基于改进DEA模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法与流程

基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法
技术领域
1.本发明涉及港口效率评估技术领域，特指基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法。
技术背景
2.航运业的快速发展，不仅便利贸易运输也带来国内生产总值地提升。但作为大气污染排放主要来源之一的港口面临着改善空气质量的压力。“2020绿色港口大会”的召开进一步着力构建清洁低碳的港口用能体系、加强资源节约循环利用和生态保护，努力实现港口绿色发展、循环发展、低碳经济，推动世界一流港口建设，港口的可持续发展迫在眉睫。港口的效率反应港口管理措施和资源分配是否合理有效。目前在中国港口效率研究过程中，运用数据包络分析研究港口效率，通常采用生产法和间接法选择指标，间接法是从港口企业财务角度选取指标进行评价，例如投入指标有员工数量、主营业成本、固定资产投入等，产出指标有主营业收入和净利润；生产法是从码头的基础设施和运营条件出发选择投入要素，并以集装箱吞吐量为期望产出指标、污染排放量为非期望产出指标评价港口效率。相比间接法，生产法选取的指标更加客观准确，并且考虑到港口运营对环境的影响，兼顾绿色港口发展，能够更好反应港口的效率。
3.不同港口间的效率水平差距较大，生态效率值较高的港口，不仅在管理制度和技术具有较高的发展水平，而且在港口的发展规模上也能够更好的与其发展水平相平衡。面对政府强制规定的污染排放目标，如果港口选择减少经营活动来满足排放目标，势必降低期望产出，所以港口之间可以通过污染排放权的重新分配，满足排放目标的同时获得期望产出。但是目前的研究方法尚未对不同港口的产出损失进行综合分析，忽略环境控制和非环境控制之间的产出损失，其次也并未考虑到期望产出指标与非期望产出指标的变化比例不同时的情况，研究污染排放权分配与港口的产出损失之间关系的方法较少。
4.为了能够准确有效评估港口效率和污染物排放权分配，本发明提出了基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法，此方法能够准确有效地评估港口效率和污染物排放权分配。


技术实现要素：

5.针对目前中国港口效率评估以及污染排放权分配的确定方法存在的不足，例如忽略了非环境控制因素，直接就环境控制因素评估港口的环境效率是有误差的，忽略了投入指标、期望产出和非期望产出指标非等比例变化情况，评估结果与事实不符等，本发明提出基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法，旨在为了能够全面评价港口的环境效率以及港口之间为了实现经济目标进行污染排放权分配的确定方法。
6.基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法，包括以下步骤：
7.(1)、计算港口环境效率，收集港口经营过程中的投入(劳动、资本等)、期望产出
(标准集装箱的吞吐量)和非期望产出(污染物排放)，计算在环境控制和非环境控制不同情况下港口环境效率；
8.(2)、核算期望产出和非期望产出损失，对投入、期望产出和非期望产出取不同变化比例，设置港口的不同偏好系数(根据港口确定优先级)，利用环境控制和非环境控制下不同偏好的综合生产模型计算最大可能增加的期望产出(标准集装箱吞吐量)以及环境控制和非环境控制之间的期望产出损失；
9.(3)、评估投入与产出不同比例变化时的污染排放水平，通过改进以往的工业排放目标模型，建立综合排放模型，设置政府控制的污染物排放系数以便政府通过调整污染物排放目标观察期望产出变化情况，结合港口控制的偏好系数，将投入与产出不同比例的变化应用到综合排放模型；
10.(4)、评估污染排放效率，改进以往的空间分配模型，建立综合分配模型，利用新模型对不同污染控制目标的效率进行重新评估，比较在相同污染物排放目标下污染物重新分配与非重新分配之间的产出损失。
11.进一步，步骤(1)中计算港口环境效率，收集港口经营过程中的投入(劳动、资本等)、期望产出(标准集装箱的吞吐量)和非期望产出(污染物排放)，计算在环境控制和非环境控制不同情况下港口环境效率，包括以下步骤：
