基于三方演化博弈的智能建造技術采納激勵機制研究

朱鈺冉,崔慶宏,2,*,閆盛華

(1.青島理工大學 管理工程學院,青島 266525;2.山東省高校智慧城市建設管理研究中心,青島 266525)

智能建造是以云計算、BIM、物聯網、大數據、人工智能等信息化技術為核心,與工程建造系統深度融合的工程建造創新發展模式[1]。智能建造技術作為智能建造的支撐體系,旨在加強建筑生命周期的不同階段組織間協作,并且能有效減少主體間的沖突矛盾、降低重復勞動與成本[2],從而提升建筑項目的質量和進度[3]。由于具有協同性、便利性和集成化等優點[4],智能建造技術受到了政府部門的大力支持。2020年7月,住房和城鄉建設部等十三個部門發布了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》,提出各地要加大對智能建造技術的研究和支持力度,充分開展對智能建造技術的指導和推廣。

現有文獻對智能建造技術采納與應用的研究,主要涉及兩個方面:①技術的采納有賴于政府的激勵與監管。陳珂等[5]指出政府建立智能建造關鍵技術創新投入激勵機制有助于企業加快孵化新技術。JAMIL等[6]認為政府應制定有關法律法規激勵和維護智能建造技術相關流程。楊高升等[7]建議政府以技術人才引進為導向調整制定激勵政策。②推動智能建造技術的采納需要政府、業主、設計方、施工單位、技術供應商等多方的參與[8]。湯洪霞等[9]通過構建業主與設施管理綜合服務商的雙方演化博弈模型,探究影響智能建造關鍵技術采納率的主要因素,并指出業主可通過制定相應激勵機制調動組織成員積極性。GUO等[10]通過調查研究施工單位對智能建造關鍵技術的采用情況,得出施工單位不愿與業主共享信息是影響技術采納行為的主要原因,并建議施工單位建立技術激勵制度以提高項目績效。葉萌等[11]通過分析影響建筑企業和技術供應商采納與改進智能建造關鍵技術的因素,構建了基于復雜網絡理論的技術擴散模型,得出政府相關激勵政策能顯著提高技術需求和改進。因此,合理的激勵措施是解決智能建造技術采納水平不高的關鍵所在。

綜上所述,關于智能建造技術采納問題的研究主要集中在完善政府相關法律法規及制定標準體系等理論層面上,政府激勵措施下施工單位和技術供應商之間的博弈未得到足夠重視。現有研究中主要涉及企業與政府、企業與企業之間的雙方博弈,鮮有文獻從政府、施工單位和技術供應商三方參與主體有限理性的角度出發,探究施工單位技術采納率不高和技術供應商不愿創新開發技術的主要原因。基于此,本文首先從理論角度構建政府、施工單位和技術供應商三方演化博弈模型,其次分析激勵措施下三方博弈平衡狀態,最后通過數值仿真討論行為策略選擇對不同參數值的敏感程度。因而,本研究對智能建造技術采納問題的研究提供理論依據,也為政府激勵技術采納和企業采納開發新技術提供參考依據。

1 模型構建

1.1 參與主體分析

1) 政府。作為智能建造技術的推廣者和監管者,政府是智能建造技術發展初始階段的激勵主體,其主要目標是針對施工單位和技術供應商分別展開采納激勵和開發激勵。采納激勵過程中的激勵目標在于證明采納智能建造技術的效用大于傳統技術的施工工藝和成本,并予以補貼,以提高技術在施工單位中的認可度。開發激勵過程中的激勵目標在于補償技術供應商開發智能建造技術的增量成本,確保技術供應商的收支平衡,調動企業積極性。另外,對于政府來說,進行采納和開發激勵的同時,還應考慮激勵所投入的成本問題,以免造成過高財政支出及公信力下降。

2) 施工單位。作為智能建造技術的使用者,施工單位是智能建造技術的主要需求端,增加施工單位的需求是推動智能建造技術采納的關鍵動力。施工單位可通過采納智能建造技術,拓展自身業務能力和集成工程項目全過程服務[12],提高自身核心競爭力。另外,智能建造技術的采納在給施工單位帶來效用的同時,也會承擔技術和人才引進成本,且智能建造技術的采納尚處于起步階段,技術的使用需要資金投入和探索,施工單位看不到新技術帶來的收益,從而行為策略選擇較為保守。

