基于演化博弈的我國船舶排放控制區（ECA）規制策略研究

姜 寶，薛海亮，李 劍 （中國海洋大學 經濟學院，山東 青島 266100）

JIANG Bao,XUE Hailiang,LI Jian (College of Economics,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

0 引言

航運業由于使用了大量富含氮氧化物（NOx）、柴油顆粒物（PM）和硫氧化物（SOx）的石化能源，嚴重地污染了我國近海海域和沿海城市的大氣環境。2014年自然資源保護協會（NRDC）發布《船舶和港口空氣污染防治白皮書》指出，船舶燃油的含硫量是車用柴油的100至3 500倍，而一艘中型到大型的集裝箱船使用含硫量為3.5%的燃油，并以最大功率的70%負荷行駛時，其一天PM2.5排放總量相當于我國50萬輛新貨車一天的排放量，約70%的遠洋船廢氣排放于距離海岸線400公里內的海域，而且船舶廢氣可飄散至較遠的內陸地區。據上海市環境監測中心的研究結果顯示，船舶排放已經成為上海大氣污染主要來源之一，SO2、NOx、PM2.5的排放分別占到了12.4%、11.6%及5.6%[1]。為減少船舶排放污染，我國于2015年設立了船舶排放控制區（Emission Control Area，ECA），主要包括長三角、珠三角和環渤海水域，要求自2017年1月1日起，船舶在排放區域內核心港口停泊時使用含硫量低于0.5%的燃油，并于2019年1月1日起，船舶進入排放控制區使用硫含量低于0.5%的燃油。考慮到使用低硫油會使船公司的運營成本增加20%～40%[2]，作為有限理性決策者，船公司往往不會主動遵守排放規定，故研究政府的監管措施有利于促使船公司遵守排放規定，從而實現設置船舶排放控制區的環保目標。

1 文獻綜述

由于國外尤其是歐美地區較早地設立了船舶排放控制區，相關研究也早于國內，主要涉及船舶減排措施選擇（Yewen Gu等，2017）[3]、船舶排放控制區域內的速度和路徑優化（Psaraftis和Kontovas,2013；Doudnikoff和Lacoste，2014；Kjetil Fagerholt等，2015）[4-6]、船舶排放控制區域內運輸方式的選擇（Medda和Lourdes Trujillo，2010）[7]以及設置船舶排放控制區的影響（Trang T和Nicole，2012；Young-Tae Chang等，2018）[8-9]幾個方面，關于政府如何制定監管措施促使船公司遵守排放規定的研究較少。國內關于船舶排放控制區的研究仍處于起步階段，多數學者從吸取經驗的角度為我國船舶排放控制區設置及監管提出了建議，如董雪和董崗（2015）、曹琳琳和董崗（2017）分別介紹了北美和歐盟船舶排放控制區的監管舉措，并為我國提供了相關政策建議[10-11]。但二者的討論并未考慮到船舶排放控制政策實施時，政府和船公司的真實行為選擇，提供的建議并不一定是有效的、最優的。

事實上，作為有限理性決策者，船公司往往不會主動降低排放，這一點在我國其他環境規制政策實施時已經有所體現，如在碳減排政策實施過程中，受政府監督不力、企業及公眾環境意識淡薄以及追逐短期利潤最大化等影響，主動采取碳減排措施的制造企業數量較少[12]。政府為督促船公司遵守排放規定，會采取一定的監管措施，船公司則會根據政府的監管力度來調整其應對策略，而政府又根據船公司對目前監管措施的反應調整監管策略，經過多輪博弈后，最終實現雙方利益最大化。由此可見，在船公司和政府之間存在動態博弈情形。因此，本文構建了政府和船公司的演化博弈模型，通過對雙方的博弈過程及穩定性進行分析，為我國船舶排放控制政策能夠實現預期效果提供政策建議。

2 政府和船公司演化博弈模型的假設及建立

2.1 模型假設。在模型中，本文把因環境改善所獲得的環境收益和政府因保護環境所得到當地居民、社會和上級領導認可的收益統稱為政府收益，考慮到部分船公司會不遵守排放規定，使政府收益無法實現最大化，將船公司遵守排放規定時政府的收益定義為π1，船公司不遵守排放規定時政府的收益為π2，π1＞π2，當政府對船舶行為進行監管時，需承擔相應的監管成本c，并對船公司的違規行為給予罰款λ。考慮到監管成本，政府不會對區域內的所有船舶進行檢查，因此不能發現所有的違規行為，只能以概率x（0≤x≤1）發現違規行為，如果政府發現船舶違規行為的概率過低，區域內的環境污染加劇，政府須支付一定的環境治理成本c。

對于船公司而言，作為有限理性決策者，出于自身利益最大化的考慮往往不會主動遵守排放規定，使用含硫量低于0.5%或是更低的燃油，但是隨著政府的監管，將會有部分船公司執行排放規定，尤其是大型的國際航運公司如馬士基。故本文假設區域內將會有概率y的船公司遵守排放規定，船公司運輸單位產品即單位產出的利潤為r，當遵守排放規制要求時，利潤為r+Δ，其中Δ是船公司因執行排放規定而獲得的單位產出額外利潤即守法利潤，是單位產出額外收益α即守法收益與所付出的單位產出額外成本β即守法成本的差，而α主要是指船公司執行排放規定時所獲得的經濟收益m以及社會收益s之和，β則是指船公司使用低硫油或是降硫設備所額外承擔的成本。

基于上述假設，本文構建了政府和船公司博弈的收益矩陣（見表1）。2.2 演化博弈模型建立。設政府檢查的概率為x，不檢查的概率為1-x；船公司遵守排放規定的概率為y，不遵守的概率為1-y。則政府不同策略的期望收益和平均期望收益分別為：U11、U12、U1。

