大型水利水電工程信息共享機(jī)制研究

李 芳,章恒全

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

大型水利水電工程信息共享機(jī)制研究

李 芳,章恒全

(河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京 211100)

針對大型水利水電工程建設(shè)中的信息共享問題,從供應(yīng)商和工程總承包商的角度出發(fā),建立供應(yīng)商和總承包商信息共享演化博弈模型,并進(jìn)行數(shù)值仿真。Matlab仿真結(jié)果表明:博弈主體都選擇進(jìn)行信息共享的演化結(jié)果受可共享信息量、信息收益系數(shù)、“搭便車”收益系數(shù)、信息共享成本系數(shù)影響;且業(yè)主單位可以通過獎懲措施使得博弈主體都選擇進(jìn)行信息共享決策,從而提高工程建設(shè)效率,縮短工期,降低工程建設(shè)成本。

大型水利水電工程;信息共享;演化博弈;供應(yīng)商;總承包商

大型水利水電工程建設(shè)程序復(fù)雜,涉及多個參與方,規(guī)模較大,施工時信息在傳遞過程中流失嚴(yán)重,信息的管理水平很低,這些均會造成工程建設(shè)出現(xiàn)工期延誤、成本過高等問題,因此,大型水利水電工程信息共享機(jī)制的建立非常重要。

信息共享可以使工程各參與方及時獲得有效的信息,從而采取一些措施規(guī)避風(fēng)險,使工程順利且高質(zhì)量地完成。大型水利水電工程建設(shè)信息共享參與方主要有業(yè)主、設(shè)計單位、總承包商、材料供應(yīng)商等,本文主要針對總承包商和供應(yīng)商。

在水利水電工程項目實際建設(shè)過程中,供應(yīng)商和總承包商之間對信息共享的需求非常強(qiáng)烈。供應(yīng)商需要根據(jù)總承包商的信息確認(rèn)設(shè)備、原材料等的需求量、需求時間,從而組織生產(chǎn)和運(yùn)輸,以免造成可能的供應(yīng)商庫存成本;總承包商需要發(fā)布準(zhǔn)確的材料需求量信息給供應(yīng)商,以免供應(yīng)商多送產(chǎn)生總承包商庫存費(fèi)用、少送造成工期延誤等問題,同時需要準(zhǔn)確掌握供應(yīng)商提供施工所用材料的運(yùn)輸信息以組織施工。供應(yīng)商和總承包商的信息共享可以極大地提高工程建設(shè)質(zhì)量和效率,避免工期延誤、庫存成本增加、施工材料不到位等問題?；诖?本文圍繞供應(yīng)商和總承包商兩個博弈主體對大型水利水電工程的信息共享問題進(jìn)行研究,建立信息共享演化博弈模型,分析影響信息共享的因素,以及業(yè)主參與下博弈雙方信息共享的策略選擇。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對水利水電工程信息共享問題已進(jìn)行了很多研究。Barlish等[1]對如何衡量建筑信息模型BIM優(yōu)勢進(jìn)行了研究。BIM是以建筑工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的建筑信息模型,BIM將建筑工程全生命周期中的所有信息集成,允許所有工程參與方共享和使用信息。BIM的研究使得工程各參與方有效協(xié)同工作,對各參與方利益相對起到一定的改善作用。Singh等[2]基于BIM開發(fā)出了相應(yīng)需求的理論框架。Anumba等[3]針對建筑領(lǐng)域施工協(xié)調(diào)問題,構(gòu)建了一個互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作環(huán)境。張志偉等[4]提出一種信息模型構(gòu)建方法,這種方法能夠滿足水利水電工程實際需求,對信息模型標(biāo)準(zhǔn)化非常有利。杜成波[5]對水利水電工程信息共享問題進(jìn)行研究,其理論體系和方法對促進(jìn)水利水電工程信息共享意義重大。馮曉蘇等[6-7]構(gòu)建了水利水電工程信息模型,并研究其實際應(yīng)用,對提高工程建設(shè)效率有很大作用。