12.(1.1)、收集输入包括劳动力、泊位数量、泊位长度、码头长度和总资产，标准集装箱吞吐量、污染物排放量，其中污染物排放量分为船舶运行和终端运行两部分，分别用水货运周转量和终端货运吞吐量衡量；
13.(1.2)、港口运营会产生预期产出的同时不可避免产生非预期产出，利用环境技术模型t＝{x
k
，y
k
，p
k
}分别测量环境控制和非环境控制下的预期产出，x
k
＝(x
1k
，
…
x
nk
)为输入向量，y
k
＝(y
1k
，
…
y
sk
)为预期产出，p
k
＝(p
1k
，
…
p
mk
)为非预期产出；
14.(1.3)、用环境控制下具有多个输出目标的方向输出距离公式衡量港口绩效，g＝(g
y
，g
p
)是港口选择调节期望输出和非期望输出的方向，β表示非期望输出的最大增量；
[0015][0016][0017]
(1.4)、利用非环境控制下的方向输出距离公式，计算环境控制下和非环境控制下的产出损失。
[0018][0019]
进一步，步骤(2)中核算期望产出和非期望产出损失，对投入、期望产出和非期望产出取不同变化比例，设置港口的不同偏好系数(根据港口确定优先级)，利用环境控制和非环境控制下不同偏好的综合生产模型计算最大可能增加的期望产出(标准集装箱吞吐量)以及环境控制和非环境控制之间的期望产出损失，包括以下步骤：
[0020]
(2.1)、设置环境控制系数δ，以此建立结合环境控制和非环境控制的综合生产模
型，计算最大可能增加的标准集装箱吞吐量：
[0021][0022][0023]
δ为环境控制系数，当δ＝1时表明处在非环境控制情况，当δ＝0表明处在环境控制情况，δ只可取0或1，p为政府控制的工业污染物排放目标，情况，δ只可取0或1，p为政府控制的工业污染物排放目标，g为方向向量，μ、ψ和ζ为港口偏好系数，β、τ和α分别表示期望产出，yk＝(y
1k
，
…
y
sk
)的最大可行扩展，非预期产出p
k
＝(p
1k
，
…
p
mk
)的收缩以及输入指标x
k
＝(x
1k
，
…
x
nk
)；
[0024]
(2.2)、根据不同偏好计算环境控制和非环境控制之间的产出损失，综合生产模型按照不同的比例缩小或提高投入和产出，合并环境控制和非环境控制情况，则可以获得测量环境控制和非环境控制之间的产出损失函数公式。
[0025][0026]
进一步，步骤(3)中评估投入与产出不同比例变化时的污染排放水平，通过改进之前的工业排放目标模型，设置政府控制的实际污染物排放系数ω以便政府通过调整污染物排放目标观察期望产出变化情况，结合港口控制的偏好系数，建立综合排放模型，将投入与产出不同比例的变化应用到综合排放模型，包括以下步骤：
[0027]
(3.1)、首先引入以往的工业排放目标模型即在最大污染排放目标的限制下工业总污染排放量，此式不要求期望产出和非期望产出同比例变化，函数公式如下：
[0028][0029][0030]
(3.2)、改进以往的工业排放目标模型，设置政府控制的实际污染物排放系数ω和港口偏好系数，建立综合排放模型，综合排放模型函数公式如下：
[0031]
[0032][0033]
进一步，步骤(4)中评估污染排放效率，改进以往的空间分配模型，建立综合分配模型，利用新模型对不同污染控制目标的效率进行重新评估，比较在相同污染物排放目标下污染物重新分配与非重新分配之间的产出损失，包括以下步骤：
[0034]
(4.1)、采用以往的空间分配模型，港口可以通过合作策略实现不同决策单元之间污染排放的替代，从而获得期望总产出的最大值，空间分配模型函数公式如下：
[0035][0036][0037]
σ为污染排放控制系数，和为决策变量，z
hk
、和分别代表强度变量、决策单元允许污染排放的最佳排放量和港口采取合作进行污染排放权分配后的期望产出；
[0038]
(4.2)、通过改进空间分配模型，引入实际污染排放系数ω和港口的偏好系数，获得综合分配模型，用综合分配模型测量在不同污染物排放目标下，港口进行污染物排放重新分配情况下的最大可增加的期望产出：
[0039][0040][0041]
(β
1k
‑
β
2k
)、(τ
1k
‑
τ
2k
)和(α
1k
‑
α
2k
)分别表示期望产出变化、非期望产出变化和污染物重新分配后输入指标的变化；
