基于演化博弈的政府推动绿色港口建设对策

鲁渤，王辉坡

（大连大学a.国际学院；b.经济管理学院，辽宁大连116622）

●理论·实务

基于演化博弈的政府推动绿色港口建设对策

鲁渤a，王辉坡b

（大连大学a.国际学院；b.经济管理学院，辽宁大连116622）

现有研究表明由于航运业使用了大量的化石能源，已经成为港口城市空气污染最重要的来源。但是在利润最大化的驱动下，有限理性的港口企业不会自主选择绿色港口发展模式。因此，政府必须通过适当的机制设计促进港口企业进行绿色港口建设。基于这一目的，文章构建了由政府、港口企业参与的演化博弈模型，并在模型中参数化港口城市居民的行为，基于均衡分析的结果设计政府促进绿色港口建设的方式。模型的结论显示：目前的政府介入形式不是最优的选择，通过立法赋予民众监督权，对民众进行环保教育以及鼓励加快绿色港口技术的发展可以起到比政府直接介入更好的效果，即达成政府不检查而港口企业采用绿色生产模式的纳什均衡。

绿色港口；演化博弈；互动机制

一、引言

“绿色发展”已经成为我国的基本国策［1-3］。交通运输是国民经济和社会发展的基础性、先导性和服务性行业，也是国家节能减排和应对气候变化的重点领域之一［4］。航运业使用了大量的化石能源，这些能源中柴油颗粒物（PM）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）的含量极高，是港口城市空气污染的一个重要来源，对城市居民的身体健康产生非常严重的伤害［5-6］。2014年自然资源保护协会（NRDC）发布了《中国船舶和港口空气污染防治白皮书》，数据显示船舶和港口对城市环境的影响远远超出人们的想象。例如：“船用燃料油的含硫量是车用柴油的100至3 500倍”；“一艘中型到大型集装箱船使用含硫量为35 000 ppm（3.5%）的船用燃料油，并以最大功率的70%行驶时，则其一天排放的PM2.5总量最多相当于我国50万辆国IV货车同一天的排放量”；“约70%的远洋船废气排放于距离海岸线400公里内的海域，而且船舶废气可飘散至较远的内陆地区”；“根据香港环境保护署的数据，2012年船舶是全市PM10、NOx和二氧化硫的最大排放源，在全市排放总量中分别占37%、32%和50%”；“上海市环境监测中心的研究结果显示，船舶排放已成为上海主要大气污染来源之一，SO2、NOx及PM2.5的排放分担率分别占到了12.4%、11.6%及5.6%”［7］。上述研究表明建设绿色港口已经成为关系港口所在城市经济社会可持续发展和居民健康生活的重大问题。

另外，从港口自身发展的角度来看，按照联合国贸易发展委员会（UNCTAD）的标准，目前港口的发展经历了第Ⅰ-Ⅳ代。分别是作为运输中心的第Ⅰ代港口，作为装卸和服务中心的第Ⅱ代港口，作为国际物流中心的第Ⅲ代港口和作为整合性供应链中心的第Ⅳ代港口［8-9］。随着经济社会的发展，第Ⅴ代港口的发展模式已经呼之欲出，无论从任何一个角度看，绿色低碳一定是第Ⅴ代港口的重要主题之一。所以本文研究政府促进港口绿色建设的对策具有重要的现实意义。

近年来绿色港口越来越受到学术界的重视。从国内来看对绿色港口的研究主要分为如下几个方面：①资政建议类的研究，这类研究以我国绿色生态型港口的发展现状和发展对策研究为主，陈书雪（2016）和邵超峰（2008）等分别对绿色港口和生态港口的发展现状进行了研究并提出对策建议［10-11］；②绿色生态港口评价指标和评价模型的研究，凌强（2010）、王丹丹（2011）和瞿群臻（2013）分别研究了绿色港口的评价问题［12-14］；③国外绿色生态港口建设经验的介绍，吕航（2005）、郭保春（2006）和卢勇（2009）分别对美国和澳大利亚的绿色港口实践经验进行了介绍［15-17］；（4）从港口效率的角度侧面反映绿色港口建设，金汉信等（2009）、沈金生等（2014）、司增绰（2015）、赵楠（2016）都通过研究港口效率提出了港口生态、绿色、低碳发展的问题［18-21］。

