基于粗糙集和熵權法的石油供應鏈可持續發展評估

南國芳，張月威

(天津大學管理與經濟學部，天津300072)

著名供應鏈管理專家馬丁·克里斯多弗指出，21世紀的競爭是供應鏈與供應鏈之間的競爭。石油行業作為國家經濟的命脈，其供應鏈管理則顯得更加重要。國內外對石油供應鏈的研究主要包括三方面內容:一是通過分析石油供應鏈上的成本結構、物資管理系統，指出供應鏈上存在的問題，并提出石油供應鏈管理的必要性以及優化管理的建議［1-3］;二是根據供應鏈存在的問題及結構特點，加入現實假設提出了石油供應鏈建模方法以及優化模型［4-6］;三是對石油供應鏈管理的各環節進行分析，提出準時制采購模型、計劃模型，供應、運輸和配送規劃問題［7-9］。然而隨著可持續觀念的不斷深入，企業在進行供應鏈管理時必須注重供應鏈的可持續性。文獻［10］以英國石油天然氣供應鏈為例，通過調查問卷、訪談等方式收集數據，研究了可持續性對石油供應鏈運營及業務績效的影響。那么應該如何對石油供應鏈的可持續性進行評估是本文的研究重點。

對石油供應鏈的可持續發展評估屬于多屬性決策問題，其一般步驟是建立決策矩陣、確定屬性權重、求出綜合值進行排序。其中構建評價指標決策矩陣是基礎，確定屬性權重是關鍵，求出綜合值進行排序是目的。不同的評價問題選取不同的評價指標，構建不同的決策矩陣，指標體系是否科學合理直接關系到評價的質量。指標的權重是指該指標在整體評價中的相對重要程度。指標權重的確定方法一般可以分為三類:一是主觀賦權法，是由評價人員根據各指標的重要性而賦權的一類方法，如層次分析法［11］、群組評價法［12］、模糊分析法［13］等。這些方法由于引入了人為因素，具有一定的主觀隨意性。二是客觀賦權法，是利用指標值所反映的客觀信息確定權重的一種方法，如粗糙集法［14］、熵權法［15］等。該方法所賦權重不受主觀判斷的影響，彌補了主觀賦權法的缺陷，權重值比較客觀。但其結果可能與人的主觀愿望不一致，從而對分析產生困難。三是主客觀綜合賦權法［16］，將主觀賦權法與客觀賦權相結合，可以利用各自的優點，彌補不足。獲得指標權重后，通常是與指標值進行加權求和并排序，進行趨勢分析。

本文在壓力狀態響應模型(pressure-state-response，PSR)的基礎上，依據粗糙集和熵權理論，結合屬性約簡集所求權重與熵權確定綜合權重，提高了指標權值確定的客觀性。通過使用不同離散方法進行結果比較，發現加入熵權后屬性綜合值排序基本一致，解決了不同離散方法導致不同結果這一問題。然后將這種新方法所得的結果與基于理想解構建優化模型確定屬性客觀權重的方法進行比較，發現二者的排序基本一致，進而從結果上進一步證明了該方法的合理性。最后依據前人的水平分級研究成果及石油行業可持續發展的實際水平，將可持續指標值分為優秀、良好、中等、較差、差五個等級。通過級別的劃分，可以根據指標綜合值確切地知道行業的可持續發展水平。

一、基于三重底線原則的可持續發展壓力狀態響應模型

1．模型建立的基礎

三重底線［17］是英國學者約翰·埃爾金頓于1997年提出的一個概念，是指在供應鏈管理中需要協調好經濟利益、環境保護和社會責任三者之間的關系，促進三者的平衡發展。可持續性是指既要滿足當代人的發展需求又不能損害后代人的利益，20世紀80年代末經濟合作和開發組織與聯合國環境規劃署共同提出了環境指標的壓力狀態響應概念模型，該模型認為人類從自然環境取得各種資源，通過生產消費又向環境排放，從而改變了資源的數量和環境的質量，進而影響了人類的經濟社會活動和福利。據此設計的指標能夠較好地反映自然、經濟、環境、資源之間相互依存相互制約的關系，因此被廣泛應用于可持續發展評估。據此本文基于三重底線原則構建石油供應鏈可持續發展評估壓力狀態響應模型。

