建筑企業(yè)數(shù)字化協(xié)同的演化博弈分析

陳群，李佳昕，陳哲

(1.福建工程學(xué)院 管理學(xué)院，福建 福州 350118；2.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，福建 寧德 355099)

數(shù)字化協(xié)同是解決企業(yè)間信息技術(shù)與資源共享的有力手段，能減輕企業(yè)轉(zhuǎn)型的成本壓力，打破建設(shè)項(xiàng)目過程中各參與主體掌握信息資源的孤島狀態(tài)，促進(jìn)各建造階段的數(shù)據(jù)流動(dòng)，提高項(xiàng)目建設(shè)效率、質(zhì)量和價(jià)值。企業(yè)間數(shù)字化合作帶來(lái)的協(xié)同效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體的信息技術(shù)水平升級(jí)，推動(dòng)建筑業(yè)的技術(shù)突破。謝新水等[1]指出，數(shù)字化轉(zhuǎn)型背后隱藏的“社會(huì)事實(shí)”和數(shù)字資源的本質(zhì)是“合作共享”，數(shù)字化的根本目的不再是謀求個(gè)體利益，而是要實(shí)現(xiàn)全行業(yè)、全社會(huì)整體效益的提升。然而，由于建設(shè)項(xiàng)目的建造過程涉及多方參與，各參建單位獨(dú)立的技術(shù)投入無(wú)法發(fā)揮出數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需要參建單位和相關(guān)企業(yè)共同參與到數(shù)字化技術(shù)協(xié)作中[2]，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高建筑業(yè)的精細(xì)化水平。

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，如何激勵(lì)建筑企業(yè)參與數(shù)字化技術(shù)協(xié)作，提高建筑業(yè)數(shù)據(jù)資源共享，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。在針對(duì)建筑企業(yè)間協(xié)同合作的研究中，為了更好地了解建筑業(yè)各參與方協(xié)作的復(fù)雜性，Boton[3]等人運(yùn)用系統(tǒng)三角分析的方法從功能、系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)3個(gè)方面對(duì)建筑企業(yè)間的合作問題進(jìn)行分析，提出了一個(gè)新的系統(tǒng)方法來(lái)彌補(bǔ)建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)在建筑協(xié)同領(lǐng)域的不足。Ahmed[4]則是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)提出了一種基于信任和合作價(jià)值估計(jì)(CoVE)的方法，并使用BIM數(shù)據(jù)集進(jìn)行能力評(píng)估以減少合作風(fēng)險(xiǎn)，從而維持和促進(jìn)建設(shè)項(xiàng)目各參建方之間的合作。在企業(yè)協(xié)同策略和機(jī)制研究中，針對(duì)參建企業(yè)間信息不交互、數(shù)據(jù)不透明等問題，余芳強(qiáng)[5]、毛超[6]、申玉民[7]等學(xué)者基于各種數(shù)字化技術(shù)，分別提出了建設(shè)項(xiàng)目全過程的數(shù)據(jù)管理體系、全過程協(xié)同體系和多人協(xié)同設(shè)計(jì)體系，為建設(shè)過程中跨階段的信息無(wú)損傳遞提供了依據(jù)，并促進(jìn)了數(shù)字技術(shù)在建筑業(yè)的深度應(yīng)用；在企業(yè)協(xié)同的影響因素研究中，文獻(xiàn)[8-10]均表明，知識(shí)互補(bǔ)性、技術(shù)相關(guān)性和企業(yè)間協(xié)同機(jī)制的建立等對(duì)企業(yè)間的協(xié)同合作有較為顯著的影響。然而，已有研究主要針對(duì)某一具體建造階段組織內(nèi)部或者某一具體數(shù)字技術(shù)(如BIM、區(qū)塊鏈等)，鮮有以建筑行業(yè)的企業(yè)間數(shù)字化協(xié)同合作為對(duì)象，且忽略了企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型是由多方共同參與的協(xié)同過程，缺乏針對(duì)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型內(nèi)在動(dòng)因和機(jī)理的探討，缺少對(duì)數(shù)字化合作過程中各個(gè)參與方之間技術(shù)合作關(guān)系的演化過程與動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)的研究。

