政府、充电桩运营商和消费者在新能源汽车产业的三方演化博弈研究.pdf

May,2023Vol.22 No.3(Ge n.No.123)2023年5月 安阳工学院学报第 7272 卷第 3 期(总第 123 期)Journal of Anyang Institute of Te chnologyDOI:10.19329/k1673-2928.2023.03.017政府、充电桩运营商和消费者 在新能源汽车产业的三方演化博弈研究强美林，董雨(安徽理工大学经济管理系，安徽淮南232001)摘 要：发展新能源汽车是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。为了有效应对能源和环境的压力，运用演 化博弈理论，构建了政府、充电桩运营商和消费者的三方演化博弈模型，得到不同情形下该模型的演化稳定策略，并用 MATLAB2019数据仿真分析了不同因素对于参与主体策略选择的影响。研究结果表明：政府、充电桩运营商和消费者各 自的演化稳定策略会受到其他主体策略选择的影响，政府最终会选择不进行补贴，充电桩收入的变动会改变充电桩运营商 的策略，“寻桩成本”相较于“新能源汽车的购置成本”会对消费者的策略选择产生更大的影响。关键词：新能源汽车；充电桩运营商；寻桩成本；演化博弈中图分类号：F224.32 文献标志码：A 文章编号：1673-2928(2023)03-0070-07新能源汽车是解决能源、气候和环境问题的 关键措施，越来越受到各国政府的重视叫 在我 国经济由“中国制造”迈向“中国智造”的进程 中，大力发展新能源汽车是缩小与先进国家差距、实现产业跨越式发展的必由之路囱。根据中国汽 车工业协会数据显示，2022年5月，新能源汽车 产销分别完成46.6万辆和44.7万辆，同比分别增 长1倍和93.9%。因此，研究新能源汽车领域各 参与主体的稳定策略，对缓解环境压力进而实现 产业可持续发展具有重要意义。纵观国内外研究文献，不少学者从多个角度 研究了新能源汽车产业，主要围绕新能源汽车产 业在不同时期政府采取的不同政策，并分析了各 种因素对产业的影响；促进新能源汽车发展需要 对需求侧多加关注叫要以更低的价格出售，并 且单一的新能源汽车政策以及执行不严格反而会 导致环境绩效下降叫多种补贴政策共同作用对 新能源汽车市场的刺激效果是最优的。一些学者 利用演化博弈论研究了新能源汽车领域的发展，将车企骗补行为、政府不同力度的补贴考虑到演 化博弈模型中。还有一些学者研究了政府、高校、企业产学研三方之间的博弈。如咎欣等构建了政 府、企业、消费者的三方演化博弈模型叫傅沂 等基于Van Damme模型研究了新能源汽车的研发 收益、成本以及政府对车企骗补处罚金额和比例 变化时对三者的策略选择的影响并构建了三方演 化博弈模型叫吴君民等建立了新能源汽车企业、政府、高校支付矩阵，运用三方演化博弈的方法,分析了政府监督与激励成本对车企与高校协同创 新的演化影响以及各方参与意愿不同对演化速度 的影响叫 从政府调控出发，政府不同的激励水 平会影响具有混合特征的消费者的购车行为叫 由此可见，国内外不少学者围绕新能源汽车进行 了不同程度研究，但大多数并未考虑到充电桩运 营商这一主体，演化博弈多数是围绕政府、新能 源汽车制造商和消费者三者之间，或是围绕政府、企业与高校之间，均未对新能源汽车市场中的充 电桩运营商进行研究。充电桩不仅是新能源汽车 持续发展的关键基础设施，更是构建未来车联网 不可或缺的新基建，因此有必要对充电桩产业进 行研究。随着新能源汽车的发展，充电桩产业发展迅 速，根据中国电动汽车充电基础设施联盟数据，截至2022年6月，全国充电基础设施累计数量 为391.8万台，同比增加101.2%,公共充电桩 数量在6月份达到了 152.8万台。中商产业研究 院预测，2025年我国公共充电桩数量将达226.2 万台叫目前已有一些学者针对电池企业进行了 收稿日期：2022-09-08基金项目：国家自然科学基金面上项目创新驱动下能源行业结构转型的效率评价、策略博弈与发展模式研究”(项目 编号：71973001)o作者简介：强美林(1997),女，安徽宣城人，安徽理工大学2020级管理科学与工程硕士生，主要研究方向为博弈论;董雨(1968),男，安徽阜阳人，博士，副研究员，主要研究方向为博弈论。