数据驱动下的工业企业排污权交易博弈分析方法

摘要

本发明提出一种数据驱动下的工业企业排污权交易博弈分析方法,排污权交易博弈是根据未来走向进行当前决策的动态复杂过程。它需在博弈双方的所需购买/出售数量、排污权的市场价格、企业排污权边际收益、企业初始排污权的基础上进行博弈。本方案具体过程是：首先，预测企业排污量和排污权的市场价格。企业未来排污量是博弈逆推的数据基础，是求出博弈过程中交易量的关键；排污权市场价格决定了博弈最后一个阶段出价的最低值。其次，评估得到企业初始排污权和排污权边际收益。初始排污权决定了企业最初所拥有的排污权，基于初始排污权，才可能确定企业在排污权交易过程中是否需要买入或者卖出排污权；企业排污权边际收益决定了企业在使用购买的排污权指标过程中所产生的边际利益，直接决定了企业通过购买排污权的盈利情况。最后，基于上述量，进行讨价还价博弈，确定博弈方的最优选择与策略。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据驱动下的工业企业排污权交易博弈分析方法，属于排污权交易研究 技术领域。

背景技术

工业企业促进了中国经济的快速发展，但同时也带来了严峻的环境污染问题。为此，我 国推出了排污权交易制度，明确规定工业企业在发展的过程中，要全面在排污权制度下实施 相应的生产与排放，严格按照相应的标准来控制排放。排污权交易是指在污染物排放总量控 制指标确定的条件下，利用市场机制，建立合法的污染物排放权利即排污权，并允许这种权 利像商品那样被买入和卖出，为企业控制污染物排放建立了有效激励-约束机制，促使其不 断减少污染物排放，同时通过排污权在市场上的交易，达到优化环境容量资源配置效率、降 低全社会污染控制成本的目的。因此，各地都在积极推动排污权交易中心建设，致力于通过 市场手段促进污染物减排，提供绿色公共服务信息平台，实现排污权交易的落地。排污权交 易平台可以积累大量的交易企业及其污染排放数据，那么如何基于这些数据，通过排污权交 易博弈分析为排污权交易企业提供有效地交易策略是亟待解决的问题。本发明正是试图在数 据基础上基于预测与评价方法，结合动态博弈分析为交易企业交易选择提供有效策略。

排污权交易政策可使企业因为自身的利益提高治污的积极性，使控制污染总量目标真正 得以实现。并且，基于博弈论的排污权交易可以有效解决企业在排污权交易过程中出价及议 价的决策优化问题。但目前的研究多是基于一级市场即政府与企业之间的初始排污权分配； 并且大多数研究都以系统模拟仿真为主，没有针对企业具体数据进行实际分析。基于此，本 发明以工业企业实际排污数据为驱动，完成以下创新工作：(1)以工业企业实际排污数据为 驱动，建立了工业企业排污、排污权市场价格、企业排污权边际收益和初始排污权预测与评 估方法；(2)针对排污权交易过程中出价与议价的决策问题提出工业企业买卖双方的讨价 还价动态博弈的正向推理法。(3)以天津市工业企业之间的排污权交易为例，进行不同企业 之间的博弈分析，为工业企业在排污权交易最优选择与策略提供建议。

发明内容

排污权交易博弈是根据未来走向进行当前决策的动态复杂过程。它需在博弈双方的所需 购买/出售数量、排污权的市场价格、企业排污权边际收益、企业初始排污权的基础上进行 博弈。本方案具体过程是：

首先，预测企业排污量和排污权的市场价格。企业未来排污量是博弈逆推的数据基础， 是求出博弈过程中交易量的关键；排污权市场价格决定了博弈最后一个阶段出价的最低值。

其次，评估得到企业初始排污权和排污权边际收益。初始排污权决定了企业最初所拥有 的排污权，基于初始排污权，才可能确定企业在排污权交易过程中是否需要买入或者卖出排 污权；企业排污权边际收益决定了企业在使用购买的排污权指标过程中所产生的边际利益， 直接决定了企业通过购买排污权的盈利情况。