从国际上来看，学术界对绿色港口的研究经历了从污染源控制到强调经济、社会、环境相互协调的过程。Psaraftis H N et.al.（2010）认为为了减少污染排放，通常有三种方法可供选择：清洁生产技术的采用、基于市场的规制、生产运营的优化［22］。但是这些措施在改善环境的同时，必然会影响港口的经济效益。Acciaro M et.al.（2014）认为促进环境的可持续发展涉及港口管理者、政策制定者、港口使用者和当地社区的利益主体，成功的创新必须考虑上述主体的利益，基于此提出了一个考虑上述主体的创新框架［23］。沿着这一思路，本论文研究的焦点是政府作为城市管理者应该采取何种策略促进港口的绿色发展，同时需要考虑居民的行为。

另一个和本论文密切相关的研究领域是绿色概念下的城港互动研究。罗萍（2006）认为港城关系大致可以分为四个阶段：港城初始联系阶段、港城相互联系阶段、港城集聚扩散效应阶段、城市自增长效应发展阶段［24］。具体研究主要分为如下几个方面：①港口发展和地区经济发展的关系，例如：Deng P et.al.（2013）认为从物流的角度看，港口发展对经济发展有积极作用［25］；②港口与城市的协调发展，例如：张馨（2014）认为从绿色发展的角度来看，港口在促进城市经济发展的同时还和城市发展存在冲突，一方面表现为对沿海资源的争夺，另一方面表现为对城市环境的污染［26］；③港口基础设施建设和港口城市经济之间的关系研究，例如：司增绰（2015）研究了港口基础设施与港口城市经济互动发展的情况，结果表明，港口城市经济与港口基础设施之间存在着很强的关联性［20］。

但是，总体来讲，这些研究还存在不足。主要表现为：①虽然绿色发展的理念已经成为社会共识，但是对于有限理性的政府尤其是地方政府并不一定能够坚定不移地推行绿色港口政策，这主要受制于政府利益最大化和执政者的业绩压力；②港口企业在利润最大化的指引下很难自愿做出发展绿色港口的决策；③港口城市居民是港口污染的直接受害者，而现有的研究并没有考虑居民参与绿色港口建设的途径和方法。

二、模型构建

（一）研究思路和设计

虽然绿色发展已经上升为国家战略，得到了国家最高领导层的认可。但是具体的政策制定和执行部门是有限理性的，它们基于自身的利益最大化或者执政者业绩最大化考虑时，制定严格的绿色发展政策并不一定是其最优选择。而且，政策制定的越严格、执行力度越大则执行成本越高。对于政府来讲，最佳的状态是政府不检查，而港口企业自愿采取绿色生产模式。但这是不容易达到的。而港口企业也是有限理性的，采用新的绿色环保技术以及采取防止污染的措施将是一大笔支出，而且运营成本短期内可能比传统生产模式要高，这导致政府不介入的话，港口企业没有意愿主动采取绿色生产模式。即使将来可能被淘汰出局，港口企业主动转型的动机也不强。在有限理性假设下，对于城市居民来讲，影响其运输方式选择的主要是价格，如果传统港口的运费低于绿色港口的运费，他们就会选择传统港口，并不会考虑港口环境污染对自身身体健康的影响。

因此本文的研究思路设计如下：①政府必须介入绿色港口建设，但是介入的目的是以尽量低的介入程度，引导港口企业自愿选择绿色生产模式，以便于将来政府退出后，企业仍然按照绿色模式进行生产。②政府采取对绿色港口进行奖励而对传统港口进行惩罚的方式介入。③针对港口居民政府可以采取两种措施。一方面，对港口居民进行绿色文化教育，提高居民的环保意识，影响其对运输方式的选择；另一方面，通过立法赋予居民监督权，这样可以降低政府的执法成本。

由此可见，本文要建立的模型是一个由政府和港口企业两个参与人的演化博弈模型。政府的策略是检查或者不检查，港口企业的策略是绿色生产模式或者传统生产模式。政府介入的具体策略和居民的行为对博弈模型的参数有影响，进而影响模型的均衡。

