工业企业低碳技术创新决策的演化博弈研究——基于内生与外生动力视角

杨朝均，宿明星，张广欣

(昆明理工大学 管理与经济学院， 云南 昆明 650093)

一、引言

工业革命使得工业生产力大幅度提升，但是随之产生的环境污染加剧、能源消耗过度、全球气候变暖等问题也引起了世界各国政府、企业和人民的重视。制造业作为我国国民经济发展的重要支柱，是提高群众生活质量，促进区域经济发展的关键。自改革开放以来，我国制造业的总体规模和质量都大幅度提高，但仍存在核心创新力较弱、关键技术缺乏等问题，因此，急需大力提升我国工业企业的低碳技术创新。低碳技术创新有利于减少资源消耗，提高资源利用效率，控制全球温室效应，实现低碳发展模式，是实现可持续发展的关键手段，也是促进我国从“高能耗、高排放、高污染”的高碳经济向“低能耗、低排放、低污染”的低碳经济转型的有效途径。目前，我国属于粗放型的经济发展模式，制造业呈现“大而不强”的典型特征。工业企业创新绩效的产出与转化体现出我国在经济全球化竞争中的实力较强，但能源消耗过多、利用率过低、环境污染严重等问题始终桎梏着我国工业企业的进一步提升与发展。经济增速从快而不优的窘境中脱离是我国目前面临的重大难题，促进经济从快速转向稳定的高质量发展是我国政府和市场亟待解决的问题，而低碳技术创新为解决这些问题提供了新思路和新方法。

二、文献综述

低碳经济是国家经济权利与新一轮发展优势的竞争，国际谈判、完善碳交易市场及人才吸引等机制有助于抢占低碳经济的发展先机和战略优势[1-2]。Fahimnia等基于澳大利亚某公司案例数据发现，在竞争市场中企业所面临的成本和环境影响的变化发生在碳价变化范围内，而政府通过征收碳税在一定程度上既能控制企业二氧化碳的过量排放，又能促使企业寻求新技术实现经济转型[3]。武义青等通过碳排放的视角判别经济增长方式的研究，认为要实现经济低碳增长需要科技创新的作用[4]。孟凡生等认为碳税强度、碳交易力度对低碳创新的驱动效果最为显著，在初始阶段较低的碳税强度就会产生推动作用，并且碳税强度、碳排放交易力度应根据行业特点进行调整[5]。Binz等展示了国家与国际创新系统结构之间的联系，以中国城市污水处理部门的潜在可行跨越轨迹为例分析了空间耦合技术创新系统框架对我国低碳创新技术跨越式发展产生的作用，为中国未来可持续发展转型提供了切实可行的建议[6]。Zhang等提出使用非径向全球Malmquist碳排放绩效指数的处理方法来测量碳排放性能的动态变化，研究显示中国20世纪90年代动态碳排放性能提升主要体现在其追赶效应上，即效率的提升，而2000—2012年低碳创新绩效主要是源于绿色技术创新[7]。

由于相关低碳数据获取较为方便，学者们选用低碳专利数据、低碳技术研发费用和低碳研究发表量作为衡量指标，研究显示低碳技术创新的发展是工业企业完成低碳转型的重要环节，必须予以重视[8]。有学者选用碳排放量指标[9]、碳排放影响要素[10]进行分析，发现对碳排放的监管可以很好地推动高碳企业转型升级，而Clarkson等[11]、Iatridis[12]立足于企业信息披露质量，探索企业信息披露与低碳创新绩效之间存在的联系，研究结果却相反。Horbach基于环节创新的视角，选用德国部分企业进行研究分析，结果显示研发技术的发展对环境创新起到决定性的影响，同时在低碳转型方面，环境监管等因素的影响也十分重要[13]。肖远飞等利用中国283个地级市的面板数据探索低碳技术创新的影响因素，研究结果表明新型城镇化政策的实施对低碳技术创新水平有显著的促进作用，并且随着城市规模的扩大其效果越显著[14]。陈文婕等认为企业在面临具有高复杂性和高风险性特点的低碳技术创新时，无力独自承担，技术创新合作成为企业最好的选择，不仅可以规避在低碳技术创新中产生的风险，也可以实现资源的有效整合，进而打破地理、环境以及资源要素的限制，推动工业企业低碳创新发展[15-16]。