[0042]
(4.3)、比较在相同污染物排放目标下污染物重新分配与非重新分配之间的输出损失，用综合分配模型减去综合排放模型，如果结果大于零，则合作策略有改善的余地。
[0043][0044]
本发明的技术构思是：通过本发明提出的方法确定港口效率评估，是通过建立综合生产模型、综合排放模型和综合分配模型，考察港口在多个排放目标情况下根据偏好选择合作策略和非合作策略的环境效率，有利于寻求更加合理的最佳污染物排放量和最大期
望产出之和。
[0045]
本发明的有益效果如下：
[0046]
1、本发明设定环境控制参数，统一操纵环境控制和非环境控制情况，能够轻松地在er(环境控制)和ner(非环境控制)之间进行切换，便于全面研究港口的产出损失和污染物排放权分配。
[0047]
2、以往研究中考虑到输入指标、期望产出和非期望产出指标变化比例不同情况较少，本发明改进后的数据包络分析模型中允许输入指标与期望产出和非期望产出指标的不同比例变化，更加符合实际情况。
[0048]
3、以往研究并未针对港口选择合作策略和不合作策略带来的产出损失进行全面分析，本发明设定港口的偏好系数和期望输出的距离公式，有利于港口就政府规定的排放目标选择合适的策略，提高港口环境效率。
附图说明
[0049]
图1为基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法的流程示意图。
[0050]
图2为综合生产模型示意图。
[0051]
图3为综合分配模型示意图。
[0052]
图4为本发明具体实例提供的环境控制下的技术低效示意图。
[0053]
图5为本发明具体实例提供的非环境控制下的技术低效示意图。
[0054]
图6为本发明具体实例提供的环境控制与非环境控制之间的产出损失。
[0055]
图7为本发明具体实例提供的不同pm排放目标下四个区域的潜在增加的期望产出。
[0056]
图8为本发明具体实例提供的在不同pm排放目标下重新分配后的四个区域潜在增加的期望产出。
[0057]
图9为本发明具体实例提供的四个区域合作策略与非合作策略之间的产出损失。
具体实施方式
[0058]
参照附图，选择2012年
‑
2016年中国11个港口和pm排放量来评估中国港口效率，进一步说明本发明：
[0059]
基于改进dea模型的港口效率评估和污染排放权分配的确定方法，包括以下步骤：
[0060]
(1)、计算港口环境效率，收集港口运行过程中的投入(劳动、资本等)、期望产出(标准集装箱的吞吐量)和非期望产出(污染物排放)，计算在环境控制和非环境控制不同情况下港口环境效率；
[0061]
(2)、对不同污染控制目标的效率进行重新评估即不同pm排放目标下每个区域可能增加的标准集装箱吞吐量，利用环境控制和非环境控制下的综合生产模型计算最大可能增加的期望产出(标准集装箱吞吐量)以及环境控制和非环境控制之间的期望产出损失；
[0062]
(3)、在不同pm排放目标下，就四种偏好的pm重新分配后，核算标准集装箱的可能增加量，与实际的期望产出相比较；
[0063]
(4)、比较在相同pm排放目标下合作策略与非合作策略之间的期望产出和产出损
失。
[0064]
进一步，步骤(1)中计算港口环境效率，收集港口经营过程中的投入(劳动、资本等)、期望产出(标准集装箱的吞吐量)和非期望产出(污染物排放量)，计算在环境控制和非环境控制不同情况下港口环境效率，其特征在于，选取中国11个港口，划分为四个区域进行仿真研究，收集劳动力、泊位数量、泊位长度、码头长度和总资产，标准集装箱吞吐量，
[0065]
表一 四个地区的中国11个港口
[0066][0067]
表二 2012
‑
2016中国11个港口数据统计
[0068][0069]
pm排放量公式按如下所示：
[0070]
pm
total
＝pm
vessel
pm
terminal
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0071][0072][0073]
wft表示水运周转量，ft表示港口货运吞吐量，ef
j
表示特定燃料的排放系数j，h表示海洋运输工具每千吨n英里的标准煤运输消耗，h
′
代表每百万吨标准煤的港口消耗量，k
j
表示类型j的标准煤系数，k
′
j
