基于博弈论的物联网环境中信息共享问题研究

刘 影 范 鹏

(1,2.南京邮电大学管理学院 江苏 南京 210046)



基于博弈论的物联网环境中信息共享问题研究

刘 影1范 鹏2

(1,2.南京邮电大学管理学院 江苏 南京 210046)

物联网作为新的生活形态其先进性和巨大的应用潜力已经得到全社会的广泛认可。但其巨大网络价值的发挥还存在很多需要解决的问题。本文系统地分析了信息共享在物联网应用中的价值，利用博弈分析的方法对三种最基本的物联网信息共享情景中参与者之间的利益关系进行分析，并基于此设计出相应的有利于物联网信息共享的激励机制。

物联网；信息共享；静态博弈；激励机制

物联网被认为是继互联网之后人类生活形态的又一次重大变革，是科技创新和产业升级的重要驱动力。对于提高人民生活水平、促进国民经济发展都起到非常重要的作用。2014年是物联网大跃进式发展的一年，从2014年1月14日Google宣布收购 Nest 这一标志性事件开始，全球范围内物联网应用的投资开始提速。2014年12月14日，代表互联网的小米和代表传统家居的美的宣布将在智能家居领域进行深度合作，这也昭示着我国物联网应用范围的进一步扩展。但在物联网快速发展的同时也遇到了瓶颈。应用的碎片化现象比较严重，没有真正发挥网络化优势。本文将剖析物联网应用的基本信息处理时序图，并基于物联网的体系架构对物联网应用的信息共享问题进行分析，对物联网应用中各参与者之间的关系进行博弈分析，并基于上述分析提出促进各参与者开展信息共享的激励机制。

一、物联网环境中信息共享的需求分析

根据国际电信联盟(ITU)2005年互联网年度报告中所描述，物联网(Internet of Things ,IOT)是通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网在互联网基础之上发展起来，但却不是互联网概念、技术、应用的简单扩展。通过广泛分布的感应终端，物联网将计算机“植入”到所有事物中，不但能够自动获取数据，而且将虚拟与现实结合在一起，形成了一个将信息世界与物理世界相融合的可反馈、可控制的“闭环”系统。物联网通过对信息的全面感知、可靠传输以及智能处理最终实现人与物之间、物与物之间的沟通，使得“感知”、“互联”和“智能”三者有机的融合。

(一)物联网的信息处理和体系架构分析

物联网的应用领域覆盖国民经济和社会生活的方方面面。尽管其应用形式多种多样，但其基本的工作原理可以概括为：通过具有信息识别功能的感知设备对全球范围内各种物理实体的信息进行识别和采集，然后借助信息传输技术通过传输设备将信息汇聚到信息处理系统，由大型计算机群智能化处理，将有用的信息以及操作命令等反馈到各物体，实现对现实世界的自动化控制和管理。物联网基本应用的信息处理时序图如图1所示。借助于信息传感技术通过互联网的人与人之间的互动延伸到物与物之间的互动,将互联网在虚拟世界交互延伸到现实世界的实物互动，达到全方位多角度的信息交融。

图1 物联网中信息处理时序图

图2 物联网体系架构图

可以实现上述物联网基本功能的体系架构可以概括为：实现信息识别和采集的感知层、实现数据双向传输的网络层以及实现信息处理的应用层(如图2所示)。感知层有二维码识读设备、射频识别设备、红外感应设备、全球定位系统和激光扫描设备等信息传感设备，实现对物体的感知识别；网络层通过通信网与互联网的融合网络实现对数据的双向传输；应用层与各行业需求相结合，通过云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的智能化管理。

(二)物联网环境中信息共享的必要性

“万维网之父”蒂姆·伯纳斯-李(Tim Berners-Lee)在展望未来互联网时强调其主要特征之一是“数据整合”，[1]即在相应的网络标准格式下实现整个网络数据互联互通、开放共享。物联网将全世界的物体拟人化，借助各种信息识别技术和传感网络实现物体的自动识别、跨主体间的互联共享，是网络平台、应用技术以及服务信息的优化整合与协同。从物联网的现有技术和制度条件来看，任何一项单独的技术或者应用系统，当处于封闭的孤岛状态时，由于单独系统内信息交换市场发展不充分，在信息的需求方和供给方之间，缺乏填补他们之间鸿沟的技术条件和制度条件，将无法实现网络的优化整合和协同，信息的价值将会被严重降低。

