区块链使能石油工程质量四方主体演化博弈分析

李俊亭，李颖涵

(1.西安石油大学 土木工程学院，陕西 西安 710065； 2.西安石油大学 经济管理学院，陕西 西安 710065)

引 言

石油工业是我国国民经济的支柱产业和基础性行业，工程质量是石油工业的“生命线”，但石油工程项目中仍存在主体之间信息共享程度低、信任度不高、管理方式落后等一系列问题[1]。高质量发展要求石油工程管理与数字化相融合，通过智能化管理改变传统粗放式、碎片化的石油工程建造模式。

目前工程质量管理数字化、智能化的研究已有很大的进展。近年来，已将颠覆性信息技术区块链嵌入到工程质量管理体系中，利用区块链技术解决工程质量管理中存在的漏洞[2]，克服原有工程质量管理的痼疾。区块链技术通过关联建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等各工程项目参与主体，形成互信机制，从而形成工程质量协同管理。区块链技术可以应用于建设质量管理智能化创新过程，利用新兴技术改善传统质检模式[3-4]；应用于建设质量信息管理[5-7]；进行建筑供应链的信息共享[8-9]；应用于建筑产业工人的信息管理[8]、工程施工管理[10]和建设质量追溯[11]等。当前区块链工程质量管理的研究侧重于概念模型、平台架构、应用场景等方面，而对于利用区块链技术提高工程质量的机制研究并不充分。工程质量管理过程中往往涉及多个主体，这些参与主体之间存在着错综复杂的利益关系，因此有不少学者通过演化博弈进行研究。如通过案例分析探讨不完美信息博弈理论和重复博弈理论在石油工程项目管理的实践[12]；基于业主角度对工程质量参与主体监理及承包商进行博弈分析[13]；通过构建“中央政府—地方政府—公众”三方的非合作演化博弈模型，分析不同决策主体在公共工程项目中的演化稳定策略[14]；运用演化博弈构建工程项目施工安全方和监理方的博弈模型，并探讨工程项目施工安全影响因素及演化均衡[15]；将飞检模式引入质量监管体系之中，根据实际情况构建飞检组织、监督机构、监理单位、施工单位四方演化博弈模型，分析讨论均衡点博弈策略稳定性[16]。这些研究为工程质量管理体系建设提供了参考及借鉴。

已有的研究焦点主要集中于建设单位、施工单位、监理单位中的双方或者三方博弈，但建设工程是多主体相互作用的结果，仅研究双方或者三方博弈关系容易导致研究结果片面。将建设单位、监理单位、供应商单位及施工单位4个参与主体同时置于同一框架更接近于石油工程实际情况，有助于系统分析工程质量管理过程中不同参与主体策略选择的动态演化过程。但尚未有研究基于四方参与主体博弈理论框架进行仿真分析，并进一步定量考察不同因素变化对相关主体策略选择的影响。基于此，本文构建建设单位、监理单位、供应商单位及施工单位四方演化博弈模型，分析四方博弈演化稳定策略，并通过数值仿真分析相关因素变化对博弈策略的影响规律，进一步验证将区块链技术引入石油工程质量管理的可靠性。

1 问题描述与基本假设

石油工程质量由各参与主体的质量行为共同决定，但建设单位、监理单位、供应商单位及施工单位是影响工程质量高低的关键因素。建设单位通过招投标选择设计勘察方、施工方及监理方；监理单位严格监督建设过程中各主体的行为及工程质量；施工单位按照施工标准规范施工；供应商单位为工程建设提供原材料及机器设备。由于建设单位监管能力有限，导致监理单位存在偷懒而放松监管的可能，因此建设单位根据监理单位的监理力度进行奖励和处罚。施工单位作为工程建设的直接参与者，主要工作为采购及施工。供应商单位主要负责原材料及机器设备的供应，原材料的好坏直接影响工程质量的高低。建设单位、监理单位、供应商单位及施工单位在建设工程实施过程中相互影响、相互作用。根据石油工程施工现实场景提出如下基本假设。

