基于非期望产出超效率SBM模型的 港口能源效率评价*

王 腾 梁 晶

(大连海事大学交通运输工程学院 大连 116026)

0 引 言

交通运输业是各个能源消耗行业的耗能大户之一，港口更是其能源消耗的重点领域[1].港口快速发展所造成的高能耗与环境问题也越来越突出，提高能源效率成为了港口未来发展的重要方向之一.

能源效率评价的是能源消耗所带来的产出情况.根据所考虑的投入要素数量的不同，可以分为基于单要素生产率框架和全要素生产率框架的能源效率，前者只考虑能源投入，后者则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虑了港口实际生产过程中所投入的能源和其他要素的全要素能源效率.

目前，许多学者已应用数据包络分析法(data envelopment analysis, DEA)对能源效率进行研究，但主要集中于区域能源效率[2]、制造业[3]、物流业[4]、电力行业[5]、航空运输企业[6]等领域.同时值得注意的是，上述采用传统DEA模型进行能源效率评价的研究并没有考虑投入产出的松弛性问题，效率评价往往不够准确.为克服这一问题，一些学者开始运用由传统DEA模型衍生出的非径向和非角度的SBM(slack based measure)模型对能源效率进行评价.陈平等[7]采用SBM模型和Meta-frontier生产函数测算我国30个省市2004—2014年的工业生态全要素能源效率.解文华等[8]基于SBM模型，对中国和欧盟共16家航空运输企业2010-2015年能源效率进行比较研究.总体来看，现有能源效率评价理论已相对完善，但针对港口领域的能源效率研究十分缺乏.

从港口效率评价的角度看，国内外利用数据包络分析法开展了很多研究. Tongzon[9]使用CCR模型分析了16个国际集装箱港口1996年的效率情况.张小蒂等[10]将港口效率分解为港口内部运营效率、港口与港口之间的联网效率及港口对腹地经济的辐射效率三个层次并分别进行DEA测度.王燕等[11]将港口公司的赢利过程拆解为运营和资本运作两个阶段，采用链式网络DEA模型对2005—2014年我国17家港口上市公司的总体和阶段效率分别进行测算.王玲等[12]运用共同边界技术和序列SBM-DEA方法，对2006—2009年我国14个内河港口和17个沿海港口的效率进行了对比分析.冯烽等[13]以SBM-DEA模型对中国17家港口上市公司2010-2015年的运营效率进行了测算.

总结发现，能源效率评价相关研究成果尚未在港口行业开展应用，同时现有关于港口效率的研究主要针对港口运营效率，并未考虑能源投入要素与非期望产出要素，因而港口能源效率评价领域少有学者涉及.鉴于此，本文通过深入分析港口能源效率的影响因素，建立了全面考虑能源投入、劳动投入、设施投入、期望产出和非期望产出的港口全要素能源效率评价指标体系，并将考虑非期望产出的SBM模型与超效率DEA理论相结合，构建了基于考虑非期望产出的超效率SBM模型的港口能源效率评价模型，以期为港口提高能源效率，做好节能减排工作提供指导.

1 港口能源效率评价体系构建

1.1 指标体系的建立

1) 能源投入 港口借助码头机械设备实现生产作业，码头机械设备的运转需要消耗大量能源，因此能源投入是港口一项重大的要素投入.港口能源消耗种类主要包括柴油、燃料油、电力、煤炭和水，其中柴油与燃料油是港口所需的主要能源，岸桥、场桥等装卸机械的运行及港作拖船的靠离顶拖作业均靠油料供能.除油料外，近几年电力在港口能源结构中的比重不断加大.因此，港口能源投入主要可以归为油料和电力两大类.

2) 劳动投入 劳动投入作为港口进行生产活动的先决条件，对评价港口能源效率具有重大影响.港口日常经营及码头机械设备的运转均需要人员的管理与操纵，充足的劳动投入有利于企业发展，但其应与物质基础相适应，若投入过剩，便会造成大量浪费.劳动投入一般可以从人数、工资和工时三方面进行刻画，结合我国现有统计资料，港口企业一般采用员工人数代表劳动投入要素.

