基于演化博弈的我国船舶排放控制区（ECA）规制策略研究

姜 宝，薛海亮，李 剑 （中国海洋大学 经济学院，山东 青岛 266100）

JIANG Bao,XUE Hailiang,LI Jian (College of Economics,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

0 引言

航运业由于使用了大量富含氮氧化物（NOx）、柴油颗粒物（PM）和硫氧化物（SOx）的石化能源，严重地污染了我国近海海域和沿海城市的大气环境。2014年自然资源保护协会（NRDC）发布《船舶和港口空气污染防治白皮书》指出，船舶燃油的含硫量是车用柴油的100至3 500倍，而一艘中型到大型的集装箱船使用含硫量为3.5%的燃油，并以最大功率的70%负荷行驶时，其一天PM2.5排放总量相当于我国50万辆新货车一天的排放量，约70%的远洋船废气排放于距离海岸线400公里内的海域，而且船舶废气可飘散至较远的内陆地区。据上海市环境监测中心的研究结果显示，船舶排放已经成为上海大气污染主要来源之一，SO2、NOx、PM2.5的排放分别占到了12.4%、11.6%及5.6%[1]。为减少船舶排放污染，我国于2015年设立了船舶排放控制区（Emission Control Area，ECA），主要包括长三角、珠三角和环渤海水域，要求自2017年1月1日起，船舶在排放区域内核心港口停泊时使用含硫量低于0.5%的燃油，并于2019年1月1日起，船舶进入排放控制区使用硫含量低于0.5%的燃油。考虑到使用低硫油会使船公司的运营成本增加20%～40%[2]，作为有限理性决策者，船公司往往不会主动遵守排放规定，故研究政府的监管措施有利于促使船公司遵守排放规定，从而实现设置船舶排放控制区的环保目标。

1 文献综述

由于国外尤其是欧美地区较早地设立了船舶排放控制区，相关研究也早于国内，主要涉及船舶减排措施选择（Yewen Gu等，2017）[3]、船舶排放控制区域内的速度和路径优化（Psaraftis和Kontovas,2013；Doudnikoff和Lacoste，2014；Kjetil Fagerholt等，2015）[4-6]、船舶排放控制区域内运输方式的选择（Medda和Lourdes Trujillo，2010）[7]以及设置船舶排放控制区的影响（Trang T和Nicole，2012；Young-Tae Chang等，2018）[8-9]几个方面，关于政府如何制定监管措施促使船公司遵守排放规定的研究较少。国内关于船舶排放控制区的研究仍处于起步阶段，多数学者从吸取经验的角度为我国船舶排放控制区设置及监管提出了建议，如董雪和董岗（2015）、曹琳琳和董岗（2017）分别介绍了北美和欧盟船舶排放控制区的监管举措，并为我国提供了相关政策建议[10-11]。但二者的讨论并未考虑到船舶排放控制政策实施时，政府和船公司的真实行为选择，提供的建议并不一定是有效的、最优的。

事实上，作为有限理性决策者，船公司往往不会主动降低排放，这一点在我国其他环境规制政策实施时已经有所体现，如在碳减排政策实施过程中，受政府监督不力、企业及公众环境意识淡薄以及追逐短期利润最大化等影响，主动采取碳减排措施的制造企业数量较少[12]。政府为督促船公司遵守排放规定，会采取一定的监管措施，船公司则会根据政府的监管力度来调整其应对策略，而政府又根据船公司对目前监管措施的反应调整监管策略，经过多轮博弈后，最终实现双方利益最大化。由此可见，在船公司和政府之间存在动态博弈情形。因此，本文构建了政府和船公司的演化博弈模型，通过对双方的博弈过程及稳定性进行分析，为我国船舶排放控制政策能够实现预期效果提供政策建议。

2 政府和船公司演化博弈模型的假设及建立

2.1 模型假设。在模型中，本文把因环境改善所获得的环境收益和政府因保护环境所得到当地居民、社会和上级领导认可的收益统称为政府收益，考虑到部分船公司会不遵守排放规定，使政府收益无法实现最大化，将船公司遵守排放规定时政府的收益定义为π1，船公司不遵守排放规定时政府的收益为π2，π1＞π2，当政府对船舶行为进行监管时，需承担相应的监管成本c，并对船公司的违规行为给予罚款λ。考虑到监管成本，政府不会对区域内的所有船舶进行检查，因此不能发现所有的违规行为，只能以概率x（0≤x≤1）发现违规行为，如果政府发现船舶违规行为的概率过低，区域内的环境污染加剧，政府须支付一定的环境治理成本c。

对于船公司而言，作为有限理性决策者，出于自身利益最大化的考虑往往不会主动遵守排放规定，使用含硫量低于0.5%或是更低的燃油，但是随着政府的监管，将会有部分船公司执行排放规定，尤其是大型的国际航运公司如马士基。故本文假设区域内将会有概率y的船公司遵守排放规定，船公司运输单位产品即单位产出的利润为r，当遵守排放规制要求时，利润为r+Δ，其中Δ是船公司因执行排放规定而获得的单位产出额外利润即守法利润，是单位产出额外收益α即守法收益与所付出的单位产出额外成本β即守法成本的差，而α主要是指船公司执行排放规定时所获得的经济收益m以及社会收益s之和，β则是指船公司使用低硫油或是降硫设备所额外承担的成本。

基于上述假设，本文构建了政府和船公司博弈的收益矩阵（见表1）。2.2 演化博弈模型建立。设政府检查的概率为x，不检查的概率为1-x；船公司遵守排放规定的概率为y，不遵守的概率为1-y。则政府不同策略的期望收益和平均期望收益分别为：U11、U12、U1。

