農產品供應鏈質量安全中區塊鏈技術投入的演化分析

霍 紅, 鐘海巖

(哈爾濱商業大學 管理學院,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引言

新年伊始新冠病毒席卷全球，對人們的生命和財產安全帶來了嚴重的危害，究其原因，是由于食品的質量和安全不過關，食品的質量安全的控制問題再次引發了社會和學術界的密切關注。習近平總書記在第十八次集體學習時指出，在商品防偽、食品安全等領域，要積極推進區塊鏈技術的應用，利用區塊鏈構建可信任系統[1]。農業部提出“強化農業科技創新、實施農產品質量安全保障工程”。農產品從“農場到餐桌”的過程涉及供應商、加工商和末端消費者等，涉及到的“點多、線長、面廣、錯綜交叉”質量安全監管和信息溯源尤為困難，質量安全信息可信度更需要進一步提高。在此背景下，將去中心化、智能合約、安全、可靠、信息不可篡改等特征的區塊鏈技術應用于農產品質量安全追溯系統[2]，為促進產業融合與創新，全面保障農產品質量安全，降低農產品供應鏈成本，形成農產品質量安全的閉環體系，具有重要的現實意義[3]。傳統的物聯網追溯系統可以通過相關技術對生產、加工、配送、消費等各階段的具體信息進行監控和存儲，為農產品質量監測和溯源提供了有價值的信息。然而，使用者必須依賴單個信息點來存儲、傳輸和共享可追溯性信息[4]，因此，大多數消費者難以獲得完整的交易信息和跟蹤產品的來源[5]。農產品質量安全問題的解決只有通過提高質量安全溯源信息的可信度[6]，在不同的信息節點上，區塊鏈技術采用了將數據加蓋時間戳的方法及以及不對稱的加密，能夠通過信息透明和防止篡改來解決潛在的信任和安全問題[7]。區塊鏈在質量安全應用上，許多學者做了相關的研究。王珍珍等認為區塊鏈在全球范圍內建立了一種新型的互信模式，為供應鏈系統的節點企業相互合作提供技術支持，可以高效率地解決不同領域的信任難題[8]。Makhdoom等認為區塊鏈追溯技術去中心化、開放、透明和不可篡改等特性，能夠讓消費者對這一追溯技術建立信任，從而以較低的成本和較高的效率解決目前在食品質量安全中存在的不信任問題[9]。Kang從交易安全和隱私保護角度出發，提出利用區塊鏈技術能夠有效提高農產品質量安全信息的透明度和可信度[10]。Kim在農產品的生產和銷售場景中應用區塊鏈技術，使農產品各個環節的溯源信息的安全性和透明度得到了提高，促進了農產品的銷售[11]。現在，一些公司已經在農產品溯源領域應用了區塊鏈技術，比如IBM、沃爾瑪和金鑼聯合應用區塊鏈技術，共同構建了一套肉食追溯體系。

現實中的決策行為者很難滿足完全理性，演化博弈論是通過不斷學習、適應等過程來達到動態均衡的有限理性博弈。在質量安全方面，Fousekis利用演化博弈方法，探討了食品供應鏈中如何進行產品質量的監控問題[12]。馬艷紅等研究了考慮資源及利益的安全監管演化博弈[13]，從主體行為的角度，許民利等分析了供應商與制造商進行質量投入的行為策略[14]。王磊等從質量安全的視角，利用演化博弈對奶制品加工商和分銷商之間的協作交流策略的演變進行了研究[15]。在政府的相關政策方面，Ma等指出政府聯合消費者共同參與監督農產品質量管理，可以促進農產品質量安全提高[16]。朱立龍等引入政府約束機制，研究了政府監管部門、農產品生產加工企業、第三方檢測機構之間的三方演化博弈，并進行了演化博弈仿真分析[17]。楊松等構造了農產品質量安全投入的演化博弈模型，并結合懲罰機制分析質量投入策略[18]。很多學者還將演化博弈應用到供應鏈中碳減排投入[19]、物流企業合作[20]等領域，從不同方面對演化博弈進行了廣泛應用。