表1 政府和船公司博弈的收益矩陣

政府策略的復制動態方程為：

船公司不同策略的期望收益和平均期望收益分別為：U21、U22、U 2。

船公司策略的復制動態方程為：

3 政府和船公司演化博弈模型穩定性分析

3.1 政府策略的演化穩定性分析。根據政府策略的復制動態方程（4）可知：

此時：

（1） 若 λ-c＜0，由于船公司的任何選擇y∈［0,1 ］，所以恒成立，此時F'（0）＜0，F'（1）＞0，x=0是演化穩定策略，即當政府對違規排放的船公司罰款所得小于其監管成本時，作為有限理性決策者的政府會選擇不檢查的策略。

（2）若λ-c＞0，此時政府對違規排放的船公司罰款所得高于其監管成本，需分兩種情況進行討論：

3.2 船公司策略的演化穩定性分析。根據政府策略的復制動態方程（8）可知：

此時：

（2） 若-λ＜Δ＜0，需分兩種情況進行討論：

3.3 政府和船公司混合策略的演化穩定分析。根據政府和船公司策略選擇的復制動態方程（4）、方程（8）來描述雙方策略系統的演化，可知當時，動態演化的博弈系統有五個Nash均衡點，分別是：

運用Friedman提出的方法，通過構建該系統的雅可比（Jacobi）矩陣來分析演化博弈均衡點的穩定性，則根據式（4）和式（8）組成的動態系統的雅可比矩陣為：

求得：

分別計算均衡點A、B、C、D、E處行列式和跡的值，得結果見表2：

表2 均衡點處雅可比矩陣行列式和跡的值

當均衡點處的Det（J）為正，而Tr（J）為負時，此均衡點為演化動態過程的局部漸進穩定不動點，對應著演化穩定策略（ESS）[13]。對以上五個均衡點處的雅可比矩陣行列式和跡的值進行分析發現，只有A,B兩點在滿足相應的穩定條件下，能夠實現ESS，其穩定結果成立條件如表3：其中，均衡點A 0,（）0即政府不檢查船公司的行為，而船公司也不會遵守排放規定。顯而易見，當政府監管部門檢查船公司的違規排放行為所獲得罰金收入低于其監管成本時，作為有限理性決策者，對船公司實行不檢查策略成為政府的占優策略。同樣，當船公司守法收益低于其守法成本時，不執行排放規定成為船公司的一個占優策略。均衡點B 0,（）1即政府不檢查船公司的行為，而船公司自覺遵守排放規定。當船公司守法收益高于其守法成本時，即使政府不對船公司的行為進行檢查，船公司也會自覺遵守排放規定。

表3 穩定結果成立條件及狀態分析

從上述均衡點穩定狀態分析可知整個系統的穩定演化博弈過程。在船舶排放規定實施初期，政府缺乏專業技術人員和監管經驗，沒有建立完善的懲罰機制，導致監管成本較高而罰金收入較少，對區域內的船舶行為不檢查成為政府部門較為現實的策略。而在政府檢查力度較輕的初期，由于政府對船公司違規排放行為的懲罰較為寬松，同時船公司守法收益又低于其守法成本，受利潤最大化的驅使，不遵守排放規定成為船公司的優先選擇。因此，系統向著A 0,（）0點方向演進。隨著政府獎懲機制的不斷完善，低硫油提取技術的進步以及社會公眾海洋環境保護意識的增強，船公司守法收益提升，逐漸超過其守法成本，自覺遵守排放規定成為船公司主要選擇，政府也無須再對區域內的船舶進行檢查。系統會向著B 0,（）1點方向演進。

4 研究結論和政策建議

4.1 研究結論

本文通過構建政府和船公司的演化博弈模型，分別分析了政府和船公司策略的演化穩定性以及二者混合策略下的演化穩定性，主要得出以下結論：（1）當Δ＜0時，即船公司守法收益低于守法成本，加大對船公司的懲罰力度和監管密度（x＞-），將會促使船公司遵守排放規定，此時政府仍須付出監管成本，并非是社會福利最優的選擇。（2）當Δ＞0時，船公司守法收益高于守法成本，此時能夠實現政府不檢查而船公司自覺遵守排放規定的納什均衡。

4.2 政策建議

從上述結論可知，如何提高船公司的守法利潤成為促使其主動遵守排放規定的關鍵因素，據此提出以下政策建議：（1）建立船公司社會責任綜合評價體系。目前，我國已經建立了中國企業社會責任監控與評價體系，從多角度如環境績效、社會績效等綜合評價企業承擔社會責任情況。同樣，建立專門針對船公司的社會責任綜合評價體系，將是否遵守船舶排放規定納入到評價體系，并根據船公司的評價得分設置相應的獎懲機制，以此來提升船公司遵守排放規定時所獲取的額外經濟收益和社會收益。（2）加大宣傳、教育，創造有利的社會和商業環境。政府設立專項資金用于宣傳、教育，使社會公眾和企業能夠意識到設置船舶排放控制區的意義和重要性，從而使遵守排放規定的船公司得到社會公眾和行業企業的認可，在商業競爭中處于更有利的位置，增加船公司遵守排放規定所獲得的額外經濟收益和社會收益。（3）提升監管密度，引入第三方監管。當船公司守法收益低于守法成本時，仍需要政府采取嚴格的監管措施，加大懲罰力度和監管密度都是促使船公司遵守排放規定的有效措施。同時，為防止因高密度檢查加劇政府財政負擔，可引入第三方監管機制，建立個人或是組織舉報制度，從而提高船公司違規行為被發現的概率。