基于非期望產(chǎn)出超效率SBM模型的 港口能源效率評價*

王 騰 梁 晶

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 大連 116026)

0 引 言

交通運(yùn)輸業(yè)是各個能源消耗行業(yè)的耗能大戶之一，港口更是其能源消耗的重點(diǎn)領(lǐng)域[1].港口快速發(fā)展所造成的高能耗與環(huán)境問題也越來越突出，提高能源效率成為了港口未來發(fā)展的重要方向之一.

能源效率評價的是能源消耗所帶來的產(chǎn)出情況.根據(jù)所考慮的投入要素數(shù)量的不同，可以分為基于單要素生產(chǎn)率框架和全要素生產(chǎn)率框架的能源效率，前者只考慮能源投入，后者則包括了除能源要素以外的其他要素投入，本文所指港口能源效率是考慮了港口實(shí)際生產(chǎn)過程中所投入的能源和其他要素的全要素能源效率.

目前，許多學(xué)者已應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(data envelopment analysis, DEA)對能源效率進(jìn)行研究，但主要集中于區(qū)域能源效率[2]、制造業(yè)[3]、物流業(yè)[4]、電力行業(yè)[5]、航空運(yùn)輸企業(yè)[6]等領(lǐng)域.同時值得注意的是，上述采用傳統(tǒng)DEA模型進(jìn)行能源效率評價的研究并沒有考慮投入產(chǎn)出的松弛性問題，效率評價往往不夠準(zhǔn)確.為克服這一問題，一些學(xué)者開始運(yùn)用由傳統(tǒng)DEA模型衍生出的非徑向和非角度的SBM(slack based measure)模型對能源效率進(jìn)行評價.陳平等[7]采用SBM模型和Meta-frontier生產(chǎn)函數(shù)測算我國30個省市2004—2014年的工業(yè)生態(tài)全要素能源效率.解文華等[8]基于SBM模型，對中國和歐盟共16家航空運(yùn)輸企業(yè)2010-2015年能源效率進(jìn)行比較研究.總體來看，現(xiàn)有能源效率評價理論已相對完善，但針對港口領(lǐng)域的能源效率研究十分缺乏.

從港口效率評價的角度看，國內(nèi)外利用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法開展了很多研究. Tongzon[9]使用CCR模型分析了16個國際集裝箱港口1996年的效率情況.張小蒂等[10]將港口效率分解為港口內(nèi)部運(yùn)營效率、港口與港口之間的聯(lián)網(wǎng)效率及港口對腹地經(jīng)濟(jì)的輻射效率三個層次并分別進(jìn)行DEA測度.王燕等[11]將港口公司的贏利過程拆解為運(yùn)營和資本運(yùn)作兩個階段，采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)DEA模型對2005—2014年我國17家港口上市公司的總體和階段效率分別進(jìn)行測算.王玲等[12]運(yùn)用共同邊界技術(shù)和序列SBM-DEA方法，對2006—2009年我國14個內(nèi)河港口和17個沿海港口的效率進(jìn)行了對比分析.馮烽等[13]以SBM-DEA模型對中國17家港口上市公司2010-2015年的運(yùn)營效率進(jìn)行了測算.

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，能源效率評價相關(guān)研究成果尚未在港口行業(yè)開展應(yīng)用，同時現(xiàn)有關(guān)于港口效率的研究主要針對港口運(yùn)營效率，并未考慮能源投入要素與非期望產(chǎn)出要素，因而港口能源效率評價領(lǐng)域少有學(xué)者涉及.鑒于此，本文通過深入分析港口能源效率的影響因素，建立了全面考慮能源投入、勞動投入、設(shè)施投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的港口全要素能源效率評價指標(biāo)體系，并將考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型與超效率DEA理論相結(jié)合，構(gòu)建了基于考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM模型的港口能源效率評價模型，以期為港口提高能源效率，做好節(jié)能減排工作提供指導(dǎo).

