【摘要】：隨著環(huán)境形勢的日益嚴(yán)峻,環(huán)境問題研究在學(xué)術(shù)界也得到了越來越多的關(guān)注。其中,環(huán)境績效評價(jià)與非期望產(chǎn)出的配額分配為兩個(gè)重要的研究問題,而配額分配又往往與環(huán)境績效的評價(jià)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。研究表明,在生產(chǎn)的過程中,非期望產(chǎn)出通常與期望產(chǎn)出相伴產(chǎn)生,只有終止生產(chǎn)才能夠使得非期望產(chǎn)出的排放量降為零(Baumgartner,2001; Chung et al.,1997)。在現(xiàn)實(shí)中,為了實(shí)施可持續(xù)的發(fā)展,降低對環(huán)境的危害程度,非期望產(chǎn)出往往存在總和約束。在生產(chǎn)技術(shù)一定的情況下,這意味著會帶來經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的沖突,即若要改善環(huán)境狀況,降低非期望產(chǎn)出的排放,就需要縮小生產(chǎn)規(guī)模。非期望產(chǎn)出的種類多種多樣,常見的例如工業(yè)三廢,即廢氣、廢水以及固體廢棄物。而在廢氣中,二氧化碳(C02)的排放由于帶來了嚴(yán)重的溫室效應(yīng),對環(huán)境的影響最大。因此,在非期望產(chǎn)出的配額分配研究中,C02減排量(carbon emissions abatement, CEA)的分配是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。 本論文主要利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(data envelopment analysis, DEA)技術(shù)對各個(gè)國家或地區(qū)進(jìn)行環(huán)境績效評價(jià)以及非期望產(chǎn)出配額的分配。DEA是一種常用的非參數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù),可以用來評價(jià)一組同質(zhì)的決策單元(decision making units, DMUs)的相對效率�；谝�(guī)模收益不變(constant returns-to-scale, CRS)和規(guī)模收益可變(variable returns-to-scale, VRS)兩種基本假設(shè),學(xué)者們提出了兩種基本的DEA模型：CCR模型與BCC模型(Charnes et al.,1978; Banker et al.,1984)。在此基礎(chǔ)上,又衍生出其他眾多的DEA模型。除了具有事后評價(jià)的功能,DEA還有另一項(xiàng)功能就是可以進(jìn)行事前規(guī)劃。即以評價(jià)模型為基礎(chǔ),建立分配模型(通常是集中式的)對有限的資源制定分配計(jì)劃,從而能夠最大化資源的使用效率。 傳統(tǒng)的DEA模型中,通常僅僅關(guān)注期望產(chǎn)出而忽視了非期望產(chǎn)出,這顯然不能更全面地評價(jià)DMUs的績效。因此,如何更精確地進(jìn)行環(huán)境績效的評價(jià),在當(dāng)前DEA的研究中仍然是一個(gè)熱點(diǎn)問題。縱觀現(xiàn)有文獻(xiàn),已有學(xué)者提出利用零和收益(zero sum gains, ZSG) DEA模型來模擬當(dāng)某些投入(產(chǎn)出)存在總和限制時(shí)的情形。鑒于非期望產(chǎn)出往往存在類似的限制,采用ZSG-DEA模型對DMUs的環(huán)境效率進(jìn)行評價(jià)是相對合理的。然而,現(xiàn)有的ZSG-DEA模型均為非線性的形式,Lins等(2003)僅提供了一類特殊的ZSG-DEA模型的解法。但是通常情況下,該類模型的非線性特性增加了計(jì)算難度,限制了模型在實(shí)踐中的應(yīng)用。此外,現(xiàn)有的ZSG-DEA模型在VRS假設(shè)下,通常對某些有效的DMUs不存在可行解,這在某種程度上也限制了模型在實(shí)踐中的應(yīng)用。 