综上所述，当前关于工业企业低碳技术创新决策的研究视角主要在低碳转型与低碳创新绩效、资金投入、碳税制度等角度，研究成果十分丰富。本文认为目前研究主要还存在以下不足：(1)当前对低碳技术创新决策的研究大多从实证角度出发，且大多数研究结果讨论的是工业企业低碳绩效的变化，并未考虑到内生及外生动力的差异性；(2)对低碳技术创新绩效的研究视角大多比较分散，并未综合分析对比内生动力和外生动力作用下对工业企业低碳技术创新决策的影响。因此，本文从内生动力和外生动力视角出发，基于演化博弈思想构建了双寡头工业企业低碳技术创新决策的演化博弈模型并对不同情形下的系统稳定性进行分析，进而借助Matlab考察了内生动力(成本牵引、低碳收益)和外生动力(补贴机制、惩罚机制)在工业企业低碳技术创新决策中的作用机理。

三、工业企业低碳技术创新决策演化博弈分析

(一)演化博弈模型建立

企业1和企业2生产某一同质产品，产品市场占有率受企业生产决策的影响。由于低碳技术创新对原技术、产品和市场的颠覆，选择低碳技术创新的工业企业相较于传统生产策略的工业企业，拥有更强的市场竞争优势，因而能够抢占更多的市场份额。假设两家企业的产量分别为q1、q2，Q=q1+q2，市场逆需求函数为P=a-bQ(a，b均为大于0的常数)。企业1和企业2单位生产成本分别为c1、c2(c1

企业都希望通过低碳技术创新降低生产成本，从而提高产品的市场竞争力。其中，低碳技术创新研发投入水平为m，假定低碳研发投入幅度等于其单位生产成本的减少幅度，即低碳生产为企业带来的单位低碳效益。遵循A-J经典模型假设，低碳技术创新成本函数为gm2(g>0)。其中，g与低碳创新能力成正比，与低碳研发投入水平成反比。

政府为推进低碳市场的进一步发展，采取低碳补贴机制和碳税惩罚机制对市场进行调控。对低碳技术创新的企业给予补贴，低碳补贴系数为j；对不进行低碳技术创新的企业利用惩罚机制实施监管，对高碳企业的罚金为k。

工业企业生产方式的不同将影响其市场竞争力从而决定两家企业的市场份额，基于上文的假设，对不同情形下工业企业的利润分别进行讨论。

情形1：均选择低碳技术创新的两家企业进入该产业在时间上存在先后差异。如果企业1率先进入低碳市场，企业1和企业2将展开Stackelberg双寡头竞争，企业1成为低碳市场的开拓者，企业2成为追随者，得到两家企业的利润函数分别为：

(1)

(2)

同理，如果企业2成为低碳市场的开拓者，企业1成为其追随者，得到两家企业的利润分别为：

(3)

假定两家企业成为新市场开拓者的概率等可能，那么企业1和企业2均选择低碳技术创新策略的利润分别为：

(4)

情形2：如果只有企业1进行低碳技术创新，即双方由于市场竞争力差异展开Stackelberg双寡头竞争，则两家企业的利润函数分别为：

(5)

通过计算得到两家企业的利润分别为：

(6)

同理，如果只有企业2进行低碳技术创新，那么该情形下两家企业的利润分别为：

(7)

情形3：若两家企业均不采取低碳创新策略，传统的高碳生产方式并未改变两家企业目前的市场地位，企业1和企业2将展开Cournot竞争。因此，两家企业的利润函数分别为：

(8)

基于演化博弈思想对上述三种情形进行研究分析，获得两家企业在低碳技术创新策略选择下的收益矩阵(见表1)。

表1 双寡头工业企业低碳技术创新决策的收益矩阵

(二)系统稳定性分析

考虑两家企业在有限理性条件下的随机配对博弈问题，假定企业1选择低碳技术创新的概率为x，则不创新的概率为1-x；企业2选择低碳技术创新的概率为y，则不创新的概率为1-y。x、y均为与时间t相关的函数。

根据Malthusian动态方程，假设采取某一策略的增长率等于它的相对适应性，只要采取这个策略的适应性超过了群体的平均适应性，那么这个策略就会逐渐被更多的群体参与者采用。因此，得到企业1和企业2选择“创新”策略的复制动态方程分别是：

(9)

(10)

令dx/dt=0， dy/dt=0，可知双寡头企业生产方式策略选择演化博弈系统在S={(x，y);0≤x，y≤1}中存在5个局部均衡点：(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)，(x*，y*)，且0

Friedman借助微分方程对群体动态进行描述，其均衡点的稳定性可由该系统的雅克比矩阵的局部稳定性分析得出[17]，得到该系统的雅克比矩阵为：

(11)