第三期 强美林，董 雨：政府、充电桩运营商和消费者在新能源汽车产业的三方演化博弈研究71研究，但是对政府、充电桩运营商和消费者三方之 间的演化博弈研究却鲜有关注。如谢隽阳等构建了 整车企业、动力电池生产企业和第三方回收拆解企 业的三方博弈模型的；李文鹅等研究了不同椀下 积分交易价格、不同力度的研发补贴以及不同税收 优惠对演化路径的影响叫岳为众等探讨了政府、运营商和用户三方之间的博弈凹。鉴于，本文基于 演化博弈论对新能源汽车领域中政府、充电桩运营 商以及消费者三者之间进行演化孵分析，研究不 同因素对参与主体演化路径的影响。1新能源汽车演化博弈模型的构建1.1模型基本假设为推动新能源汽车产业高质量发展，深入实 施发展新能源汽车国家战略，推动我国新能源汽 车产业更快更好发展，对参与的三方主体做出如 下合理假设：1)参与主体1：政府以*的概率选择进行 补贴，充电桩运营商不扩大规模时的补贴为S,扩大规模时的补贴增加了 S”对选择购买新能源 汽车的消费者给予补贴S2,消费者购买新能源汽 车对环境产生积极的影响E,E,政府以1-X1-X的概率 选择不进行补贴。2)参与主体2：充电桩运营商以y的概率选 择扩大规模，充电桩不扩大规模时的运营收入为 M,M,扩大规模时运营收入增加了 充电桩运营 商不扩大规模时的建设成本与运营成本为C”扩 大规模成本增加了 C2,C2,充电桩运营商以1-y的概 率选择不进行扩大规模。3)参与主体3：消费者以z的概率选择购 买新能源汽车，产生的效用为口购买新能源汽 车的成本为C3,且购买新能源汽车免税，对环 境产生友好的效益为A”寻桩的时间成本在充 电桩运营商扩大生产和不扩大生产的情况下分别 为C41和C42,C42,消费者以1-z的概率选择购买传 统能源汽车，产生的效用为,对环境产生不友 好的效益为A2,购买传统能源汽车的购车成本与 需要缴纳的税款和为C,因为传统燃油车整个系 统相对完善，所以假设寻找加油站的成本为0,加燃油的成本为P。2.2三方演化博弈支付矩阵的建立本文通过演化博弈理论构建关于政府、消费 者和充电桩运营商之间的三方博弈演化模型，分 析各方演化策略发展轨迹及其演化影响因素。根 据模型假设以及关系分析，可以得到关于政府、消费者和充电桩运营商之间的三方博弈支付矩阵 如表1。表1新能源汽车三方演化博弈矩阵充电桩运营商消费者政府部门补贴不补贴扩大规模购买新能源汽车ESSIS2ES+Si+M+MCiCzCi-C*2C/+A1+$2_ C3_ C41-A/-MiU+Ai-GC-M-Mi购买传统燃油汽车SSi0S+S-C-C2-CiC2U.-A2-C-PU-C-P不扩大规模购买新能源汽车e-s-s2ES+M-GM-GE7+A1+S?iC42AfU+A1-C3-C*42购买传统燃油汽车-S0S-C1_GU A?-CFU iA.2CP根据三方博弈支付矩阵，计算政府部门在补 贴和不补贴状态下的期望收益函数。政府部门 选择补贴的期望收益为E=yz(E-S-Si-S2)+y(l-z)(-S-S i)+(1-y)z(-S-S2)+(l-y)(l-)(-5)政府部门选择不补贴的期望收益为耳一 x=yzE+y(x=yzE+y(1 1-z)*0+(1-y)zE+(l-y)(l-z)*0-y)zE+(l-y)(l-z)*0,耳二兀民+(1-兀)El_xEl_x。根据以上公式可得，政彎门的演化博弈 复制动态方程为F F(x)=y(Exy(Ex-)=x(l-x)(-S S也-S)S)。充电桩运营商选择扩大规模的期望收益 为 Ey二xzQ+Si+M+Mi-C-C2)+兀(l-z)(S+Si-Ci-C2)+(l-xk(M+Mi_Ci_C2)+(l-x)(l-z)(-Ci_C2)o充电桩运营商选择不扩大规模的期望收益为72安阳工学院学报2023 年Er=Jtz(S+M-G)+(l-x)z(M-G)+JC(-z)(S_Ci)+(lTC)(1-z)(-Ci),E2E2=z_Ey+(l-z)Ei_y。