除了環(huán)境績效評價(jià),在對非期望產(chǎn)出的配額進(jìn)行分配時(shí),當(dāng)前的研究亦存在一定的瓶頸�，F(xiàn)實(shí)中,一個(gè)企業(yè)或者其他生產(chǎn)單元通常會生產(chǎn)多種非期望產(chǎn)出,但已有研究多數(shù)僅能分配一種非期望產(chǎn)出的配額,而無法擴(kuò)展到對多種非期望產(chǎn)出的配額同時(shí)進(jìn)行分配。在實(shí)證研究中,亦很少有學(xué)者關(guān)注到利用DEA方法對地區(qū)間的工業(yè)三廢的排放配額進(jìn)行分配。 在分配研究中,一般認(rèn)為存在兩項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)：效率與公平。根據(jù)這兩項(xiàng)指標(biāo),可以將現(xiàn)有的非期望產(chǎn)出配額的分配方法大致分為兩類：第一類以效率最大化為目標(biāo),通常利用一個(gè)集中式的分配模型對配額進(jìn)行分配。例如,Lozano等(2009)提出了以總期望產(chǎn)出最大化為目標(biāo)函數(shù)的中央分配模型。這類方法的缺陷在于方案忽略了個(gè)體單元的利益,在現(xiàn)實(shí)實(shí)施中往往會遇到阻礙；第二類則以公平原則指導(dǎo)分配,例如Gomes和Lins(2008)提出的統(tǒng)一前沿面方法。這類方法的缺陷在于分配過程中未將整體利益納入考慮。通常情況下,整體利益與局部利益無法同時(shí)兼顧,只能此消彼長。因此,有必要找尋一種新的分配方法,在滿足整體利益最大化的同時(shí)保證局部利益不受損害。 本論文的研究背景是在不忽略非期望產(chǎn)出的情況下,如何對環(huán)境績效進(jìn)行精確評價(jià)并且更加合理地分配非期望產(chǎn)出的配額�；谝陨戏治�,這篇論文針對性地對現(xiàn)有的DEA理論進(jìn)行了擴(kuò)展：通過將ZSG-DEA模型線性化或者參數(shù)線性化,降低了模型的計(jì)算難度。同時(shí),提供了一種可行的方法找尋VRS假設(shè)下無可行解的DMUs的替代解。在此基礎(chǔ)上,本文提出了一個(gè)迭代算法求解存在多維非期望產(chǎn)出時(shí)的統(tǒng)一前沿面,從而實(shí)現(xiàn)了多維非期望產(chǎn)出的同時(shí)分配。在CEA的分配問題中,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)包含中央分配模型與補(bǔ)償機(jī)制的兩階段方法,能夠同時(shí)兼顧整體與局部利益,避免了分配方法在實(shí)施中受到某些利益受損的DMUs的抵制。 下面就簡要介紹一下本論文的主體結(jié)構(gòu)：第三、四、五章的主要研究內(nèi)容。 第三章的主要工作是對非線性的ZSG-DEA模型進(jìn)行線性化或者參數(shù)線性化,從而降低多維情況下這類模型的計(jì)算難度。最后,將線性化后的模型應(yīng)用于評價(jià)中國30個(gè)省市的區(qū)域環(huán)境效率。 傳統(tǒng)的DEA模型假設(shè)各個(gè)DMUs之間是相互獨(dú)立的,即某一個(gè)DMU的投入(產(chǎn)出)值的改變不會影響其他DMU的投入(產(chǎn)出)值。然而,在現(xiàn)實(shí)中,往往某些投入(產(chǎn)出)存在總量限制。例如,某一個(gè)區(qū)域的市場容量通常是固定的,因此各個(gè)單元之間會存在競爭。傳統(tǒng)的DEA模型在這種情況下將會失效。針對這一缺陷,Lins等(2003)提出了一類ZSG-DEA模型,假設(shè)DEA模型的投入(產(chǎn)出)值的總和是固定的,在此基礎(chǔ)上,提出了兩類簡單的策略來模擬變量之間的相互影響過程：平均分配策略和比例分配策略,并將其應(yīng)用于評價(jià)奧運(yùn)會各個(gè)參賽國的相對效率。注意到在ZSG-DEA模型中,并非所有的投入產(chǎn)出值均滿足總和固定的約束,因此我們將那些滿足總和固定約束的指標(biāo)稱為ZSG指標(biāo)。 所謂平均分配策略,即被評DMU的投入(產(chǎn)出)的變化值被其他DMU均攤,從而保持投入(產(chǎn)出)總和的固定。相對應(yīng)地,所謂比例分配策略,即被評DMU的投入(產(chǎn)出)的變化值被其他單元以各自投入(產(chǎn)出)基值的比例進(jìn)行分?jǐn)�。直觀上,比例分配策略較平均分配策略相比更為公平合理,而且平均分配策略往往會造成某些DMU投入(產(chǎn)出)值為負(fù)值而導(dǎo)致無法求解的情形。 