对不同条件下的局部均衡点进行稳定性分析得到雅克比矩阵的行列式和迹(见表2)。

表2 局部均衡点雅克比矩阵的行列式与迹

表3 不同条件下系统稳定分析结果

条件1：(1-j)gm2-k>I1-I3，占优策略为(不创新，不创新)。该条件下系统有4个均衡点，为(0，0)，(0，1)，(1，0)，(1，1)。O(0，0)为系统稳定点，C(1，1)为不稳定稳定点，A(0，1)、B(1，0)为鞍点。该情形下的系统演化相位图如图1所示，企业1和企业2选择低碳技术创新产生的效益根本没有办法承担研发费用，因此不管系统初始状态如何，两家企业最终都会选择不创新策略。双方虽然不进行低碳技术创新也能使工业企业实现利润增值，可传统的高碳生产并不符合可持续发展要求，该稳定状态是一种劣均衡状态，不利于社会的发展和进步。

图1 条件1下系统演化相位

条件2：(1-j)gm2-k

条件3：I2-I4<(1-j)gm2-kx*时，选择低碳创新获得的收益要大于选择维持之前的高碳生产方式；当x

图3 条件3下系统演化相位

四、数值模拟分析

国际贸易壁垒、法律法规约束、政府补贴、社会公众监督等外生动力对目前工业企业的生产方式及质量提出新要求；低碳技术、成本牵引、声誉机制等内生动力促进工业企业进行低碳创新转型[18-19]。然而，技术创新风险、低碳市场失灵、技术过度依赖等问题阻碍了工业企业转型的积极性，阻碍了中国低碳创新的发展进程。因此，从内生动力和外生动力的研究视角能够更清晰地了解当前工业企业低碳技术创新决策的内在机理，为促进中国高碳企业实现低碳转型提供参考。

因模型参数众多，为清晰直观地反映内生动力(低碳收益、成本牵引)、外生动力(补贴机制、惩罚机制)对工业企业生产方式策略选择的影响，基于上文复制动态方程对模型进行数值仿真，得到不同视角下的工业企业生产方式策略选择的演化路径图。

(一)内生动力对工业企业演化路径的影响

1.成本牵引

考察成本驱动对工业企业演化行为的变化，假设a=5，m=2，c1=2，c2=4，得到x0，y0分别为0.1、0.4、0.7、0.9时具有成本差距的企业1和企业2的演化结果(见图4)。

图4 成本牵引对演化结果的影响

观察两家企业的演化路径可知，企业1向x=1方向演化，企业2向y=0演化。即处于成本优势的企业1收敛于低碳创新策略，而处于成本劣势的企业2倾向于不进行低碳创新。在单位成本投入存在明显差距的情形下，两家企业都能够在相对较短的时间收敛于其稳定策略。较低的低碳创新成本使工业企业将更多的资源投放到技术研发升级上，能够驱使工业企业实现生产方式转型。而过高的成本压力打击了工业企业低碳技术创新的积极性，此时较高的研发投入风险使得工业企业只得继续采用传统的生产方式。

2.低碳收益

考察低碳收益驱动对工业企业演化过程中产生的影响，令m分别取值1、2、4，得到低碳收益驱动下的工业企业的演化路径(见图5)。

图5 低碳收益对演化结果的影响

当m=1时，不管是成本优势企业还是成本劣势企业都会选择低碳生产，企业1和企业2分别向x=1，y=1方向演化。即在低碳生产前景乐观的情形下，企业只要投入较低的研发费用便既实现了企业利润增值，又达到了技术升级的目的。当m=2时，企业1向x=1方向演化，企业2向y=0方向演化，即企业1选择转型而企业2选择不创新。处于成本劣势的企业2基于对企业净利润的考虑最终会收敛于不创新策略，而企业1可以凭借其成本优势选择低碳生产进而增加市场竞争力。随着低碳创新投入水平m增加至4时，过高的研发成本超过了两家企业的承受范围，两家企业最终均不进行低碳创新。

因此，较低的内生驱动(成本牵引，低碳收益)不管是对成本优势企业还是成本劣势企业都没有吸引力，较强的内生驱动作用能够吸引工业企业选择低碳生产方式，但最终的演化策略选择与工业企业的低碳技术创新实力密切相关。

