基于區塊鏈的動力電池源系統博弈分析

中圖分類號：F542；TM912.9 文獻標志碼：A

Game Analysis of Blockchain-Based Traceability System for New Energy Battery

Li Zhuoqunt2，WeiJinsong12，Shao Yanci1，2

（1. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Comprehensive Stereoscopic Traffic Information Perceptionand Fusion， East China Jiaotong University，Nanchang 33oo13，China; 2.School ofTransportation Engineering， East ChinaJiaotongUniversity，Nanchang 33oo13， China）

Abstract： This studyaddresses the challenges of information asymmetry and inefficiency in the recycling of new energy vehicle bateries by exploring a blockchain-based traceability system aimed at improving recycling efficiency，transparency，and reducing environmental risks.Blockchain technology was employed in the management of the fullifecycle of power batteries. An evolutionary game model was constructed to analyze the strategic interactions among battery manufacturers，vehicle manufacturers and the government，assessing their impact on system stability.Simulation results revealthat the blockchain traceabilitysystem，supported by appropriate incentive mechanisms and policy designs，significantly improves transparency and the efciency of battery recycling management，while mitigating the negative effects of information asymmetry.The blockchain-based traceability system provides notable advantages in enhancing the management efciency of power batery recycling. It offers a scientific foundation for policymakers，encouraging innovation and promoting the effectiveness of new energy battery recycling systems.

Key words： blockchain technology; power batery recycling; new energy; traceability; evolutionary game; simulation analysis

Citationformat：LI ZQ，WEIJS，SHAO YC.Game analysis of blockchain-based traceabilitysystem for new energy battery[J]. Journal ofEast China Jiaotong University，2025，42（4）： 100-109.

隨著全球對可持續發展理念的日益重視，新能源汽車作為減少碳排放的重要手段，其市場份額持續增長，大量動力電池的退役和回收問題正成為行業亟待解決的關鍵挑戰。電池回收作為循環經濟的核心部分，其重要性愈發凸顯。

目前，動力電池回收過程中存在信息不對稱和管理低效的問題2]。回收鏈條涉及多個主體，包括電池生產商、整車制造商及監管機構等，各主體之間缺乏有效的信息共享，導致難以掌握電池的狀態和剩余價值。此外，傳統的回收模式依賴中心化管理，信息處理、資源調配和監管執行方面存在諸多局限性，導致信息流通不暢、資源分配不均以及監管不力。這些問題不僅降低了回收效率，還可能導致部分回收商采取不規范操作，廢舊電池的不當處理對環境構成了嚴重威脅，每一塊電池的來源去向是否規范，直接關乎社會安全。

區塊鏈技術憑借其去中心化、不可篡改和高度透明的特性[45]，為動力電池回收提供了一種創新性解決方案。通過區塊鏈系統，電池從生產到使用再到回收的全生命周期都能夠得到透明、可追溯的管理。同時，合理分析并優化影響回收體系的各類策略，是構建高效回收體系的關鍵。因此，借助區塊鏈平臺，電池生產商、整車制造商、回收商及監管機構能夠共享并實時追蹤電池在回收過程中的狀態，從而顯著提升信息流通的效率，減少信息不對稱帶來的誤差和資源浪費，最終提高資源利用率并降低環境影響。

在動力電池回收過程中，區塊鏈技術的引入不僅為解決信息不對稱和提高回收效率提供了技術支持，也為各主體的協同合作奠定了基礎。為此，國內外學者開展了大量研究，探索區塊鏈技術在電池追蹤與回收領域中的應用路徑和具體實施方案。

在動力電池追蹤和回收技術的具體應用中，Regueiro等提出的基于區塊鏈的翻新認證系統，通過跟蹤電池的生命周期，提高了消費者對翻新電池的信任度。Antonio等探討了基于區塊鏈的電池追蹤平臺的重要性，認為此類平臺可以有效地監控電池的性能以提高回收效率。Subramanian等[8]提出了一種利用混合區塊鏈技術全面追蹤電動汽車供應鏈生命周期的方法，確保供應鏈記錄的可靠性和透明度。周興建等則構建了基于區塊鏈技術的新能源汽車動力電池回收供應鏈體系，并利用數據包絡分析方法對回收效率進行了評價，發現基于區塊鏈的供應鏈模式比傳統模式更具效率。