最后，基于上述量，进行讨价还价博弈，确定博弈方的最优选择与策略。

下面将本发明的技术方案详述如下：

步骤一：基于支持向量回归机的企业排污量预测

给定企业排污量时间序列数据集Q：

Q＝{＜Q

其中Q

其中，f(Q

通过定义目标函数，对参数进行求解。

其中，

设计中，通过对关键参数惩罚因子(C)和核函数系数(γ)的寻优提升预测的效果，具体 步骤如下：

1)调用网格搜索方法，设置惩罚系数(C)与核函数系数(γ)的步长与范围；

2)设置交叉验证次数，避免过拟合，获得更可靠稳定的预测模型；

3)基于训练数据

4)基于SVR预测模型及寻优后的C与γ得到最优解；

5)使用测试集

步骤二：基于线性回归的排污权市场价格预测

排污权市场价格与当地GDP呈线性相关，因此构建排污权市场价格与GDP的线性回归预 测模型，如：

p

其中，p

基于最小二乘“参数估计”(parameter estimation)，可得到w和b最优解的闭式(closed-form)解：

其中

具体预测步骤如下：

1)获取已实行排污权交易机制所有地区的GDP总值记作g

2)根据公式(7)和公式(8)计算得出w与b最优解；

3)根据w与b以及被预测地区的GDP，即g，预测该地区这种污染物的排污权市场 价格，即p。

步骤三：企业排污权边际收益和初始排污权评估

企业排污边际收益与初始排污权是博弈的必备因素，与企业相关因素密切有关，考虑到 问题求解的复杂性，本发明使用层次分析法进行评价。考虑到数据的可获取性，定义企业经 营资本、历史排污情况、生产规模的排污口数量、排污权市场均价表达企业初始排放权、排 污边际收益评价的评价指标。具体实现步骤如下：

1)获取所需数据，并进行归一化预处理；

2)基于调研与专家经验并通过层次分析法(AHP)得到评价指标权重；

3)根据评价指标权重以及归一化处理后的数据计算企业排污权边际收益评估值、初始排污权评估值；

4)对评估值进行反归一化处理，获得企业排污边际收益值α、初始排污权Q。

步骤四：基于讨价还价的排污权交易动态博弈

由上可以获得工业企业的初始排污权Q、买方排污边际收益α、排污权市场价格p、企业 未来所需排污量∑Q

q＝|Q-∑Qt|

本研究采用基于讨价还价博弈的建立了企业间排污权交易博弈过程模型，如图1。

在博弈过程中，博弈双方都应考虑市场交易成本，包括交易费用、管理费用、运行费用 等。因此，双方除了第一次出价没有博弈损失(ε为损失因子)外，后续都需从利益中减去博弈 损失，本研究设置损失因子范围为0到1之间但不等于0或1。

第一阶段交易过程：卖方A第一次出价，p

假设要使第一阶段交易成功，即卖方A第一阶段出价(p

相比第二阶段交易，保证买方B的收益至少等于第二阶段的收益，如公式(9)：

q

同时卖方A的收益要比第二阶段的收益大，如公式(10)：

p

结合公式(9)与公式(10)化简可得该条件下p

同理，正向推理至第二阶段，买方B需让卖方A接受(p

相比于第三阶段交易，保证卖方A的收益至少等于第三阶段的收益，如公式(12)：

p

同时买方B的收益要比第三阶段的收益大，如公式(13)：

q

结合公式(12)与公式(13)化简可得该条件下p

正向推理至第三阶段，卖方A需让买方B接受(p

相比于第四阶段交易，保证买方B的收益至少等于第四阶段的收益，如公式(15)：

q

同时卖方A的收益要比第四阶段的收益大，如公式(16)：

p

结合公式(15)与公式(16)化简可得该条件下p

结合公式(9-17)可得，当

此时达到博弈均衡解，买方A的收益以及卖方B的收益分别如公式(18-19)所示：

假设要在第二个阶段交易成功，即卖方A第一阶段出价，买方B拒绝并进入第二阶段出 价，卖方A接受。根据正向推理原则，需满足条件：(1)第一阶段买方B的收益小于第二阶段 买方B的收益，如公式(20)；(2)第二阶段卖方A的收益大于第一阶段卖方A的收益，如公式(21) 所示：

q

p

结合公式(20)与公式(21)化简可得该条件下p

并且，还需满足条件：(3)保证卖方A的收益至少等于第三阶段的收益，如公式(12)；(4) 同时买方B的收益要比第三阶段的收益大，如公式(13)；(5)保证买方B的收益至少等于第四阶 段的收益，如公式(15)；(6)卖方A的收益要比第四阶段的收益大，如公式(16)。要满足上述条 件，需满足公式(14，17)，而公式(22)中的

假设在第三阶段交易成功，即卖方A第一阶段出价，买方B拒绝并进入第二阶段出价， 卖方A拒绝并进入第三阶段出价，买方B接受。根据正向推理，需满足公式(22)及条件：(1) 第二阶段买方B的收益小于第三阶段买方B的收益，如公式(23)；(2)第二阶段卖方A的收益小 于第三阶段卖方A的收益，如公式(24)所示：

q

p

结合公式(23)与公式(24)化简可得该条件下价格关系式以及限定条件，如公式(25)：

并且，还需满足条件：(3)保证买方B的收益至少等于第四阶段的收益，如公式(15)；(4) 卖方A的收益要比第四阶段的收益大，如公式(16)；(5)第一阶段买方B的收益小于第二阶段买 方B的收益，如公式(20)；(6)第二阶段卖方A的收益大于第一阶段卖方A的收益，如公式(21)。 要满足上述条件，需满足公式(17，22)，而公式(25)中的