2．PSR模型指標層的建立

壓力指標是指企業生產經營活動對社會和自然資源環境帶來的影響，這里包括直接影響和間接影響。事故死亡率和總事故率可以體現生產活動對社會的影響。廢水、廢氣的排放體現了對自然資源的直接影響，而原油、天然氣的儲量反映了對自然資源的間接影響。

狀態指標是指企業在發展過程中各系統的狀態，包括自然資源環境、社會經濟發展等所處的狀態。總資產、營業額、凈利潤可以體現企業追求的經濟狀態，稅費可以體現企業的社會責任，原油、天然氣、乙烯等的銷售產量可以體現自然環境所處的狀態。

響應指標用以表征企業為促進供應鏈可持續發展，應對環境問題，體現社會責任所采取的措施。節水、節能、環境保護可以應對環境污染及浪費的行為。健康體檢體現企業對員工承擔的責任，扶貧幫困、捐資助學、賑災捐贈等是社會責任的一種體現。

3．PSR模型指標體系的構建

中國石油天然氣股份有限公司(簡稱“中國石油”)是中國最大的石油天然氣產品及相關產品的提供商，通過引入供應鏈管理思想，建成集原油勘探、生產、運輸、加工和成品油及化工產品銷售一體化的現代供應鏈管理體系。現以中國石油為例，選取石油供應鏈可持續發展指標，構建PSR模型。

在指標選取時依據《石油與天然氣行業發布可持續發展報告指南》以及中國石油年度報表中2005—2011年的數據，以三重底線原則為依據，選取核心指標和附加指標共22個構建PSR模型。指標體系具有較好的統一性、完整性和代表性，能夠準確地反映石油供應鏈的發展水平，如表1所示。

表1 中國石油可持續發展PSR模型及2005—2011年指標標準化值

續表1

二、基于粗糙集和熵權法的石油供應鏈可持續發展評估模型

1．石油供應鏈可持續發展評估模型建立的思路

一是通過粗糙集和熵權法確定各指標層的權重，由于粗糙集與熵權法都屬于客觀權重確定方法，兩者結合既考慮了屬性對決策的重要性又考慮了屬性信息量，使得權重的確定更全面;二是通過假設要素層的權重，構建綜合評價模型，求出可持續指標值。最后通過可持續指標值對被評價對象進行排序，確定可持續發展水平。

2．基于粗糙集和熵權法的評價步驟

(一)原始數據的標準化處理

由于評價指標的性質不同，具有不同的量綱和數量級，為了保證數據的可靠性，消除不同的量綱對決策結果的影響，使數據具有可比性，需要對數據進行規范化處理。假設有M個評價指標，N個評價對象，指標評價值為m'ij(i∈N，j∈M)，標準化指標值為mij。由文獻［18］、［19］，效益型屬性是指標值越大越好的指標，本文指狀態層和響應層指標，則

成本型屬性是指標值越小越好的指標，本文指壓力層指標，則

(二)確定權重

利用粗糙集處理數據時，由于不需要其他任何先驗知識，其處理數據的能力越來越受到重視。依據粗糙集原理確定指標權重的一般方法是利用屬性重要性。屬性的約簡集是指同原來劃分不變的最小的屬性集合，且屬性的約簡集的個數大于零，所有約簡集的交集為核屬性。通過數據分析發現當核屬性不存在時，利用屬性的重要性得出來的所有屬性權重為零，由此可知利用該方法計算權重存在缺陷。當核屬性不存在時，則所有的約簡集中的屬性為相對必要屬性。根據文獻［20］可知，該屬性出現在約減集中的個數與整個約簡集個數之比可作為其重要程度刻畫的一個標準。

設G為所有約簡集的個數，g為含有相對重要屬性kj的約簡集的個數，則kj的權重，將其歸一化可得

雖然上述方法可以確定相對重要屬性權重，但是一方面由式(3)求出來的權重存在多個屬性權重相等的情況，另一方面由于該方法處理的是離散化數據，屬性離散化方法不同將會導致不同的約簡集，進而將導致不同的屬性權重。由此可知該方法求相對重要屬性權重存在不足之處。

