基于Swarm的企業(yè)碳交易博弈仿真分析

馬嘯原 李兵 姚興振

[摘要]近些年來(lái)，低碳的理念逐漸深入人心，碳交易市場(chǎng)也越來(lái)越受到各方的關(guān)注，一方面，是因?yàn)樘冀灰资袌?chǎng)對(duì)減少溫室氣體的排放有一定促進(jìn)作用；另一方面，碳交易市場(chǎng)又能為一些企業(yè)創(chuàng)造一定利潤(rùn)。本文以碳排放權(quán)交易市場(chǎng)作為研究對(duì)象，根據(jù)市場(chǎng)中不同排放強(qiáng)度企業(yè)的策略，建立了碳交易博弈模型，并運(yùn)用Swarm仿真平臺(tái)，對(duì)碳交易市場(chǎng)的運(yùn)行進(jìn)行模擬。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而探索碳排放權(quán)交易市場(chǎng)的變化趨勢(shì)和運(yùn)行規(guī)律，并根據(jù)所得結(jié)論提出了相應(yīng)的建議。

[關(guān)鍵詞]碳交易；Swarm；博弈仿真

[中圖分類號(hào)]F205[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-6432（2014）12-0126-03

1引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模的日益膨脹，對(duì)化石能源的需求急劇攀升，溫室氣體排放直接導(dǎo)致的溫室效應(yīng)和氣候變化不斷危及人類生存的空間。為此，已有諸多途徑來(lái)抑制溫室氣體的排放量，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。在可持續(xù)發(fā)展、包容性增長(zhǎng)方針的指導(dǎo)下，低碳經(jīng)濟(jì)在我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)格局中的重要性日益凸顯。

在低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，碳排放權(quán)逐漸成為了一種資源，是企業(yè)的利潤(rùn)源泉。作為世界第一大溫室氣體排放國(guó)，利用碳排放權(quán)交易充分調(diào)動(dòng)企業(yè)的減排積極性，提高減排的效率，對(duì)我國(guó)而言意義重大。我國(guó)的碳交易近年來(lái)在規(guī)模上發(fā)展迅猛，未來(lái)也有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ源嬖谥簧賳?wèn)題，如制度體系不完善、法規(guī)政策不健全等。對(duì)企業(yè)而言，很難在碳交易中取得主動(dòng)權(quán)，這不僅限制了其在碳交易中實(shí)現(xiàn)利益的最大化，也在一定程度上影響了企業(yè)參與的積極性。

周宏春（2009）系統(tǒng)介紹了國(guó)外碳交易市場(chǎng)的形成條件，包括法律基礎(chǔ)、交易規(guī)則以及進(jìn)入市場(chǎng)交易的基本條件等，提出了我國(guó)利用碳交易市場(chǎng)降低碳減排成本、走上能源利用效率高和碳生產(chǎn)率不斷提高的低碳發(fā)展道路的建議。范舒（2010）運(yùn)用博弈模型，從非合作博弈和合作博弈兩方面，探究了碳排放相關(guān)方的對(duì)抗與合作關(guān)系。本文擬就高排放強(qiáng)度企業(yè)和低排放強(qiáng)度企業(yè)在碳交易中的博弈入手，利用Swarm仿真平臺(tái)，對(duì)博弈行為進(jìn)行系統(tǒng)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，探究碳交易市場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

2碳交易的相關(guān)概念

21基本原理

碳交易是為了減少溫室氣體排放引入的市場(chǎng)機(jī)制，將排放權(quán)視為一種商品，利用市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)減排資源的優(yōu)化配置，使實(shí)際減排工作由減排成本最低的企業(yè)完成。目前，我國(guó)的碳交易主要是基于《京都議定書》規(guī)定的清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）項(xiàng)目。清潔發(fā)展機(jī)制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是核證減排量的使用，企業(yè)通過(guò)核證減排量來(lái)完成其減排指標(biāo)。同時(shí)，核證減排量也可以在市場(chǎng)上進(jìn)行交易。

碳交易的進(jìn)行首先要由政府部門根據(jù)該地區(qū)的環(huán)境容量，推算出溫室氣體的最大允許排放量，并在初始階段分配給市場(chǎng)的各個(gè)參與者。進(jìn)而，碳排放權(quán)逐漸成為一種稀缺資源，在流通交易中形成價(jià)格。排放強(qiáng)度高的企業(yè)需要在市場(chǎng)中購(gòu)買核證減排量，從而保證其排放量不超標(biāo)。

22碳排放權(quán)的初始分配

針對(duì)碳排放權(quán)的初始分配，目前主要有兩種觀點(diǎn)：從公平的角度出發(fā)，建議以人口指標(biāo)來(lái)分配碳排放權(quán)，即認(rèn)為每個(gè)人都享有相同的公共權(quán)利；從效率的角度出發(fā)，則以GDP指標(biāo)來(lái)分配碳排放權(quán)，即認(rèn)為每單位溫室氣體的排放都應(yīng)帶來(lái)相應(yīng)的產(chǎn)出。