通过对物联网基本应用的信息处理时序分析，围绕着特定行业应用可以实施信息共享。如在感知设备对象和传输设备内部对象之间信息也可以实现信息共享，有利于提高信息同步协同，降低“牛鞭效应”的影响。通过物联网体系架构的分析，在某一层级内的各参与企业之间可以实施信息共享。如在物联网感知层，各信息识别感知的企业可以共享信息，提高信息识别感知的效率，提升所感知信息的使用率，减少感知设备的重复建设。通过在某一层级内的信息横向共享、在某一特定行业应用中的纵向信息共享，最终将实现物联网中“横向到边，纵向到底”的信息共享。可以突破不同系统之间、不同行业应用之间的信息交换壁垒，实现各种关联信息的有效协同，使信息价值获得重构，促进不同行业和社会系统的价值创新和重组。

以全面感知、可靠传递、智能处理为特征的物联网，通过信息协同共享可为个人、家庭、企业、社会组织提供个性化、一体化、泛在化、智能化的物联网聚合服务市场，可以突破增长瓶颈，成为行业创新收入增长点的新形态。所以，在物联网环境中有效地开展信息协同共享具有十分深远的意义和巨大价值。

(三)物联网环境中信息共享的现状

1.物联网信息共享的应用现状

在三层的物联网体系架构中，信息共享主要体现在获取信息的信息感知层和负责信息传输的网络层。

在感知层。当前我国信息采集机构广泛分布在政府等职能部门、高校等科研机构以及市场调查公司、数据公司等企业中。这些部门、机构和企业都是基于自身对信息的需求定义信息规范，构建信息采集设施，独享信息。 “大而全”或“小而全”的建设特征以及硬件设施重复建设，采集工作重复等现象非常普遍。不同渠道所获得的信息资源缺少统一的标准，有价值的信息资源低效率使用等问题很严重。目前针对于上述实施信息采集的主体之间的信息协同共享组织几乎没有。

在网络层。网络层的共享协同主要体现在信息传输上的协同共享。目前我国物联网应用中，除了部分具有一定实力的公司围绕着自身的核心业务，铺设了专门的信息传输网络之外，其他信息传输业务主要有三大运营商来承担。但不论是独立的企业还是三大运营是，普遍存在传输网络重复建设现象。于2014年更名成立的铁塔公司其成立的初衷即是为了解决上述的难题，但实际的运营效果却与预期相差遥远。

形成感知层和网络层信息共享举步维艰的主要原因在于共享各方之间的利益协调问题。

2.物联网信息共享的研究现状

胥斌[2]分析物联网相关技术，并结合城市公务物联网建设需求，提出了一种基于物联网的IIEDNS数据共享平台。陈坚强[3]对如何构建以物联网中间件为中心的物联网基础共享平台做了研究。刘明辉[4]等针对物联网应用领域数据分散管理、信息共享程度不高等问题，提出了一种基于共享空间的数据共享模式，构建了面向服务的物联网信息共享平台参考模型；贺超[5]等通过对闭环供应链信息共享的内涵、载体和组织的分析，从信息共享的动力和供应链上下游信息共享体系两个层次研究基于物联网技术的闭环供应链信息共享体系构建。饶培俊[6]和胡雪琪[7]分别对如何弱化物联网供应链共享系统牛鞭效应进行了定量分析。笪林梅[8]基于物联网共享空间数据特征构建了面向服务的物联网信息共享平台。赵道致[9]等对考虑时间影响条件下的物联网环境中供应链数据共享策略进行了研究。李守林[10]等运用博弈思想，对物联网中信息共享给企业带来的效益以及激励机制方面做了研究。

从上述公开发表的关于物联网环境中信息共享研究的主要文献资料中可以看出，对于物联网环境中信息共享的研究以技术方面研究或是围绕着供应链展开的居多，而以信息共享各参与方之间利益关系的博弈关系视角进行分析的几乎没有。而在信息共享过程中，共享各参与方之间的利益博弈是影响共享效果的内因。所以，通过博弈的视角对物联网环境中信息共享问题进行深入的研究具有重要价值。