演化博弈最早出現(xiàn)在生物學(xué),由Maynard[8]提出,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。郭本海等[9]將演化博弈運(yùn)用在縣域間土地供給競合關(guān)系中,研究了不同情形下演化穩(wěn)定策略的走勢。單英華等[10]對建筑供應(yīng)鏈方面的知識共享問題進(jìn)行了研究,構(gòu)建演化博弈模型,對建筑工業(yè)化知識創(chuàng)新意義重大。時茜茜等[11]構(gòu)建的演化博弈模型對重大工程關(guān)鍵部件供應(yīng)商合作具有重大意義,并將業(yè)主方考慮到模型中,有效解決了供應(yīng)商合作問題。李志剛等[12]在研究礦產(chǎn)行業(yè)信息共享問題時,將演化博弈、監(jiān)督博弈等方法運(yùn)用在模型構(gòu)建中,將礦產(chǎn)行業(yè)信息化發(fā)展落到實際。

綜上,國內(nèi)外學(xué)者對BIM的研究已經(jīng)很多,但因水利水電工程系統(tǒng)復(fù)雜,BIM并不適用。目前,國內(nèi)學(xué)者針對水利水電工程信息模型的研究不多,大多借鑒BIM,且很多研究只停留在水利部門辦公信息化方面,對施工過程中的信息共享研究少之又少?；诖?本文利用演化博弈方法構(gòu)建大型水利水電工程建設(shè)過程中供應(yīng)商和總承包商之間的信息共享演化博弈模型,分析業(yè)主獎懲制度下供應(yīng)商和總承包商的策略選擇趨勢,并利用Matlab7.0進(jìn)行數(shù)值仿真,分析博弈方信息共享策略選擇和影響信息共享因素間的關(guān)系。

1 基本假設(shè)與模型建立

1.1 博弈方與策略假設(shè)

在大型水利水電工程建設(shè)施工階段,極易出現(xiàn)施工材料未到現(xiàn)場,造成工期不斷延遲、施工效率低下等問題。為解決這些問題,需對施工階段總承包商和供應(yīng)商的信息共享問題進(jìn)行研究。本文的博弈主體為供應(yīng)商和總承包商?；诓┺闹黧w有限理性前提,雙方都追求自身利益最大化。

在該博弈模型中,供應(yīng)商和總承包商的策略集為(共享,不共享)。供應(yīng)商的信息共享主要體現(xiàn)在:共享有關(guān)施工材料的規(guī)格、數(shù)量、價格、已有庫存量、預(yù)計交貨日期、物流在途、貨損等信息,以方便總承包商組織安排訂貨和施工。總承包商的信息共享內(nèi)容有:施工進(jìn)度、詳細(xì)的訂貨信息、訂貨數(shù)量、施工材料存儲條件等,方便供應(yīng)商合理安排施工材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸。信息共享可以使供應(yīng)商節(jié)約庫存成本、運(yùn)輸成本,盡可能進(jìn)行精益生產(chǎn)等,同時可以使總承包商縮短工期,提高施工效率,從而獲得更高的收益。但信息共享需要信息系統(tǒng)的支撐,需要信息管理人才來運(yùn)營,這意味著雙方都需要投入資金才能使信息共享成為現(xiàn)實。另外,當(dāng)供應(yīng)商選擇信息共享,總承包商選擇信息不共享,此時,供應(yīng)商未獲取信息,因而沒有收益,總承包商因獲得供應(yīng)商共享的信息,進(jìn)而得到收益,即為“搭便車”效應(yīng)。反之,當(dāng)只有總承包商共享信息時,供應(yīng)商會獲取“搭便車”收益。

1.2 得益假設(shè)

假設(shè)1 供應(yīng)商和總承包商信息均不共享時,雙方分別所獲期望收益為B1,B2,且B1>0,B2>0。

假設(shè)2 信息共享時,供應(yīng)商的可共享信息量為Q1,總承包商的可共享信息量為Q2,信息量共享越多,對方可獲收益也越多;α1表示供應(yīng)商信息收益系數(shù),α2表示總承包商信息收益系數(shù),信息收益系數(shù)即博弈方對彼此共享信息的吸收能力;β1為供應(yīng)商信息共享“搭便車”收益系數(shù),β2表示總承包商信息共享“搭便車”收益系數(shù);λ1為供應(yīng)商信息共享成本系數(shù),λ2為總承包商信息共享成本系數(shù),表示博弈方每單位共享信息所耗費(fèi)的成本。其中,α1>β1,α2>β2,αi多出βi(i=1、2)的部分為雙方都進(jìn)行信息共享時,由于信息的融合所產(chǎn)生的“1+1>2”效果的那部分信息所產(chǎn)生價值。