鑒于此，本研究以建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的技術(shù)協(xié)同合作行為為研究對(duì)象，通過演化博弈理論對(duì)建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的演化穩(wěn)定策略進(jìn)行分析，并以數(shù)值模擬仿真對(duì)演化穩(wěn)定策略中的主要影響因素的作用機(jī)理進(jìn)行研究，以期對(duì)我國(guó)建筑業(yè)數(shù)字化協(xié)同發(fā)展提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 模型的假設(shè)與構(gòu)建

1.1 基本假設(shè)

本研究針對(duì)的是工程項(xiàng)目建設(shè)過程中作為不同參與主體的企業(yè)，包括設(shè)計(jì)方、施工方、分包方等和建造過程相關(guān)的各類企業(yè)。為簡(jiǎn)化研究，將建筑企業(yè)視為一個(gè)系統(tǒng)，在“自然狀態(tài)”下，將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)企業(yè)群體，在群體中分別抽取一個(gè)企業(yè)A和企業(yè)B進(jìn)行博弈，它們均會(huì)從自身利益出發(fā)，選擇最有利于各自企業(yè)發(fā)展的策略。

假設(shè)1 建筑企業(yè)博弈雙方的策略集均為(數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型，保持傳統(tǒng)建造模式)。

假設(shè)2 建筑企業(yè)A選擇“數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型”的概率是x，選擇繼續(xù)“保持傳統(tǒng)建造模式”的概率為(1-x)；企業(yè)B選擇“數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型”的概率是y，選擇繼續(xù)“保持傳統(tǒng)建造模式”的概率為(1-y)。且x,y∈[0,1]，均為時(shí)間t的函數(shù)。

假設(shè)3 建筑企業(yè)A和B選擇“保持傳統(tǒng)建造模式”時(shí)，其原始收益分別為Ia、Ib。

假設(shè)4 企業(yè)選擇實(shí)施數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型時(shí)投入的成本為Ci(i=a，b)[11]；數(shù)字化技術(shù)可為企業(yè)帶來(lái)相應(yīng)的收益[12-13]，收益系數(shù)為α，且α∈[0,1]；有研究[14]指出，企業(yè)利潤(rùn)會(huì)受企業(yè)數(shù)字化程度的影響，企業(yè)的數(shù)字化程度對(duì)企業(yè)的利潤(rùn)有積極的正向作用，因此設(shè)生產(chǎn)建造過程中建筑企業(yè)的數(shù)字化能力系數(shù)為γ0，γ0≥1，以此來(lái)反映企業(yè)的數(shù)字化程度。

假設(shè)5 企業(yè)A、B均選擇向數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型時(shí)，雙方通過數(shù)字技術(shù)協(xié)同合作產(chǎn)生“1+1>2”的協(xié)同效益系數(shù)為βi(i=a，b)[15]，且βi∈[0,1]。

假設(shè)6 當(dāng)建筑企業(yè)選擇數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型，政府對(duì)企業(yè)的補(bǔ)貼為Hi(i=a，b)。

假設(shè)7 當(dāng)一個(gè)企業(yè)實(shí)施數(shù)字化建造技術(shù)，而另一個(gè)企業(yè)保持傳統(tǒng)建造模式時(shí)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的存在，保持傳統(tǒng)建造模式的企業(yè)的將會(huì)面臨一定的潛在損失[16](例如：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降等)，潛在損失記為L(zhǎng)i(i=a,b)。

1.2 演化模型的構(gòu)建

基于以上分析和假設(shè)，可得出建筑企業(yè)A和B實(shí)施數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型的決策收益矩陣如表1所示。

表1 建筑企業(yè)的決策收益矩陣

2 演化博弈模型分析

2.1 演化過程中的平衡點(diǎn)