假设1：博弈参与方均为有限理性，具体包括建设单位、监理单位、供应商单位和施工单位。

假设2：建设单位策略选择为严格监管和不严格监管。建设单位严格监管成本为C1,当监理单位发现施工单位与供应商合谋串通时，建设单位将对其两者进行处罚。建设单位监管发现问题的概率为θ(0≤θ≤1)。当供应商与施工单位勾结时，会对工程项目造成损害，对建设单位造成一定的利益损失为L1。

假设3：监理单位策略选择为监理和不监理。监理单位监理成本为C2。监理单位选择监理策略时一定能发现违规现象。监理单位不监理时被建设单位发现将受到处罚为F1。

假设4：供应商单位策略选择为贿赂和不贿赂。供应商主要负责原材料及设备的供应，为谋求自身的利益，很有可能与施工单位产生贿赂行为。供应商正常工作时的成本为C3，收益为B1，供应商合谋时获利为B2，供应商的贿赂成本为R(R

假设5：施工单位策略选择为规范施工和违规施工。施工单位按照需求进行材料及设备的购买租赁，为追求自身利益最大化，可能会与供应商串通使用不合格材料进行建设。施工单位规范施工收益为B3，违规施工的获利为B4，无论是否接受贿赂，施工单位的施工成本都为C4，施工单位想要违规施工时被监理单位发现串通的罚金为F3。

假设6：建设单位监管发现有违规行为，若监理单位未发现，建设单位对三方进行处罚。建设单位对供应商单位及施工单位的处罚分别为F4、F5。若监理单位已经发现并处罚，建设单位不再对其进行处罚。建设单位及监理单位对供应商单位及施工单位进行监督，规范了两者的质量行为，公众认可度提高，供应商单位及施工单位的市场信誉和市场价值增加，供应商单位的声誉价值增加Q1，施工单位的声誉价值增加Q2。

假设7：建设单位选择严格监管的概率为x(0

表1 模型参数设定Tab.1 Definition of model parameters

2 四方主体演化博弈模型构建与分析

2.1 四方主体复制动态方程构建

根据前文假设，各参与主体分别有两种策略选择，因此，四方参与主体之间将形成16种可能的结果，其支付矩阵如表2所示。

表2 四方博弈阶段支付矩阵Tab.2 Four-party game payoff matrix

根据表2，当建设单位严格监管时预期收益为：Ex1=yzm(-C1+θF4)+yz(1-m)(-C1-L1)+y(1-z)m(-C1)+y(1-z)(1-m)(-C1-L1)+(1-y)zm(-C1+θF1+θF4)+(1-y)z(1-m)(-C1-L1+θ(F1+F4+F5))+(1-y)(1-z)m(-C1+θF1)+(1-y)(1-z)(1-m)(-C1-L1+θ(F1+F4+F5))=-C1-(1-m)L1+(1-y)θF1+[zm+(1-y)(1-m)]θF4+(1-y)(1-m)θF5。

(1)

不严格监管时预期收益为：Ex2=(-L1)[yz(1-m)+y(1-z)(1-m)+(1-y)z(1-m)+(1-y)(1-z)(1-m)]=-(1-m)L1。

(2)

建设单位的平均收益为：Ex=xEx1+(1-x)Ex2。

(3)

(4)

同理，计算监理单位、供应商单位、施工单位的复制动态方程，得出结果分别为:

(5)

(6)

(7)

2.2 四方演化博弈稳定策略分析

动态复制系统稳定点对应的策略组合为演化博弈的均衡点，称为演化稳定[17]。根据演化稳定策略的性质，复制动态方程等于零且一阶导数小于零的策略组合符合博弈群体达到演化稳定点的条件[18]。

