并且大力鼓励企业在技术层面的突破，引入关键减碳技术实现有效降排；企业应统筹全局，充分结合内部因素和外部因素所带来影响并以此制定企业的发展决策。政府在激励的过程中与企业存在博弈关系，Kevin 等[6]提出政府应当出台正确合理的政策激励广大人民投身参加公共产品的提供。Olubunmi 等[7]还划分了各种激励政策，并认为应当实施以政府主导的外部激励政策为主体，多种内部激励政策共同发展的战略。刘娟等[8]论述了政府在商品化住宅的财税激励政策，从各个层次研究了政府激励政策的最佳方案。齐宝库等[9]着重于研究政府及企业之间的博弈，论述了政府激励与企业努力的博弈机理。王颖林等[10]构建了政府部门与合作方二者之间的“激励—努力”博弈模型数学模型，说明了激励与惩罚体系的建立能够在项目发展中起到引导作用，为政府制定合理的激励政策提供建议。毕然[11]提出监督体系也应当参与博弈平衡中。王晓彦等[12]研究了由于利益主体不同所带来的期望收益与预期风险。可以看出，以上研究对住宅商品化、装配式建筑激励政策设置的讨论较多，亦考虑了企业与政府作为主体的博弈演化，但在降低碳排放进程中智慧工厂的推广分析尚有待深入。

为完善政府和装配式钢结构智慧工厂企业博弈激励机制，本文通过建立政府与企业间的“激励—努力”博弈模型分析激励力度及传导机理，使用演化博弈论来分析相关利益主体的互动关系，并利用仿真工具对理论模型进行验证。同时为政府制定碳排补贴节能奖励系数与企业降低成本提供建议。

1 政府与企业间的“激励—努力”博弈模型理论分析

“激励—努力”博弈模型建立的目的在于激发装配式钢结构智慧工厂建立过程的积极性，加速装配式钢结构智慧工厂的推广，实现工业现代化的目标。从工厂建设过程的角度，政府部门与装配式钢结构智慧工厂之间存在着利益的博弈关系。若政府的激励机制设计适度，那么政策激励则可以达到投入最小化且社会效益最大化的效果。从装配式钢结构智慧工厂的角度，企业会依据自身利益的最大化原则来做出决策，合理的激励策略将促使其积极主动运营智慧工厂。

1.1 模型假设

博弈的双方假定为政府部门及装配式钢结构智慧工厂，双方的策略是动态博弈的过程，双方在博弈中通过不断模仿、学习和调整实现均衡。基于博弈论及公平偏好理论，做出以下假设：

假设1：博弈中政府部门和装配式钢结构智慧工厂两个有限理性参与人，都寻求自身利益最大化。政府和装配式钢结构智慧工厂任何一方的策略调整，都会引起另一方对策略选择的变动。

假设2：政府策略空间包括对装配式钢结构智慧工厂的降碳行为进行“激励”或“不激励”。装配式钢结构智慧工厂的策略空间包括“低努力”和“高努力”，单纯追求经济效益的行为称为低努力行为，引入关键减碳技术实现有效降排的称为高努力行为。装配式钢结构智慧工厂选择“高努力”和“低努力”的比例分别为b和(1-b)。

1.2 博弈矩阵及参数解释

政府部门与装配式钢结构智慧工厂的博弈支付矩阵如表1 所示。

表1 政府部门与装配式钢结构智慧工厂的博弈支付矩阵

相关参数解释如下：R1、C1、S1：装配式钢结构智慧工厂基于“高努力”的收益、成本、碳排费用。R2、C2、S2：装配式钢结构智慧工厂基于“低努力”的收益、成本、碳排费用。S3：装配式钢结构传统工厂制造商生产的碳排费用。θ：政府提供的碳排补贴节能奖励系数。