當(dāng)企業(yè)A選擇“數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型”時(shí)，企業(yè)B有“數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型”和“保持傳統(tǒng)建造模式”兩種策略選擇，企業(yè)B的選擇會(huì)影響企業(yè)A的最終收益情況。此時(shí)企業(yè)A所期望達(dá)到的收益值=∑企業(yè)B選擇某種情況的概率*該策略組合下企業(yè)A可獲得的收益，對(duì)應(yīng)的具體表達(dá)式為：

Ea1=y(γ0Ia+αIa+βaCa-Ca+Ha)+

(1-y)(γ0Ia+αIa-Ca+Ha)

(1)

企業(yè)A選擇保持傳統(tǒng)建造模式的期望收益為：

Ea2=y(Ia-La)+(1-y)Ia

(2)

企業(yè)A的平均期望收益為：

(3)

同上所述，當(dāng)企業(yè)B選擇“數(shù)字化建造技術(shù)轉(zhuǎn)型”時(shí)，所期望達(dá)到的收益值為：

Eb1=x(γ0Ib+αIb+βbCb-Cb+Hb)+

(1-x)(γ0Ib+αIb-Cb+Hb)

(4)

企業(yè)B選擇保持傳統(tǒng)建造模式的期望收益為：

Eb2=x(Ib-Lb)+(1-x)Ib

(5)

企業(yè)B的平均期望收益為：

(6)

由此可得到一個(gè)博弈雙方復(fù)制動(dòng)態(tài)方程組(T)：

(7)

為了后續(xù)便于分析，令

2.2 演化博弈平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性分析

2.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的判定條件

對(duì)復(fù)制動(dòng)態(tài)方程組依次求關(guān)于x和y的偏導(dǎo)數(shù)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的雅克比矩陣為：

(8)

雅克比矩陣的行列式的表達(dá)式為：

det(J)=a11a22-a12a21

雅可比矩陣的跡的表達(dá)式為：

tr(J)=a11+a22

依據(jù)Friedman[17]提出的矩陣局部分析法，判定該系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中的穩(wěn)定點(diǎn)(ESS)、不穩(wěn)定點(diǎn)和鞍點(diǎn)，判定條件如下：

(1)當(dāng)雅可比矩陣的跡tr(J)<0且行列式det(J)>0時(shí)，該平衡點(diǎn)就是穩(wěn)定的，其對(duì)應(yīng)的策略就是演化穩(wěn)定策略(ESS)。

(2)當(dāng)雅可比矩陣的跡tr(J)和行列式det(J)均大于零時(shí)，該平衡點(diǎn)是不穩(wěn)定點(diǎn)。

(3)當(dāng)雅可比矩陣的行列式det(J)<0，而跡tr(J)為任意值時(shí)，該平衡點(diǎn)為鞍點(diǎn)。

2.2.2 企業(yè)間協(xié)同系數(shù)的穩(wěn)定性分析

情形1：當(dāng)建筑企業(yè)A和B在實(shí)施數(shù)字化建造技術(shù)時(shí)的協(xié)同效應(yīng)系數(shù)均很小，即

表2 情形1條件下系統(tǒng)平衡點(diǎn)的局部穩(wěn)定性

表3 情形2條件下系統(tǒng)平衡點(diǎn)的局部穩(wěn)定性

表4 情形3條件下系統(tǒng)平衡點(diǎn)的局部穩(wěn)定性

表5 情形4條件下系統(tǒng)平衡點(diǎn)的局部穩(wěn)定性

圖1 4種情形下的演化相位圖Fig.1 Phase diagram of evolution in four situations

3 數(shù)值仿真

為更加清晰地表達(dá)數(shù)字化協(xié)同效應(yīng)系數(shù)、數(shù)字化能力系數(shù)、政策激勵(lì)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型成本等關(guān)鍵參數(shù)的取值變化及對(duì)博弈主體行為策略的影響，參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]，并采用MATLAB軟件對(duì)該博弈系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，初始值如表6所示。

表6 各參數(shù)初始值

3.1 初始狀態(tài)