3) 设施投入 港口设施投入主要包括仓库房屋、道路、客运站、航道、防波堤、护岸、码头(包括引桥)、浮筒、航标，以及港口的装卸、起重、搬运机械及其为装卸生产服务的各种配套设施等.港口提供生产和服务能力必须依靠这些港口设施，拥有一定规模的港口设施是港口生产运营的物质前提.在港口规划中，大多以码头泊位数为出发点依照比例配置相应的设施与机械，因此码头泊位数能够很好地代表港口设施的投入情况.

4) 期望产出 期望产出指生产过程中生产主体期望获得的生产物.对港口而言，期望产出主要包括货物吞吐量、集装箱吞吐量等物理产出及主营业务收入等经济产出，其中货物吞吐量是评价港口发展规模的一项重要指标.

5) 非期望产出 港口在获得期望产出时，二氧化碳、二氧化硫、粉尘、污水和噪声等一系列对环境造成不良影响的物质也会伴随产生，这些污染物就是非期望产出.二氧化碳作为港口现阶段主要的非期望产出物，是港口造成环境污染的主要原因.在期望产出水平不变的同时尽力减少非期望产出是提高港口能源效率的重要环节.

通过分析并结合数据可得性，本文选取四个投入指标：油料消耗量x1，t;电力消耗量x2,万kW·h;员工人数x3；码头泊位数x4。其中油料消耗量的统计为柴油及燃料油消耗量。一个期望产出指标：货物吞吐量y1，亿t和一个期望产出指标：二氧化碳排放量b2，万t。

1.2 港口能源效率评价模型

传统DEA模型大多使用角度和径向测度来计算决策单元(DMU)的效率，只能单一地从投入或产出角度出发，也难以充分考虑投入产出的松弛性问题，对无效率程度的度量只包含了所有投入(产出)等比例缩减(增加)的比例，对于无效决策单元来说，除了等比例改进部分之外的松弛改进部分并未在传统DEA模型的效率测量中得到体现，同时在港口的生产运营过程中，实际投入产出也并非等比例变化.基于此，Tone[14]将松弛变量直接引入目标函数中，提出了非径向和非角度的SBM模型，同时从投入和产出两个角度来对无效率状况进行测量，避免了因径向和角度的选择所带来的影响.基础SBM模型的产出被设置为期望产出，忽视了港口生产过程中产生的环境外部负效应，因此在基础SBM模型上衍生出了考虑非期望产出的SBM模型为

(1)

模型(1)在评价时，通常会出现多个决策单元效率值均为1的情况，无法进一步对有效决策单元的效率高低进行区分，但Andersen等[15]提出的超效率DEA理论解决了这一问题，其在评价某一特定决策单元时，以将被评价决策单元本身排除在外的其他所有决策单元构成参考集，显然该效率值可能大于1，从而实现效率的进一步排序.因此将超效率DEA理论引入模型(1)，得到考虑非期望产出的超效率SBM模型，为

(2)

式中各参数意义同模型(1)，其中ρ为被评价决策单元距离由其他决策单元构成的前沿的最小距离，同时为防止模型(2)出现无可行解的情况，将模型(1)中等号约束替换为不等号.模型(2)的有效性可用如下法则进行判定.

1) 若ρ<1，则DMU0无效.

2) 若ρ=1，则DMU0有效.

3) 若ρ>1，则DMU0为有效，且ρ值越大代表效率越高.

基于模型(2)构建的港口能源效率评价模型，既考虑了投入产出的松弛性问题，又正视了港口生产过程中因能源投入而产生的环境外部负效应，还可解决有效决策单元之间的效率排序问题.