根據上述的文獻分析，動力電池回收效率的提升和成本的優化在很大程度上取決于供應鏈的高效協作，而區塊鏈技術在這一過程中展現出了巨大的潛力。然而，區塊鏈技術的廣泛應用不僅依賴技術成熟度，更需協調電池生產商、整車制造商與政府等多方主體的策略互動。盡管區塊鏈技術能夠顯著提升數據透明度，但企業往往因短期經濟利益而在信息上鏈過程中有所顧慮[]，尤其是在權衡長期收益方面考慮不足。因此，動力電池回收體系中各參與方的策略選擇，直接決定了區塊鏈技術能否真正發揮效用。正如尤建新等所構建的動力電池區塊鏈技術投資的演化博弈模型，分析了政府參與下汽車生產商的區塊鏈技術投資行為。劉琦鈾等[2通過構建復雜網絡演化博弈模型，探討了農戶融資上鏈行為的影響因素。而Yi等[3研究了區塊鏈在新能源汽車供應鏈退役電池回收中的應用，構建了Stackelberg博弈模型，揭示該技術在降低信息泄露、增強信任與優化供應鏈協調方面的作用。馮章偉等[14]利用Stackelberg博弈模型研究了新能源汽車制造商和電池供應商的策略選擇，發現區塊鏈溯源技術通過提升溯源水平，從而促進了新能源汽車銷量和電池回收效率。此外，政府政策對市場行為的影響也是研究的重要領域。吳君民等[15探討了雙積分政策對車企協同創新和政府激勵機制的影響。Li等[揭示了政府補貼對回收商提升回收效率的顯著作用。

綜上所述，區塊鏈技術在動力電池回收領域展現出顯著潛力，但其有效應用仍需多方協作與政策支持。本文通過構建基于區塊鏈溯源的演化博弈模型，重點探討政府、生產商和其他參與者之間的博弈關系，旨在推動動力電池回收體系的改進，促進區塊鏈技術在新能源領域的有效應用，最終實現資源高效利用和環境保護的目標。

1三方演化博弈模型的構建

1.1 問題描述

傳統電池溯源模式存在信息不對稱、管理成本高、效率低等問題，引入區塊鏈技術可以有效解決這些挑戰。通過區塊鏈技術，各方參與者在去中心化的平臺上共享和驗證信息，從而實現全程信息的可追溯性。生產階段，電池生產商將批次、型號及重要參數上傳至區塊鏈系統；在安裝和使用階段，整車制造商更新電池信息；政府作為監管方介入，負責對上鏈過程的規范性進行監管，確保各環節的合規和透明。基于此溯源模式，本文以電池生產商、整車制造商和政府為研究對象，構建三方演化博弈模型。

1.2 模型假設

在區塊鏈溯源系統中以電池生產商、整車制造商和政府為研究對象，均為有限理性。對電池生產商而言，上鏈的信息在未來的回收流程中為其降低信息不對稱所帶來的風險，選擇上鏈獲得相應的利益。對于整車制造商，積極履行其回收責任可以提升整車制造商的品牌形象和市場信譽。政府通過向參與電池回收的企業征稅，從而獲得財政收入，并對整個系統中的上鏈行為實施監管。此外，對違規行為所征收的罰款也構成政府收入的一部分。鑒于前文所述情境，本研究制定了接下來的理論假設框架：

假設1：電池生產商和整車制造商的策略集合為[上鏈，不上鏈]。 x ， y 分別為電池生產商和整車制造商選擇“上鏈\"的概率； 1-x 和 1-y 分別為選擇信息不上鏈的概率，其中 x，y∈[0，1] 。政府的策略集合為[強監管，弱監管]，其中政府選擇“強監管”策略的概率為 z ，選擇“弱監管”的概率為 _1-z ，z∈[0，1] 。

