考慮工業互聯網安全的制造企業平臺參與策略研究

張紅葉，吳 橋（浙江萬里學院，浙江 寧波 315100）

0 引言

制造企業向數字化、智能化、服務化轉型已經是未來行業發展的趨勢。當前，制造企業在轉型過程中受到自身發展能力不足、資金投入不足等因素制約，制造企業可利用工業互聯網平臺解決轉型中存在的困難[1]。然而，制造企業在利用工業互聯網平臺賦能時面臨著安全風險問題。中國信通院和工業互聯網產業聯盟在《2020 年上半年工業互聯網的安全態勢研究報告》中指出：對全國136 個主要工業互聯網平臺、10 萬多家工業企業、900 多臺聯網設備進行安全檢測，累計檢測發現惡意網絡行為1 356.3 萬次[2]。工業互聯網平臺存在的安全隱患對制造企業參與平臺產生負面影響[3]。為了促進制造企業參與工業互聯網平臺來實現轉型，安全保護是平臺管理中必不可少的一項措施。因此，本文從平臺安全視角探討制造企業參與工業互聯網平臺的策略與影響因素。

1 文獻綜述

目前，已有學者關注到了工業互聯網平臺的安全問題。李燕[4]認為安全隱患會制約工業互聯網平臺的發展。Francisco Fraile等[5]認為工業互聯網平臺受到網絡攻擊時會給制造企業帶來巨大的經濟損失。王沖華等[6]認為需進一步健全中國工業互聯網平臺的安全管理體系。李君等[7]將安全技術、安全機制納入工業互聯網平臺成熟度評估指標體系，以此來評價平臺的安全保障能力。Ali Vatankhah Barenji 等[8]、Parminder Singh 等[9]指出區塊鏈技術可以改善平臺中的數據完整性和安全性問題，維護平臺用戶的信任。

制造企業參與平臺的影響因素方面，Zhang 等[10]認為不信任、不安全會阻礙制造企業參與工業互聯網平臺。郝家芹等[11]分析了接入平臺的成本、信息化收益對產能共享企業策略選擇的影響。周曉陽等[12]研究表明合理的政府補貼度、成本分擔比例可以推動企業加入工業互聯網平臺，而加入平臺所需的成本、造成的損失等因素起到反向作用。鄒小紅等[13]運用演化博弈分析網絡效應、機會主義行為、價值分配系數等因素對制造企業參與共享供應鏈平臺的價值共創行為的影響。Li 等[14]研究表明成本和行業損失風險會負面影響企業加入平臺的意愿。

通過分析發現，以往學者對工業互聯網平臺安全的研究側重于安全風險的負面影響以及如何提升安全保障，對制造企業參與平臺影響因素的研究從加入平臺的成本、信息化收益、風險損失等方面進行了探討，但是將工業互聯網平臺的安全保護與制造企業參與平臺的影響因素進行關聯的研究較少。平臺作為主體企業應主動承擔安全保護責任，但由于安全投入意愿與投入成本有關，平臺運營者不一定會采取統一的安全保護程度[15]。因此，本文考慮了工業互聯網平臺采取不同程度的安全保護，構建平臺與制造企業之間的演化博弈模型，分析各博弈主體的策略選擇。并探討不同程度的安全保護下，相關因素對制造企業平臺參與策略的影響，從而提出促進制造企業參與平臺的建議。

2 模型構建與分析

2.1 問題描述和模型假設

工業互聯網平臺匯聚了生產要素和各方資源，制造企業通過參與平臺可以獲得平臺上的各類資源。當制造企業不參與平臺，企業無法利用平臺上的資源；當制造企業參與平臺時，企業在生產過程中可以實現降本增效。但制造企業參與平臺，平臺會向制造企業收取一定的傭金，而且會面臨數據泄露等因素造成的風險損失。平臺也會采用不同程度的安全保護措施，減少企業所受到的風險損失，當平臺選擇高程度安全措施時，企業面臨風險損失較小。平臺在進行安全保護時需要支出技術、設備、人員等成本，安全保護的程度越高，平臺支出的成本越大，向企業收取的傭金越高。

基于上述內容，本文做出如下假設：

（1）博弈雙方均為有限理性。工業互聯網平臺的策略為 ｛高程度安全保護，低程度安全保護｝，平臺選擇“高程度安全保護”策略的概率為x（0≤x≤ 1），選擇“低程度安全保護”策略的概率為1-x；制造企業的策略為 ｛參與平臺，不參與平臺｝，企業選擇“參與平臺”策略的概率為y（0≤y≤1），選擇“不參與平臺”策略的概率為1-y。