假设在第四阶段交易成功，则需满足公式(22，25)以及条件：(1)第三阶段买方B的收益小 于第四阶段买方B的收益；(2)第三阶段卖方A的收益小于第四阶段卖方A的收益，如公式 (26-27)：

q

p

结合公式(26)与公式(27)化简可得该条下价格关系式以及限定条件(28)：

并且，还需满足条件：(3)第一阶段买方B的收益小于第二阶段买方B的收益，如公式(20)； (4)第二阶段卖方A的收益大于第一阶段卖方A的收益，如公式(21)；(5)第二阶段买方B的收益 小于第三阶段买方B的收益，如公式(23)；(6)第二阶段卖方A的收益小于第三阶段卖方A的收 益，如公式(24)。要满足上述条件，需满足公式(22，25)，而公式(28)中的

因此本研究选取第一种假设，即卖方A第一阶段出价(p

本发明的优点及有益效果在于：本发明以模拟市场及预测数据为基础，以讨价还价博弈 模型为工具，研究了排污权交易机制下的动态最优选择决策问题。基于支持向量机模型对天 津工业企业排污数据进行预测，预测企业排污需求量；定义污染物排污权市场价格范围、博 弈成本、排污边际收益、初始排污权分配量，根据企业排污预测数据与企业初始排污权分配 量算出企业是否需要购买或者卖出排污权，构建基于讨价还价的博弈模型代码，代入各项数 据获得结果。

附图说明

图1是讨价还价博弈树形图。

图2是买家与卖家在不同博弈损耗下SO2交易双方的最大收益。

图3是不同博弈损耗下天津泰新垃圾与各家企业SO2交易时边际交易量收益。

图4是买家一与不同卖家在不同博弈损耗下NOx交易的最大收益。

图5是买家二与不同卖家在不同博弈损耗下NOx交易的最大收益。

图6是买家三与不同卖家在不同博弈损耗下NOx交易的最大收益。

图7是不同博弈损耗下买家一与不同卖家企业NOx交易时边际交易量收益。

图8是不同博弈损耗下买家二与不同卖家企业NOx交易时边际交易量收益。

图9是不同博弈损耗下买家三与不同卖家企业NOx交易时边际交易量收益。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1-9，对本发明的技术方案进一步说明。

本发明以实际工业企业废气排放数据进行实验，实际数据来自天津市污染源数据管理与 信息共享平台(zxjc.sthj.tj.gov.cn:8888/PollutionMonitor-tj/publish.do)。采集原则为：废气排放 且数据量较为齐全的企业。经随机采样与筛选，最终样本包括5家天津市工业企业，分别为 天津钢管制造有限公司、天津钢铁集团有限公司、天津国电津能热电有限公司、天津华能杨 柳青热电有限责任公司、天津泰新垃圾发电有限公司。该数据集为时间序列数据，选择监测 日期、监测项目名称、监测结果作为实验指标。在实验中，主要废气选取氮氧化物、二氧化 硫。

步骤一：基于支持向量回归机的天津工业企业排污量预测

基于工业企业的排污数据，通过网格搜索方法，对SVR预测模型中的惩罚系数与核函数 系数寻优提升预测效果。寻优结果如表1所示。

表1寻优系数及精度结果

用SVR调整参数后的预测模型，对工业企业排污数据进行预测，获得预测结构如表2所示。

表2预测结果

步骤二：基于线性回归的天津排污权市场价格预测

将选取四个已经在实行氮氧化物排污权交易的省市为例，分别为浙江省、河北省、陕西 省、佛山市。表3为浙江省、河北省、陕西省、佛山市的GDP总值及氮氧化物、二氧化硫排污 权价格。

表3各省市GDP总值及氮氧化物、二氧化硫排污权市场价格

基于以上数据，使用线性回归模型，对天津市的氮氧化物及二氧化硫排污权价格进行预 测。预测结果如表4所示。

表4天津市氮氧化物及二氧化硫排污权价格预测结果

考虑到买方对第一次出价的接受程度，本发明将综合考虑p

步骤三：天津工业企业排污权边际收益和初始排污权评估

基于天津市工业企业经营资本数据、生产规模的排污口数量数据、污染物排污权市场价 格及评价指标权重，通过归一化、计算得到各企业排污边际收益，结果如表5。

表5天津工业企业排污权边际收益

结合天津市工业企业2020年2月份污染物的历史排污量数据、生产规模的排污口数据、 企业经济与经营的企业资本及各数据的评价指标权重，计算得到各企业的初始排污权Q，结 果如表6所示。

