[论文解读] Industrial Symbiotic Relations as Cooperative Games

Vahid Yazdanpanah, Devrim Murat Yazan|University of Twente Research Information|Feb 4, 2018

Sustainable Industrial Ecology参考文献 18被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于博弈论的工业共生关系（ISRs）框架，将其建模为合作成本分摊博弈，通过企业间的双边合作实现运营成本的公平且稳定分配。研究证明，Shapley值分配机制可同时确保公平性与稳定性——保障个体理性与核心成员资格，使其成为ISR成本分摊的唯一可行解决方案。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a game-theoretical formulation for a specific form of collaborative industrial relations called "Industrial Symbiotic Relation (ISR) games" and provide a formal framework to model, verify, and support collaboration decisions in this new class of two-person operational games. ISR games are formalized as cooperative cost-allocation games with the aim to allocate the total ISR-related operational cost to involved industrial firms in a fair and stable manner by taking into account their contribution to the total traditional ISR-related cost. We tailor two types of allocation mechanisms using which firms can implement cost allocations that result in a collaboration that satisfies the fairness and stability properties. Moreover, while industries receive a particular ISR proposal, our introduced methodology is applicable as a managerial decision support to systematically verify the quality of the ISR in question. This is achievable by analyzing if the implemented allocation mechanism is a stable/fair allocation.

研究动机与目标

• 解决工业共生关系（ISRs）中合作决策缺乏正式决策支持工具的问题，尤其关注动态运营方面。
• 为两家企业的双边ISRs提供正式的博弈论框架，将其建模为合作成本分摊博弈。
• 开发实用机制，以验证所提出的ISR是否稳定且公平，支持管理决策。
• 确保成本分摊机制同时尊重公平性（通过Shapley值）与稳定性（通过核心成员资格）。
• 建立理论保证：在Shapley值分配下，ISR博弈本质上是稳定且公平的，从而保障合作的可靠性。

提出的方法

• 将双边ISRs建模为两人合作成本分摊博弈，其中企业共同管理废弃物与资源交换。
• 将合作的总运营成本（如运输与回收成本）定义为联盟的特征函数值。
• 应用Shapley值作为基于边际贡献的公平导向成本分摊机制。
• 使用核心作为稳定性验证工具，确保任一企业均无动机脱离合作。
• 证明在ISR博弈中，Shapley值分配始终位于核心内，从而确保公平性与稳定性。
• 通过数学定义形式化解决方案概念，并借助分析证明与示例进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何正式地将工业共生关系建模为合作博弈，以支持合作决策？
• RQ2 何种成本分摊机制可确保双边ISRs中的公平性与稳定性？
• RQ3 ISR博弈中的Shapley值分配是否能保证个体理性与核心成员资格？
• RQ4 能否将核心与Shapley值用作决策支持工具，以验证所提议ISR的质量？
• RQ5 在博弈论机制下，ISR合作的稳定性和公平性具有何种理论保证？

主要发现

• ISR博弈的Shapley值分配始终是核心分配，确保了稳定性和公平性。
• Shapley分配具有个体理性：每家企业在合作下支付的成本低于非合作状态，从而无动机退出合作。
• 在运行示例中，核心允许企业A的成本分配在4至7单位之间，企业B在8至11单位之间，Shapley值为⟨5.5, 9.5⟩。
• 在二维表示中，Shapley值位于核心线段的中点，体现了平衡的公平性。
• ISR博弈具有次模性，确保核心非空，且Shapley值始终位于核心内。
• 该框架提供了一套系统化方法，可基于公平性与稳定性标准验证任意ISR提案的质量。