1.3 模型求解

（1）政府方。政府在实行“激励”时的期望效益为E11，政府实行“不激励”时的期望效益E12政府的平均期望效益为E1、政府的复制动态方程为F(a)。

（2）企业方。装配式钢结构建筑智慧工厂选择“高努力”获得的期望获益为E21、选择“低努力”获得的期望获益为E22、平均期望获益为E2、对应的复制动态方程为F(b)。

1.4 均衡点和稳定状态

从已知的式（3）中可以得到政府的复制动态方程F(a)。令F(a)=0，F′(a)<0，由此可以得到a*=0，

（1）若(1-θ)(S3-S2)>0，即当a=1 时a=1 为稳定点。

同理，从式（6）F(b)可以得出F(b)=0，F′(b)=0，如此可得

（1）若 (R1-C1-S1) - (R2-C2-S2) ＜ 0，即b=0 时为稳定点。

对装配式钢结构智慧工厂而言，若(R1-C1-S1)-(R2-C2-S2)<0，即进行高努力的收益不及低努力的收益，那么即使政府愿意做出补贴行为，装配式钢结构智慧工厂仍旧因为无法产生利润而选择传统的生产方式。

当进行高努力的收益远超低努力的收益时，即便前期需要投入大量资金，装配式钢结构智慧工厂为了长期的收益仍旧会选择高努力行为，此时政府的激励与否对装配式钢结构智慧工厂的选择并无太大影响，故此最终装配式钢结构智慧工厂将进行高努力行为而政府不进行激励。

2 仿真验证

2.1 规定初始状态并进行博弈演化

为研究政府和企业双方在决策时各参数变化对博弈演化路径的影响，更加直观表现双方博弈动态演化过程，运用Matlab 软件对影响双方决策行为动态路径的相关参数进行数值验证和分析。基于对设计模型的结果和稳定性仿真分析，参考《中国环境年鉴2021》和《环境保护税法》，假设初始值为：R1=100，R2=100，C1=30，C2=17，S2=10，S1=20，S3=53，θ=0.55，结果如图1 所示。随着演化迭代的进行，双方博弈的趋势趋于（1，1）（政府激励，企业高努力）和（0，0）（政府不激励，企业低努力）。

图1 政府部门与装配式钢结构建筑智慧工厂博弈相位图

2.2 敏感性分析

由上述模拟和分析可知，政府和企业的博弈演化是有可能达到最优策略（政府激励，企业高努力），同时也有可能演化至（政府不激励，企业低努力）。那么增加最优策略组合的概率就成为了需要解决的问题。

（1）对博弈双方在不同的初始意愿状况下进行仿真模拟，来分析不同初始意愿情况下对博弈演化的影响。假定双方初始意愿为（0.4，0.4）和（0.5，0.5），其他参数与初始值相同，仿真结果如图2 所示。可以发现当政府选择“激励”策略的初始概率为0.4，企业选择“高努力”初始概率为0.4 时，系统最后的博弈演化趋近与（政府不激励，企业低努力）；但是当双方的初始意愿提升至0.5 时，最终系统的演化策略为（政府激励，企业高努力）。由上述分析可以得出，双方的初始意愿会影响系统博弈演化的最终策略。因此，应当采取相关措施来提高政府的初始激励意愿和企业的初始努力意愿，来确保最终实现高效的碳减排行为。

图2 不同初始意愿的演化结果

（2）为了进一步探究企业高努力情况下碳排放费用S1对双方博弈演化最终策略的影响，保持其他参数不变，规定企业和政府初始意愿为（0.5，0.5），取S1分别为9、9.5、10.5、11。得到系统演化博弈结果如图3 所示。当S1=11 时，政府和企业最终的演化策略为（政府不激励，企业低努力），但是当S1下降至10.5 时政府和企业最终的演化策略为（政府激励，企业高努力），而且政府到达稳定策略所需要的时间比企业更快。因此可以得出当企业做出高努力的行为时能带来有效的降碳效益，此时政府会更加积极地做出激励行为来鼓励企业进行高努力的降碳行为，以获得更多的社会效益。随着S1的不断下降，双方达到稳定的时间就越短。