在博弈初始階段，在其他參數(shù)不變的情況下，改變博弈雙方轉(zhuǎn)型的初始意愿值，本研究列舉了4種不同情境下的初始意愿組合策略，具體演化路徑及結(jié)果如圖2所示。在博弈之初，雙方企業(yè)均對(duì)是否進(jìn)行建造技術(shù)轉(zhuǎn)型持觀望態(tài)度，即雙方初始選擇概率值均為x=y=0.5，由于企業(yè)雙方的轉(zhuǎn)型意愿均不強(qiáng)烈，因此系統(tǒng)迅速趨于均“保持傳統(tǒng)建造模式”。而當(dāng)一方企業(yè)B具有較高數(shù)字化轉(zhuǎn)型意愿開始嘗試進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而企業(yè)A仍處于觀望狀態(tài)時(shí)(即x=0.5，y=0.8)，由于企業(yè)B沒有得到市場(chǎng)的正向反饋，加之企業(yè)間沒有形成協(xié)同效應(yīng)和較高的轉(zhuǎn)型成本，雙方最終仍會(huì)回到“保持傳統(tǒng)建造模式”的初始狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高企業(yè)雙方的轉(zhuǎn)型意愿，從圖2的仿真結(jié)果可知，只有當(dāng)企業(yè)雙方的轉(zhuǎn)型意愿均處于較高的概率(x=0.8，y=0.8)時(shí)，系統(tǒng)在經(jīng)歷一定波動(dòng)后，最終才會(huì)共同選擇“實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型”。由此可以看出，僅靠企業(yè)自身發(fā)展意愿很難推動(dòng)建筑企業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，因此要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)因素進(jìn)行分析和討論。

圖2 雙方初始意愿的演化路徑Fig.2 Evolutionary path of the initial will of both parties

3.2 協(xié)同系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響分析

在其他因素不變、博弈雙方初始轉(zhuǎn)型意愿均為x=y=0.5的情況下，企業(yè)間的協(xié)同系數(shù)βi的變化對(duì)雙方企業(yè)決策行為的影響如圖3所示。由圖3可知，企業(yè)間的協(xié)同系數(shù)βi的提高，可促使系統(tǒng)更加快速地趨于穩(wěn)定的策略。在博弈初期，由于選擇實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)之間未形成穩(wěn)定的合作關(guān)系，企業(yè)間的協(xié)同系數(shù)較低，使得企業(yè)的收益小于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成本，此時(shí)博弈雙方均會(huì)維持成本較低的原始狀態(tài)，即均“保持傳統(tǒng)建造模式”。隨著企業(yè)間數(shù)字化合作的深入和完善，企業(yè)間的數(shù)字化程度逐漸提高，博弈雙方的數(shù)字化轉(zhuǎn)型意愿也越來(lái)越強(qiáng)烈，最終企業(yè)雙方均會(huì)選擇“實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型”策略。

圖3 協(xié)同系數(shù)對(duì)演化路徑的影響Fig.3 Influence of synergy coefficient on evolution path

3.3 政策激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)的影響分析

如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)雙方的轉(zhuǎn)型意愿不強(qiáng)烈、均處于“保持傳統(tǒng)建造模式”的狀態(tài)時(shí)，政府可通過一定的外部激勵(lì)來(lái)促進(jìn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型。即當(dāng)企業(yè)雙方均處于觀望狀態(tài)(x=y=0.5)時(shí)，政府補(bǔ)貼的增加可激勵(lì)雙方的合作意愿，使得系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于政府的支持和激勵(lì)政策，企業(yè)的轉(zhuǎn)型意愿逐漸增加，系統(tǒng)發(fā)展到相對(duì)穩(wěn)定的階段時(shí)，政府可以適當(dāng)降低干預(yù)力度逐漸減少補(bǔ)貼，此時(shí)系統(tǒng)仍然會(huì)向“選擇數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的方向發(fā)展。

圖4 政策激勵(lì)對(duì)演化路徑的影響Fig.4 Impact of policy incentives on the evolutionary path