（二）模型的基本假设

1.政府的介入方式

政府制定绿色港口的标准。简化为sˉ吨污染物排放/TEU。港口企业污染物排放超过标准将面临处罚，处罚强度为δ，污染物排放低于标准将受到政府奖励，奖励强度为γ，同时假设港口企业的年产量为Y。政府出于降低执法成本的考虑，不能对所有港口企业的所有生产行为进行检查，所以不能发现所有的违法行为，只能以概率x（0≤x≤1）发现违法行为。这一概率是政府的监管成本c的增函数，即x=f()

c。如果政府发现违法行为的概率过低，则由于环境污染加剧，政府必须支付环境治理的成本，假设为cˉ。此外，地方政府的执政者还有业绩要求，比如对地方经济发展速度的要求，对居民就业的要求等。这些统一归为政府的经济绩效。假设π1为港口绿色发展时政府的经济绩效；π2为港口传统发展时，政府的经济绩效。一般来讲，由于环境对经济发展的制约，在短期内π1≤π2。

2.港口企业的行为

对于港口企业来讲，由于有限理性，其基于自身利益最大化的考虑是不会主动采取绿色生产模式的。但是随着政府的介入，将会有一部分港口企业选择绿色生产模式。同时由于政府不能发现所有的违法行为，所以港口企业将以概率y（0≤y≤1）选择绿色发展的道路。假设在传统港口中单位TEU的利润为r。采用绿色发展的收益为r+Δ。其中Δ表示由于采取绿色发展道路，每单位TEU的额外收益α减去额外成本β，即Δ=α-β。Δ可能大于0，也可能小于0，取决于绿色港口技术和商业环境。显然，政府的执法力度越大，港口企业选择绿色生产模式的概率y越高，但同时政府的执法成本也会增加。

3.港口城市的居民

对于居民来讲，其行为对模型的影响主要体现在两个方面。一方面，举报行为将会使政府在相同监管成本下提高对违法行为的发现概率，即将会影响函数x=f(c)的形式；另一方面，居民的环保意识的增强，主动采用绿色产品，将改善绿色港口发展的商业环境，提高每单位TEU的额外收益α。

据此，本文可以得到政府和港口企业博弈的收益矩阵见表1所列。

表1 政府和港口企业博弈的收益矩阵

（三）模型建立

设地方政府检查的概率为x，不检查的概率为1-x；港口企业采取绿色生产模式的概率为y，采取传统生产模式的概率为1-y。则政府不同策略的期望收益和整体期望收益为：U11、U12、Uˉ1。

政府所选策略的复制动态方程为：

港口企业不同策略的期望收益和整体期望收益为：U21、U22、Uˉ2。

港口企业所选策略的复制动态方程为：

令政府所选策略的复制动态方程F(x)=0，则x∗=0和x∗=1是两个可能的稳定状态点。求F(x)的一阶导数得：

根据微分方程的稳定性定理，当x∗满足F′(x∗)＜0，x∗为演化稳定策略。因为：

（1）当y=y∗时，无论x取何值，F(x)=0均成立，即对政府来讲两种策略是无差异的。

（2）当(sh-sˉ)δT＜c时，y∗＜0。因为企业的任何选择y∈[0,1]。所以恒有y＞y∗。F′(0)＜0，F′(1)＞0。所

三、模型的求解和分析

（一）政府的演化稳定分析以x∗=0是政府的演化稳定策略。即当政府对违法排放污染物的港口的罚款额小于政府检查的成本时，经过多次博弈后政府将放弃对港口企业的监管。分析不等式(sh-sˉ)δT＜c的左侧，有三个部分组成，分别是sh-sˉ，δ和T，因此在每次监管成本一定的条件下，当港口企业处于违法临界或者政府制定的惩罚力度很低或者企业处于停产临界时，政府将放弃对企业的监管。

（3）当(sh-sˉ)δT＞c时，0＜y∗＜1。此时需要分情况进行讨论。

当y＞y∗时，F′(0)＜0，F′(1)＞0，所以x∗=0是政府的演化稳定策略。即当港口企业选择绿色生产模式的概率大于y∗时，政府将逐渐放松监管，最终放弃监管。

当y＜y∗时，F′(0)＞0，F′(1)＜0，所以x∗=1是政府的演化稳定策略。即当港口企业选择绿色生产模式的概率小于y∗时，政府将逐渐加强监管，最终将对每一个港口企业的生产行为进行监管。但是注意到政府的监管成本c是监管概率x的增函数，如果成本增加过快将会导致分析2的出现，从而导致政府放弃监管。