二、物联网环境中企业间信息共享的博弈分析

我们将引入企业信息共享的成本收益函数，对物联网环境中拥有可共享信息的企业进行信息共享的博弈分析。假设物联网环境中每一个企业都是经济企业(借鉴“经济人”的假设，所谓“经济企业”即假定企业是具有完全理性的，任何决策和行动的目的都是为了实现自身利益最大化)，完全从自身收益出发进行信息共享决策。物联网环境中一个信息企业(称物联网环境中拥有信息资源的企业为信息企业)共享给其他企业的信息量为，该企业从其他信息企业处共享来的信息量为。假设企业间为其他企业共享信息的单位成本为c,从其他企业共享来信息的单位收益是a，a和c均是大于零的常数,则该企业实施信息共享后的最终收益为A(m,n)=ma-mc。

(一)完全信息状态下两个企业之间的静态信息共享博弈

假设物联网环境中信息企业Ⅰ和信息企业Ⅱ进行信息共享博弈。企业Ⅰ共享给企业Ⅱ的信息量为n从企业Ⅱ处共享来的信息量为m则，企业Ⅱ共享给企业Ⅰ的信息量为m，从企业Ⅰ处共享来的信息量为n。假设企业间为其他企业共享信息的单位成本为c,从其他企业共享来信息的单位收益是a。可知，实施信息共享后两个企业的收益分别为：AⅠ=ma-nc,AⅡ=na-mc两个企业之间的信息共享博弈效用矩阵如图3所示。在这样的效用水平下该博弈存在一个纳什均衡解(不共享，不共享)即信息企业Ⅰ和信息企业Ⅱ都会选择不进行信息共享，形成囚徒困境。

图3 企业信息共享的完全信息静态博弈矩阵

得出结论：作为完全理性的经济企业，当没有任何其他因素影响的情况下，企业之间不会进行信息共享。形成囚徒困境的局面。

(二)引入激励因素后的静态博弈

很显然上述的结果对于整个市场来说是低效用的。为了打破囚徒困境的僵局，市场可以给予适当的激励，鼓励信息企业进行适当的信息共享。引入激励函数I(n)=θn，其中n为企业共享出来的信息量，为每单位共享信息所获得的激励。保持上述完全信息状态下静态信息共享博弈假设常量不变。得到此时实施信息共享后企业Ⅰ的效用AⅠ=ma-nc+θn，即AⅠ=ma+n(θ-c)；同理企业Ⅱ的效用AⅡ=na+m(θ-c)。此时两个企业之间的信息共享博弈效用矩阵如图4所示：

图4 激励条件下企业信息共享的完全信息静态博弈矩阵

当(θ-c)≤0，即θ≤0时，两企业博弈的均衡解为(不共享，不共享)又出现囚徒困境。很显然此时的激励措施未起到实质作用。

当(θ-c)≥0，即θ≥0时，此时两企业博弈的均衡解为(共享，共享)，实现了激励预期。

得出结论：当给予企业的共享信息激励可以补贴其共享信息所支付的成本时，企业将实施信息共享。

(三)引入信息体量因素后的静态博弈

现实的物联网环境中，各从业企业规模差异巨大。拥有巨大信息体量(称物联网从业企业所拥有的信息量为信息体量)的信息企业和拥有较小信息体量的信息企业之间的共享博弈经常发生。体量的大小对共享双方的决策产生直接影响。对于信息体量巨大信息企业，由于受到网络聚集效应的影响，其信息量还将继续呈几何级数增长，分享出的信息量占其信息总量的比重较小。而且由于其自身技术实力强大，其共享信息的边际成本也较小甚至可以忽略不计。这些现实情况将直接影响信息企业的博弈决策。下面我们将分析不同体量企业之间的信息共享博弈。

假设信息企业Ⅰ和信息企业Ⅱ两者提供给对方的共享信息量分别为n和m，且n≥m。基于上述的现实情况，企业Ⅰ共享信息单位成本为cⅠ，且cⅠ≈0。设企业Ⅱ的共享信息单位成本为cⅡ。设信息企业共享来的信息单位收益为α，共享出信息所获的单位激励为θ。则两个企业之间的完全信息静态博弈矩阵如图5所示。