為了彌補上述不足，本文在屬性約簡集求權重的基礎上加入熵權。熵權法也是一種客觀求權重的方法，計算是基于規范化矩陣，不考慮離散數據，分析的是指標變異大小對權重的影響。而利用屬性約簡集求相對重要屬性權重，考慮的是決策屬性對條件屬性的依賴性。將屬性約簡集求得的權重與熵權相結合，綜合考慮了屬性對決策的重要性和屬性的信息量，從兩個角度確定了屬性的權重，并且可以彌補利用屬性約簡集在判斷權重上的不足。根據文獻［21］指標kj的熵權為

式中:l=1/ln N;hij=mij，并假定當 hij=0，hijln hij=0。

新權重wkj綜合考慮了屬性對決策的重要性和屬性的信息量，權重設置更加合理。

(三)綜合評價值

設壓力層、狀態層、響應層在可持續發展中重要性比重分別為 α、β、δ，則綜合值為

式中:M1、M2、M3分別為壓力層、狀態層和響應層指標的個數;α、β、δ由標準差確定權重的方法［22］即式(7)確定;yij為壓力層、狀態層和響應層指數;yj為指數的均值。

依據前人的可持續發展水平分級研究成果及石油供應鏈的可持續發展的實際情況，將可持續指標值分為優秀、良好、中等、較差、差5個等級。當可持續指標值Z≥0.7時，可持續發展水平為優秀，表明石油供應鏈在經濟、環境和社會方面都達到了較高的水平;而當0.6＜Z＜0.7時，可持續發展水平為良好;當0.5＜Z≤0.6時，可持續發展水平為中等，說明可持續發展水平雖然有所發展，但是水平不是很高;當0.4＜Z≤0.5時為較差，Z≤0.4為差，這時候的可持續發展水平比較低，需要大力提高可持續發展水平。

三、石油供應鏈可持續發展評估實證分析

1．評價指標標準化

由式(1)、式(2)對中國石油2005—2011年數據進行標準化處理，得到各指標的標準化值(見表1)。由于粗糙集處理的是離散化數據，利用Spss軟件對數據進行等寬離散及聚類分析［23］，其中等寬離散算法是典型的無監管離散化方法，將標準化數據［0，1］等分為4個區間(1～0.75;0.75～0.5;0.5～0.25;0.25～0)，區間取 4 個離散值(4，3，2，1)，直觀上可以理解為優、良、中、差。使用聚類分析得到決策屬性，根據條件屬性將決策屬性分為了4類，確定最終決策信息系統(見表2)。

2．權重的計算

屬性約簡是保持和決策屬性的依賴性相同的最小條件子集，根據表2利用Rosetta軟件得出各層的屬性約簡集。

壓力層屬性約簡集

狀態層屬性約簡集

表2 PSR模型決策表

響應層屬性約簡集

A1={a2，a5};A2={a2，a6};A3={a4，a5};A4={a2，a3};A5={a3，a4};A6={a2，a4};A7={a5，a6};A8={a4，a7};A9={a3，a6}

根據各指標層所得的屬性約簡集以及式(3)可以得到相對必要屬性權重，式(4)和式(5)以及表 1可得各指標層的熵權和新權重wkj，計算結果如表3所示。通過粗糙集得出的權重是以實驗數據為依據，對數據本身進行挖掘，從而找出事物的內在規律，避免了不同專家的偏好和價值取向的差異帶來的主觀性問題。因此，它比一般的主觀賦權法更具客觀性，提高了評價結果的真實性。由表3可知，由粗糙集得到的屬性權重中，存在著多個屬性權重相等的情況，與實際分析不符。另外在進行數據分析時對數據進行了等寬離散，由于不同的離散方法將會導致不同的屬性約簡集，進而導致不同的權重。加入熵權得到新權重后，可以看出權重設計更加合理，彌補了僅使用約簡集求權重的不足。

3．綜合評價值

根據表1、表3以及式(6)、式(7)，可得各指標層綜合屬性值以及可持續發展水平，如表4。由表4可得2006年到2011年的可持續水平排序為:Z2010＞Z2011＞Z2008＞Z2009＞Z2007＞Z2006

表3 各指標權重

表4 PSR模型綜合值及可持續發展等級

四、方法對比

首先，對表1的數據使用另一應用較為廣泛的K均值聚類離散法，并且將K均值聚類離散法與等寬離散法所求的最終數據進行比較，判斷加入熵權的合理性。其次，將該方法與文獻［19］中提出的通過利用理想點構建優化模型求屬性客觀權重的方法進行比較，判斷本文提出的方法在確定權重上的合理性。現將文獻［19］中的方法稱之為D方法，最終比較結果見表5。