1 港口能源效率評價體系構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系的建立

1) 能源投入 港口借助碼頭機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)，碼頭機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量能源，因此能源投入是港口一項重大的要素投入.港口能源消耗種類主要包括柴油、燃料油、電力、煤炭和水，其中柴油與燃料油是港口所需的主要能源，岸橋、場橋等裝卸機(jī)械的運(yùn)行及港作拖船的靠離頂拖作業(yè)均靠油料供能.除油料外，近幾年電力在港口能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷加大.因此，港口能源投入主要可以歸為油料和電力兩大類.

2) 勞動投入 勞動投入作為港口進(jìn)行生產(chǎn)活動的先決條件，對評價港口能源效率具有重大影響.港口日常經(jīng)營及碼頭機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)均需要人員的管理與操縱，充足的勞動投入有利于企業(yè)發(fā)展，但其應(yīng)與物質(zhì)基礎(chǔ)相適應(yīng)，若投入過剩，便會造成大量浪費(fèi).勞動投入一般可以從人數(shù)、工資和工時三方面進(jìn)行刻畫，結(jié)合我國現(xiàn)有統(tǒng)計資料，港口企業(yè)一般采用員工人數(shù)代表勞動投入要素.

3) 設(shè)施投入 港口設(shè)施投入主要包括倉庫房屋、道路、客運(yùn)站、航道、防波堤、護(hù)岸、碼頭(包括引橋)、浮筒、航標(biāo)，以及港口的裝卸、起重、搬運(yùn)機(jī)械及其為裝卸生產(chǎn)服務(wù)的各種配套設(shè)施等.港口提供生產(chǎn)和服務(wù)能力必須依靠這些港口設(shè)施，擁有一定規(guī)模的港口設(shè)施是港口生產(chǎn)運(yùn)營的物質(zhì)前提.在港口規(guī)劃中，大多以碼頭泊位數(shù)為出發(fā)點(diǎn)依照比例配置相應(yīng)的設(shè)施與機(jī)械，因此碼頭泊位數(shù)能夠很好地代表港口設(shè)施的投入情況.

4) 期望產(chǎn)出 期望產(chǎn)出指生產(chǎn)過程中生產(chǎn)主體期望獲得的生產(chǎn)物.對港口而言，期望產(chǎn)出主要包括貨物吞吐量、集裝箱吞吐量等物理產(chǎn)出及主營業(yè)務(wù)收入等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，其中貨物吞吐量是評價港口發(fā)展規(guī)模的一項重要指標(biāo).

5) 非期望產(chǎn)出 港口在獲得期望產(chǎn)出時，二氧化碳、二氧化硫、粉塵、污水和噪聲等一系列對環(huán)境造成不良影響的物質(zhì)也會伴隨產(chǎn)生，這些污染物就是非期望產(chǎn)出.二氧化碳作為港口現(xiàn)階段主要的非期望產(chǎn)出物，是港口造成環(huán)境污染的主要原因.在期望產(chǎn)出水平不變的同時盡力減少非期望產(chǎn)出是提高港口能源效率的重要環(huán)節(jié).

通過分析并結(jié)合數(shù)據(jù)可得性，本文選取四個投入指標(biāo)：油料消耗量x1，t;電力消耗量x2,萬kW·h;員工人數(shù)x3；碼頭泊位數(shù)x4。其中油料消耗量的統(tǒng)計為柴油及燃料油消耗量。一個期望產(chǎn)出指標(biāo)：貨物吞吐量y1，億t和一個期望產(chǎn)出指標(biāo)：二氧化碳排放量b2，萬t。