2.2.1 建设单位监督策略的复制动态分析

2.2.2 监理单位监管策略的复制动态分析

2.2.3 供应商单位贿赂策略的复制动态分析

2.2.4 施工单位施工策略的复制动态分析

选择规范施工是稳定策略。施工单位选择规范施工的概率与供应商单位选择贿赂的概率成负相关。施工单位选择稳定策略如图1(d)所示。

图1 四方主体策略演化过程Fig.1 Evolution process of four party strategies

2.3 四方演化博弈系统均衡点的稳定性分析

在非对称博弈中，演化稳定均衡点是严格纳什均衡点。严格纳什均衡点是纯策略均衡点，而在非对称博弈中混合策略均衡点一定不是演化稳定均衡点[19]，故仅讨论纯策略均衡点的稳定性。令四方主体的复制动态方程等于零，求得系统的纯策略均衡点如下：E1(0，0，0，0)、E2(0，0，0，1)、E3(0，0，1，0)、E4(0，0，1，1)、E5(0，1，0，0)、E6(0，1，0，1)、E7(0，1，1，0)、E8(0，1，1，1)、E9(1，0，0，0)、E10(1，0，0，1)、E11(1，0，1，0)、E12(1，0，1，1)、E13(1，1，0，0)、E14(1，1，0，1)、E15(1，1，1，0)和E16(1，1，1，1)。利用雅可比矩阵判断均衡点是否稳定演化，当特征值为负时，则均衡点为演化稳定点；当特征值有正时，均衡点不是演化稳定点；当存在为零的特征值且其余特征值为负时，则均衡点处于临界演化稳定状态[20]。四方演化博弈系统的雅可比矩阵如下：

四方演化博弈系统的均衡点特征值见表3。

表3 均衡点特征值Tab.3 Eigenvalues of evolution equilibrium

由于无法判断特征值的正负，符合稳定点条件的均衡点如表4所示，根据参与主体的收益情况进行分析：

(1)-C1+θF1+θF4+θF5<0，-C2+F2+F3<0条件同时成立时，即建设单位的成本高于监理单位、供应商单位、施工单位被发现违规时的罚金，监理单位的成本高于发现供应商单位及施工单位违规时的罚金之和，均衡点(0，0，1，0)为演化稳定点，各主体的策略选择为(不严格监管，不监理，不贿赂，规范施工)。

(2)-(-C2+F2+F3)<0，B3-B4+Q2+F3<0条件同时成立时，即监理单位的成本低于发现供应商单位及施工单位违规时的罚金之和， 施工单位违规操作的获利高于其规范施工获利、声誉奖励与违规操作时的罚金之和，均衡点(0，1，0，0)为演化稳定点，各主体的策略选择为(不严格监管，监理，贿赂，规范施工)。

(3)-C1+θF1+θF4+θF5>0，-C2+F2+F3+θF1<0，B3-B4+Q2+θF5<0条件同时满足时，均衡点(1，0，0，0)为演化稳定点，各主体的策略选择为(严格监管，不监理，贿赂，规范施工)。

(4)-C1+θF1>0，-C2+θF1<0，-(B3-B4+Q2+θF5)<0 3个条件同时满足时，均衡点(1，0，0，1)为演化稳定点，各主体的策略选择为(严格监管，不监理，贿赂，合谋串通)。

(5)-(B3-B4+Q2+F3)<0条件成立时，均衡点(0，1，0，1)为演化稳定点，各主体策略为(严格监管，不监理，不贿赂，串通合谋)。

表4 满足条件的均衡点Tab.4 Equilibrium points satisfying conditions

3 仿真分析

为了更加直观地展示复制动态系统中四方主体博弈过程及演化结果，运用Matlab2022对博弈方的演化轨迹进行仿真。

3.1 参数变化模拟分析

模型参数的设定需要满足假设及客观事实，首先设定传统质量管理模式下的模型参数值。

在传统质量管理模式下，建设单位发现参与方有违规操作的概率较低，设θ=0.2；各参与主体的成本分别为C1=35，C2=30，C3=20，C4=20；供应商的贿赂成本为R=8；出现违规操作时对建设单位造成的利益损失为L1=50；各单位的获利分别为B1=28，B2=40，B3=35，B4=45；当发现有违规操作时受到的惩罚为F1=10，F2=20，F3=25，F4=25，F5=25；供应商单位及施工单位规范操作时提高的声誉价值为Q1=10，Q2=10。