表5 用不同離散方法及D方法所得綜合值

由表5可知:1)用不同的離散方法所得的排序結果是不同的，尤其是可持續指標值的排序不同。用等寬離散方法得到的可持續發展水平最好的年份是2008年，而用K均值離散方法得到的可持續發展水平最好的是2011年。聯系實際可知，2008年全球金融危機，石油行業受到很大影響，因此從實際情況來看2008年的可持續發展水平不應該是最好的。說明不同離散方法導致了不同的排序結果，并且直接影響到評估的準確性。但加入熵權后發現，對于可持續發展水平兩種方法排序一致，均為:Z2010＞Z2011＞Z2008＞Z2009＞Z2007＞Z2006，這一排序結果符合實際情況。說明加入熵權后可以彌補不同離散方法導致不同結果這一缺陷，同時還可以使排序結果更加符合發展的客觀規律。2)本文的方法與D方法所得的綜合值在各層的排序基本一致，且最終的可持續發展指標排序一致。因此，從數據分析上證明了用本文方法確定屬性權重進而進行多屬性評估是合理的。同時應用本文中的方法可得2005—2011年可持續發展趨勢圖，由圖可知中國石油天然氣有限公司2005年至2011年可持續發展水平、壓力層、狀態層總體上呈上升趨勢，而響應層呈現下降趨勢，現可根據各個指標層的趨勢進行有針對性的分析。

(1)壓力指標。壓力指標綜合值呈現總體上升趨勢，這是由于:第一，該企業不斷重視生產的安全性，樹立以人為本的理念，導致事故率不斷下降;第二，由于環境保護意識的不斷增強以及環保法律法規的不斷健全，企業廢氣、廢物的排放量不斷下降;第三，考慮到資源開發對下一代的影響，中國石油對環境的潛在壓力不斷下降。因此，出現壓力指標綜合值呈現總體上升的趨勢是內外部壓力的共同結果，說明了社會、政府對企業的發展有不可忽視的作用。

圖1 可持續發展趨勢

(2)狀態指標。狀態綜合值整體呈上升趨勢，但是從2007年到2008年該指標增幅下降，2008年至2009年該指標呈下降趨勢，這主要是由于石油行業受到了國際金融危機的嚴重影響和沖擊。全球性金融危機的爆發影響了實體經濟，國際市場原油價格大幅度下降，石油石化產品需求下降，石油開發項目由于融資困難而延遲等各種問題，因此出現狀態綜合值在2008年增幅下降，2009年下降的趨勢。為了應對金融危機，該公司堅持以市場為導向、以效益為中心、科學組織生產經營。同時2010年后，國際金融市場逐漸趨于穩定，中國經濟回升向好的基礎逐步鞏固，石油石化產品的需求增長，企業經營業績上漲。因此2010年、2011年狀態綜合值呈現上升趨勢。狀態指標的發展狀態說明在經濟全球化的趨勢下，企業的發展離不開整個國際經濟環境，因此企業應該提高應對國際金融危機、金融風險的能力，不斷提升企業核心競爭力。同時積極拓展市場，為可持續發展提供保障。

(3)響應指標。響應指標的波動幅度比較大，這主要是由于該指標反應了扶貧幫困、捐資助學、賑災捐贈社會責任，表明了該公司在生產的同時，注重了國有企業在履行社會責任方面的表率作用。

(4)可持續發展指標。呈現總體上升趨勢，由等級表可知，2005年到2011年中國石油天然氣有限公司的可持續發展水平由差到良好，說明企業不斷注重經濟、環境和社會的可持續發展。

五、結 語

本文在粗糙集的基礎上分析了當核屬性不存在時，相對必要屬性權重的確定方法。加入熵權可以彌補多個屬性權重相等及離散方法不同所帶來的影響。該方法為客觀權重的確定提供了一種新的思路。以中國石油天然氣有限公司為例，構建了石油供應鏈可持續發展評估PSR模型，使得對可持續發展水平有了更加細致的認識。另外提出的可持續發展水平等級表為企業處于可持續發展的階段提供了標準，有利于企業對可持續發展水平有一個直觀的認識。

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