表1 政府和船公司博弈的收益矩阵

政府策略的复制动态方程为：

船公司不同策略的期望收益和平均期望收益分别为：U21、U22、U 2。

船公司策略的复制动态方程为：

3 政府和船公司演化博弈模型稳定性分析

3.1 政府策略的演化稳定性分析。根据政府策略的复制动态方程（4）可知：

此时：

（1） 若 λ-c＜0，由于船公司的任何选择y∈［0,1 ］，所以恒成立，此时F'（0）＜0，F'（1）＞0，x=0是演化稳定策略，即当政府对违规排放的船公司罚款所得小于其监管成本时，作为有限理性决策者的政府会选择不检查的策略。

（2）若λ-c＞0，此时政府对违规排放的船公司罚款所得高于其监管成本，需分两种情况进行讨论：

3.2 船公司策略的演化稳定性分析。根据政府策略的复制动态方程（8）可知：

此时：

（2） 若-λ＜Δ＜0，需分两种情况进行讨论：

3.3 政府和船公司混合策略的演化稳定分析。根据政府和船公司策略选择的复制动态方程（4）、方程（8）来描述双方策略系统的演化，可知当时，动态演化的博弈系统有五个Nash均衡点，分别是：

运用Friedman提出的方法，通过构建该系统的雅可比（Jacobi）矩阵来分析演化博弈均衡点的稳定性，则根据式（4）和式（8）组成的动态系统的雅可比矩阵为：

求得：

分别计算均衡点A、B、C、D、E处行列式和迹的值，得结果见表2：

表2 均衡点处雅可比矩阵行列式和迹的值

当均衡点处的Det（J）为正，而Tr（J）为负时，此均衡点为演化动态过程的局部渐进稳定不动点，对应着演化稳定策略（ESS）[13]。对以上五个均衡点处的雅可比矩阵行列式和迹的值进行分析发现，只有A,B两点在满足相应的稳定条件下，能够实现ESS，其稳定结果成立条件如表3：其中，均衡点A 0,（）0即政府不检查船公司的行为，而船公司也不会遵守排放规定。显而易见，当政府监管部门检查船公司的违规排放行为所获得罚金收入低于其监管成本时，作为有限理性决策者，对船公司实行不检查策略成为政府的占优策略。同样，当船公司守法收益低于其守法成本时，不执行排放规定成为船公司的一个占优策略。均衡点B 0,（）1即政府不检查船公司的行为，而船公司自觉遵守排放规定。当船公司守法收益高于其守法成本时，即使政府不对船公司的行为进行检查，船公司也会自觉遵守排放规定。

表3 稳定结果成立条件及状态分析

从上述均衡点稳定状态分析可知整个系统的稳定演化博弈过程。在船舶排放规定实施初期，政府缺乏专业技术人员和监管经验，没有建立完善的惩罚机制，导致监管成本较高而罚金收入较少，对区域内的船舶行为不检查成为政府部门较为现实的策略。而在政府检查力度较轻的初期，由于政府对船公司违规排放行为的惩罚较为宽松，同时船公司守法收益又低于其守法成本，受利润最大化的驱使，不遵守排放规定成为船公司的优先选择。因此，系统向着A 0,（）0点方向演进。随着政府奖惩机制的不断完善，低硫油提取技术的进步以及社会公众海洋环境保护意识的增强，船公司守法收益提升，逐渐超过其守法成本，自觉遵守排放规定成为船公司主要选择，政府也无须再对区域内的船舶进行检查。系统会向着B 0,（）1点方向演进。

4 研究结论和政策建议

4.1 研究结论

本文通过构建政府和船公司的演化博弈模型，分别分析了政府和船公司策略的演化稳定性以及二者混合策略下的演化稳定性，主要得出以下结论：（1）当Δ＜0时，即船公司守法收益低于守法成本，加大对船公司的惩罚力度和监管密度（x＞-），将会促使船公司遵守排放规定，此时政府仍须付出监管成本，并非是社会福利最优的选择。（2）当Δ＞0时，船公司守法收益高于守法成本，此时能够实现政府不检查而船公司自觉遵守排放规定的纳什均衡。

4.2 政策建议

从上述结论可知，如何提高船公司的守法利润成为促使其主动遵守排放规定的关键因素，据此提出以下政策建议：（1）建立船公司社会责任综合评价体系。目前，我国已经建立了中国企业社会责任监控与评价体系，从多角度如环境绩效、社会绩效等综合评价企业承担社会责任情况。同样，建立专门针对船公司的社会责任综合评价体系，将是否遵守船舶排放规定纳入到评价体系，并根据船公司的评价得分设置相应的奖惩机制，以此来提升船公司遵守排放规定时所获取的额外经济收益和社会收益。（2）加大宣传、教育，创造有利的社会和商业环境。政府设立专项资金用于宣传、教育，使社会公众和企业能够意识到设置船舶排放控制区的意义和重要性，从而使遵守排放规定的船公司得到社会公众和行业企业的认可，在商业竞争中处于更有利的位置，增加船公司遵守排放规定所获得的额外经济收益和社会收益。（3）提升监管密度，引入第三方监管。当船公司守法收益低于守法成本时，仍需要政府采取严格的监管措施，加大惩罚力度和监管密度都是促使船公司遵守排放规定的有效措施。同时，为防止因高密度检查加剧政府财政负担，可引入第三方监管机制，建立个人或是组织举报制度，从而提高船公司违规行为被发现的概率。