（2）若制造企業選擇“參與平臺”，平臺選擇“高程度安全保護”，則企業的收益為E，同時需要支出生產成本C3、平臺傭金λ1E 和承擔風險損失k1L。此時，平臺的基礎收益為R1，基礎收益包括平臺銷售已有數據或模型資源、企業使用過程中產生的其他功能類服務的費用等。同時會得到企業參與平臺的傭金收入λ1E，支出平臺高程度安全保護的建設成本C1。

（3）若制造企業選擇“參與平臺”，平臺選擇“低程度安全保護”，則企業的收益為E，同時需要支出生產成本C3、平臺傭金λ2E 和承擔風險損失k2L。此時，平臺的基礎收益為R1，同時會得到企業參與平臺的傭金收入λ2E，支出平臺低程度安全保護的建設成本C2。

（4）若制造企業選擇“不參與平臺”，平臺選擇“高程度安全保護”，則企業的收益為E，只需支出生產成本C4。此時，平臺的收益為R2，平臺可以通過銷售已有數據或模型資源來獲得基礎收益。平臺需投入建設成本為C1，無傭金收入。

（5）若制造企業選擇“不參與平臺”，平臺選擇“低程度安全保護”，則企業的收益為E，只需支出生產成本C4。此時，平臺的收益為R2，建設平臺的成本為C2，無傭金收入。

2.2 支付矩陣構建

基于表1 的支付矩陣，可得：

表1 工業互聯網平臺與制造企業的支付矩陣

平臺選擇“高程度安全保護”策略時的收益為：

平臺選擇“低程度安全保護”策略時的收益為：

平臺的平均期望收益為：

平臺方的復制動態方程為：

制造企業選擇“參與平臺”策略時的收益為：

制造企業選擇“不參與平臺”策略時的收益為：

制造企業的平均期望收益為：

制造企業方的復制動態方程為：

3 演化穩定策略分析

為了進一步對均衡點進行穩定性分析，本文采用雅可比矩陣來判定。系統的雅可比矩陣如下：

當均衡點同時滿足雅可比矩陣的行列式detJ＞0，跡trJ＜0 時，則為系統的演化穩定策略（ESS）。由雅可比矩陣可得：

將均衡點P5（a,b）代入跡的表達式可得trJ=0，因此P5不是系統的演化穩定策略。下面對P1（0,0）、P2（0,1）、P3（1,0）、P4（1,1）四點進行分析，如表2 所示。

表2 各均衡點行列式和跡的表達式

為了便于分析，將-λ2E-k2L-C3+C4記為A，將-λ1E-k1L-C3+C4記為B，將λ1E-λ2E-C1+C2記為C，得到結果如表3 所示。

表3 平臺與企業的演化穩定性結果分析

工業互聯網平臺與制造企業之間博弈的演化穩定性結果共有8 種不同的情形（見表3），（1,1）、（0,1）、（0,0）都有可能成為系統的演化穩定策略。本研究主要是促進制造企業參與工業互聯網平臺，情形1、情形2、情形4 與情形5 符合理想均衡策略。其中，情形1 的演化穩定策略為（1,1），情形2 與情形4 的演化穩定策略為（0,1），情形5 的演化穩定策略為（0,0）或（1,1）。

在情形1、情形2 中，A＞0、B＞0，即λ2E+k2L+C3＜C4、λ1E+k1L+C3＜C4。這表明制造企業無論參與高程度安全保護的平臺還是參與低程度安全保護的平臺，其費用支出始終小于不參與平臺時的費用支出。此時，企業選擇參與平臺為最佳選擇。換言之無論平臺選擇什么策略，制造企業最終都會參與平臺。當C＞0，也就是λ1E-C1＞λ2E-C2時，高程度安全保護時帶來的收益高于低程度安全保護時的收益，平臺選擇高程度安全保護策略；反之，平臺將選擇低程度安全保護策略。

在情形4 中，A＞0、B＜0，即λ2E+k2L+C3＜C4、λ1E+k1L+C3＞C4。企業參與低程度安全保護平臺的費用支出小于不參與平臺時的費用支出，但是企業參與高程度安全保護平臺的費用支出要大于不參與平臺時的費用支出。企業為了減少自身的成本投入，只有在平臺采取低程度安全保護時才會選擇參與平臺。當C＜0，即λ1E-C1＜λ2E-C2情況下，平臺選擇低程度安全保護的收益比選擇高程度安全保護的高。因此，平臺選擇低程度安全保護，制造企業選擇參與平臺。