（二）港口企业的演化稳定分析

令港口企业所选策略的复制动态方程F(y)=0，则y∗=0和y∗=1是两个可能的稳定状态点。求F(y)的一阶导数得：

根据微分方程的稳定性定理，当y∗满足F′(y∗)＜0，y∗为演化稳定策略。因为：

（1）当x=x∗时，无论y取何值，F(y)=0均成立，即对港口企业来讲两种策略是无差异的。

（2）当Δ＞0时，x∗＜0，因为政府的选择x∈[0,1]，所以恒有x＞x∗，F′(0)＞0，F′(1)＜0。所以y∗=1是港口

令A、B、C、D、E分别代表x=0，y=0；x=0，y=1；x=1，y=1；x=1，y=0；x=x∗，y=y∗，当0＜x∗＜1，0＜y∗＜1企业的演化稳定策略。即当选择绿色生产模式，每单位产出的额外收益超过额外成本时，即α＞β时，选择绿色生产模式是港口企业的一个演化稳定均衡。

（3）当-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]＜Δ＜0时,0＜x∗＜1。此时需要分情况进行讨论。

当x＞x∗时，F′(0)＞0，F′(1)＜0，所以y∗=1是港口企业的演化稳定策略。即当政府以大于x∗的概率检查港口企业的生产行为，并处于单位产量(sˉ-sl)γ的奖励或者(sh-sˉ)δ的处罚时。由于从传统生产转向绿色生产增加的单位成本小于可能的处罚额，所以经过多轮博弈，港口企业将选择采用绿色生产模式。

当x＜x∗时，F′(0)＜0，F′(1)＞0，所以y∗=0是港口企业的演化稳定策略。即当政府以小于x∗的概率检查港口企业的生产行为，并处于单位产量(sˉ-sl)γ的奖励或者(sh-sˉ)δ的处罚时。由于从传统生产转向绿色生产增加的单位成本大于可能的处罚额，所以经过多轮博弈，港口企业将选择采用传统生产模式。

（4）当Δ＜-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]时，x∗＜0，因为政府的选择x∈[0,1]，所以恒有x＞x∗，F′(0)＜0，F′(1)＞0。所以y∗=0是港口企业的演化稳定策略。即当选择绿色生产模式，每单位产出的额外收益小于额外成本时，即α＜β，且α-β＜-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]时，选择传统生产模式是港口企业的一个演化稳定均衡。这种情况说明，由于技术或者商业上的原因，绿色生产模式的额外成本远远超过了额外收益，此时港口企业是不会选择绿色生产模式的。

（三）政府和港口企业演化的策略分析

对于由复制动态方程（1）和（2）组成的动态系统，其局部稳定性分析可以由该系统的雅可比（Jaco⁃bi）矩阵给出。因为该系统的雅可比矩阵为：

时。分别计算A、B、C、D、E所对应的雅可比矩阵的行列式和迹，结果见表2所列。

Det() J Tr() J均衡点A（0，0）B（0，1）C（1，1）D（1，0）TΔ[] sˉ-slγT-c-TΔ c-() sh-sˉδT-c TΔ[] () sh-sˉδT+2TΔ [] sˉ-slγT+c[] () sˉ-slγT+c -[] () () sˉ-slγT+() () c-() sh-sˉδT[] () sˉ-slγT+() sh-sˉδT-c+TΔ -() sh-sˉδT+2TΔ sh-sˉδT-2TΔ c+() sˉ-slγT+2TΔ E（x∗，y∗）-Δ[] () sˉ-slγ+()sˉ-slγT+c [ ] sh-sˉδ+2Δ[] () sh-sˉδT-c[] () () sˉ-slγ+() sh-sˉδ+Δ[] () sˉ-slγ+() sh-sˉδ 0

对于均衡点A，由于0＜y∗＜1，所以(sh-sˉ)δT＞c；由于0＜x∗＜1，所以-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]＜Δ＜0。所以Det(J)＜0，Tr(J)＞0。所以均衡点A是一个不稳定的均衡。即当满足上述条件时，均衡点A的扰动将向B或C演化。