根据以上公式可得，充电桩运耆西的演化 博弈复制动态方程为F(y)=dyldt=y(E-F(y)=dyldt=y(E-瓦)=y(l-y)(Ey-Ei_y)=y(l-y)(zMi-C2+xSi)。消费者选择购买新能源汽车的期望收益为 z=xj(/+A1+S2-C3-C41-Af-A/1)+x(l-y)(/+A1+S2-C3-C42-Af)+(l-x)y(Af+Af1-Ci-C2)+(l-x)(l-y)(C7+A1-C3-C42-Af)o消费者选择不购买新能源汽车的期望收益 为 El_z=xy(U1-A2-C-P)+(l-x)y(Ui-A2-C-P)+(l-x)El_z=xy(U1-A2-C-P)+(l-x)y(Ui-A2-C-P)+(l-x)(l-y)(7i-A2-C-P)+(l-x)(l-y)(f/i-A2-C-P),E3E3=zEz+(l-z)E1_z=zEz+(l-z)E1_z根据以上公式可得，浮者的演化博弈复 制动态方程为 F(z=z(E-E3F(z=z(E-E3)=z(l-z)(yC42-yC4i-yM i+UyM i+U+A j(?3C42Af+xS2U Ui+A2+C+P)o 2演化策略稳定性分析根据以上分析，得到相应的复制动力系统为 F(x)=x(l-x)(-ySi-52z-S),F(y)=y(l-y)(zM1-C2+xSF(y)=y(l-y)(zM1-C2+xS,F(z)=z(lz)(yC2yC4iyMi+U+AiC2C42M+xS2F(z)=z(lz)(yC2yC4iyMi+U+AiC2C42M+xS2 UiUi+A2+C+P)C+P)。根据各博弈主体的复制动态方程，得到复制 动力系统的雅可比矩阵为dF(x)dF(x)dF(x)dxdydzdF(y)8F(y)8F(y)dxSydz8F(z)廻Z)8F(z)dx勿dz将8个均衡点分别带入雅可比矩阵之中，可 以分别得到均衡点所对应的雅可比矩阵的特征值(表2)o表2雅可比矩阵的特征值均衡点特征值Xi特征值X2特征值X3咼(0,0,0)-s-C2U+A1C3 _(?42Af U1+A2+C+PE2(l,0,0)sSj-GtZ+A jC3_ C421M+S2S+A2+C+Pe3(0,i,0)-Sj-sC2L7+A1-C3-C4i-M-M1-L71+A2+C+Pe4(0,0,i)-SSMY-(UA】-C3-C42-U1+A2+C+P)e5(i,i,o)S+SSiC2U+A1C3C*41 MM 1+S?S+A2+C+PE6(l,0,l)S+S2M-C2+S(JJ+A1-C3-C42-M S厂 U1+A2+C+P)e7(0,i,i)-S-S2-S1-(M_C2)(L/+AiC3C41MMiU1+A2+C+P)e8(i,i,i)S+S2+S_(MC2+Si)-(U+Ai-C3-C41-M-M1+S2-S+A2+C+P)2.1情形1在 P+A1-C3-C42-M Ui-AC-PUi-AC-P的情形下,各均衡点的稳定性如表3所示。表3均衡点局部稳定性均衡点特征值Xi特征值入2特征值A.3叫(0,0,0)-E2(l,0,0)+e3(0,i,0)-+-e4(0,0,i)-+,-+Es(l,l,0)+-+-E6(l,0,l)+-+-e7(0,i,i)-+-+-e8(i,i,i)+,-+-E/0,0,0)为稳定点，即政府选择不进行补贴，充电桩运营商选择不扩大充电桩规模，消费者选 择不购买新能源汽车。政府不进行补贴时，扩大 充电桩的规模对于运营商来说成本太大，想要盈 利却是长期的，所以不扩大充电桩的规模对于运 营商来说是稳定策略，对于消费者而言，购买新 能源汽车所带来的效益并不比购买燃油汽车高，加油比充电更加便捷，所以消费者会选择购买传 统能源汽车。若是想扩大新能源汽车的市场，政 府可以给予充电桩运营商适当的补贴，进行技术 研发，使充电更加便捷，并引导充电桩运营商以 及消费者更多地参与新能源的市场，提高新能源 汽车在市场上的占有率。2.2情形2在“MS-A2-C-P”C-P”的情形下，各均衡点的稳定性各不相同如表 4所示。E4(0,0,l)为稳定点，即政府选择不进行补贴，充电桩运营商选择不扩大充电桩的规模，消费者 选择购买新能源汽车。