然而,無論是采取平均分配策略還是比例分配策略,所構(gòu)建的ZSG-DEA模型均為非線性的。這使得模型的計(jì)算極為困難,尤其在遇到ZSG指標(biāo)為多維度的情形。現(xiàn)有的研究已經(jīng)證明,在ZSG指標(biāo)為單維度時(shí),采取比例分配策略的ZSG-DEA模型可以求解。然而,該方法無法擴(kuò)展到多維度ZSG指標(biāo)的情形,并且不適用于采取平均分配策略的ZSG-DEA模型。 第三章的工作首先根據(jù)規(guī)模收益假設(shè),分配策略假設(shè)以及ZSG指標(biāo)維度將ZSG-DEA模型細(xì)分為8種類型。在此基礎(chǔ)上,通過研究發(fā)現(xiàn),其中的6類模型可以完全線性化。只有多維ZSG指標(biāo)的比例分配策略ZSG-DEA模型在CRS和VRS假設(shè)下無法被完全線性化,但是模型仍然可以通過轉(zhuǎn)化為參數(shù)線性形式,進(jìn)而使用二分法算法進(jìn)行精確求解。這樣,就徹底解決了ZSG-DEA模型求解難的問題。 研究中還發(fā)現(xiàn),超效率模型屬于ZSG-DEA模型的一個(gè)特例。而在單維ZSG指標(biāo)的情況下,超效率模型更直接與比例分配策略的ZSG-DEA模型相等價(jià)。由于VRS超效率模型對某些有效DMUs存在無可行解的情形,因此,根據(jù)證明的等價(jià)性,比例分配策略的ZSG-DEA模型在VRS假設(shè)下也會存在不可解的情況。這一點(diǎn)與平均分配策略的模型相類似。 在第三章的算例中,我們利用線性化后的模型評價(jià)了中國30個(gè)省市的區(qū)域環(huán)境效率。其中非期望產(chǎn)出指標(biāo)為工業(yè)三廢,該項(xiàng)被視為投入指標(biāo),且滿足ZSG約束,這是Seiford和Zhu(2002)總結(jié)的5種處理非期望產(chǎn)出的方式之一。產(chǎn)出指標(biāo)為人口、省市生產(chǎn)總值以及能源消耗量。在利用線性化后的模型計(jì)算各個(gè)區(qū)域的環(huán)境效率值的同時(shí),將所得結(jié)果與Lins等提出的將ZSG指標(biāo)先加權(quán)再計(jì)算效率值的方法計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示,Lins等(2003)的方法傾向于低估各個(gè)DMUs的效率值。 第四章是對第三章績效評價(jià)工作的延續(xù)。第三章的工作主要關(guān)注環(huán)境績效評價(jià),而第四章則重點(diǎn)關(guān)注非期望產(chǎn)出的配額分配。該章主要提供了在CRS和VRS假設(shè)下形成統(tǒng)一前沿面的一般算法,并將所提方法應(yīng)用于中國30個(gè)省市工業(yè)三廢排放權(quán)的分配問題。 在ZSG-DEA模型的基礎(chǔ)上,Gomes和Lins (2008)提出了統(tǒng)一前沿面的概念。即通過調(diào)整ZSG指標(biāo),使得所有的DMUs均位于一個(gè)統(tǒng)一的前沿面上,換言之,所有的DMUs均變?yōu)椤坝行А钡膯卧Ｗ詈?可得到一個(gè)ZSG指標(biāo)的分配方案。因此,統(tǒng)一前沿面本質(zhì)上屬于一種資源分配方法。然而,在徑向投影假設(shè)下,現(xiàn)有的統(tǒng)一前沿面方法僅僅適用于CRS假設(shè)下單維ZSG指標(biāo)的情形,而無法向VRS假設(shè)以及多維ZSG指標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)展。 本章對現(xiàn)有的ZSG-DEA模型進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展,使得模型可以同時(shí)模擬ZSG投入(產(chǎn)出)與普通的投入(產(chǎn)出)并存時(shí)的情形。此外,第三章的工作中發(fā)現(xiàn)VRS假設(shè)下,采取比例分配策略的ZSG-DEA模型在評價(jià)某些有效的DMUs時(shí)無法獲取可行解。這使得統(tǒng)一前沿面方法無法應(yīng)用VRS假設(shè)。針對這一缺陷,我們設(shè)計(jì)了一種可行的求解方式,可以在VRS假設(shè)下,獲得與原模型相同投影方向的替代效率值。 