3) 技術供應商。作為智能建造技術的供給者,技術供應商的決策關乎智能建造技術市場的整體發展。智能建造技術供應商提供了BIM、云計算、物聯網等智能建造過程中的基礎技術,比如:Graphiso、Tekla、建研科技、小庫科技和阿里巴巴等,他們作為盈利性組織,注重成本及效益指標以追求更大經濟利潤。同時,隨著社會發展水平的提高,技術供應商也更加注重自身的品牌價值和信譽的提升,奠定更好的戰略布局和發展規劃[13]。另外,技術供應商的開發決策也受到施工單位的需求及政府政策的影響,政府可通過智能建造技術導向型的優惠政策調動企業技術開發積極性。

參與主體之間的角色關系見圖1。

圖1 參與主體角色關系

1.2 模型假設

在查找相關文獻和對智能建造技術采納相關激勵政策和措施進行分析的基礎上,從經濟學的角度考慮收益、成本和損失,做出以下假設:

1) 參與主體。政府、施工單位和技術供應商作為參與主體是有限理性且博弈地位平等。

2) 策略選擇。參與主體行為策略集合分別為:政府{激勵,不激勵};施工單位{采納,不采納};技術供應商{開發,不開發}。具體含義為:政府激勵是指采取措施激勵開發新型智能建造技術和使用智能建造技術進行項目管理,不激勵是指認可傳統施工管理方式和二維圖形技術;施工單位采納是指使用智能建造技術指導項目施工,包括圖紙會審和方案優化等,不采納是指通過二維圖紙進行施工管理;技術供應商開發技術是指研發新型施工技術,包括BIM、云計算和大數據等新型技術,不開發是指提供傳統施工技術,不做研發。

3) 策略選擇比例。假設政府激勵、施工單位采納智能建造技術且技術供應商開發智能建造技術的概率分別為x,y,z,其中x,y,z∈[0,1]。模型所需參數及其含義見表1。

表1 參數定義

1.3 收益矩陣

政府、施工單位與技術供應商在幾種博弈策略組合下的收益,如表2所示。

表2 三方博弈主體的收益矩陣

2 均衡分析

2.1 收益期望函數

2.1.1 政府的期望收益

定義政府選擇“激勵”策略的期望收益為U11,政府選擇“不激勵”策略的期望收益為U12,則政府的平均期望收益U1可表示為

U1=xU11+(1-x)U12

(1)

其中,U11=yz(R1-C1+L1-I1-I2)+y(1-z)(R1+P1-C1-I1)+z(1-y)(R1-C1+L1-I2)+(1-y)(1-z)(R1-C1+P1);U12=yzL1+(1-y)zL1。

2.1.2 施工單位的期望收益

定義施工單位選擇“采納”策略的期望收益為U21,施工單位選擇“不采納”策略的期望收益為U22,則施工單位的平均期望收益U2可表示為

U2=yU21+(1-y)U22

(2)

其中,U21=xz(P2+R2+I1-C2+I2)+x(1-z)(P2+R2+I1-C2)+(1-x)z(P2+R2-C2+L2)+(1-x)(1-z)(P2+R2-C2);U22=xzL2+(1-x)zL2。

2.1.3 技術供應商的期望收益

定義技術供應商選擇“開發”策略的期望收益為U31,技術供應商選擇“不開發”策略的期望收益為U32,則技術供應商的平均期望收益U3可表示為

U3=zU31+(1-z)U32

(3)

其中,U31=xy(P3+R3+I2-C3)+x(1-y)(R3+I2-C3)+(1-x)y(P3+R3-C3)+(1-x)y(P3+R3-C3)+(1-x)(1-y)(R3-C3);U32=-xyP1-x(1-y)P1。

2.2 復制動態方程

根據上述三方主體的期望收益,可得政府選擇激勵策略的復制動態方程為

F(x)=dx/dt=x(U11-U1)=x(1-x)[R1-C1+P1-yI1-z(P1+I2)]