图3 S1 对演化结果的影响

（3）对政府提供的奖励系数θ与双方演化的最终策略做出探究。保持其他参数不变，双方在初始意愿为（0.5，0.5）的情况下开始进行数值仿真模拟。设θ分别为0.3、0.4、0.6、0.7。仿真结果如图4 所示。当补贴系数为0.3 时，政府很快达到稳定策略，但是对于企业来说所能获得的补贴过少无法弥补所投入的成本，因此政府的激励无法有效地调动企业高努力的意愿。当补贴系数提高到0.4 时，双方的最终演化策略为（政府激励，企业高努力）的最优策略。补贴系数提高到0.6 时，企业达到稳定的速度比补贴系数为0.4 时大有提升。因此可以推断θ在0.4 到0.6 这个区间内时补贴系数越高，对企业的激励越大。但是当θ= 0.70 时，双方的最终演化策略为（政府不激励，企业低努力），此时的补贴成本过高导致政府的激励意向降低，最终也影响企业的努力意向，使得最终变成（政府不激励，企业低努力）这种不利的状态。因此政府在做出补贴的同时，应该把握对企业的支持力度。

图4 θ 对演化结果的影响

2.3 激励机制设置建议

（1）政府可作为引导者以适当的补贴支持来激励装配式钢结构建筑智慧工厂进行高努力降碳行为，政府设定的碳排补贴节能奖励系数位于区间为佳。其中，直接补贴（基于企业的实际碳排放减少量提供现金补贴）、税收减免（为符合条件的企业提供税收优惠或减免）、低息贷款（为需要进行技术改造以降低碳排放的企业提供低息贷款）都是可借鉴的补贴路径。另外，从制定技术标准体系出发，有必要推进构建并完善装配式智慧工厂降碳技术标准体系，基于行业的碳排放基线，随着技术进步和成本降低，定期审查并调整补贴系数。

（2）政府对企业的激励目标应采取动态控制的方法，在企业转型初期承担的成本压力大，即当(R1-C1-S1)-(R2-C2-S2)<0 时，政府可以适当提高补贴系数帮助企业度过低碳转型初期；当企业低碳转型步入正轨后，即当时，政府则可适当回调补贴系数。如在初创阶段，政府可为提供关于智慧转型的培训课程和专家指导、建立信息交流平台，促进企业之间的经验分享和合作；在探索阶段，则可鼓励企业与高校、研究机构进行合作，共同开展智慧转型项目，鼓励技术创新；在智慧建造实施阶段，可鼓励优秀的企业将其成功经验进行推广，并根据企业的智慧转型绩效，为其提供奖励或补贴；在项目成熟阶段，则应定期与成熟阶段的企业进行政策对话，了解其需要和建议，调整相关政策。

总的来说，政府的激励政策应该根据企业的智慧转型阶段进行差异化设计，确保每个阶段的企业都能得到适当的支持和鼓励。

3 结语

装配式钢结构建筑是绿色建筑的重要组成部分，由于其预制化、模块化的生产特性，有着巨大的潜力实现高效、低碳生产，通过智慧工厂的降碳激励，可以推动整个建筑行业走向低碳、环保的发展路径。本文着眼于装配式钢结构建筑智慧工厂带来的成本增量与降碳效能的博弈关联，构建了政府与企业之间的“激励—努力”博弈矩阵，旨在探索有效政策激励与绿色生产之间的动态均衡关系。研究结果表明政府企业双方存在最优策略组合的可能性，即政府和装配式钢结构智慧工厂分别选择“激励”和“高努力”策略，此概率将受双方初始意愿及成本、收益等相关参数的影响。有效的政策制定应异质参照激励目标的异质特性动态调整，从而推动企业更积极地引入和研发新技术、新工艺，促进行业成功实现智慧化绿色生产转型。