假設(shè)3 在長期博弈過程中,供應(yīng)商進(jìn)行信息共享的概率為x,總承包商進(jìn)行信息共享的概率為y。

1.3 博弈模型的構(gòu)建

根據(jù)以上假設(shè),博弈主體支付矩陣[13]見表1。

表1 供應(yīng)商和總承包商信息共享博弈支付矩陣

1.4 演化博弈分析

由表1可得,供應(yīng)商信息共享期望收益為

U1x=y(B1+α1Q2-λ1Q1)+(1-y)(B1-λ1Q1)

(1)

信息不共享期望收益為

U1n=y(B1+β1Q2)+(1-y)B1

(2)

平均期望收益為

U1=xU1x+(1-x)U1n

(3)

進(jìn)而可得,供應(yīng)商復(fù)制動態(tài)方程為

x(1-x)[y(α1-β1)Q2-λ1Q1]

(4)

同理,總承包商復(fù)制動態(tài)方程如下:

y(1-y)[x(α2-β2)Q1-λ2Q2]

(5)

式(4)和式(5)即為演化博弈動力學(xué)方程式。

上述5個系統(tǒng)平衡點(diǎn)未必都是演化穩(wěn)定點(diǎn),其穩(wěn)定性可以根據(jù)Friedman的雅克比矩陣局部穩(wěn)定性[9]進(jìn)行分析,由式(4)和式(5)可得

(6)

其中:

a11=(1-2x)[y(α1-β1)Q2-λ1Q1]

a12=x(1-x)(α1-β1)Q2

a21=y(1-y)(α2-β2)Q1

a22=(1-2y)[x(α2-β2)Q1-λ2Q2]

將平衡點(diǎn)的數(shù)值代入后若滿足以下條件:

Tr(J)=a11+a22<0

Det(J)=a11a22-a12a21>0

則認(rèn)為該系統(tǒng)平衡點(diǎn)具有局部穩(wěn)定性,其為演化穩(wěn)定策略ESS。

由表2可知,該博弈模型的穩(wěn)定點(diǎn)為(0,0),(1,1),即供應(yīng)商和總承包商經(jīng)過長期博弈后ESS為:雙方都信息共享,或雙方都信息不共享。圖1顯示了供應(yīng)商和總承包商信息共享博弈結(jié)果的走向。

表2 系統(tǒng)(4)(5)平衡點(diǎn)局部穩(wěn)定性

圖1 供應(yīng)商和總承包商信息共享演化博弈相位圖

由圖1可見,供應(yīng)商和總承包商博弈的最終策略選擇是要么雙方都進(jìn)行信息共享,要么雙方都不進(jìn)行信息共享,即達(dá)到演化均衡狀態(tài)O(0,0)或者B(1,1)。系統(tǒng)的初始狀態(tài)決定了系統(tǒng)的最終收斂點(diǎn)。當(dāng)初始狀態(tài)在圖1中的四邊形OADC內(nèi)時,系統(tǒng)不斷向O(0,0)點(diǎn)趨近,即雙方都選擇信息不共享;而當(dāng)在圖1中的四邊形ABCD內(nèi)時,系統(tǒng)將不斷向B(1,1)點(diǎn)趨近,即雙方都選擇信息共享。據(jù)此,可以用四邊形OADC和ABCD的面積大小來表示演化策略的最終確定。ABCD面積大小可以表示信息共享的概率,通過分析影響其面積大小的因素得出大型水利水電工程施工階段供應(yīng)商和總承包商信息共享的影響因素。

四邊形ABCD的面積為

(7)