綜上可以看出，從區塊鏈技術應用的視角研究農產品質量安全管理的文獻，大多圍繞此技術在安全管理中應用的前景以及方案等進行探討，部分將演化博弈應用于農產品質量安全問題中，但應用演化博弈的方法研究農產品質量安全中區塊鏈技術的投入較少，基于此本文將針對農產品質量安全中區塊鏈技術投入進行演化分析，構建博弈雙方的支付矩陣，分析該技術引入前后供應鏈企業收益的變化對雙方技術的投入及均衡狀態的影響，并進行仿真比較政府不同程度的補貼力度對農產品供應鏈企業進行區塊鏈技術投入，以及系統演化穩定策略的影響。

1 基本假設與模型的建立

本文研究供應商和加工商組成的二級農產品供應鏈，成員企業進行區塊鏈技術投入后，可以有效提高質量安全溯源信息的可信度，運行過程如圖1所示，成員企業進行數據信息的采集，利用區塊鏈的身份驗證、分布式存儲、不可篡改等特性對數據進行審核、處理，上傳到質量安全溯源系統，有效保障農產品的質量安全信息的可信度。供應商進行區塊鏈技術投入：農產品種植，生長過程的信息全部上鏈；加工商進行區塊鏈技術投入：對農產品的加工過程的信息全部上鏈，保障加工過程的質量安全，并將相關信息上鏈。

圖1 區塊鏈技術嵌入的二級農產品供應鏈理論模型

假設這兩組群體：農產品的供應商和加工商，每次從兩組中分別任選一個進行博弈。供應商和加工商都是有限理性的，成員企業決策受到其他成員企業行為的影響，不斷改變其策略，直至達到系統平衡。在農產品質量安全溯源信息缺乏可信度，并且市場需求不樂觀的背景下，進行區塊鏈技術投入，農產品供應鏈節點企業的策略為：進行區塊鏈技術投入或不進行區塊鏈技術投入，可表示為(D，N)。農產品供應鏈參數說明如表1所示。

表1 各參數說明

假設如下：

(1)消費者愿意購買質量安全信息可信度更高的農產品，并且進行區塊鏈技術投入量與消費者的需求量呈正相關。

(2)進行區塊鏈技術投入會給農產品的供應商和加工商帶來額外的成本，本文假設成本為:Ti(i=s,m)。

(3)當雙方都不進行區塊鏈技術投入時，農產品的市場需求量為q，供應商投入種子、土地、人工等，單位農產品成本為cs，銷售價格為ps，并且ps>cs；加工商進行采購、加工、包裝、運輸和存儲等，加工單位農產品的成本為cm，銷售價格為pm，其中，pm>cm+ps。雙方都不進行區塊鏈技術投入時收益分別為：πs=(ps-cs)q;πm=(pm-ps-cm)q，其中πs>0,πm>0。

當雙方都進行區塊鏈技術投入時，農產品質量安全溯源信息的可信度提升，農產品的市場需求增加，因此，雙方都進行區塊鏈技術投入時收益分別為:πs1=(ps-cs)(q+αq)-Ts,πm1=(pm-ps-cm)(q+βq)-Tm，且πs1>πs,πm1>πm。

(5)在僅供應商區塊鏈技術投入的情況下，由于供應商的區塊鏈技術投入可以確保供應中農產品的質量安全溯源信息的可信度，農產品的市場需求增加。此時，供應商的收益為πs1=(ps-cs)(q+αq)-Ts。加工商通過“搭便車”行為獲得額外收益，收益為πm0=(pm-ps-cm)(q+δq)，且πm0>πm。

(6)在僅加工商區塊鏈技術投入的情況下，由于加工商的區塊鏈技術投入可以確保加工中的質量安全溯源信息的可信度，農產品的市場需求增加。此時，加工商的收益為πm1=(pm-ps-cm)·(q+βq)-Tm。供應商通過“搭便車”行為獲得額外收益，收益為πs0=(ps-cs)(q+φq)，且πs0>πs。

依據以上假設，建立博弈雙方的支付矩陣，如表2所示。

表2 農產品供應鏈中單個供應商與單個加工商的支付矩陣

2 農產品供應鏈進行區塊鏈技術投入的演化博弈分析

2.1 演化過程的平衡點

農產品的供應商和加工商是有限的理性群體，在雙方的學習中，雙方的策略選擇是一個動態的博弈過程，通過復制動態方程分析雙方選擇進行區塊鏈技術投入的演化穩定策略。假設農產品的供應商選擇進行區塊鏈技術投入策略的比例為x，不投入策略的比例為1-x；加工商選擇進行區塊鏈技術投入策略的比例為y，不投入策略的比例為1-y。