在本文中，以單位GDP排放量作為分配碳排放權(quán)的依據(jù)，對(duì)該機(jī)制下碳交易的博弈進(jìn)行仿真分析。若ED為該地區(qū)溫室氣體最大允許排放量，GD為地區(qū)GDP總值，Gi為第i家企業(yè)產(chǎn)生的GDP，則第i家企業(yè)分得的碳排放限額為Ei=EDGi/GD。

3碳交易博弈模型

31碳交易博弈基本假設(shè)

本文中討論的碳排放權(quán)交易發(fā)生在碳交易二級(jí)市場(chǎng)之中，假設(shè)所有市場(chǎng)參與者的目的都是實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化，碳排放權(quán)的價(jià)格也由市場(chǎng)供求決定。因此，碳交易價(jià)格的形成主要受宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境、減排成本、外界政策和交易成本等因素影響。

假設(shè)碳交易市場(chǎng)的參與者可按照排放強(qiáng)度分為高排放企業(yè)和低排放企業(yè)，高排放企業(yè)在日常生產(chǎn)中的排放量超出其碳排放限額較多，面臨著較大的減排壓力，需要進(jìn)行大幅度減排或購(gòu)買碳排放量；低排放企業(yè)的碳排放量超出排放限額較少，甚至低于其排放限額，減排壓力不大，甚至有剩余的排放量可供出售。

假設(shè)不同企業(yè)會(huì)根據(jù)自己的利潤(rùn)函數(shù)采取行動(dòng)，其行動(dòng)也是不分先后的，即碳交易博弈為靜態(tài)博弈。

32模型的建立

將企業(yè)i正常生產(chǎn)排放的溫室氣體量記為Pi，若Pi-Ei>0，則說(shuō)明企業(yè)i的碳排放量超出限額，為高排放企業(yè)，在碳交易市場(chǎng)中主要為買方；若Pi-Ei<0，則說(shuō)明企業(yè)i的碳排放量低于限額，為低排放企業(yè)，在碳交易市場(chǎng)中主要為賣方。設(shè)企業(yè)i在碳排放交易中的需求量為Di，則Di>0說(shuō)明企業(yè)i有出售相應(yīng)排放量的意愿，Di<0時(shí)表示企業(yè)i有購(gòu)入相應(yīng)碳排放量的需求。設(shè)企業(yè)總數(shù)為n，對(duì)整個(gè)市場(chǎng)，若ni=1 Di>0，則表示供過(guò)于求，若ni=1 Di<0，則意味著供不應(yīng)求。由此可以推算，在碳交易需求量為Di的情況下，企業(yè)i的實(shí)際減排量為Pi-Ei+Di，則企業(yè)i減排成本函數(shù)為Ci=ki（Pi-Ei+Di）2， 其中成本系數(shù)ki與企業(yè)減排技術(shù)水平有關(guān)。企業(yè)的減排成本包括企業(yè)為提高單位排放量的產(chǎn)出而投入的技術(shù)成本以及為排放達(dá)標(biāo)而減少產(chǎn)量的損失兩個(gè)方面?？紤]到企業(yè)在碳交易市場(chǎng)上的所得，若單位碳排放量的成交價(jià)格為x，則企業(yè)i在碳交易行為中的實(shí)際利潤(rùn)Mi為：

Mi=xDi-ki（Pi-Ei+Di）2（1）

企業(yè)在碳交易行為中獲得的利潤(rùn)由兩個(gè)方面構(gòu)成：在交易中的所得和減排付出的成本，企業(yè)的決策需要統(tǒng)籌考慮這兩個(gè)方面的因素。將利潤(rùn)作為目標(biāo)函數(shù)，參數(shù)中x，Di均隨時(shí)間t變化，每家企業(yè)都以利潤(rùn)最大化為最優(yōu)決策，則t時(shí)刻企業(yè)i的策略可表示為：

maxMi（t）=x（t）Di（t）-ki[Pi-Ei+Di（t）]2（2）

對(duì)該地區(qū)總體的碳交易市場(chǎng)而言，在完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的條件下，碳排放權(quán)的價(jià)格可由逆需求函數(shù)表示：

x（t+1）={a-b×[DB+ni=1 Di（t）]}×σ（t）

DB=ED（3）

上式中的a，b為逆需求函數(shù)中的參數(shù)，其中b反映價(jià)格對(duì)需求的敏感性。逆需求函數(shù)中的需求由基礎(chǔ)性需求和可變需求兩部分組成，其中DB為基礎(chǔ)性需求，即在所有企業(yè)可變交易需求供求平衡時(shí)的總排放需求，與該地區(qū)總排放限額ED相等，可變需求則為整個(gè)市場(chǎng)全部企業(yè)交易需求量的總和。考慮到實(shí)際市場(chǎng)交易中宏觀經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和外界政策等因素對(duì)價(jià)格的影響，在供求博弈形成的價(jià)格基礎(chǔ)上增加波動(dòng)因子σ，從而形成下一時(shí)刻碳排放權(quán)的價(jià)格。