假設2：電池生產商A和整車制造商B的基本收益分別為 R_A ， R_B 。假設區塊鏈溯源系統在初次上線時需要支付建設成本，不同企業的溯源信息復雜程度各不相同，所需的上線建設成本也存在差異[17-18]。電池生產商、整車制造商的上線建設成本分別記為 C_A ， C_B 。在區塊鏈系統建設完成后，各企業仍需支付固定的上鏈成本 。鑒于區塊鏈溯源系統具備不可篡改和高度可追溯的特性，顯著降低了電池回收流程中信息不對稱所帶來的風險。可以設定，當電池信息成功上鏈后，電池生產商，整車制造商能夠獲得的額外經濟收益分別表示為 b_A 和 b_B 。

假設3：在其上鏈過程中，不同的企業會根據其在區塊鏈溯源系統中的策略，選擇提交信息的完整度，這直接影響其在整個供應鏈中的角色定位和收益預期。所提供的電池信息的完整度設為θ_i∈（0，1]，i∈{A，B} ，其中信息的完整度 θ_i 與企業需承擔的成本正相關，即完整度越高，其相關成本包括收集、驗證和處理信息的費用也越高。這一關系可以用完整度成本函數 C（θ_i）=mθ_i+c+C_i， i∈{A，B} 來表示，其中 m 為每單位完整度增加所帶來的成本增量。信息完整度的提升增加了可溯源性，并增加了消費者的信任，并可能帶來額外的市場份額和收益。收益函數可以表示為 S（θ）=nθ_i+ b_i，i∈{A，B} ，其中 n 為單位完整度的收益系數，ngt;m 以保證企業有上鏈的動力。企業的目標是最大化其凈收益，即收益與成本之差 π（θ）=S（θ）- C（θ） 。企業將通過調整信息的完整度 θ_i 來平衡其額外的收益和成本。

假設4：在本模型中，我們考慮了市場互聯性，即各方的收益不僅取決于自身的策略選擇，還受到市場整體狀況的影響。市場整體狀況由所有對象的行為共同決定。引入負面交互效應系數 δ ，表示不上鏈的對象對其他對象收益的負面影響程度。本模型還考慮了政府如何通過稅收、監管等政策影響電動汽車動力電池回收溯源系統。政府通過設定稅率 s 從企業的區塊鏈上鏈行為中獲得稅收。同時，政府面臨著監管成本，包括固定成本 M 和與監管強度相關的變動成本 M_v 。在強監管的策略下， F_A 和 F_B 分別為電池生產商，整車制造商不上鏈時面臨的罰款[20]。作為動力電池源頭廠家，電池生產商的罰款會比整車制造商的多（F_Agt;F_B） 。此外，假設 F_Bgt;M_v ，即對整車制造商的罰款金額大于政府的強監管變動成本，從而促使政府采取更嚴格的監管政策。

1.3模型構建與均衡策略求解

本研究在此前問題闡述和假設提出的基礎上，構建了一個涵蓋電池生產商、整車制造商及政府的多方演化博弈框架，并設計了相應的支付矩陣（見表1）。該矩陣展示了不同策略組合下各方的收益情況。

根據表1，電池生產商選擇“上鏈”策略時的期望收益函數 E_x 為

電池生產商選擇“不上鏈\"策略時的期望收益函數E_1-x 為

整車制造商選擇\"上鏈\"策略時的期望收益函數 E_y 為

整車制造商選擇“不上鏈”策略時的期望收益函數E_1-y 為

政府選擇\"強監管\"策略時的期望收益函數 E_z 為

政府選擇\"弱監管\"策略時的期望收益函數 E_1-z 為

由式 （1）～ 式（6），得到區塊鏈溯源系統中各參與主體的復制動態方程組，如式（7～式（9）所示。電池生產商的復制動態方程為

整車制造商的復制動態方程為

表1區塊鏈溯源系統博弈支付矩陣

Tab.1 Gamepaymentmatrixofblockchaintraceabilitysystem

政府的復制動態方程為

2博弈系統均衡點的穩定性分析

由 F（x）=0，F（y）=0，F（z）=0 得到系統均衡點： E₁ （0，0，0）， E₂（1，0，0） ， E₃（0，1，0） ， E₄（0，0，1） ， E_s（1，0，1） ，E₆（1，1，0） （2 L₇（0，1，1） ，E₈（1，1，1） ，E₉（1-（1-s）（b₈+（n-m） （b_B+（n-m）θ_B））/δ，1-（F_A+（1-s）（b_A+（n-m）θ_A））/δ，1）