在情形5 中，A＜0、B＞0，C＞0 即λ2E+k2L+C3＞C4、λ1E+k1L+C3＜C4、λ1E-C1＞λ2E-C2，平臺和制造企業的博弈結果趨向于（0,0）或（1,1）。根據圖1 的演化相位圖可得，若平臺和制造企業的初始策略選擇落在區域P4P2P5P3內，雙方博弈的演化結果為（1,1）；若雙方的初始策略落在區域P2P1P3P5內，則博弈結果為（0,0）。P5的位置決定了各區域面積的大小。P4P2P5P3面積越大，雙方博弈結果最終演化為（1,1）的概率越大。由P5點的坐標分析可得，平臺采取安全保護的成本支出、制造企業的生產成本、傭金比例、風險系數等因素會影響雙方博弈的演化結果。

圖1 情形5 的相位圖

4 數值仿真

為了進一步說明主要因素對制造企業策略選擇的影響，運用Matlab 軟件進行數值仿真。結合現有相關文獻[11-13]以及實際情況，設定初始參數值為：C1=4，C2=3，C3=4，C4=6，E=16，L=1.5，λ1=0.1，λ2=0.05，k1=0.3，k2=0.7，x=0.5，y=0.5。

4.1 傭金比例λ1和λ2對制造企業策略選擇的影響

為研究傭金比例λ1對制造企業策略選擇的影響，令其他參數值不變，λ1的值分別取0.1、0.12、0.14、0.16，仿真結果如圖2 所示。由圖2 可知，當λ1從0.1 增加到0.12 時，演化曲線下降并減速收斂于1，但是從0.12 繼續增加到0.14 和0.16 時，演化曲線出現波動且最終未收斂于1 或0。這表明，當λ1增加到某一定比例時，制造企業的策略選擇處于不穩定狀態。

圖2 λ1 對制造企業策略選擇的影響

為研究傭金比例λ2對制造企業策略選擇的影響，令其他參數值不變，λ2的值分別取0.05、0.065、0.08、0.095，仿真結果如圖3 所示。由圖3 可知，當λ2取0.05 時，制造企業的演化曲線減速向1 收斂；當λ2的值增加到0.065、0.08 和0.095 時，曲線加速收斂于0。且隨著值的不斷增加，趨向0 的速度越快。這表明若制造企業參與低程度安全平臺時的傭金比例提高，制造企業趨向于不參與平臺。

圖3 λ2 對制造企業策略選擇的影響

4.2 風險系數k1和k2對制造企業策略選擇的影響

為研究風險系數k1對制造企業策略選擇的影響，令其他參數值不變，k1的值分別取0.3、0.4、0.5、0.6，仿真結果如圖4所示。當風險系數k1從0.3 上升到0.6 時，曲線逐漸下降但均收斂于1，這表明k1的變化對制造企業策略選擇的影響較弱。

圖4 k1 對制造企業策略選擇的影響

為研究風險系數k2對制造企業策略選擇的影響，令其他參數值不變，k2的值分別取0.7、0.79、0.88、0.97，仿真結果如圖5 所示。由圖5 可知，當風險系數k2取0.7 時，曲線收斂于1。當k2增加到0.88 和0.97 時，最終收斂于0。因此，風險系數k2的增加會阻礙制造企業選擇參與平臺。

圖5 k2 對制造企業策略選擇的影響

5 結論與建議

為研究不同程度的安全保護下制造企業平臺參與策略與影響因素，本文構建工業互聯網平臺與制造企業的演化博弈模型，分析了8 種不同情形下系統的演化穩定均衡策略，并用數值仿真探討了相關因素對制造企業策略選擇的影響。研究表明：（1）雙方博弈的演化結果受到傭金比例、風險系數、平臺采取安全保護的成本支出等因素影響。（2）當平臺提供不同程度的安全保護時，傭金比例對制造企業策略選擇產生的影響不同。在工業互聯網平臺提供低程度安全保護時，制造企業參與平臺的意愿與傭金比例負相關。在平臺提供高程度安全保護時，隨著傭金比例的增加，制造企業由原來的參與平臺轉向不穩定狀態。（3）風險系數對制造企業策略選擇的影響與平臺提供的安全保護程度有關。高程度安全保護安全時，風險系數的增加不會影響制造企業參與平臺。當平臺選擇低程度安全保護時，隨著風險系數的增加，制造企業將放棄參與平臺。

基于以上結論，本文提出推動制造企業參與工業互聯網平臺的建議：（1）對于提供低程度安全保護的平臺，運營者應降低制造企業參與平臺的傭金，減少企業的成本。對于提供高程度安全保護的平臺，運營者應權衡安全保護建設的成本投入與傭金之間的關系，制定合理的傭金收取比例以促進企業參與平臺。（2）平臺運營者在建設平臺時要加強安全保護，防止平臺用戶的數據、技術泄露。尤其是平臺采取低程度安全保護時，應重點關注企業參與平臺時的風險損失，減少風險損失對制造企業平臺參與策略的負面影響。