對于供應商選擇進行區塊鏈技術投入策略的適應度為:

Usx=yπs1+(1-y)πs1=(ps-cs)(q+αq)-Ts

(1)

對于供應商選擇不進行區塊鏈技術投入策略的適應度為:

Usn=yπs0+(1-y)πs

=y(ps-cs)(q+φq)+(1-y)(ps-cs)q

(2)

供應商的平均適應度：

(3)

=x(1-x)[(ps-ca)αq-y(ps-cs)φq-Ts]

(4)

同理，得農產品加工商的復制動態方程:

=y(1-y)[(pm-ps-cm)βq-x(pm-ps-cm)δq-Tm]

(5)

依據式(4)和(5)，得二維動力系統(I)：

(6)

為了便于下面的分析，令

可得如下性質:

命題1(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)為系統(I)的平衡點，則當α1<α<α2，β1<β<β2時，(xd,yd)也是系統的平衡點。

證明二維動力系統(I)的式(6)分別令dx/dt=0,dy/dt=0，得(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)，(xd,yd)是系統的平衡點。

2.2 平衡點的穩定性分析

通過復制動態方程獲得的平衡點不一定是系統的演化穩定策略(ESS)，據許民利[14]從該系統的雅可比矩陣(記為J)的局部穩定來分析導出演化均衡點的穩定性，式子(4)和(5)得雅可比矩陣為:

如果下列條件得到滿足：①行列式跡條件：trJ=a11+a12<0;②雅可比行列式條件：detJ=a11a22-a12a21>0；則復制動態方程的平衡點就是(漸近)局穩定，該平衡點就是演化穩定策略(ESS)。

命題2隨著市場需求率增大，系統(I)的演化穩定策略分別如下:

(1)若0<α<α1,0<β<β1，穩定策略(ESS)為(N，N)；

(2)若0<α<α1，β1<β<β2，穩定策略(ESS)為(N，D)；

(3)若α1<α<α2，0<β<β1，穩定策略(ESS)為(D，N)；

(4)若α1<α<α2，β1<β<β2，穩定策略(ESS)為(N，D)和(D，N)；

(5)若α>α2，β<β2，穩定策略(ESS)為(D，D)。

證明根據上述的雅可比矩陣(記為J)的局部穩定性判斷方法，五種情況的演化局部穩定性分析，可以得出各平衡點的行列式跡條件trJ和雅可比行列式條件detJ的值，易得平衡點的局部穩定性，證畢。

2.3 區塊鏈技術投入的演化結果分析

圖2 系統(I)演化圖

3 補貼機制下農產品供應鏈進行區塊鏈技術投入的演化分析

從上述系統的演化平衡點和穩定性分析可以看出，農產品供應鏈企業在區塊鏈技術上的投入需要滿足以下要求：在區塊鏈技術上的投入，對企業的回報要比投入的成本高得多，而且比“搭便車”的收益多。

當這種條件達不到時，政府可以通過補貼機制的調控措施，來彌補企業進行區塊鏈技術投入的成本。為了增強農產品質量安全追溯信息的可靠性，需要加大區塊鏈技術投入。假設政府采取補貼政策，當企業進行區塊鏈技術投入時，對其補貼值為A，此時供應商與加工商進行區塊鏈技術投入的支付矩陣如表3所示。

表3 補貼機制下農產品供應鏈中單個供應商和單個加工商的支付矩陣

此時，由系統的復制動態方程得二維動力系統(II):

(7)

(8)

其中

證明二維動力系統(II)的式(7)分別令dx1/dt1=0，dy1/dt1=0，得證。

命題4(0，0)是系統(II)的不穩定點，(0，1)和(1，0)是系統(II)的鞍點，(1，1)是上述系統(II)唯一的ESS的充要條件是:

A>max[-(ps-cs)(α-φ)q+Ts, -(pm-ps-cm(β-δ)q+Tm)]

(9)