1.2 港口能源效率評價模型

傳統(tǒng)DEA模型大多使用角度和徑向測度來計算決策單元(DMU)的效率，只能單一地從投入或產(chǎn)出角度出發(fā)，也難以充分考慮投入產(chǎn)出的松弛性問題，對無效率程度的度量只包含了所有投入(產(chǎn)出)等比例縮減(增加)的比例，對于無效決策單元來說，除了等比例改進(jìn)部分之外的松弛改進(jìn)部分并未在傳統(tǒng)DEA模型的效率測量中得到體現(xiàn)，同時在港口的生產(chǎn)運(yùn)營過程中，實(shí)際投入產(chǎn)出也并非等比例變化.基于此，Tone[14]將松弛變量直接引入目標(biāo)函數(shù)中，提出了非徑向和非角度的SBM模型，同時從投入和產(chǎn)出兩個角度來對無效率狀況進(jìn)行測量，避免了因徑向和角度的選擇所帶來的影響.基礎(chǔ)SBM模型的產(chǎn)出被設(shè)置為期望產(chǎn)出，忽視了港口生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境外部負(fù)效應(yīng)，因此在基礎(chǔ)SBM模型上衍生出了考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型為

(1)

模型(1)在評價時，通常會出現(xiàn)多個決策單元效率值均為1的情況，無法進(jìn)一步對有效決策單元的效率高低進(jìn)行區(qū)分，但Andersen等[15]提出的超效率DEA理論解決了這一問題，其在評價某一特定決策單元時，以將被評價決策單元本身排除在外的其他所有決策單元構(gòu)成參考集，顯然該效率值可能大于1，從而實(shí)現(xiàn)效率的進(jìn)一步排序.因此將超效率DEA理論引入模型(1)，得到考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM模型，為

(2)

式中各參數(shù)意義同模型(1)，其中ρ為被評價決策單元距離由其他決策單元構(gòu)成的前沿的最小距離，同時為防止模型(2)出現(xiàn)無可行解的情況，將模型(1)中等號約束替換為不等號.模型(2)的有效性可用如下法則進(jìn)行判定.

1) 若ρ<1，則DMU0無效.

2) 若ρ=1，則DMU0有效.

3) 若ρ>1，則DMU0為有效，且ρ值越大代表效率越高.

基于模型(2)構(gòu)建的港口能源效率評價模型，既考慮了投入產(chǎn)出的松弛性問題，又正視了港口生產(chǎn)過程中因能源投入而產(chǎn)生的環(huán)境外部負(fù)效應(yīng)，還可解決有效決策單元之間的效率排序問題.

2 實(shí)證分析

2.1 決策單元及數(shù)據(jù)獲取

以上海港2008—2016年實(shí)際情況為決策單元，對上海港能源效率進(jìn)行實(shí)證研究.指標(biāo)數(shù)據(jù)均為客觀數(shù)據(jù)，來源于2008—2016年《上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司可持續(xù)發(fā)展報告》《上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司年度報告》及《中國港口年鑒》等文件，并經(jīng)整理得到.

2.2 評價結(jié)果及分析

使用模型(2)和MAXDEA ULTRA 6.9軟件對上海港2008—2016年能源效率進(jìn)行測算，將結(jié)果按效率值大小排序，各年效率值變化見圖1.效率值大于1的為有效，小于1的為無效。

圖1 2008—2016年上海港能源效率變動情況

由圖1可知，上海港能源效率值一直維持在0.6以上，其中2013年、2014年和2016年能源效率有效，說明這些年份上海港在節(jié)能工作上取得了較好成績，各要素投入與貨物吞吐量比例居優(yōu)，同時二氧化碳排放量維持在合理水平.而2008—2012年及2015年上海港能源效率均無效，表明上海港當(dāng)年雖在大力推廣節(jié)能減排及效率提升相關(guān)工作，但效果不盡如人意，可能存在能源、人工和設(shè)施投入過大及廢氣排放量過高的問題，還具有較大提升空間.整體來看，2008—2016年間上海港能源效率在波動中不斷上升，雖無效年份居多，但大多處于上海港開始著力推進(jìn)節(jié)能減排與效率提升工作的初始階段.自2008年起，隨著上海港對各項設(shè)施設(shè)備更新改造及新技術(shù)研發(fā)工作的深入開展，盡管能源效率仍處于無效階段，但卻在不斷提升，至2013年漸漸步入正軌.2008—2013年期間，上海港能源效率提升了71.1%，表明上海港相關(guān)工作取得了顯著成效，確實(shí)提高了港口能源效率，應(yīng)繼續(xù)深化.