3.4 數(shù)字化程度和成本共同作用對(duì)系統(tǒng)的影響

建筑企業(yè)為了提高自身數(shù)字化能力，必定需要增加相應(yīng)的成本支出，當(dāng)企業(yè)的數(shù)字化能力在不斷增加的同時(shí)，成本也會(huì)增加。因此，要同時(shí)考慮企業(yè)數(shù)字化程度和成本的動(dòng)態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。企業(yè)A數(shù)字化能力系數(shù)和成本同比例增長(zhǎng)的演化路徑如圖5所示。從演化路徑可以看出，企業(yè)數(shù)字化能力的不斷提升導(dǎo)致成本的增加使得企業(yè)A在初期時(shí)轉(zhuǎn)型意愿不高，但經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的提高所帶來(lái)的收益逐漸高于投入的成本，企業(yè)在經(jīng)歷較長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)展后最終會(huì)趨于“選擇數(shù)字化轉(zhuǎn)型”的穩(wěn)定策略。

圖5 數(shù)字化程度和成本共同作用對(duì)演化路徑的影響Fig.5 Influence of the degree of digitization and cost on the evolution path

4 結(jié)論與建議

本研究立足數(shù)字化協(xié)同的角度，運(yùn)用演化博弈論研究了建筑企業(yè)不同主體之間實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的策略，并運(yùn)用Matlab軟件仿真分析了各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)演化路徑的影響。通過上述分析獲得以下結(jié)論與管理啟示：

1)企業(yè)自身的數(shù)字化建造能力對(duì)企業(yè)的數(shù)字化效益和成本有著直接的影響。建筑企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視自身數(shù)字化的發(fā)展，增加對(duì)數(shù)字技術(shù)的資金投入和研發(fā)力度，重視數(shù)字化人才引進(jìn)和人才培養(yǎng)。其次，強(qiáng)化數(shù)字化技術(shù)在應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)采集和處理能力、數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)應(yīng)用能力。最后，讓數(shù)字化技術(shù)賦能企業(yè)管理和組織能力的建設(shè)，從而提高企業(yè)的整體業(yè)務(wù)水平和數(shù)字化能力，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和數(shù)字化收益。

2)建筑企業(yè)間的數(shù)字化協(xié)同效應(yīng)系數(shù)顯著影響了建筑業(yè)數(shù)字化建造技術(shù)的發(fā)展，較低的協(xié)同效應(yīng)會(huì)降低企業(yè)間的合作意愿。因此，政府和業(yè)主應(yīng)該鼓勵(lì)業(yè)主或業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)構(gòu)建以數(shù)字化技術(shù)為核心的專業(yè)化協(xié)同平臺(tái)，打破工程項(xiàng)目在各參建方、各環(huán)節(jié)間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目在決策、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的信息互通、數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同階段、不同建設(shè)資源的管理與協(xié)調(diào)，為企業(yè)間的數(shù)字化協(xié)同合作提供保障，從而降低企業(yè)間合作成本，提高建筑企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型意愿。

3)外部激勵(lì)的加入推動(dòng)了建筑企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程和發(fā)展，政府的資金扶持、制定和完善保障建筑企業(yè)數(shù)字化發(fā)展的法律法規(guī)、積極推廣和普及數(shù)字化在建筑行業(yè)的應(yīng)用等，是影響建筑企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的外部條件，成為了建筑企業(yè)實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的動(dòng)力引擎和加速器。在建筑業(yè)數(shù)字化技術(shù)推廣的初始階段，政府應(yīng)該要加強(qiáng)政策引導(dǎo)和財(cái)政支持，以促進(jìn)建筑企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的積極性，并為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型減少一定的風(fēng)險(xiǎn)和增量成本。而在建筑業(yè)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展階段，政府可以適當(dāng)減弱資金補(bǔ)貼力度，轉(zhuǎn)而采取其他的補(bǔ)貼政策支持建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如校企合作、增加對(duì)相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)的支持力度等。

本研究在一定意義上揭示了建筑企業(yè)實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的主要影響因素和動(dòng)態(tài)演化過程，為建筑企業(yè)數(shù)字化協(xié)同發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。