根據表2的特征值實部符號，我們可以確定系統的均衡點及其穩定性。當符合條件 ① F_A+（1-s）（b_A+ （n-m）θ_A）-δB+（1-s）（b_B+（n-m）θ_B）-δlt;0 時，復制動態系統存在兩個穩定點 E₄（0，0，1） ， E₆（1，1，0） 。此時， E₄（0，0，1） ， E₆（1，1，0） 為系統漸近穩定點（ESS）。

表明：在上述條件下，電池生產商、整車制造商和政府積極參與區塊鏈溯源系統的預期凈收益大于零。如果一方選擇不上鏈，另一方選擇上鏈將受到較大影響，而政府的懲罰力度較小時，根據三方策略選擇初始點的不同，策略組合演化穩定于（不上鏈，不上鏈，強監管）和（上鏈，上鏈，弱監管）兩個穩定點。在這種情況下，電池生產商與整車制造商之間存在共進退關系，即他們會選擇同時上鏈或者同時不上鏈。然而，在這種情境下，政府的監管顯得無效，無法有效約束企業的行為。因此，企業的決策將主要基于自身的收益和成本考量，而不是政府的監管力度。

為了避免出現（不上鏈，不上鏈，強監管）的情況，政府和企業可以采取一系列措施。首先，通過政策引導，提升電池生產商和整車制造商上鏈所獲得的經濟收益，例如提供稅收減免或補貼，提升上鏈的經濟吸引力。同時，通過技術創新和規模效應，降低區塊鏈上鏈的固定成本和信息完整度成本，使企業更愿意選擇上鏈。此外，建立企業間的合作機制，促進信息共享和互信，減少信息不對稱，提高整體上鏈的收益。

其次，提高對不上鏈行為的罰款金額，增加企業選擇不上鏈的機會成本，使不上鏈行為不再具有經濟優勢。同時，建立透明和有效的監管機制，確保政府的監管行為公平、公正、公開，增強企業對監管體系的信任和依賴。最后，鼓勵公眾和第三方機構參與監督，形成外部壓力，促使企業積極上鏈。

綜上所述，當電池生產商、整車制造商和政府在區塊鏈溯源系統中的凈收益預期為正且受到的懲罰較小時，系統的策略組合會趨于兩個穩定點。這一結論為政策制定者提供了重要參考，即在設計監管政策時，需考慮企業之間的策略互動以及政府監管的有效性，從而促進整個區塊鏈溯源系統的穩定運行。通過上述措施，可以有效提高企業上鏈的意愿，降低不上鏈行為的發生概率，從而實現區塊鏈溯源系統的穩定運行。

3 仿真分析

為驗證演化穩定性分析的有效性與廣泛性，我們使用MATLABR2024a和Python3.11進行數值仿真，在咨詢行業專家和相關企業技術人員后，結合行業實際情況和本文假設，對數據進行了處理，并對參數進行了初始設置。數組1設定如下： b_A=20 ，b_B=30 ， n=10 ， m=5 ， θ_A=0.6 ， θ_B=0.4 ， δ=60 ，F_A=30 ， F_B=25 ， s=0.1 ， M_v=20 。這些參數在滿足條件 ① 的情況下，提供了一個現實且合理的基礎。基于該數組，我們進一步分析了企業初始策略、信息完整度等主要參數對演化博弈過程和結果的影響，以更好地理解區塊鏈溯源系統在新能源動力電池回收中的實際應用效果。

表2區塊鏈溯源系統的均衡點穩定性分析

Tab.2Stabilityanalysisofequilibriumpointinblockchaintraceabilitysystem

3.1初始策略對系統穩定的仿真分析

圖1展示了在相關參數保持不變的情況下，電池生產商、整車制造商和政府三方初始策略概率的變化對最終演化結果穩定性的影響。可以看出，無論各主體的初始上鏈意愿如何，系統最終均趨于穩定狀態。當初始上鏈概率較高時（如 x₀，y₀，z₀=0.7 ），電池生產商和整車制造商的策略比例迅速收斂至1，呈現更強的系統驅動力，表明高初始意愿可以加快系統達成穩定狀態的速度，有助于建立更加完善的信息共享體系，提升供應鏈中的透明度和信任度。而當初始上鏈意愿較低時（如 x₀，y₀，z₀=0.1 ），電池生產商和整車制造商的上鏈概率均趨于零，表明在低初始意愿下，企業更傾向于不上鏈；與此同時，政府采取嚴格監管的概率逐漸收斂至1，以強化對未上鏈企業的監管。整體來看，提高電池生產商和整車制造商的初始上鏈意愿，不僅能促使企業更迅速地選擇上鏈策略，也反映了政府在前期推廣和激勵政策中的有效工作，這不僅推動了企業的主動參與，還使得政府能夠適時調整監管力度，從而實現系統的有效協作與穩定。