(4)

施工單位選擇采納策略的復制動態方程為

F(y)=dy/dt=y(U21-U2)=y(1-y)(I1x+P2+R2-C2)

(5)

技術供應商選擇開發策略的復制動態方程為

F(z)=dz/dt=z(U31-U3)=z(1-z)[x(I2+P1)+P3y+R3-C3]

(6)

2.3 系統均衡分析

為求解三方演化博弈的平衡點[14],易知由方程(4)-(6)構造的動力系統在定義域內存在8個平衡點:A1(0,0,0),A2(0,1,0),A3(0,0,1),A4(0,1,1),A5(1,0,0),A6(1,1,0),A7(1,0,1),A8(1,1,1)。根據Friedman 提出的方法[15],構造出動力系統所對應的雅克比矩陣,分析以上平衡點的穩定性,下面以A1(0,0,0)為例進行分析。易知,系統在點A1(0,0,0)處的雅克比矩陣可表示為

(7)

可知該矩陣3個特征根分別為:λ1=R1-C1+P1,λ2=P2+R2-C2,λ3=R3-C3,若λ1,λ2,λ3均小于0,則點A1(0,0,0)是漸進穩定的。同理分析各平衡點處的穩定性,見表3。

表3 雅可比矩陣特征值及狀態判定

由表3可知,以上8個點均有可能是演化穩定平衡點,系統最終穩定策略取決于政府激勵智能建造技術采納帶來的隱性收益、施工單位的采納成本與收益、技術供應商開發成本與收益、政府激勵技術供應商與施工單位采納技術的投入等各參數值的大小。

3 數值分析

青島市在智能建造技術運行維護、實踐和激勵政策方面一直走在國內前列。通過對亞洲杯青島青春足球場項目、綠地海外灘項目、青島西海岸新區智慧社區、智慧街區項目等4個智能建造項目的實地調研,通過現場訪談技術研發工程師、項目經理等12位專家,根據實際情況和反饋意見,依據演化博弈模型假設條件,設定R1=12,C1=3,P1=6,I1=4,I2=3,P2=6,R2=8,C2=15,P3=5,R3=4,C3=10,取三方初始選擇比例為x0=y0=z0=0.5為參照組,此時演化平衡點為A8(1,1,1),三方選擇策略為最優演化策略選擇,即{激勵,采納,開發}。考慮到激勵智能建造技術采納過程主要以政府為主導,促進市場資源達到最優配置,則選取政府激勵措施下的參數R1,C1,P1,I1和I2為分析對象,探討參數的變化對三方演化結果的影響,根據上述式(4)-(6),運用MATLAB對政府、施工單位、技術供應商三方選擇策略進行數值仿真。參照組演化過程如圖2所示。

3.1 參與主體對R1的敏感度

分別取R1=5,10,15,其他參數值保持不變,觀察各參與主體對參數R1變化的敏感度,如圖3所示。由圖3及圖2可知,當R1由5依次增加到10,12和15時,政府的策略選擇由周期震蕩到趨于平衡狀態,政府對來自上級部門的獎勵和公信力提升等隱性收益的感知變強,選擇激勵策略有助于智能建造技術的可持續發展。同時,施工單位和技術供應商的策略選擇主要取決于政府的選擇,當政府選擇激勵策略并趨于穩定時,施工單位及技術供應商則選擇采納和開發智能建造技術。可以看出,隨著R1的增加,各參與主體的敏感度逐漸變弱,但政府仍選擇激勵策略,施工單位和技術供應商仍選擇采納和開發策略。

3.2 參與主體對C1的敏感度

分別取C1=2,4,10,其他參數值保持不變,觀察各參與主體對參數C1變化的敏感度,如圖4所示。由圖4(a)(b)及圖2可知,當C1由2依次增加到3,4時,政府對成本的感知逐漸變弱,因政府高成本投入宣傳智能建造技術對技術采納與開發的影響并不明顯,但三方參與主體始終保持著“激勵,采納,開發”的演化穩定策略。同時,從圖4(c)可知,C1繼續增大至10時,三方選擇策略呈周期震蕩,無演化穩定狀態。從演化過程及結果可以看出,增大C1對政府選擇激勵策略起到負向作用,但對施工單位和技術供應商影響并不大。當C1增大到一定閾值時,政府無力在宣傳智能建造技術中投入高額成本,而放棄選擇激勵策略。