證明同命題2根據上述的雅可比矩陣的局部穩定性判斷方法。

命題5當農產品供應鏈中供應商和加工商進行區塊鏈技術投入后，企業獲得的收益較小時和通過“搭便車”行為可以獲得收益時，企業進行區塊鏈技術投入的積極性就會降低。政府采取鼓勵政策，補貼企業進行區塊鏈技術投入的成本，鼓勵企業進行區塊鏈技術投入，補貼力度應比企業“搭便車”的利益更多，防止企業“搭便車”，補貼機制才能達到有效激勵農產品供應鏈中供應商和加工商都進行區塊鏈技術投入。

4 數值仿真分析

利用數值算例來進一步驗證相關結論，量值的選擇不影響結論，假設參數初始值如下：cs=1,cm=1,ps=2,pm=2,α=0.4,β=0.5,Ts=2,Tm=2,q=1。根據上述參數設定，此時演化博弈的鞍點為(xd/yd)=(2/5,2/3)，據此可以確定初始策略選擇比例，使其處于鞍點位置，更接近理想均衡點。農產品供應鏈企業進行區塊鏈技術投入后，政府對其采取補貼的措施，彌補企業進行區塊鏈技術投入付出的成本，在政府的不同補貼力度下，相關仿真結果如圖3～圖5所示。

通過對圖3的觀察可以看出，政府補貼力度(A=0)，即沒有補貼情形下，雙方進行區塊鏈技術投入的比例不斷變化，(0，1)和(1，0)是演化穩定點，(0，0)和(1，1)是不穩定點，(xd,yd)是鞍點。此時，供應商和加工商的行為決策達到(進行區塊鏈技術投入，不進行區塊鏈技術投入)或(不進行區塊鏈技術投入，進行區塊鏈技術投入)的演化穩定策略，這進一步驗證了本文命題1和2的相關研究結果。

圖3 政府補貼力度(A=0)下系統(II)演化路徑

圖4 政府補貼力度(A=1.5)下系統(II)演化路徑

圖5 政府補貼力度(A=2)下系統(II)演化路徑

由圖4可以看出，政府補貼力度(A=1.5)，雙方進行區塊鏈技術投入的比例不斷變化，演化路徑的線條走向也不斷變化，同圖3相比(0，1)和(1，0)的穩定點已經開始變得不再穩定，而(1，1)不穩定點表現出變成穩定點的趨勢。此時，在補貼力度為(A=1.5)，即補貼力度較小時，雙方行為決策達到(進行區塊鏈技術投入，部分進行區塊鏈技術投入)或(部分進行區塊鏈技術投入，進行區塊鏈技術投入)的演化穩定策略，驗證了本文命題3的相關研究結果。

政府的補貼力度的不斷增加，如圖5所示，政府補貼力度(A=2)下系統(II)演化路徑的變化可以看出，隨著供應商和加工商進行區塊鏈技術投入的比例不斷變化，演化穩定點逐漸轉化到(1，1)。此時，雙方行為決策達到(進行區塊鏈技術投入，進行區塊鏈技術投入)的演化穩定策略，進一步驗證了命題4和命題5的相關研究結果。

5 結論

基于區塊鏈技術在農產品供應鏈質量安全中的應用，建立了有無政府補貼機制下供應商和加工商區塊鏈技術投入的博弈雙方支付矩陣，比較政府補貼的不同力度對企業進行區塊鏈技術投入和系統演化穩定策略的影響，得如下結論：(1)企業進行區塊鏈技術投入策略的選擇與投入后所帶來的收益、“搭便車”行為所獲得的收益大小密切相關；(2)隨著區塊鏈技術投入，市場需求增加率的不斷變化，會依次出現是否進行區塊鏈技術投入的演化穩定均衡策略；(3)采取“搭便車”從區塊鏈技術投入方中得到的收益越多，則企業進行區塊鏈技術投入的積極性越低；(4)通過政府補貼機制，可以鼓勵農產品供應鏈節點企業進行區塊鏈技術投入，而且，只要有足夠的資金支持，成員企業均會進行區塊鏈技術投入。隨著企業進行區塊鏈技術的投入，農產品質量安全溯源信息的可信度不斷提高，促使市場需求和成員企業利益的不斷增加。需要通過合理的契約機制實現供應鏈成員企業之間的協調，保障供應鏈系統長期高效穩定運行，因此，在農產品供應鏈系統進行區塊技術投入后，利用契約機制對成員企業間進行有效協調，將是未來的研究方向。