区块链技术引入石油工程质量管理，区块链平台的维护费用取代了监管成本，使得建设单位及监理单位的监管成本降低为C1=15，C2=10；区块链技术引入之后，基于其分布式数据库技术、非对称加密算法、共识机制、智能合约等技术，具有公开透明、去中心化、去信任化、不可篡改、可溯源等特征[21]。因此石油工程流程信息高度透明，质量链上各主体的信息获取成本几乎为零，且建设单位发现问题的概率大大提高，θ=0.8；供应商单位及施工单位规范施工得到的声誉价值也提高为Q1=40，Q2=40，仿真模拟次数t=100。

表5 影响因素的初始基准值Tab.5 Initial benchmark values of influencing factors

3.1.1 监管成本的影响

设C1={35,15},C2={30,10}，四方博弈主体策略演化过程及结果如图2所示。

由图2可知，随着建设单位的严格监管成本及监理单位监理成本的降低，不仅对监理单位的策略演化产生了影响，同时还影响了施工单位的策略演化。其中施工单位的策略演化趋势变化较为显著。随着监管成本的降低，建设单位始终坚持严格监管的策略，施工单位的策略却由规范施工向合谋串通策略转移。因此，单纯的降低监管成本为施工单位和供应商单位勾结提供了更大的空间。

图2 建设单位及监理单位监管成本对各方策略演化的影响Fig.2 Influence of management cost of construction unit and supervision unit on evolution of strategies of all parties

3.1.2 发现违规概率的影响

设θ=(0.2,0.8)，四方博弈主体策略演化过程及结果如图3所示。

由图3可知，随着建设单位发现违规现象概率的提高，供应商与施工单位串通合谋被发现的概率大大提高，供应商及施工单位逐渐规范自身的行为策略，最终供应商单位稳定于不贿赂策略，施工单位稳定于规范施工策略。而监理单位放松监理，节约监理成本。由此，区块链技术带来的发现违规行为概率的提升，有效降低了供应商与施工单位勾结的概率，维护了建设单位的利益，为工程高质量建设提供了保障。

图3 建设单位发现问题的概率对各方策略演化的影响Fig.3 Influence of probability of construction unit finding problems on evolution of strategies of all parties

3.1.3 声誉价值的影响

设Q1={10,40},Q2={10,40}，四方博弈主体策略演化过程及结果如图4所示。

由图4可知，供应商单位与施工单位规范工作时其自身的声誉价值会提高。在嵌入区块链技术之后，基于区块链技术公开透明的特点，声誉价值会在传统质量管理模式的基础上增加。随着规范工作带来声誉价值的增加，供应商单位选择不贿赂的概率逐渐提高，将逐渐稳定于不贿赂策略，施工单位也由合谋串通策略逐渐转变为规范施工策略。监理单位也逐渐放松监理，节约监理成本。由此，区块链技术带来的声誉价值的增长有利于供应商单位及施工单位规范自身的行为，降低损害工程质量的风险。

图4 声誉价值对各方策略演化的影响Fig.4 Influence of reputation value on strategy evolution of all parties

3.2 策略选择模拟分析

为进一步验证区块链技术的嵌入对工程项目质量管理的有效性及可行性， 通过对比两种模式下x=0,x=1,y=0,y=1，即建设单位严格监管和不监管两种状态，监理单位监理和不监理两种状态，在三维空间对其他三方不同初始策略的演化过程进行分析，仿真结果如图5—图8所示。

