種養加銷一體化生態循環農業模式中各主體合作演化博弈研究
2020-11-10 04:41:13高艷張凱淳
農村經濟與科技 2020年16期
高艷 張凱淳
[摘要]種養加銷一體化的生產模式能夠良好地解決農業生產中生態和經濟的發展矛盾，如何構建種養加銷一體化的生產模式，提高產品質量和效益是亟待解決的問題。本文利用演化博弈模型對種養加銷一體化生態循環農業模式各主體的合作決策行為進行分析，分析不同情況下的博弈行為，并進行數據仿真驗證，得到各主體演化博弈的兩種穩定結果，即各主體都不合作或都合作。當某一博弈主體因合作產生的成本大于收益時，會選擇不合作的策略，博弈最終的均衡結果為都不合作。當博弈主體都能因合作獲得額外的收益且多于運作成本時，博弈最終的均衡結果為都合作。
[關鍵詞]種養加銷一體化;演化博弈;演化穩定策略
[中圖分類號]F321
[文獻標識碼]A
1 引言
當前的糧食消費和貿易對農業系統提出了更高的需求，生態環境面臨著巨大壓力，需要在糧食安全和環境影響之間作出權衡。而農民們往往在生產中投人大量的農藥、化肥、地膜等要素以獲得更大的經濟效益，這引發了一系列生態環境問題，導致農業生產進入生態效益下降、經濟效益無法提高的惡性循環，阻礙了農業的可持續發展。Anne-Kristin Lzes等指出通過循環利用和有效利用可再生資源，最大限度地減少廢物和污染的產出，能夠滿足經濟和生態的共同利益。Boone Lieselot等證明了與傳統耕作方法相比，有機耕作在資源消耗方面具有明顯的環境效益。Milutin Stojanovic認為，農業的生態修復和可持續發展需要從化學模式向生態設計模式轉變。種養加銷一體化“以養帶種、以加促養、以銷促加”的產業鏈結構，使農業與第二、第三產業相輔相成，構建了低能耗、低排放、高效率的產業化農業，形成了生態與經濟的良性循環。我國地域廣闊，發展出了如“水稻+”、 “豬一沼+”、林地復合等多種種養結合的生產模式。學者們從不同角度做了相關研究，例如詹國輝、張笑寒利用演化博弈方法分析影響合作的因素。屠文娟、柳鍵、陳莫凡等從農產品供應鏈視角運用演化博弈和數值仿真研究農戶和合作社策略選擇的影響因素，尤其是從構建綠色農產品供應鏈的角度分析政府、加工企業及農戶的三方演化博弈分析，分析了不同驅動機制對供應鏈綠色化進程的影響。梁雯、李泉林、周業付和姜昊也采用動態博弈模型分析了不同農產品供應鏈合作模式下的利益關系及協調運作機制。
總之，對種養加結合生產模式的研究已較為成熟，但將產業鏈從生產延伸至銷售的生產模式還需不斷探索，因此，本文構建生產主體、加工主體、銷售主體的三方演化博弈模型，求解不同決策下三方演化博弈的演化穩定策略，并進行數值仿真分析。
2 種養加銷一體化生態循環農業模式各主體合作演化博弈模型構建
2.1 模型基本假設
（1）博弈主體。在種養加銷一體化的產業鏈中，一共有三類參與主體，分別為生產主體、加工主體、銷售主體。生產主體負責包括種植業和養殖業的農產品生產環節，加工主體負責農產品的加工與包裝環節，銷售主體負責農產品的推廣與銷售環節。
（2）信息不對稱。博弈主體在互相作用下形成產業鏈，雖然形成一個完整的產業鏈，但三方所獲取的信息并不完全對等，三方都僅具備有限信息。
（3）有限理性。博弈主體均為有限理性，在博弈過程中不斷學習調整，最佳策略是需要在多次博弈的過程中得到的，即演化博弈的穩定均衡解不是一次性選擇的結果。
（4）非對稱博弈。博弈主體在動態的行為過程中具有差異，其特點體現在三方博弈收益矩陣是非對稱的。
2.2 策略及參數的設定
（1）合作策略。博弈三方均采取兩種策略： “合作”和“不合作”，“合作”代表博弈主體互相信任，進行信息共享，建立穩定的合作關系以達到共贏; “不合作”代表博弈主體沒能進行信息共享，獨自生產經營。