3.3 參與主體對P1的敏感度

分別取P1=0,4,9,其他參數值保持不變,觀察各參與主體對參數P1變化的敏感度,如圖5所示。由圖5及圖2可知,當P1由0依次增加到4,6,9時,政府及施工單位對罰金的感知不明顯,而技術供應商對處罰金額的感知增強,出于損失最小化原則,技術供應商選擇開發智能建造技術以避免承擔較高罰金壓力。同時,在政府對技術供應商處罰的環境下,施工單位感知不太明顯,但在技術供應商的推動和宣傳下,施工單位也趨向于采納智能建造技術,而政府可能會因罰金過高導致公信力降低,從而導致激勵措施受限。

3.4 參與主體對I1的敏感度

分別取I1=0,3,10,其他參數值保持不變,觀察各參與主體對參數I1變化的敏感度,如圖6所示。由圖6(a)(b)可知,當I1由0增加到3時,三方參與主體演化穩定策略由“激勵,不采納,開發”演化為“激勵,采納,開發”。由圖2可知,I1繼續增大至4,施工單位對政府補貼的感知度變強,政府則因補貼增加感知度而降低,技術供應商感知不發生明顯變化,且三方演化穩定策略不變。同時,從圖6(c)可知,I1繼續增大至10時,三方選擇策略呈周期震蕩,無演化穩定狀態。從演化過程及結果可以看出,適度增大I1對施工單位采納智能建造技術有顯著正向作用,只對政府選擇激勵策略起到輕微負向作用。而當I1增大到一定閾值時,政府無法承擔對采納智能建造技術的高額經濟補貼,而放棄選擇激勵策略。

3.5 參與主體對I2的敏感度

分別取I2=0,5,10,其他參數值保持不變,觀察各參與主體對參數I2變化的敏感度,如圖7所示。由圖7(a)(b)及圖2可知,當I2由0依次增加到3,5時,技術供應商對政府補貼的感知度變強,政府則因補貼增加感知度而降低,施工單位感知不發生明顯變化。由圖7(c)可知,I2繼續增大至10時,三方選擇策略呈周期震蕩,無演化穩定狀態。從演化過程及結果可以看出,增大I2對技術供應商開發智能建造技術有顯著正向作用,而當I2增大到一定閾值時,政府無法承擔開發智能建造技術的過高經濟補貼,而阻礙激勵。

4 結論

本文通過分析由政府、施工單位及技術供應商三方主體建立的演化博弈模型,進而結合數值仿真,探究主要參數變化對各參與主體選擇策略的影響及敏感程度,為推廣我國智能建造技術采納提供理論借鑒。因激勵智能建造技術采納過程主要以政府為主導,則主要分析政府激勵策略下相關參數的變化對三方行為策略的影響。政府對施工單位和技術供應商的有效激勵,是廣泛采納智能建造技術和提高組織成員積極性的必要條件。基于此,本文提出以政府宏觀激勵為主導,采納與開發激勵并存的激勵機制:

1) 政府宏觀激勵機制。政府應努力完善BIM、人工智能等新型智能建造技術的開發優化、市場準入、運營管理等方面的法規,充分利用強制性標準作為智能建造技術市場的規制手段,加大對智能建造技術政策的宣傳力度,促使企業改善自身技術要求及管理條件,自覺開發和采納智能建造相關技術。

2) 政府對施工單位的采納激勵機制。政府首先要適當提供財政獎勵及補貼,對積極采納智能建造技術的施工單位提供多種稅收優惠政策,區分采納智能建造技術和采納傳統施工技術的稅收標準,有效引導施工單位的選擇策略。

3) 政府對技術供應商的開發激勵機制。政府可以采取獎金激勵、稅收減免及技術流程支持等正激勵。同時,政府應在不影響政府公信力的同時,對一些不提供新型智能建造技術的技術供應商進行適當罰款等負激勵,加強對技術開發工作的監督。