采用实验数据，为了评估运输中的大型船舶活动，ef
′
j
是根据第三次国际海事组织ghg研究(2014
‑
最终报告)中2.7％含慢速柴油的hfo含硫燃料选择。
[0074]
进一步，步骤(2)中对不同污染控制目标的效率进行重新评估即不同pm排放目标下每个区域可能增加的标准集装箱吞吐量，利用综合生产模型计算最大可能增加的期望产出(标准集装箱吞吐量)以及环境控制和非环境控制之间的期望产出损失，包括以下步骤：
[0075]
[0076][0077][0078]
(2.1)、令δ＝0(环境控制情况)，设置4种偏好系数情况(μ＝1、ζ＝0；μ＝1/4、ζ＝1/4；μ＝2/4、ζ＝1/4；μ＝1/4、ζ＝2/4)，计算了2012
‑
2016年四个区域最大可增加的标准集装箱吞吐量，根据图4显示，在第一种偏好选择情况下，效率最低的是区域2，区域1和区域3在2012年至2016年将不会有期望产出的增加，区域4是缓慢下降趋势，说明效率越来越高，其他三种偏好系数情况下，所有区域都有可能实现期望产出的增加；
[0079]
(2.2)、令δ＝1(非环境控制情况)，利用非环境控制下的综合生产模型，计算了2012
‑
2016年四个区域最大可增加的标准集装箱吞吐量，根据图5显示，无论在何种偏好情况下，区域4具有增加产出的最大潜力，意味着其技术效率最高，而区域2位居第二，区域1的技术效率基本不变，所有区域在不同偏好下遵循相同趋势，而与港口选择的偏好无关；
[0080]
(2.3)、计算在四种偏好选择情况下的环境控制和非环境控制之间产出损失，图6中，区域4的产出损失最大，并且保持着增长趋势，而区域3没有产出损失，这意味着在环境控制和非环境控制的任何方向上，区域3保持技术效率不变，可以看出无论选择何种偏好，所有区域的变化趋势基本相同。
[0081]
进一步，步骤(3)中在不同pm排放目标下，就四种偏好的pm重新分配后，核算标准集装箱吞吐的可能增加量，与实际的期望产出相比较，其特征在于，设置政府控制的实际pm排放系数ω(0.2＜ω＜1)，分别对四个区域按照不同实际pm排放系数进行核算，运用综合排放模型计算得出，如图7，垂直方向反映政府对pm排放的严格限制，水平方向结果显示区域在不同pm排放目标下的可能增加的集装箱吞吐量，如果政府提高减排标准，所有区域都必须减少活动来满足要求，在不同pm排放系数情况下，水平方向上所有区域保持相同的变化趋势，意味着政府使用更严格的排放控制会降低期望产出。
[0082][0083][0084]
进一步，步骤(4)中比较在相同pm排放目标下合作策略与非合作策略之间的期望
产出，包括以下步骤：
[0085]
(4.1)、用综合分配模型测量在不同pm排放目标和四种偏好下，对pm排放重新分配后的最大可增加的预期产出：
[0086][0087][0088]
(β
1k
‑
β
2k
)、(τ
1k
‑
τ
2k
)和(α
1k
‑
α
2k
)分别表示期望产出变化、非期望产出变化和污染物重新分配目标后输入指标的变化，图8显示，与实际期望产出相比，重新分配后的预期产出会增加，当pm排放目标相同时即图8(a，e，i，m)，图8(a，e，i，m)与图7的(a，e，i，m)有相同形状，当pm排放目标不同时，例如每个区域的b图和c图，所有区域根据自己偏好有效地减少期望产出的增量，意味着如果政府提高污染物排放限值，各区域会根据偏好朝着各自方向减少期望产出；
[0089][0090]
(4.2)、比较在相同pm排放目标下污染物重新分配与非重新分配之间的产出损失，用综合分配模型减去综合排放模型，如果结果大于零，则合作策略有改善的余地，图9，当合作策略和非合作策略之间的pm排放目标和偏好是相同时，所有区域的产出损失为零，当合作策略和非合作策略之间的pm排放目标和偏好是不同时，基本会存在产出损失，1区域、3区域和4区域的产出损失基本随着年份增长，而2区域的合作策略不太有效，可能是因为有的成员效率较低，那么会使2区域的高效率港口寻求新的合作伙伴代替低效率港口。
[0091]
本发明开发了一种综合生产模型，综合排放模型和综合分配模型，评估中国港口效率和污染排放权分配的效果，有利于政府和港口获得更合理的环境管理政策和运营战略。
[0092]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。