消费者选择购买新能源汽 车成为汽车用户的稳定策略，主要是因为在情形 2的条件下购买新能源汽车的总效益大于购买传 第三期 强美林，董 雨：政府、充电桩运营商和消费者在新能源汽车产业的三方演化博弈研究73统能源汽车的总效益。充电桩运营商选择是否扩 大充电桩的规模主要取决于扩大规模时的收入与 不扩大规模时的收入的差距与扩大充电桩规模的 成本相比较孰高孰低。表4均衡点局部稳定性均衡点特征值特征值X2特征值X3町(0,0,0)-+,-E2(l,0,0)+-+,-e3(0,i,0)-+e4(0,0,i)-Es(1,1,0)+-+,-E6(l,0,l)+-+,-e7(0,i,i)-+-+,-e8(i,i,i)+,+,-2.3情形3在“MiC2”以及A2-C-P啲情形下，各均衡点的稳定性如表5所示。表5均衡点局部稳定性均衡点特征值Xj特征值X2特征值X3町(0,0,0)-一E2(l,0,0)+-+-e3(0,i,0)-+-EQ,0,1)-+-+-e5(i,i,o)+-+-E6(l,0,l)+-+-e7(0,i,i)-e8(i,i,i)+,-E7(0,l,l)为稳定点,即政府选择不进行补贴,充电桩运营商选择扩大充电桩的规模，消费者选 择购买新能源汽车，这是最好的一种情形。在政 府不补贴的情况下，充电桩运营商还会选择扩大 充电桩的规模是由于市场上消费者选择购买新能 源汽车的数量越来越多，即使没有政府的补贴也 可以实现更多的盈利。随着新能源汽车技术的不 断升级，新能源汽车的使用感相较于传统的燃油 车的体验感相差无几，充电桩的普及也会使充电 越来越方便，并且随着人们环保意识的不断加强，会有越来越多的用户选择购买新能源汽车。3仿真分析为了更加直观地展示复制动态方程中各因 素对于多方博弈演化过程以及演化结果的影响，下面运用MATLAB2019对各博弈方的演化轨迹 进行数值仿真。根据相关的数据，本文对支付矩 阵的参数初始值给出如下假设，政府对充电桩 运营商的补贴S】=50,对选择购买新能源汽车的 消费者给予补贴$2=30,充电桩运营商未扩大规 模时的运营收入为M=200,扩大规模充电桩的 增加的运营收入为Mi=50,购买新能源汽车的成 本C3=40,产生的效用t/=200,对环境产生友好 的效益为Ai=180,寻桩的时间成本在充电桩运营 商扩大生产和不扩大生产的情况下分别为C41=10 和C42=15,消费者选择购买传统能源汽车，产 生的效用=150,对环境产生不友好的效益 A2=200,购买传统能源汽车的购车成本以及税款 为C=30,加燃油的成本为P=20。基于此，运用 MATLAB2019分别从政府初始参与意愿、充电桩 收入、寻桩成本和新能源汽车购置成本进行讨论。3.1政府初始参与意愿的变化对策略选择的影响政府参与意愿的变化对充电桩运营商、消费 者的影响如图1所示。图1是在其他参数不变的 情况下,政府参与意愿的变化对演化结果的仿真。当政府的参与意愿为x=0.1时，政府趋向于0,充电桩运营商趋向于0,消费者趋向于1,即政 府不进行不补贴，充电桩运营商选择不扩大规模,消费者选择购买新能源汽车；当政府的参与意愿 为*0.5时，政府趋向于0,充电桩运营商趋向 于0,消费者趋向于1,即政府不进行补贴，充 电桩运营商选择不扩大规模，消费者选择购买新 能源汽车，政府的参与意愿为0.9时相同。对于 政府而言，参与意愿的大小不会改变政府的稳定 策略，不进行补贴是政府的稳定策略。在新能源 市场的初期，政府的补贴对于新能源汽车市场的 启动和发展起着至关重要的作用，但过多的补贴 额度会让政府背负较重的财政负担，过少的补贴 额度不能很好地激励消费者与充电桩运营商的加 入，所以政府应制定合理的补贴政策，控制合适 的补贴额度。3.2充电桩收入的变化对策略选择的影响不论充电桩运营商的收入变化如何，政府最 终都会选择不进行补贴，消费者可以根据情况选 择是否购买，见图2。图2表示的是在其他参数不变的情况下，充 电桩扩大规模增加收入的变化对于仿真结果的影 响。