圖1初始策略的影響 Fig.1Impactof initial strategies

3.2信息完整度對穩定策略的仿真分析

在圖2和圖3中，展示了電池生產商和整車制造商在不同初始策略下（0.1，0.3，0.5，0.7），選擇不同信息完整度（ θ_A 和 θ_B ）的演化過程。電池生產商的信息完整度 θ_A 分別設為0.3，0.5，0.7和0.9；而整車制造商的信息完整度 θ_B 略低，分別為0.2，0.4，0.6和0.8。企業的初始策略選擇及其信息完整度的設定，對整體上鏈行為的演化進程和最終穩定狀態產生了明顯影響。

圖2電池生產商信息完整度的影響Fig.2 Impactofbatterymanufacturerinformation integrity

圖3整車制造商信息完整度的影響Fig.3 Impactofvehiclemanufacturerinformation integrity

仿真結果表明，較高的信息完整度有效提升了電池生產商和整車制造商選擇上鏈的概率，加快了系統策略的收斂速度，使得系統能夠更快地進入穩定狀態，從而形成溯源系統上鏈的良性循環。相反，較低的信息完整度則導致上鏈概率的增長緩慢，系統演化過程出現延遲，達到穩定狀態所需的時間更長，時間經歸一化處理，無量綱。這些結果進一步表明，在區塊鏈溯源系統中，不同企業的策略選擇與信息完整度之間存在密切關聯。提高初始信息完整度不僅有助于增強企業的上鏈意愿，加速系統的收斂過程，還能提升系統整體的效率和穩定性，為新能源動力電池提供更可靠的溯源能力。

3.3各參數對穩定策略的仿真分析

為了分析 （n，m） 變化對演化博弈過程及結果的影響，將 （n，m） 分別賦予（10，5），（20，10），（30，15）。復制動態方程組隨著時間演化的仿真結果如圖4所示。可以看出，在系統演化至穩定點的過程中，隨著 n 和 ?m 的差值的增加，電池生產商和整車制造商選擇上鏈的概率有所提升。這表明，單位信息完整度的收益增加或成本減少，都能有效加快企業上鏈的速度。在這種情況下，企業在區塊鏈上補全電池信息的意愿增強，以此獲得更高的經濟回報。與此同時，隨著企業上鏈概率的增加，政府選擇強監管的概率逐漸下降，表明在信息完整度收益顯著高于成本的情況下，企業的自律性得以增強，政府可以適度放松監管力度。

為了分析負面交互效應系數 δ 對演化博弈過程及結果的影響，將 δ 分別賦予 60，80，100 進行仿真。仿真結果如圖5所示。可以看出，隨著 δ 值的增加，電池生產商和整車制造商選擇上鏈的概率顯著下降，特別是在當 δ=100 時，企業幾乎完全放棄上鏈。這表明，較大的負面交互效應將顯著抑制企業的上鏈行為；因為 δ 的數值高，意味著不上鏈企業對上鏈企業的負面影響更為嚴重，導致企業對上鏈的經濟激勵減少。與此同時，政府的強監管概率隨著 δ 的增加而逐漸提高。當 δ 較大時，政府不得不加大監管力度，以彌補企業自律性下降所帶來的系統風險。總體而言，較高的負面交互效應迫使政府通過更強的監管來維持系統的穩定性，但也顯著降低了企業的上鏈積極性，可能導致系統運行效率的降低。因此，在政策設計中，應考慮降低負面交互效應，以激勵更多企業參與上鏈，并減少對政府強監管的依賴。