（2）生產主體的收益與支出。獨自生產時的利潤為R1，即總收入減去總成本。當與加工主體互相達成合作關系時，進行信息共享，此時生產成本會下降、收入會增加，利潤增長為S1;當與銷售主體互相達成合作關系時，進行信息共享，此時生產成本會下降、收入會增加，利潤增長為Si。當生產主體選擇“合作”策略時，會產生額外的運作成本C1。
（3）加工主體的收益與支出。由生產主體的收益與支出可知，加工主體獨自生產時的利潤為R2。當與生產主體互相達成合作關系時，利潤增長為S2;當與銷售主體互相達成合作關系時，利潤增長為Si。當加工主體選擇“合作”策略時，會產生額外的運作成本C2。
（4）銷售主體的收益與支出。同理可知，銷售主體獨自生產時的利潤為R3。當與生產主體互相達成合作關系時，利潤增長為S3;當與加工主體互相達成合作關系時，利潤增長為S3。當銷售主體選擇“合作”策略時，會產生額外的運作成本C3。
2.3 博弈收益矩陣構建
假設生產主體選擇“合作”的決策概率為X，選擇“不合作”的決策概率為1-X;加工主體選擇“合作”的決策概率為Y，，選擇“不合作”的決策概率為1-Y;銷售主體選擇“合作”的概率為Z，選擇“不合作”的決策概率為1-Z?；谝陨霞僭O，可得到博弈過程中生產主體、加工主體、銷售主體的三方收益矩陣，如表1所示。
3 各主體演化博弈均衡分析
3.1 博弈主體的期望收益與平均期望收益
生產主體采用“合作”策略時，獲得的期望收益為EX，采用“不合作”策略時，獲得的期望收益為E1-X，平均收益為，則其分別為：EX=YZ（R1+s1+Si-C1）+Y（1-Z）（R1+S1-C1）+（1-Y）Z（R1+Si-C1）+（1-Y）（1-Z）（R1-C1）E1-X=YZR1+Y（1-Z）R1+（1-Y）ZR1+（1-Y）（1-Z）R1
加工主體采用“合作”策略時，獲得的期望收益為EEY，采用“不合作”策略時，獲得的期望收益為E1-Y，平均收益為，則其分別為：EY=XZ（R2+S2+S2-C2）+X（1-Z）（R2+S2-C2）+（1-X）Z（R2+Si-C2）+（1-X）（1-Z）（R2-C2）EY=XZR2+X（1-Z）R2+（1-X）ZR2+（1-X）（1-Z）R2
銷售主體采用“合作”策略時，獲得的期望收益為EZ，采用“不合作”策略時，獲得的期望收益為E1-Z，平均收益為，則其分別為：EZ=XY（R3+S3+S3-C3）+X（1-Y）（R3+S3-C3）+（1-X）Y（R3+S3-C3）+（1-X）（1-Y）（R3-C3）E1-Z=YZR3+Y（1-X）R3+（1-Y）（1-X）R3
3.2 博弈主體的穩定均衡策略分析
3.2.1 生產主體演化路徑分析
生產主體的復制動態方程為：
令，求得的解即為可能的均衡點：
（1）當時，F（X）=0，表明X軸上所有點都處于穩定狀態，即此時生產主體的策略選擇比例不會隨時間發生變化。
（2）當時，得到解X=0與X=1，為F（X）的兩個可能的穩定態均衡點，需進一步判定，即對F（X）求導，當時，最終的結果為演化穩定策略（ESS）。對F（X）求導：
當時，此時，，所以X=0為生產主體的穩定策略，說明當生產主體因合作產生的成本大于收益時，選擇不合作策略。
當時，此時，，所以X=1為生產主體的穩定策略，說明當生產主體因合作產生的收益大于成本時，選擇合作策略。
3.2.2 加工主體演化路徑分析
加工主體的復制動態方程為：
由上述分析可知，當F（Y）=o且時，達到演化穩定。
（1）當時，F（Y）=0，表明Y軸上所有點都處于穩定狀態，即此時加工主體的策略選擇比例不會隨時間發生變化。
（2）當時，對F（Y）求導：
當時，此時，，所以Y=0為加工主體的穩定策略，說明當加工主體因合作產生的成本大于收益時，選擇不合作策略。 當時，此時，，所以Y=1為加工主體的穩定策略，當加工主體因合作產生的成本小于收益時，選擇合作策略。
3.2.3 銷售主體演化路徑分析
銷售主體的復制動態方程為：
由上述分析可知，當F（Z）=o且時，達到演化穩定。
（1）當時，F（Z）=0，表明Z軸上所有點都處于穩定狀態，即此時銷售主體的策略選擇比例不會隨時間發生變化。