由式(7)可得,影響四邊形ABCD面積的因素有Q1、Q2、α1、α2、β1、β2、λ1、λ2,通過對這些因素逐一進(jìn)行分析,可以得出如下結(jié)論。

結(jié)論1 在一定限制條件下,供應(yīng)商和總承包商合作的概率隨可共享信息量的增大而增大。

證明 對式(7)中的Qi(i=1,2)求一階偏導(dǎo)得

結(jié)論2 當(dāng)供應(yīng)商和總承包商都選擇信息共享時,信息收益系數(shù)越大,信息共享的概率越大。

證明 對式(7)中的αi(i=1,2)求一階偏導(dǎo)得

因此,四邊形ABCD的面積隨著α1、α2的增大而增大,即信息共享的概率隨著信息收益系數(shù)的增大而增大,演化均衡隨信息收益系數(shù)的增大逐漸收斂于B(1,1)。

結(jié)論3 當(dāng)單方信息共享時,“搭便車”收益系數(shù)越大,信息共享概率越小。

證明 對式(7)中的βi(i=1,2)求一階偏導(dǎo),可得

由此可得,四邊形ABCD的面積隨βi單調(diào)遞減,即隨著“搭便車”收益系數(shù)的增大，雙方信息共享的概率越小,演化均衡隨βi增大最終將收斂于O(0,0)。

結(jié)論4 信息共享概率隨信息共享成本系數(shù)單調(diào)遞減。

證明 對式(7)中的λi(i=1,2)求一階偏導(dǎo)得

因此,四邊形ABCD的面積隨λi單調(diào)遞減,即隨著信息共享成本系數(shù)的增大,雙方進(jìn)行信息共享的概率越小,演化均衡隨信息共享成本系數(shù)的增大最終收斂于O(0,0)。

表4 系統(tǒng)(8)平衡點(diǎn)分析

2 業(yè)主獎懲制度下的演化博弈模型

在大型水利水電工程的建設(shè)過程中,業(yè)主方更希望項目可以盡早且高質(zhì)量完成,但因其系統(tǒng)龐大且復(fù)雜等特點(diǎn),工程的參與方之間溝通比較困難,溝通的成本也很高,因此工程參與方不愿花費(fèi)較高的成本來進(jìn)行信息系統(tǒng)的構(gòu)建。業(yè)主方需要采取一些獎懲措施以解決博弈方不愿意進(jìn)行信息共享的問題。業(yè)主可以通過對信息共享方進(jìn)行獎勵、對信息不共享方進(jìn)行懲罰使得博弈模型的演化均衡最終趨近于(1,1)。

假設(shè)業(yè)主監(jiān)督情形下,業(yè)主的監(jiān)察概率為P,對博弈雙方的獎懲額度為F,可以得到表3的博弈支付矩陣。

表3 業(yè)主方獎懲制度下博弈支付矩陣

此時,動力學(xué)方程為

(8)

系統(tǒng)的平衡點(diǎn)為(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)。當(dāng)且僅當(dāng)2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}時,系統(tǒng)只存在唯一演化均衡點(diǎn)(1,1)。

證明 由表4可知，(1,1)是唯一的ESS的充要條件是:

Tr(J)=a11+a22<0

Det(J)=a11a22-a12a21>0

即-[(α1-β1)Q2-λ1Q1+2PF]-

[(α2-β2)Q1-λ2Q2+2PF]<0

且[(α1-β1)Q2-λ1Q1+2PF]

[(α2-β2)Q1-λ2Q2+2PF]>0

同時 -(λ1Q1-2PF)-(-λ2Q2-2PF)>0

且(λ1Q1-2PF)(-λ2Q2-2PF)>0

則2PF>max{λ1Q1-(α1-β1)Q2,

λ2Q2-(α2-β2)Q1}>0

2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}>0

因此2PF>max{λ1Q1,λ2Q2}

3 Matlab數(shù)值仿真

由以上分析可知,決定大型水利水電工程建設(shè)過程中供應(yīng)商和總承包商信息共享決策的影響因素有雙方的可共享信息量、信息共享時雙方的信息收益系數(shù)、單方進(jìn)行信息共享時的“搭便車”收益系數(shù)、雙方信息共享成本系數(shù),以及業(yè)主監(jiān)督情況下的監(jiān)察概率和獎懲額度。從業(yè)主不參與、業(yè)主獎懲制度兩個角度,利用Matlab7.0仿真研究各因素對演化結(jié)果的影響。