从仿真结果来看，当充电桩运营商扩大规模 时，增加收入为50,X、y都收敛于0,z收敛于1,即政府选择不进行补贴，充电桩运营商选择不扩 大规模，消费者选择购买新能源汽车；当充电桩 运营商扩大规模时，增加收入为100,收敛于0,Z收敛于1,即政府选择不进行补贴，充电桩运营 商的策略并不稳定，消费者选择购买新能源汽车；当充电桩运营商扩大规模时增加收入为150,y,z都收敛于1,x收敛于0,即消费者选择购买新 74安阳工学院学报2023 年能源汽车，充电桩运营商选择扩大充电桩的规模,政府选择不进行补贴。仿真结果表明，当更多的 消费者选择购买新能源汽车时，扩大充电桩的数 量会让运营商的收入增加。这时充电桩运营商可 以探索新的盈利模式，充分挖掘各消费者的需求,进行实地介绍与宣传O0 0.5 1probability”=0.1图1参与意愿X的变化probabilityMl=150图2充电桩收入变化的影响3.3寻桩成本和新能源汽车购置成本对策略选择 的影响图3表示的是在其他参数不变的情况下，寻桩成本的变化对于参与主体选择策略的演化结 果。当寻桩的成本在充电桩运营商扩大生产和不 扩大生产的情况下分别为C41=10和C42=15,时，y、z收敛于1,x x收敛于0,即政府部门选择不进行 补贴，充电桩运营商选择扩大充电桩的规模，消 费者选择购买新能源汽车；当寻桩的时间成本在 充电桩运营商扩大生产和不扩大生产的情况下分 第三期 强美林，董 雨：政府、充电桩运营商和消费者在新能源汽车产业的三方演化博弈研究75别为C41=40和C42=50时,y、z收敛于1,x收敛于0,且消费者趋向于1的速度变慢；当寻桩的时间成 本在充电桩运营商扩大生产和不扩大生产的情况 下分别为C41=80和C42=90时，消费者趋向于 1的速度更慢了。图4是新能源汽车购置成本变化的演化结果。0 0.25 0.5C41=80;C42=90图3寻桩成本变化的演化结果1.00.80.60 0.25 0.5C3=70图4新能源汽车购置成本变化的演化结果76安阳工学院学报2023 年由图4可知，新能源汽车购置成本的变化并 没有引起图像太大的变动。仿真结果表明，消费 者的策略受寻桩成本的影响较大。当寻桩成本较 大时，消费者选择购买新能源汽车的趋向降低，所以充电桩运营商要通过新型技术降低充电的时 间，提高消费者的体验感。4结论对于政府而言，无论其初始的参与意愿如何,最终都会选择不进行补贴。因此，充电桩运营商 要充分发挥市场的作用以及目前可利用的技术手 段，通过技术研发降低充电的时间，提升充电桩 的性能，同时降低各区域充电桩经营所需的成本。相对新能源汽车的购置成本，消费者对“寻桩成 本”更为敏感，消费者购买新能源汽车的意愿与 充电桩的规模呈正相关，因此在考虑成本的情况 下，应当适当地扩大充电桩的规模，减少消费者 在驾车时的后顾之忧，提高消费者对新能源汽车 的认可度。参考文献：1 徐建中，孙颖.市场机制和政府监管下新能源汽车 产业合作创新演化博弈研究J.运筹与管理，2020,29(5):143-151.2 唐葆君，王翔宇，王彬，等.中国新能源汽车行业 发展水平分析及展望J-北京理工大学学报(社会科学 版),2019,21(2):6-11.3 王璐，马庆庆，杨劭，等.基于复杂网络演化博弈 的绿色消费者对新能源汽车扩散的影响研究J.中国管 理科学，2022,30(4):74-85.4 HAMMOND W,AXSEN J,KJEANG E.How to slash gre e nhouse gas e missions in the fre ight se ctor:Policy insights from a te chnology adoption mode l of CanadaJ.Ene rgy Policy,2020,(137):111093.5 咎欣，欧国立补贴退坡”背景下补贴模式异质性 与消费者购买行为的博弈研究J.中央财经大学学报，2021(5):94-108.6 傅沂，姜明明，杨东晓.新能源汽车行业的政策设 计及优化研究：基于Van Damme模型的三方演化博弈 视角JJ.工业技术经济，2021,40(10):23-32.7 吴君民，唐僖，盛永祥，等.基于三方演化博弈的 后补贴时代新能源汽车政产学协同创新机制研究JJ-运 筹与管理，2021,30(4):96-102.8 张扬，陆宸欣.