基于非期望產出超效率SBM模型的 港口能源效率評價*

王 騰 梁 晶

(大連海事大學交通運輸工程學院 大連 116026)

0 引 言

交通運輸業是各個能源消耗行業的耗能大戶之一，港口更是其能源消耗的重點領域[1].港口快速發展所造成的高能耗與環境問題也越來越突出，提高能源效率成為了港口未來發展的重要方向之一.

能源效率評價的是能源消耗所帶來的產出情況.根據所考慮的投入要素數量的不同，可以分為基于單要素生產率框架和全要素生產率框架的能源效率，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際生產過程中所投入的能源和其他要素的全要素能源效率.

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

從港口效率評價的角度看，國內外利用數據包絡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部運營效率、港口與港口之間的聯網效率及港口對腹地經濟的輻射效率三個層次并分別進行DEA測度.王燕等[11]將港口公司的贏利過程拆解為運營和資本運作兩個階段，采用鏈式網絡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行測算.王玲等[12]運用共同邊界技術和序列SBM-DEA方法，對2006—2009年我國14個內河港口和17個沿海港口的效率進行了對比分析.馮烽等[13]以SBM-DEA模型對中國17家港口上市公司2010-2015年的運營效率進行了測算.

總結發現，能源效率評價相關研究成果尚未在港口行業開展應用，同時現有關于港口效率的研究主要針對港口運營效率，并未考慮能源投入要素與非期望產出要素，因而港口能源效率評價領域少有學者涉及.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、設施投入、期望產出和非期望產出的港口全要素能源效率評價指標體系，并將考慮非期望產出的SBM模型與超效率DEA理論相結合，構建了基于考慮非期望產出的超效率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，做好節能減排工作提供指導.

1 港口能源效率評價體系構建

1.1 指標體系的建立

1) 能源投入 港口借助碼頭機械設備實現生產作業，碼頭機械設備的運轉需要消耗大量能源，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、場橋等裝卸機械的運行及港作拖船的靠離頂拖作業均靠油料供能.除油料外，近幾年電力在港口能源結構中的比重不斷加大.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行生產活動的先決條件，對評價港口能源效率具有重大影響.港口日常經營及碼頭機械設備的運轉均需要人員的管理與操縱，充足的勞動投入有利于企業發展，但其應與物質基礎相適應，若投入過剩，便會造成大量浪費.勞動投入一般可以從人數、工資和工時三方面進行刻畫，結合我國現有統計資料，港口企業一般采用員工人數代表勞動投入要素.

3) 設施投入 港口設施投入主要包括倉庫房屋、道路、客運站、航道、防波堤、護岸、碼頭(包括引橋)、浮筒、航標，以及港口的裝卸、起重、搬運機械及其為裝卸生產服務的各種配套設施等.港口提供生產和服務能力必須依靠這些港口設施，擁有一定規模的港口設施是港口生產運營的物質前提.在港口規劃中，大多以碼頭泊位數為出發點依照比例配置相應的設施與機械，因此碼頭泊位數能夠很好地代表港口設施的投入情況.

4) 期望產出 期望產出指生產過程中生產主體期望獲得的生產物.對港口而言，期望產出主要包括貨物吞吐量、集裝箱吞吐量等物理產出及主營業務收入等經濟產出，其中貨物吞吐量是評價港口發展規模的一項重要指標.

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

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

1.2 港口能源效率評價模型

傳統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出角度出發，也難以充分考慮投入產出的松弛性問題，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，除了等比例改進部分之外的松弛改進部分并未在傳統DEA模型的效率測量中得到體現，同時在港口的生產運營過程中，實際投入產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函數中，提出了非徑向和非角度的SBM模型，同時從投入和產出兩個角度來對無效率狀況進行測量，避免了因徑向和角度的選擇所帶來的影響.基礎SBM模型的產出被設置為期望產出，忽視了港口生產過程中產生的環境外部負效應，因此在基礎SBM模型上衍生出了考慮非期望產出的SBM模型為

(1)

模型(1)在評價時，通常會出現多個決策單元效率值均為1的情況，無法進一步對有效決策單元的效率高低進行區分，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成參考集，顯然該效率值可能大于1，從而實現效率的進一步排序.因此將超效率DEA理論引入模型(1)，得到考慮非期望產出的超效率SBM模型，為

(2)

式中各參數意義同模型(1)，其中ρ為被評價決策單元距離由其他決策單元構成的前沿的最小距離，同時為防止模型(2)出現無可行解的情況，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)構建的港口能源效率評價模型，既考慮了投入產出的松弛性問題，又正視了港口生產過程中因能源投入而產生的環境外部負效應，還可解決有效決策單元之間的效率排序問題.

2 實證分析

2.1 決策單元及數據獲取

以上海港2008—2016年實際情況為決策單元，對上海港能源效率進行實證研究.指標數據均為客觀數據，來源于2008—2016年《上海國際港務(集團)股份有限公司可持續發展報告》《上海國際港務(集團)股份有限公司年度報告》及《中國港口年鑒》等文件，并經整理得到.

2.2 評價結果及分析

使用模型(2)和MAXDEA ULTRA 6.9軟件對上海港2008—2016年能源效率進行測算，將結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，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，表明上海港當年雖在大力推廣節能減排及效率提升相關工作，但效果不盡如人意，可能存在能源、人工和設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節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施設備更新改造及新技術研發工作的深入開展，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%，表明上海港相關工作取得了顯著成效，確實提高了港口能源效率，應繼續深化.

2.3 改進方向分析

上海港能源效率無效原因及改進方向見表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、員工人數和碼頭泊位數上分別存在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.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.從各指標松弛量所占比例來看，油料消耗過高及機構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、碼頭泊位數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年世界經濟危機的影響，上海港開始致力于精簡機構，裁員提效；③由于港口內各裝卸機械及設備的運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，造成溫室效應及環境污染，而電力在使用過程中幾乎不產生廢氣，上海港為優化能源結構，開展了大規模的港口設備“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，在上海港傳統油料能源節約效果日漸理想的情況下，電能節約應成為上海港下一步提高能源效率的重點方向.

表1 無效原因及改進方向

2.4 效率提升建議

針對結果分析，歸結出提升上海港能源效率的建議.

1) 上海港應繼續穩步推進LNG替代傳統化石能源，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，上海港應建設足夠數量的LNG加氣站.

2) 上海港應加大力度推進電能節約技術研發，重視對電能的節約利用，如開展E-RTG能量回饋系統的改造工作，將基于能量回饋電網技術和PWM整流技術的能量回饋裝置應用于E-RTG的節能改造，對E-RTG起升機構下降過程中和制動時的能量進行回收利用，實現電能的節約.

3 結 束 語

針對傳統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、設施投入、期望產出和非期望產出等方面建立了港口全要素能源效率評價指標體系；其次將考慮非期望產出的SBM模型與超效率DEA理論相結合，構建了基于考慮非期望產出的超效率SBM模型的港口能源效率評價模型；最后對上海港2008—2016年能源效率情況進行實證分析，評價結果表明，運用考慮非期望產出的超效率SBM模型對港口能源效率進行評價是現實可行的；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成效，今后一段時期，在深化節能減排工作的基礎上，上海港能源效率提升重點應逐漸由控制油料消耗向加大電能節約轉變，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.