（2）當時，對F（Z）求導：
當瑪時，，此時，，所以Z=0為銷售主體的穩定策略，說明當銷售主體因合作產生的成本大于收益時，選擇不合作策略。
當時，此時，所以Z=1為銷售主體的穩定策略，說明當銷售主體因合作產生的成本小于收益時，選擇合作策略。
3.3 各主體博弈系統穩定性分析
生產主體、加工主體、銷售主體的復制動力系統為：
在該系統中，令F（X）=F（Y）=F（Z）=0，可以得到局部均衡點：A1（0，0，0），A2（0，0，1），A3（0，1，0），A4（0，1，1），A5（1，0，0），A6（1，0，1），A7（1，1，0），A8（1，1，1）。對于8個均衡點，可以利用雅可比矩陣進行局部穩定性分析，根據演化博弈理論，當均衡點的特征值都為負時，為系統的演化穩定點。該系統的雅可比矩陣為：
首先分析均衡點E1（0，0，0）的情況。此時的雅可比矩陣為：
此時雅可比矩陣的特征值為λ1=-C1，λ2=-C2，λ3=-C3。以此類推，將剩余的7個均衡點分別代入雅可比矩陣中，可以分別求出均衡點所對應的雅可比矩陣的特征值。如表2所示。
從上述分析和表2可知，三方演化博弈系統存在兩個漸進穩定點：均衡點A1（0，0，0），即生產主體、加工主體和銷售主體均采取“不合作”策略，不能建立信息共享的合作關系，無法達到合作共贏的局面;A8（1，1，1），即生產主體、加工主體和銷售主體均采取“合作”策略，建立了信息共享的合作關系，構建了完整的產業鏈，能夠實現合作共贏的局面。
3.4 各主體合作演化博弈數值仿真
借助MATLAB軟件進行仿真，通過模擬任意初始點向均衡點演化的軌跡，來判斷以上論述的正確性。當，時，設R1=15、R2=14、R3=16、S1=2、Si=3、S2=2、Si=2、S3=2、Si=1、C1=5、C2=1、C3=1，此時，隨機選取100組初始概率進行仿真，結果如圖1所示，系統收斂于演化穩定點A1（0，0，0）。隨機選取初始點X=0.5、Y=0.3、Z=0.8，仿真初始時間為0，結束時間為2，進行仿真，可得到三方的長期演化結果：收斂于（0，0，0）點，即三方均不合作，如圖2所示。
當，時，設R1=15、R2=14、R3=16、S1=8、Si=9、S2=7、Si=8、S3=6、Si=9、C1=1、C2=1、C3=1，此時，隨機選取100組初始概率進行仿真，結果如圖3所示，系統收斂于演化穩定點A8（1，1，1）。隨機選取初始點X=0.6、Y=0.2、Z=0.5，仿真初始時間為0，結束時間為2，進行仿真，可得到三方的長期演化結果：收斂于（1，1，1）點，即三方均合作，結果如圖4所示。
MATLAB的仿真結果均符合上文中演化博弈分析的結論。
4 結論
通過分析可知，產業鏈中各主體是否采用合作策略，能夠獲得更多的利潤是企業選擇合作的關鍵要素，能夠獲得更多利潤則合作可能性就大。合作是構建種養加銷一體化生態循環農業模式的基礎，其本質是各合作主體為了共同的目標相互影響、相互協調。
影響各主體達成合作關系的因素有很多，根據來源不同，可以將其分為內部因素和外部因素。內部因素可理解為各主體可操控的因素，各主體首先產生合作的需求，如在經濟方面追求更高的利益，在生產方面選擇更綠色、高效的方式;在擁有明確的合作需求后會對合作的具體內容進行商討與制定，明確各主體在不同環節進行資源的共享。各主體要達成合作關系，首先要有合作意向，通過商討和談判確定合作理念、合作目標，各合作主體從事生產活動的目的都是獲得利益，在發展過程中始終不變的最終目標都是使自身利益盡可能的增加從而獲得利益最大化，這是能否在市場中繼續生存、發展的根本所在，所以他們的首要考慮就是利益的獲取。當他們可以通過合作獲取更多的利益時，就會產生積極參加的意愿和行為，所以，各合作主體對物質利益的追求是促成合作關系必不可缺的動力，也是保持合作關系穩定持久的最直接因素。
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