政府、企业和消费者三方在新能源 汽车后补贴时代的演化博弈分析J.重庆交通大学学报(自然科学版)，2020,39(5):38-48.9 中商产业研究院.中国充电桩行业市场前景及投资 研究报告J.电器工业，2021(12)：)：13-33.10 谢隽阳，乐为，郭本海.基于生产者责任延伸的新 能源汽车动力电池回收帕累托均衡J.中国管理科学，2022,30(11):309-320.11 李文耦，戴良平，郭本海，等.后补贴时代复合牵 引机制下新能源汽车上下游企业合作创新博弈分析J-软科学，2021,35(1):81-8&12 岳为众，刘颖琦，童宇，等.政府补贴在新能源汽 车充电桩产业中的作用：三方博弈视角J.中国人口 资 源与环境，2020,30(11):119-126.Re se arch on Tripartite Evolutionary Game of Gove rnme nt,Charging Pile Ope rators and Consume rs in Ne w Ene rgy Ve hicle IndustryQIANG Me ilin,DONG Yu(De partme nt of Economics and Manage me nt,Anhui Unive rsity of Scie nce&Te chnology,Huainan 232001,China)Abstract：De ve loping ne w e ne rgy ve hicle s is a strate gic me asure to cope with climate change and promote gre e n de ve lopme nt.In orde r to e ffe ctive ly de al with the pre ssure of e ne rgy and e nvironme nt,using e volutionary game the ory,this pape r constructs a thre e-party e volutionary game mode l of gove rnme nt,charging pile ope rators and consume rs,obtains the e volutionary stability strate gy of the mode l unde r diffe re nt situations,and simulate s and analyze s the influe nce of difie re nt factors on the strate gy choice of participants with matlab2019 data.The re sults show that the e volution and stability strate gie s of the gove rnme nt,charge pile ope rators and consume rs will be affe cte d by the strate gy choice s of othe r subje cts.The gove rnme nt will e ve ntually choose not to subsidize,and the change of charge pile income will change the strate gy of charge pile ope rators.The cost of finding pile s*will have a gre ate r impact on consume rs*strate gy choice s than the purchase cost of ne w e ne rgy ve hicle s*.Ke y words：ne w e ne rgy ve hicle s;charging pile ope rators;pile finding cost;e volutionary game(责任编辑：连凯琪)