2.3 改進(jìn)方向分析

上海港能源效率無效原因及改進(jìn)方向見表1.

上海港能源效率無效主要是由投入過剩造成的.以2011年為例，上海港在油料消耗量、電力消耗量、員工人數(shù)和碼頭泊位數(shù)上分別存在14%，7%，17%和8%的投入冗余，說明上海港造成了一定程度的資源浪費(fèi).此外，還存在著10.948 5的過量二氧化碳排放，需要對此加以控制.從各指標(biāo)松弛量所占比例來看，油料消耗過高及機(jī)構(gòu)臃腫是造成上海港初期能源效率無效的主要原因.縱向來看，隨著上海港能源效率的不斷提升，油料消耗量、員工人數(shù)、碼頭泊位數(shù)及二氧化碳排放量的投入冗余整體上均不斷減小，相反電力消耗冗余卻存在一定上升，造成這種現(xiàn)象的原因可能為以下三方面：①上海港貨物吞吐量的逐年上升在一定程度上緩解了投入的冗余程度；②受2008年世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，上海港開始致力于精簡機(jī)構(gòu)，裁員提效；③由于港口內(nèi)各裝卸機(jī)械及設(shè)備的運(yùn)行均需消耗大量油料，油料燃燒會排放二氧化碳、二氧化硫等廢氣，造成溫室效應(yīng)及環(huán)境污染，而電力在使用過程中幾乎不產(chǎn)生廢氣，上海港為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，開展了大規(guī)模的港口設(shè)備“油改電”改造工作，造成電力消耗加劇.上海港2015年的能源效率無效，便主要是由電力消耗量不斷增加造成的.因此，在上海港傳統(tǒng)油料能源節(jié)約效果日漸理想的情況下，電能節(jié)約應(yīng)成為上海港下一步提高能源效率的重點(diǎn)方向.

表1 無效原因及改進(jìn)方向

2.4 效率提升建議

針對結(jié)果分析，歸結(jié)出提升上海港能源效率的建議.

1) 上海港應(yīng)繼續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)LNG替代傳統(tǒng)化石能源，如推廣LNG碼頭牽引車的使用，與柴油牽引車相比，LNG牽引車可以減少多達(dá)93%的碳排放及33%的氮氧化物、50%活性烴氣排放量，同時為了保證LNG的供應(yīng)，上海港應(yīng)建設(shè)足夠數(shù)量的LNG加氣站.

2) 上海港應(yīng)加大力度推進(jìn)電能節(jié)約技術(shù)研發(fā)，重視對電能的節(jié)約利用，如開展E-RTG能量回饋系統(tǒng)的改造工作，將基于能量回饋電網(wǎng)技術(shù)和PWM整流技術(shù)的能量回饋裝置應(yīng)用于E-RTG的節(jié)能改造，對E-RTG起升機(jī)構(gòu)下降過程中和制動時的能量進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約.

3 結(jié) 束 語

針對傳統(tǒng)港口效率評價沒有考慮能源投入的問題，本文首先通過分析影響港口能源效率的因素，從能源投入、勞動投入、設(shè)施投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出等方面建立了港口全要素能源效率評價指標(biāo)體系；其次將考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型與超效率DEA理論相結(jié)合，構(gòu)建了基于考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM模型的港口能源效率評價模型；最后對上海港2008—2016年能源效率情況進(jìn)行實(shí)證分析，評價結(jié)果表明，運(yùn)用考慮非期望產(chǎn)出的超效率SBM模型對港口能源效率進(jìn)行評價是現(xiàn)實(shí)可行的；同時，可以看出上海港自2008年來在港口能源效率提升方面的大力投入取得了切實(shí)成效，今后一段時期，在深化節(jié)能減排工作的基礎(chǔ)上，上海港能源效率提升重點(diǎn)應(yīng)逐漸由控制油料消耗向加大電能節(jié)約轉(zhuǎn)變，為上海港下一步提升能源效率指明了方向，對其他港口提升能源效率具備一定借鑒和參考意義.