圖4單位信息完整度成本與收益的影響

圖5負面交互效應系數的影響

Fig.5Impact of negative interaction coefficient

為了探究不同罰款力度 F_A 和 F_B 對演化博弈的影響，將 （F_A，F_B ）分別設定為（20，15），（30，25），（40，35）進行仿真。仿真結果如圖6所示。圖中可以看出，隨著罰款力度的增加，電池生產商和整車制造商選擇上鏈的概率明顯提升。這表明，較高的罰款金額能夠有效促進企業遵守上鏈義務，以避免受到更大的經濟懲罰。此外，隨著罰款力度的增加，政府選擇強監管的概率呈現下降趨勢。高罰款力度提升了企業的自律性，使得政府不再需要通過強監管來確保企業上鏈，從而可以適當減少監管強度。這一結果表明，合理設計罰款政策，可以在提高企業合規性的同時，減輕政府的監管負擔，進而促進整個區塊鏈溯源系統的有效運行。

圖6政府對企業罰款額的影響

為了驗證增加上鏈收益對演化結果的影響，本文引入數組2，賦以參數： b_A=35 ， b_B=40 ， n=10 ，m=5 ， θ_A=0.6 ， θ_B=0.4 ， δ=60 ！ F_A=30 ， F_B=25 ，s=0.1 ， M_v=20 ，并將兩組數值分別從不同初始策略組合出發隨時間演化，結果如圖7，圖8所示。

圖7數組1演化結果Fig.7Evolution result of Array1

圖7表明，在滿足條件1的情況下，系統在演化后呈現出兩個演化穩定點（0，0，1）和（1，1，0）。即在新能源動力電池的區塊鏈溯源系統中，電池生產商、整車制造商、政府之間的策略組合分別為（不上鏈，不上鏈，強監管）和（上鏈，上鏈，弱監管）時，系統將趨向于穩定。這兩個演化穩定點表明，在不同外部性影響和內在激勵作用下，企業與政府在動力電池回收鏈條中的博弈可能收斂至不同的策略組合。因此，政府在制定監管政策時，需著重考慮區塊鏈技術在信息化建設中的關鍵作用，通過有效的激勵和懲罰措施，促使企業選擇上鏈，從而減少信息不對稱所引發的風險。

圖8數組2演化結果 Fig.8Evolutionresult ofArray2

如圖8所示，增加企業的上鏈收益后，策略組合更趨向于（上鏈，上鏈，弱監管）。仿真結果表明，通過有效的激勵措施，直接或間接增加企業的上鏈收益，可以實現最優的溯源方案，即企業自發選擇上鏈，而無需政府投入過多精力進行強監管，使系統更加穩定。仿真結果與理論分析一致，驗證了模型的有效性，并為區塊鏈技術在新能源領域的應用提供了實質性支持。

4結論

本文基于區塊鏈技術的新能源動力電池溯源系統，采用演化博弈模型對電池生產商、整車制造商和政府監管部門之間的策略互動進行了深人研究，探討了如何通過信息透明度提升、激勵機制優化和監管手段調整來提高回收體系的效率，得出以下結論。

1）提高企業自律性和信息完整度對于實現市場穩定和提升回收體系的運行效率具有重要意義。政策制定者應在設計激勵機制時，充分考慮信息完整度對企業決策的影響，以確保整個系統的長期穩定性和可持續性。

2）企業的上鏈行為受到信息完整度收益和上鏈成本的雙重影響。仿真分析表明，通過增加企業上鏈收益或減少上鏈成本，可以顯著提高企業參與上鏈的意愿，從而有效提升回收管理效率。

3）負面交互效應對企業的上鏈意愿存在顯著影響。較高的負面交互效應往往會對企業選擇上鏈行為產生阻礙，從而增加政府的監管壓力。因此，通過有效減少負面交互效應并采用相應的激勵措施以提高企業的上鏈收益，可以有效推動企業積極參與回收管理。

4）政府的監管策略對系統的穩定性有重要影響。強監管和高罰款力度可以有效遏制企業的不規范行為，但也會增加監管成本。合理設計激勵與罰款政策，可以在提高企業合規性的同時降低政府的監管負擔，促進系統的高效運作。

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通信作者：李卓群（1976一），女，教授，博士，研究方向為供應鏈系統建模與仿真。E-mail：1901@ecjtu.edu.cn。

（責任編輯：姜紅貴）