在所提出的改進(jìn)ZSG-DEA模型的基礎(chǔ)上,本章提供了一種迭代算法求解存在多維ZSG指標(biāo)情況下的統(tǒng)一前沿面問題。基本思路是,通過依次將各個(gè)DMUs向前沿面投影,不斷將無效的DMU轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У腄MU并生成新的前沿面,直至最后所有的DMUs均被投影至前沿面上,此時(shí)的前沿面即是統(tǒng)一前沿面。而前沿面上各個(gè)DMUs的ZSG指標(biāo)的值即是最終的分配方案。 在第四章的算例中,我們利用所提的新模型評價(jià)了中國30個(gè)省市的區(qū)域環(huán)境效率,并且利用所提出的統(tǒng)一前沿面生成算法,對各省市的工業(yè)三廢的排放權(quán)進(jìn)行了公平的分配。其中,投入指標(biāo)為能源消耗、勞動力人數(shù)以及總固定資產(chǎn)投資,產(chǎn)出指標(biāo)為省市生產(chǎn)總值。與第三章相同,非期望產(chǎn)出指標(biāo)為工業(yè)三廢,滿足ZSG約束,并在建模時(shí)視為投入指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn),在CRS假設(shè)下,各個(gè)省市的環(huán)境績效值與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,即經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)呈現(xiàn)較高的環(huán)境效率值,而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的環(huán)境效率值則較低。但在VRS假設(shè)下,個(gè)別經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)省份仍能取得高的環(huán)境績效值。此外,分配結(jié)果的數(shù)據(jù)顯示,在CRS或VRS假設(shè)下,效率高的省市往往會增加更多的非期望產(chǎn)出排放權(quán),而效率低的省市往往會被減少其非期望產(chǎn)出的排放。 第五章的工作仍然關(guān)注非期望產(chǎn)出配額的分配,但是具體關(guān)注一類特殊的配額分配：碳排放權(quán)的分配。第四章的分配方案雖然相對公平,然而分配過程中并未將整體利益這一重要指標(biāo)納入考慮。第五章的主要工作是提出了一種兩階段的碳排放權(quán)分配方法,可以同時(shí)兼顧參與分配的國家或地區(qū)之間的整體與個(gè)體利益,從而降低分配方案的實(shí)施難度。所提的方法被應(yīng)用于分配21個(gè)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)國家的碳排放配額。 CEA的分配是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一。然而,現(xiàn)有的基于DEA的研究中,通常使用中央分配模型進(jìn)行CEA的分配(Lozano等,2009),這使得最終的分配方案往往只考慮到整體利益的最大化而忽略了個(gè)體利益,因此所得到的方案會在實(shí)施中受到某些利益損失的DMUs的抵制。相對地,有學(xué)者使用統(tǒng)一前沿面的方法進(jìn)行國際間的CEA分配(Gomes和Lins,2008)。然而,該方法是從公平的角度出發(fā)提出分配方案,而忽略了整體利益這一重要指標(biāo)。總而言之,現(xiàn)有的分配方法往往無法兼顧整體和局部利益。 首先,第五章在現(xiàn)有的非期望產(chǎn)出DEA模型中引入CEA變量,并對新模型的性質(zhì)進(jìn)行了分析。從理論上證明模型的目標(biāo)函數(shù)(環(huán)境效率值)是一個(gè)關(guān)于CEA的凸函數(shù),即在最大化環(huán)境效率的目標(biāo)下,存在一個(gè)最優(yōu)的CEA水平。 針對現(xiàn)有的研究無法兼顧整體與局部利益,從而導(dǎo)致分配方案實(shí)施困難的情形,第五章提出了一種新的兩階段分配方法來解決這一問題。在第一階段,基于引入CEA變量后的績效評價(jià)模型,構(gòu)建了一個(gè)新的集中式模型對CEA進(jìn)行分配。該模型要求事先給定整體的CEA水平,本章介紹了一種方法來確定這一整體水平。