图5 激励条件下引入体量因素的静态博弈矩阵

因为n≥m，cⅠ≈0，则图5将近似地变为如图6所示的博弈矩阵。

图6 激励条件下引入信息体量因素的静态博弈矩阵

很显然，此时两企业之间的博弈处于近似于“智猪博弈”状态。大型信息企业Ⅰ的唯一占优策略是共享信息，而对于小型信息企业Ⅱ，其占优策略取决于所提供的激励条件是否可以弥补其共享成本。作为一个经济企业，当所提供的激励可以弥补共享成本的时候，信息企业Ⅱ会选择共享信息；当所提供的激励不能弥补共享成本的时候，信息企业Ⅱ会选择不共享信息。而现实的情况是，很多小型企业，考虑到信息共享可能造成的风险以及自身的条件限制，都会选择不共享信息的策略。这样两个企业之间的信息共享博弈就完全是“智猪博弈”的局面，即大型信息企业共享信息，小型信息企业“搭便车”。

得出结论：当给予企业共享信息激励的时候，两个信息体量差别巨大的信息企业之间，大型信息企业进行信息共享，而小型信息企业“搭便车”。形成“智猪博弈”的局面。

通过上述两种引入信息共享激励的博弈分析，我们可以看出，当两个信息体量相似的信息企业进行信息共享博弈的时候，因为彼此都可以从对方所共享的信息中获益，所以只要给予一些共享激励，两个信息企业就会进行信息共享；而当两个信息体量差异巨大的信息企业进行信息共享博弈时，大型信息企业的共享动机完全取决于所给予的共享激励，和小型信息企业之间的信息共享状态是不稳定的。这样的结论也验证了现实物联网环境中，两个规模相似的企业之间信息共享关系较易实现，而两个规模差异巨大的信息企业之间信息共享关系难以维系。

三、物联网环境中企业间信息共享的激励机制

通过以上分析我们可以得出，物联网环境中不同规模信息企业之间信息共享的积极性较低，影响信息资源共享的效率。为了实现网络世界“人人享有自由平等利用信息资源的权利”，真正发挥物联网的网络效用，需要采取有效措施促进企业间，尤其是不同规模信息企业之间的信息共享。

(一)经济学中激励机制的解释

法国经济学家让·雅克·拉丰在其激励理论中指出：激励即是机制设计者(委托人)促使具有私人信息的代理人从自身利益出发采取行动并符合委托人的目标要求。激励是有成本的，如果激励不足就会遭受信息不准确而带来的损失，如果激励过度就会因过高的代价获得价值不等的信息。委托人设计机制的目的是实现自身期望效用的最大化，要实现这一目的，就要面临两个条件：第一,如果让一个理性的代理人有兴趣接受委托人设计的机制，代理人在该机制下得到的期望效用必须不小于他在未接受这个机制时得到的最大期望效用；第二，在给定委托人不知道代理人私人信息的情况下，代理人在所设计的机制下必须积极地选择委托人希望他选择的行动。显然,只有满足第一个条件时，代理人才有积极性选择委托人希望他选择的行动。

(二)实现信息企业合作的激励机制设计

通过以上对激励机制的经济学解释,我们可以这样理解：宏观的物联网市场环境相当于委托人,它所要实现的期望效用最大化就是信息资源高效协同共享,而各信息企业即为代理人。这个市场环境需要建立适当的激励机制，以实现不同规模信息企业之间的信息资源共享。

1.一种新型的信息资源共享模式

确定委托人代表，接受各代理人的委托并对不同来源的信息进行集成。委托人代表作为各代理人之间的纽带，是物联网环境下各代理人之间的信息供给和信息需求请求和响应的中介，具有制定共享激励机制的职能。以委托人代表为中心的集中分布式信息共享模式预期可以实现有效率的协调和配置共享信息。

2.信息共享激励机制设计

为了激励各代理人有积极性选择委托人代表所希望代理人选择的行动，需要满足代理人在该机制下得到的期望效用不小于他在未接受这个机制时得到的最大期望效用。也就是让代理人，即信息企业，共享信息的期望大于不共享信息的期望。

可以从以下几个方面考虑制定激励机制：

(1)企业信誉打分机制。委托人可以给每个注册的信息提供企业和信息使用企业以及每条共享信息都进行打分。每个注册企业拥有一个基本分，当上传共享信息时，共享代理管理者给该企业信誉度打分，同时根据共享信息的质量给信息打分。对共享信息使用者而言，也有信誉度要求，信誉度太低的企业不能下载到理想的共享信息，因此为了下载更多的信息，企业必须上传信息，提高之间的信誉度，或者通过缴费的方式获得共享信息。