对于均衡点B，根据模型假设易知Det(J)＜0，Tr(J)＜0。所以均衡点B是一个不稳定的均衡。即当满足上述条件时，均衡点B的扰动将向C演化。

通过对均衡点A和B的分析，可以发现，如果Δ＜0，政府不检查就不会是一个演化均衡策略。只有当Δ＞0时，即采用绿色生产模式的额外收益大于额外成本时，政府不检查才可能成为一个演化均衡策略。显然这需要采用新的港口技术或者通过教育提高居民的环保意识，主动抵制传统港口生产模式。

对于均衡点C，根据模型假设易知Det(J)＜0。当c-(sh-sˉ)δT＞2TΔ时，Tr(J)＞0。此时均衡点C不稳定，均衡点C的扰动将向D演化。当c-(sh-sˉ)δT＜2TΔ时，Tr(J)＜0。此时均衡点C不稳定，均衡点C的扰动将向A演化。

对于均衡点D，由于0＜y∗＜1，所以(sh-sˉ)δT＞c，所以Det(J)＜0。当2TΔ＞-c-(sˉ-sl)γT时Tr(J)＞0。此时均衡点D不稳定，均衡点D的扰动将向C演化。当2TΔ＜-c-(sˉ-sl)γT时Tr(J)＜0。此时均衡点D不稳定，均衡点D的扰动将向A演化。

对于均衡点E，Det(J)可正可负，Tr(J)=0。所以均衡点E不稳定，均衡点E的扰动可向A、B、C、D演化。

综上所述，当(sh-sˉ)δT＞c和-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]＜Δ＜0时，模型没有演化均衡解，一旦Δ＞0，则均衡点B，由于Det(J)＞0，Tr(J)＜0，将成为一个演化稳定策略，即政府不监管，而企业采用绿色生产模式。因此要使绿色港口建设可持续，必须立法赋予民众监督权使得执法成本c尽量小，而同时对民众进行环保教育，提高民众的环保意识，进而提高采用绿色生产模式港口的收益，此外，必须加快绿色港口技术的研发，降低港口企业转型的成本。

四、数值仿真

本文最重要的结论是当(sh-sˉ)δT＞c和-[(sˉ-sl)γ+(sh-sˉ)δ]＜Δ＜0时，模型没有演化均衡解，一旦Δ＞0，则均衡点B（政府不检查，企业采取绿色生产模式）将成为演化稳定均衡。为了验证上述结论，本文利用Matlab软件模拟这一动态演化过程。

为了更加直观地说明问题，在满足基本假设的条件下，对参数做如下设置γ=δ=1，T=1，π1=0，π2=1，r=0，c=cˉ=1，(sˉ-sl)=1，(sh-sˉ)=2。这些参数之间的关系满足(sh-sˉ)δT＞c。将上述参数代入政府选择的复制动态方程，则：

将上述参数代入港口企业选择的复制动态方程，则：

分别令Δ为2，1，0.5，-0.5，-1和-2。将上述参数代入表1中，则表1可以化简为表3。

表3 政府和港口企业博弈的收益矩阵

仿真结果见图1所示。

通过图1可以看出，随着Δ从2到-2的变化。当Δ＞0时演化均衡策略为（政府不检查，港口采取绿色生产模式），当Δ＜0时，不存在演化均衡策略。这和理论分析结果是一致的。

当Δ＜0时，上述博弈不存在纯策略的纳什均衡。而当Δ＞0时，存在（不检查，绿色生产模式）的纯策略纳什均衡。这验证了本文的重要结论：即发展绿色港口的关键不在于政府是否介入，而是Δ是否大于零，如果Δ小于零，则政府介入就不能退出，这对社会来讲不是最优选择。