3.1 業(yè)主不參與

假設(shè)Q1=20、Q2=22、α1=1.4、α2=1.8、β1=0.4、β2=0.5、λ1=0.5、λ2=0.7、P=0、F=20。將上述假設(shè)值帶入式(8),進(jìn)行仿真可得。

3.1.1 共享模式下,Q1和Q2對演化結(jié)果的影響

圖2 Q1、Q2對信息共享概率的影響

由圖2(a)可知,當(dāng)總承包商的可共享信息量一定時,信息共享概率隨供應(yīng)商可共享信息量的增大先增大后減小。由結(jié)論1的分析可知,供應(yīng)商和總承包商的可共享信息量有一定的比例關(guān)系,這意味著當(dāng)總承包商的可共享信息量一定時,供應(yīng)商的共享信息量并不是越多越好。因為從供應(yīng)商的角度來說,當(dāng)其共享信息量超過一定值時,共享概率會越來越小。這是因為總承包商的信息共享量是一定的,供應(yīng)商因此所獲的收益也是一定的,當(dāng)供應(yīng)商的共享信息量超過一定值時,供應(yīng)商的信息共享成本會超過其所獲取的收益,此時隨著供應(yīng)商可共享信息量的增多,供應(yīng)商將停止信息共享。對于圖2(b),當(dāng)總承包商的信息共享成本超過因為供應(yīng)商信息共享所獲取的收益時,隨著總承包商共享信息量的增加,共享概率會減小,總承包商不愿意再進(jìn)行信息共享。只有雙方的可共享信息量同比例增加時,雙方才會一直愿意進(jìn)行信息共享,這也是對大型水利水電工程建設(shè)最有利的一種狀態(tài)。

3.1.2 共享模式下,α1和α2對演化結(jié)果的影響

假設(shè)大型水利水電工程建設(shè)過程中,供應(yīng)商和總承包商都進(jìn)行信息共享,設(shè)其他假設(shè)值不變,令α1在區(qū)間[1,3]內(nèi)變動,α2在 [1.5,3.5]內(nèi)變動,進(jìn)行Matlab數(shù)值仿真可得圖3。分析圖3可知,信息共享概率隨信息收益系數(shù)α1、α2的增大而增大,即信息收益系數(shù)越大,供應(yīng)商和總承包商因為信息共享所獲的收益也越大,從而雙方合作進(jìn)行信息共享的概率也越大。

圖3 α1和α2對信息共享概率的影響

3.1.3 單方信息共享時,β1和β2對演化結(jié)果的影響

當(dāng)只有一方進(jìn)行信息共享時,設(shè)其他假設(shè)值不變,令β1在區(qū)間[0.1,0.8]內(nèi)變動,β2在 [0.4,1.1]內(nèi)變動,進(jìn)行Matlab數(shù)值仿真可得圖4。分析圖4可知,信息共享概率隨“搭便車”收益系數(shù)β1、β2的增大而減小,即“搭便車”所獲的收益越大,博弈方將選擇“搭便車”,而不進(jìn)行信息共享,最終雙方都信息不共享。

由于信息不對稱,在大型水利水電工程建設(shè)過程中,會存在“搭便車”行為。這種收益的存在使得“搭便車”博弈方不愿意為信息共享投入成本,且“搭便車”收益越大,信息共享的概率越小。

圖4 只有一方信息共享時,β1和β2對信息共享概率的影響

3.1.4 λ1和λ2對演化結(jié)果的影響

信息共享必然伴隨著成本的產(chǎn)生,假設(shè)λ1在區(qū)間[0.1,0.9]內(nèi)變動,λ2在 [0.5,1.3]內(nèi)變動,其余假設(shè)值不變,進(jìn)行Matlab仿真可得圖5。分析圖5可知,λ1、λ2增大,ABCD面積減小,即信息共享成本系數(shù)越大,博弈方愿意進(jìn)行信息共享的概率越小。信息共享成本系數(shù)的增大使得博弈方所獲的收益越來越小,甚至出現(xiàn)負(fù)收益,這勢必會削弱博弈方進(jìn)行信息共享的積極性。