(2)企业参与度激励机制。委托人对每个注册企业进行积分管理，对其提供的共享信息打分。企业每次对所使用共享信息进行评价，也可以获得一定的积分，这样不但可以将共享信息的质量交给企业评价，而且通过这种方式，企业可以提高自己的积分，可以下载到更多的共享信息。

(3)共享信息质量奖罚机制。为了鼓励更多的企业参与信息共享，委托人可以根据企业对信息的使用以及评价情况，判断出高质量的共享信息，并对高质量共享信息提供企业给予较高的积分。这样可以从一定程度上促进了更多的企业共享高质量的信息；另一方面，如果企业共享的信息存在弄虚作假情况，则对提供该信息的企业扣减相应的积分，情节严重的可以对该企业采取更加严厉的惩罚措施。这样的奖罚并举的措施，一方面可以激励更多的企业共享优质信息，同时可以惩罚破坏信息共享环境的不良企业，从而保障了物联网环境汇中企业之间信息共享持续有效地开展。

3.其他辅助措施

宏观物联网市场除了需要承担委托人的职责，还可以通过以下辅助措施，进一步促进信息企业间信息共享的实施：

(1)提升全社会的共享意识。通过媒体大力宣传信息共享的社会价值,倡导共享精神。鼓励信息企业积极探索多种途径的共享活动，积极推广信息共享经验。使得信息资源共享的理念成为全社会的共识, 逐渐实现全社会信息资源的高水平共享,有效发挥物联网平台的高效网络价值。

(2)协助信息企业实施信息共享。从技术层面确保信息共享的顺利进行。通过在物联网中信息传输各层级信息中心之间建立交换和通信机制, 实现信息的高速共享。充分发挥各中心的服务职能,满足各层级信息企业对信息资源的需求。帮助信息企业降低共享成本，开展高效信息共享。

物联网环境中信息企业之间的信息共享是一项意义重大的工作。在实施开展过程中将会遇到来自技术、机制等多方面的难题。通过上述的分析，我们知道采取适当的激励措施，即使作为物联网环境中的经济信息企业，也会有动力开展信息共享工作。而现实中，企业不但考虑自身的利益，还应该承担一定的社会责任，更应积极开展信息共享工作。物联网环境中企业间的信息共享问题是一项庞大的系统工程，需要在实践中不断总结经验循序渐进地开展。

[1]孙亦祥.基于信息共享的网络舆情信息工作机制建构[J].情报科学,2015,33.

[2]胥斌.基于物联网的信息共享平台设计[D].北京:北京邮电大学,2010.

[3]陈坚强.面向服务的物联网基础共享平台[D].广州:广东工业大学,2012.

[4]刘明辉.面向服务的物联网共享技术研究[J].硅谷,2012,(08).

[5]贺超.基于物联网的闭环供应链信息共享路径研究[J].北京交通大学学报,2013,(12).

[6]饶培俊.基于物联网的信息共享对牛鞭效应的弱化影响[J].知识经济,2014,(01).

[7]胡雪琪.基于物联网技术的供应链信息共享[J].理论探讨,2014,(10).

[8]笪林梅.物联网环境下的信息共享机制研究[J].应用研究,2014,(3).

[9]赵道致.物联网环境下考虑时间影响的供应链数据共享策略研究[J].西北工业大学学报,2014,(6).

[10]李守林.基于物联网的智能空间信息共享利益模型研究[J].湖南社会科学,2015,(2).

(责任编辑：辉 龙)

该成果是工业和信息化部软科学项目《通信业发展物联网的壁垒、路径及政策研究》(课题编号2013-R-55)阶段性成果。

2015-09-05

刘影(1979-)，女，辽宁鞍山人，硕士研究生，南京邮电大学管理学院讲师，研究方向为信息系统与信息管理、服务管理、网络通信。范鹏(1950-)，男，江西高安人，南京邮电大学管理学院教授、硕士生导师，研究方向为产业经济、企业管理、网络通信。

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1672-1071(2015)05-0020-06