图1 不同Δ演化博弈的相位

五、结论和展望

通过对博弈结果的分析，本文得出如下结论：

结论1：当Δ＞0时，存在政府不检查而企业采用绿色生产模式的演化稳定解。这说明当Δ＞0时，政府应该采取的策略是，起初政府通过对高于污染物排放标准的港口企业进行罚款，对低于污染物排放标准的企业进行奖励。以此来引导港口企业进行绿色生产，此后逐渐减少检查的频率和惩罚的强度，直至取消监管。这时市场力量就可以自动促使港口企业进行绿色生产。这说明，目前政府的介入形式不是最优的选择。因为Δ=α-β，要想使得Δ＞0，必须使得α＞β。因为α表示由于采取绿色发展道路，每单位TEU的额外收益，β表示由于采取绿色发展道路，每单位TEU的额外成本。这涉及绿色港口建设的商业环境。①通过对民众进行绿色发展教育，可以提高客户在运输方式选择时选择绿色模式，这样可以提高每单位TEU的额外收益α；②通过鼓励发展绿色港口技术，可以降低绿色港口建设的成本，进而降低每单位TEU的额外成本β；③一方面，对绿色港口的每单位TEU进行补贴，另一方面可以对绿色港口建设给予补贴；④通过立法，赋予民众监督权，可以增加传统港口的运营成本，变相提高绿色港口每单位TEU的额外收益。

这些措施都可以达成Δ=α-β＞0。

结论2：当Δ＜0时，无论政府采用多大的作为概率x，惩罚力度δ和奖励力度γ。政府不检查而企业采用绿色生产模式都不是演化稳定解。这说明政府通过对高于污染物排放标准的港口企业进行罚款，对低于污染物排放标准的企业进行奖励。这种介入方式不是最优的。采用这种介入模式，政府永远不能退出，即永远支付监管成本。这不是社会福利最优的选择。但是为了达到政府检查而港口企业采取绿色生产模式的混合策略均衡，政府应该采取如下措施：

首先，政府的罚款额要大于执法成本，即() sh-sˉδT＞c。即当政府对违法排放污染物的港口的罚款额大于政府检查的成本时，政府的监管行为才是可持续的。

其次，政府要以较高的概率（大于x∗）的概率进行检查。即政府应当根据实际情况确定合适的检查概率才能促使港口企业采取绿色发展模式。

虽然本文将港口城市居民的行为隐含于模型参数中，并进行了分析，但是没有构建城市和居民以及居民和港口企业之间的博弈模型。未来作者将构建城市、居民和港口企业三个参与主体之间的博弈模型，并分析其结论和本研究的异同。

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［DOI］10.3969/j.issn.1007-5097.2017.08.022

Countermeasures of the Government to Facilitate Green Port Construction Based on Evolutionary Game Theory

LU Boa,WANG Hui-pob
(a.International College;b.College of Economics and Management,Dalian University,Dalian 116622,China)

The existing research shows that the shipping industry has become the most important source of air pollution in port cities be⁃cause of consuming the massive fossil fuels.However,under the drive of profit maximization,limited rational port enterprises will not choose the green port development mode.Therefore,it is necessary for the government to facilitate the port enterprises to carry out the green port construction through the appropriate mechanism design.Based on this purpose,this paper constructs an evolutionary game mod⁃el in which government and port enterprises are participators,the behaviors of the port city residents are the parameters.Based on the equi⁃librium analysis results,this paper proposes some measures for the government to facilitate green port construction.The conclusion of the model shows that the current form of government intervention is not the best choice,delegating people the right of supervision through leg⁃islation,educating the public about environmental protection and encouraging to accelerate the development of green port technology can play better roles than direct government intervention,namely the Nash equilibrium mode in which the government does not check and the port enterprises adopt green production can be achieved.

green port;evolutionary game;interaction mechanism

F552

A

1007-5097（2017）08-0153-07

［责任编辑：程靖］

2017-05-06

国家自然科学基金项目（71573028；71781330123）；辽宁高校杰出青年学者计划（WJQ2015004）；辽宁自然科学基金面上项目（201601006）；辽宁经济社会发展课题（2017lslktqn-014）；辽宁省教育厅智库项目（ZK2015090）；大连科技之星项目（2016RQ074）；大连科技重大软科学研究项目（2015D21ZC001）；大连市社会科学基金项目（2016dlskyb191）；大连市金普新区科技局软科学研究项目（RXYJ-RXSK-2015-002）

鲁渤（1983-），男，辽宁大连人，副教授，副院长，研究方向：管理科学与工程；王辉坡（1979-），男，河北栾城人，副教授，通讯作者，研究方向：管理科学与工程。