4模型仿真及結(jié)果分析

根據(jù)上述模型，運(yùn)用Swarm仿真平臺(tái)，對(duì)不同排放強(qiáng)度的企業(yè)在碳交易市場(chǎng)中重復(fù)博弈的過(guò)程進(jìn)行仿真。令企業(yè)總數(shù)n=100，地區(qū)溫室氣體排放總配額量為500萬(wàn)噸，即ED=500，逆需求函數(shù)中參數(shù)a=3500，b=0007236，初始價(jià)格為80元/噸，可得到如下仿真結(jié)果。

對(duì)博弈的演化過(guò)程進(jìn)行20次迭代，仿真結(jié)果如圖1～圖3所示。由圖1可以看出，碳排放權(quán)的價(jià)格隨時(shí)間圍繞初始價(jià)格上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在50～115元/噸。圖2、圖3反映了不同排放強(qiáng)度的企業(yè)在碳交易行為中的平均預(yù)期年利潤(rùn)隨時(shí)間的走勢(shì)，其中高排放企業(yè)的利潤(rùn)與碳排放權(quán)的價(jià)格基本呈負(fù)相關(guān)，低排放企業(yè)的利潤(rùn)與碳排放權(quán)的價(jià)格基本呈正相關(guān)，并且兩類企業(yè)對(duì)價(jià)格的反應(yīng)都存在延遲。

圖1碳排放權(quán)價(jià)格隨時(shí)間變化趨勢(shì)（20次迭代）

圖2高排放企業(yè)平均預(yù)期年利潤(rùn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)（20次迭代）

圖3低排放企業(yè)平均預(yù)期年利潤(rùn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)（20次迭代）

對(duì)博弈的演化過(guò)程進(jìn)行500次迭代，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4可知，碳排放權(quán)的價(jià)格長(zhǎng)時(shí)間在45～130元/噸的范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)圖5、圖6所示，高排放企業(yè)在碳交易行為中的平均預(yù)期年利潤(rùn)在-65萬(wàn)～-25萬(wàn)元的范圍內(nèi)波動(dòng)，而低排放企業(yè)的利潤(rùn)則在15萬(wàn)～55萬(wàn)元波動(dòng)，兩類企業(yè)的利潤(rùn)與碳排放權(quán)價(jià)格的相關(guān)性沒(méi)有改變。

圖4碳排放權(quán)價(jià)格隨時(shí)間變化趨勢(shì)（500次迭代）

圖5高排放企業(yè)平均預(yù)期年利潤(rùn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)（500次迭代）

圖6低排放企業(yè)平均預(yù)期年利潤(rùn)隨時(shí)間變化趨勢(shì)（500次迭代）5結(jié)論及建議

本文中，將企業(yè)按照不同的排放強(qiáng)度進(jìn)行分類，根據(jù)企業(yè)各自的策略，建立碳交易博弈模型?；赟warm仿真平臺(tái)，對(duì)博弈行為進(jìn)行仿真分析，得到了碳排放權(quán)的價(jià)格和企業(yè)預(yù)期利潤(rùn)的變化趨勢(shì)及相關(guān)性。在完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的條件下，碳排放權(quán)的價(jià)格基本反映了其內(nèi)在價(jià)值，市場(chǎng)呈現(xiàn)出的規(guī)律符合預(yù)期，市場(chǎng)機(jī)制的存在促進(jìn)了減排資源的優(yōu)化配置。

目前，我國(guó)碳交易市場(chǎng)的發(fā)展方興未艾，未來(lái)也有十分光明的前景。對(duì)碳交易市場(chǎng)而言，需要進(jìn)一步完善市場(chǎng)機(jī)制，提高市場(chǎng)運(yùn)行的透明度，吸引更多的企業(yè)參與到碳交易活動(dòng)中，通過(guò)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍資源的優(yōu)化配置。對(duì)企業(yè)而言，需要進(jìn)一步樹立節(jié)能減排的發(fā)展觀念，努力提高減排的技術(shù)水平，降低自身的減排成本，才能真正在碳排放權(quán)的博弈中取得主動(dòng)權(quán)。

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[基金項(xiàng)目]首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)研究生科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目。

[作者簡(jiǎn)介]馬嘯原（1989—），男，北京人，首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)信息學(xué)院碩士研究生。研究方向：管理工程方法與技術(shù)；李兵（1990—），男，北京人，首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)信息學(xué)院碩士研究生；姚興振（1988—），男，河北秦皇島人，首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)信息學(xué)院碩士研究生。