實(shí)證研究的數(shù)據(jù)顯示這一水平高于《京都議定書》規(guī)定的減排任務(wù)。 顯然,第一階段得到的分配方案仍然是集中式的,從而無法擺脫實(shí)施困難的限制。因此,在第二階段中,本章提出了兩種配套的補(bǔ)償方案：根據(jù)CEA貢獻(xiàn)或者破產(chǎn)理論來進(jìn)行個(gè)體之間利益的再分配,從而減少了集中式資源分配方法的實(shí)施困難。 在第五章的算例中,我們利用所提的兩階段分配方法對21個(gè)OECD的成員國的CEAs進(jìn)行了分配。其中投入指標(biāo)為勞動力人數(shù)、總能源消耗量以及總股本。產(chǎn)出指標(biāo)為購買力平價(jià)后的各國國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product, GDP)。非期望產(chǎn)出指標(biāo)為C02排放量,在建模時(shí)按照Fare等(1989)提出的非期望產(chǎn)出滿足不可自由處置假設(shè)進(jìn)行處理。研究發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)的國家需要增排C02才能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益的最大化,這意味著在當(dāng)前技術(shù)水平下,減排C02需要以損失經(jīng)濟(jì)利益為代價(jià)。在CRS和VRS假設(shè)下,研究推測出C02的平均價(jià)格分別為321.70(美元／噸)和1094.43(美元／噸)。與CRS相比,在VRS假設(shè)下,有更多的國家可以獲得正的補(bǔ)償額。 結(jié)合第三、四、五章的內(nèi)容,本論文的主要研究結(jié)論可總結(jié)如下：一、通過適當(dāng)變換,在CRS和VRS假設(shè)下,現(xiàn)有的ZSG-DEA模型均可轉(zhuǎn)化為線性或者參數(shù)線性的形式,從而大大降低了該類模型的計(jì)算難度。在VRS假設(shè)下,平均分配策略ZSG-DEA模型等價(jià)于超效率模型。同樣在VRS假設(shè)下,單維ZSG指標(biāo)的比例分配策略ZSG-DEA模型等價(jià)于超效率模型。因此,同平均分配策略ZSG-DEA模型相似,比例分配策略ZSG-DEA模型同樣會遇到無可行解的情形。 二、針對比例分配策略的ZSG-DEA模型會遇到無可行解的情形,可以通過對凸約束的適當(dāng)修正,在保持投影導(dǎo)向不變的情況下得到無解DMUs的替代效率值。而基于ZSG效率值所提出的統(tǒng)一前沿面生成算法令多維度ZSG指標(biāo)的同時(shí)分配成為可能。 三、在CRS和VRS假設(shè)下,國家的GDP潛能是關(guān)于CEA水平的凸函數(shù),因此每個(gè)國家存在最優(yōu)的CEA水平。由中央分配模型與補(bǔ)償機(jī)制所構(gòu)成的兩階段方法可以在CEA的分配中同時(shí)兼顧到整體與局部的利益,從而保證了所得分配方案在現(xiàn)實(shí)中的可實(shí)施性。 本論文的工作對現(xiàn)有的DEA理論進(jìn)行了一定的擴(kuò)展。然而,需要指出的是,論文的工作存在一定的局限性。例如,采用平均分配策略和比例分配策略來模擬DMUs之間的競爭關(guān)系,構(gòu)建ZSG-DEA模型,與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)。未來的研究應(yīng)更多地與博弈論知識相交叉,提出更符合實(shí)際的分配策略。此外,利用本論文所提的迭代算法所求得的統(tǒng)一前沿面不是惟一的,而且結(jié)果跟迭代順序有關(guān)。因此,如何得到更優(yōu)的統(tǒng)一前沿面仍然值得進(jìn)一步的研究。本論文所提的兩階段方法僅能夠分配單維度的非期望產(chǎn)出,未來的研究也應(yīng)考慮向多維進(jìn)行擴(kuò)展。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X82;X322

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 戴前智;雷西洋;李勇軍;謝啟偉;;基于DEA與整體滿意度最大化的排放量分?jǐn)俒J];系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐;2014年04期

本文編號：2759014