由图5可知，当x=0时，即建设单位采取严格监管策略的情况下，在传统质量管理模式下，由于受到发现问题概率低、监管成本高等因素的影响，为了获得更大的利益，供应商单位的选择倾向于贿赂，施工单位也倾向于选择合谋串通。在区块链技术引入后，监管发现问题的概率得到有效提高，使得监理单位偏向于选择监理，供应商单位选择不贿赂。两种模式下均没有稳定点。

图5 x=0时区块链加入前后演化动态Fig.5 Evolution dynamics before and after the addition of blockchain when x=0

由图6可知，当x=1时，即建设单位选择不严格监管策略。传统模式下监理单位向监理策略演化，供应商单位仍选择贿赂策略，且施工单位趋向于与供应商串通合谋。区块链引入之后，监理单位策略选择不稳定，供应商单位向不贿赂策略演化，施工单位则倾向去串通合谋。在两种模式下仍没有稳定点。

图6 x=1时区块链加入前后演化动态Fig.6 Evolution dynamics before and after the addition of blockchain when x=1

由图7、8可知，当y=0时，即监理单位选择监理策略，传统模式下策略组合(0，0，0，0)为稳定点，即(严格监管，监理，贿赂，规范施工)。当y=1时，即监理单位选择不监理策略时，传统模式下不存在稳定点。在区块链技术下，当监理单位选择不监理策略时， 策略组合(0，1，0，1)为稳定点，策略组合为

图7 y=0时区块链加入前后演化动态Fig.7 Evolution dynamics before and after the addition of blockchain when y=0

图8 y=1时区块链加入前后演化动态Fig.8 Evolution dynamics before and after the addition of the blockchain when y=1

(严格监管，不监理，不贿赂，串通合谋)。这与前文分析的均衡点稳定性结果一致。

4 结 论

本研究针对石油工程实施过程中容易引发质量问题的环节，考虑参与主体之间的利益往来，结合新兴信息技术区块链技术，研究如何保证石油工程质量，得出以下主要结论。

(1)四方主体博弈矩阵均衡点特征值的正负影响了演化博弈的稳定策略，这一现象解释了石油工程实际情况下存在各种质量管理问题的内在机理，也说明了存在质量管理问题的原因。工程质量参与主体作为“经济人”会因为利益关系进行损害工程质量的策略选择。监理单位的监管概率与监理单位的监理成本、不监理的惩罚呈负相关。供应商与施工单位合谋串通的概率与建设单位监管的概率及监管的效率呈负相关，与建设单位的监管成本及监理单位的监理成本呈正相关，与对供应商和施工方的惩罚呈负相关，与供应商和施工方的声誉价值的提升呈负相关关系。提高监管的效率，降低监管成本，增加惩罚力度，提高声誉价值可以有效提高监理单位的监理概率，降低供应商与施工方合谋串通的概率。

(2)在有限理性的假设前提下，由于信息不对称会导致各参与方之间的信息滞后，信任度低，监管成本在一定程度上是作为支付信息的费用。区块链技术在根本上解决了信息不对称的问题，提高主体之间的信任度，且其本质是去中心化的数据库，各主体产生的行为按照合规与违规进行分类记录存储于信用档案数据库中，在一定程度上督促供应商及施工单位规范自身的行为，维护其声誉，有效避免质量问题的产生。

(3)区块链技术通过解决信息不对称问题，为石油工程营造了更加严格的监管环境，降低监督成本的同时提高监督效率，有效遏制了机会主义行为的产生；各主体之间的信任度的增加也为工程质量的提高产生根本性推动作用；奖惩制度的应用更是有效刺激各参与方端正自身行为，减少损害工程质量事件的发生。区块链技术引入石油工程，在提高石油工程质量的基础上，丰富并完善了工程质量管理体系，提升了石油行业的智能化程度，推动石油行业在智能化进程中实现“弯道超车”，转型升级。