表6天津工业企业初始排污权

步骤四：基于讨价还价的排污权交易动态博弈

(1)二氧化硫排污权交易博弈结果分析

根据各方初始排污量与预测排污量，在二氧化硫交易过程中，定义参与本次排污权交易 的天津市企业中，天津钢铁集团有限公司为卖家一、天津国电津能热电有限公司为卖家二、 天津华能杨柳青热电有限责任公司为卖家三、天津泰新垃圾发电有限公司为买家一，详见表 7。

表7 SO

在博弈模型中分别输入各家企业的初始排污权与预测排污量以及买方排污边际收益，计 算获得博弈损耗的范围，即ε的范围，针对范围内不同的博弈损耗计算卖方最佳出价范围； 并且计算选取最佳出价范围内的中值作为本次交易最佳出价时，买卖双方的最大收益值，结 果如表8、图1与图2所示。

表8在不同博弈损耗下SO

通过表8可以发现，不同卖家在进行排污权交易时，最优出价即最优出范围的中值会随 着博弈损耗增大而增大。分别选取博弈损耗为0.52、0.65、0.75时以及对应博弈损耗下的最 优均衡出价时，买家在与不同卖家进行交易情况下的博弈均衡解，如表9所示。

表9 SO

通过图2可以发现，买家在与不同卖家进行排污权交易时，在不同博弈损耗下，卖家的 总收益随着博弈损耗的增加而减少，而买家的总收益反之。同时，可以看出买家在与卖家三 进行交易时，双方的收益是最大的。

买家分别与天津钢铁集团有限公司、天津国电津能热电有限公司、天津华能杨柳青热电 有限责任公司在相同交易量下的收益折线图如图3所示。

从图3中可以发现，天津泰新垃圾发电有限公司在与天津华能杨柳青热电有限责任公司 进行交易时，在不同博弈损耗下单位交易量收益都最大，因此得出结论，推荐天津泰新垃圾 发电有限公司与天津华能杨柳青热电有限责任公司进行二氧化硫购买，可达自身利益最大 化。

(2)氮氧化物排污权交易博弈结果分析

在氮氧化物交易过程中，定义参与交易的天津市企业中，天津钢铁集团有限公司为卖家 一、天津华能杨柳青热电有限责任公司为卖家二、天津钢管制造有限公司为买家一、天津国 电津能热电有限公司为买家二、天津泰新垃圾发电有限公司为买家三，详见表10。

表10 NO

在博弈模型中分别输入各家企业的初始排污权与预测排污量以及买方排污边际收益，计 算获得博弈损耗的范围，即ε的范围，针对范围内不同的博弈损耗计算卖方最佳出价范围； 并且计算选取最佳出价范围内的中值作为本次交易最佳出价时，买卖双方的最大收益值，结 果分别如表11、表12所示。

表11不同博弈损耗下卖家一对于各买家NO

表12不同博弈损耗下卖家二对于各买家NO

通过表11及表12可以发现，不同卖家在进行排污权交易时，最优出价即最优出范围的中 值会随着博弈损耗增大而增大。分别选取博弈损耗为0.96、0.965、0.97时以及对应博弈损 耗下的最优均衡出价时，不同买家在与不同卖家进行交易情况下的博弈均衡解，如表13及表 14所示。

表13卖家一NO

表14卖家二NO

卖家一、二在与买家一、二、三进行氮氧化物交易过程中，收益分别图4、图5、图6所示。

通过分析发现不同买家在与不同卖家在相同交易量下，买家的排污权边际收益各不相 同，如图7、图8、图9所示。

从图7、图8、图9中可以发现，在相同博弈损耗下，买家一与卖家二进行交易时可以获 得更多的排污权边际收益；买家二与卖家一交易时可以获得更多的排污权边际收益；买家三 与卖家一进行交易时可以获得更多的排污权边际收益。因此得出结论，推荐天津钢管制造有 限公司与天津华能杨柳青热电有限责任公司进行氮氧化物排污权购买，可达自身利益最大 化；推荐天津国电津能热电有限公司与天津钢铁集团有限公司进行氮氧化物排污权购买，可 达自身利益最大化；推荐天津泰新垃圾发电有限公司与天津钢铁集团有限公司进行氮氧化物 排污权购买，可达自身利益最大。