(二)外生动力对工业企业演化路径的影响

1.补贴机制

考察政府补贴驱动对工业企业演化行为的影响，得到政府补贴力度j分别为0、0.1、0.5、0.9时的演化结果(见图6)。

图6 补贴机制对演化结果的影响

具有成本优势的企业1进行低碳创新带来的利润要高于传统的高碳生产，而企业2由于自身经济、技术实力的不足限制了低碳创新进程。图6(a)显示政府补贴力度对企业1演化速度的影响明显不同，在j为0.5和0.9时的演化速度明显要快于0和0.1的情形。在j为0和0.1时的演化路径几乎重合，在j为0.5和0.9时，企业1趋近于均衡策略的时间相近，即政府低碳创新补贴投入与工业企业低碳创新积极性并非成正比关系，政府过度的补贴对低碳创新的激励作用并不明显。图6(b)显示成本劣势的企业2在j为0和0.1时向y=0方向演化，在补贴系数为0.5和0.9时均衡状态发生改变，系统向y=1方向演化。并且激励力度从0.5增加至0.9时，企业2趋近于均衡状态的时间t显著减少。

2.惩罚机制

考察政府惩罚驱动对工业企业演化行为的影响，得到政府惩罚力度k分别为0、2、4、8时的演化结果(见图7)。

在a=5，c=2，m=2，k=0时成本优势企业1趋向于x=1方向，但收敛于低碳创新策略的演化时间较长；在a=5，c=4，m=3，k=0时成本劣势的企业2趋向于y=0方向，且能够在较短的时间内迅速稳定于不创新策略。从图7(a)可知，政府惩罚机制能帮助企业1在更短的时间内达到低碳生产策略。但观察k为2、4、8三种情形下的演化趋势可知，随着罚金的大幅度增加，企业1的演化速度并没有得到较大的提升，达到稳定策略的收敛时间也没有明显差距。图7(b)显示较低的罚金(k=2)不能有效的刺激高碳生产企业改变传统的生产方式，当罚金提高到4和8时，企业2通过低碳生产方式参与市场竞争来实现利润增值，并且演化路径随着罚金增加发生显著变化。

图7 惩罚机制对演化结果的影响

因此，一定范围内的外生驱动(补贴机制，惩罚机制)可以有效激励工业企业选择低碳创新，而过度的外生驱动(过高的政府低碳创新补贴和罚金) 反而无法刺激工业企业低碳创新热情，此时外生动力的作用不再显著。

五、结论及建议

本文结合博弈理论考察低碳创新内生动力和外生动力驱动下，工业企业绿色创新决策演化路径选择。研究结果表明，内生动力对企业生产方式策略选择影响显著，对工业企业的低碳技术创新进程存在显著促进作用；低碳创新效益产出是工业企业决定是否转型的出发点，从高碳生产方式向低碳生产方式转变意味着巨大的资源、成本、人才的投入，并且低碳技术成果实现经济回报的过程较为漫长。在外生动力的驱动下，企业在相同的低碳补贴水平和高碳惩罚力度下，不管是对成本优势还是对成本劣势的工业企业都产生了激励作用，并且适度的奖惩力度可以有效促进工业企业实现低碳转型；政府监管、社会监督、市场需求等外生动力可以使高碳企业的低碳技术创新过程更加顺利。

结合本文的研究结论，建议如下：1) 加大科研技术投入。企业提高低碳创新研发投入能有效激励企业转变生产方式，有利于低碳市场中低碳创新企业的增加。并且通过技术升级得到低投入、高质量、强竞争力的低碳产品从而在新市场中占据更多的市场份额。2) 加强企业联动机制建设。低碳绩效不仅仅要依靠低碳创新的投入和低碳技术的升级，更需要有高效的企业管理机制、优秀的企业文化、互惠的合作关系等更多内生动力的联合推动，加强企业联动机制建设，可以更好整合各种内生动力的优秀资源，提高企业的低碳创新效益。3) 建立完善的机制体系。政府及相关部门应建立和完善政府激励补贴机制和惩罚机制，这样可以有效调动工业企业低碳技术创新的积极性，吸引更多市场主体进行低碳技术创新。其次，工业企业转型升级离不开政府的引导，政府在实施财政补贴及惩罚措施之前，应准确甄别和评估工业企业的发展规划、盈利状况、市场行为等，使政府监管能够科学、精准。另外，应建立补贴资格审核及监督体系对资金进行追踪，保证政府补贴全过程的公平、公正、公开，惩罚机制在实施的过程中应适度，过低或过高的惩罚反而会抑制工业企业低碳转型的积极性。

本文区别于其他研究的贡献在于：现有文献多从实证角度探讨创新决策或绩效的影响因素，或利用演化博弈模型探讨创新决策因素。而本文以低碳创新决策为出发点，从内生动力和外生动力视角分别探讨低碳收益、成本牵引、补贴机制、惩罚机制的工业企业绿色创新动力的影响，丰富了绿色创新决策研究的成果。由于绿色创新决策是一个受到众多因素影响的复杂过程，因此，在后续研究中将继续对其他重要的因素进行研究。