圖5 λ1和λ2對信息共享概率的影響

3.2 業(yè)主參與

為了使博弈雙方都進(jìn)行信息共享,業(yè)主對供應(yīng)商和總承包商實施獎勵和懲罰措施。設(shè)其他假設(shè)值不變,由表4的分析可知，當(dāng)PF>7.7時,供應(yīng)商和總承包商信息共享演化博弈模型存在唯一演化均衡點(diǎn)(1,1),即信息共享概率趨近于1。已知0≤P≤1,令F在區(qū)間[0,8]內(nèi)變動,進(jìn)行Matlab仿真可得到圖6。分析圖6發(fā)現(xiàn),當(dāng)P和F都很大時,PF才有可能超過7.7,信息共享的概率才會趨近于1。當(dāng)P很大,而F很小時,信息共享的概率很小,說明業(yè)主的監(jiān)督起不到作用,博弈主體寧愿支付懲罰金額也不愿意信息共享。

在實際的水利水電工程建設(shè)過程中,業(yè)主為了使工程盡快高質(zhì)的完工,對供應(yīng)商和總承包商的獎懲力度一定不能太小。當(dāng)懲罰力度太小時,供應(yīng)商和總承包商不進(jìn)行信息共享所獲取的利潤遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于政府的懲罰,而進(jìn)行信息共享會承擔(dān)來自對手博弈方的機(jī)會主義行為風(fēng)險,還要投入大量的信息共享成本,這種無法保證自身利益的措施最終會使得博弈方都不進(jìn)行信息共享。

圖6 業(yè)主P和F對信息共享概率的影響

4 結(jié) 語

信息共享的需求存在于大型水利水電工程各個參與方。設(shè)計單位和業(yè)主之間、總承包商和設(shè)計單位之間、業(yè)主和總承包商之間、供應(yīng)商和總承包商之間等都需要信息共享的支撐。各參與方之間由于信息不對稱所造成的成本、風(fēng)險可以通過信息共享解決。

本文通過構(gòu)建供應(yīng)商和總承包商信息共享演化博弈模型分析影響信息共享的主要因素,仿真得到以下結(jié)論:可共享信息量、信息收益系數(shù)、“搭便車”收益系數(shù)、信息共享成本系數(shù)這些因素的變化會影響博弈主體信息共享的策略選擇。博弈雙方的可共享信息量以一定的比例增長才會使得信息共享的概率增長,一方的可共享信息量和另一方的可共享信息量存在一定的比例關(guān)系;信息共享概率隨信息收益系數(shù)單調(diào)遞增，隨“搭便車”收益系數(shù)單調(diào)遞減，隨信息共享成本系數(shù)單調(diào)遞減。

為使大型水利水電工程盡快完工,提高工程建設(shè)效率,業(yè)主可以采取一些獎懲措施使得供應(yīng)商和總承包商都選擇進(jìn)行信息共享策略,對不進(jìn)行信息共享的博弈方進(jìn)行懲罰,對進(jìn)行信息共享的博弈方進(jìn)行獎勵。同時,業(yè)主方要注意獎懲力度,這非常關(guān)鍵。因為當(dāng)獎懲力度很小時,博弈主體根本不在乎這些獎懲收益,依然會選擇信息不共享策略,但當(dāng)懲罰力度很大時,也可能會造成供應(yīng)商和總承包商畏懼懲罰而不得不艱難運(yùn)營,獎勵力度很大時,業(yè)主方可能無力承擔(dān),因此,業(yè)主方的獎勵和懲罰要適度。

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10.3880/j.issn.1003-9511.2017.01.014

李芳(1992—),女,碩士研究生,主要從事管理科學(xué)與工程研究。E-mail:630688361@qq.com

章恒全(1957—),男,教授,主要從事工程管理和項目管理、投資管理研究。E-mail:hqzhang630@163.com

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2016-09-16 編輯：胡新宇)