2 实证分析

2.1 决策单元及数据获取

以上海港2008—2016年实际情况为决策单元，对上海港能源效率进行实证研究.指标数据均为客观数据，来源于2008—2016年《上海国际港务(集团)股份有限公司可持续发展报告》《上海国际港务(集团)股份有限公司年度报告》及《中国港口年鉴》等文件，并经整理得到.

2.2 评价结果及分析

使用模型(2)和MAXDEA ULTRA 6.9软件对上海港2008—2016年能源效率进行测算，将结果按效率值大小排序，各年效率值变化见图1.效率值大于1的为有效，小于1的为无效。

图1 2008—2016年上海港能源效率变动情况

由图1可知，上海港能源效率值一直维持在0.6以上，其中2013年、2014年和2016年能源效率有效，说明这些年份上海港在节能工作上取得了较好成绩，各要素投入与货物吞吐量比例居优，同时二氧化碳排放量维持在合理水平.而2008—2012年及2015年上海港能源效率均无效，表明上海港当年虽在大力推广节能减排及效率提升相关工作，但效果不尽如人意，可能存在能源、人工和设施投入过大及废气排放量过高的问题，还具有较大提升空间.整体来看，2008—2016年间上海港能源效率在波动中不断上升，虽无效年份居多，但大多处于上海港开始着力推进节能减排与效率提升工作的初始阶段.自2008年起，随着上海港对各项设施设备更新改造及新技术研发工作的深入开展，尽管能源效率仍处于无效阶段，但却在不断提升，至2013年渐渐步入正轨.2008—2013年期间，上海港能源效率提升了71.1%，表明上海港相关工作取得了显著成效，确实提高了港口能源效率，应继续深化.

2.3 改进方向分析

上海港能源效率无效原因及改进方向见表1.

上海港能源效率无效主要是由投入过剩造成的.以2011年为例，上海港在油料消耗量、电力消耗量、员工人数和码头泊位数上分别存在14%，7%，17%和8%的投入冗余，说明上海港造成了一定程度的资源浪费.此外，还存在着10.948 5的过量二氧化碳排放，需要对此加以控制.从各指标松弛量所占比例来看，油料消耗过高及机构臃肿是造成上海港初期能源效率无效的主要原因.纵向来看，随着上海港能源效率的不断提升，油料消耗量、员工人数、码头泊位数及二氧化碳排放量的投入冗余整体上均不断减小，相反电力消耗冗余却存在一定上升，造成这种现象的原因可能为以下三方面：①上海港货物吞吐量的逐年上升在一定程度上缓解了投入的冗余程度；②受2008年世界经济危机的影响，上海港开始致力于精简机构，裁员提效；③由于港口内各装卸机械及设备的运行均需消耗大量油料，油料燃烧会排放二氧化碳、二氧化硫等废气，造成温室效应及环境污染，而电力在使用过程中几乎不产生废气，上海港为优化能源结构，开展了大规模的港口设备“油改电”改造工作，造成电力消耗加剧.上海港2015年的能源效率无效，便主要是由电力消耗量不断增加造成的.因此，在上海港传统油料能源节约效果日渐理想的情况下，电能节约应成为上海港下一步提高能源效率的重点方向.

表1 无效原因及改进方向

2.4 效率提升建议

针对结果分析，归结出提升上海港能源效率的建议.

1) 上海港应继续稳步推进LNG替代传统化石能源，如推广LNG码头牵引车的使用，与柴油牵引车相比，LNG牵引车可以减少多达93%的碳排放及33%的氮氧化物、50%活性烃气排放量，同时为了保证LNG的供应，上海港应建设足够数量的LNG加气站.

2) 上海港应加大力度推进电能节约技术研发，重视对电能的节约利用，如开展E-RTG能量回馈系统的改造工作，将基于能量回馈电网技术和PWM整流技术的能量回馈装置应用于E-RTG的节能改造，对E-RTG起升机构下降过程中和制动时的能量进行回收利用，实现电能的节约.

3 结 束 语

针对传统港口效率评价没有考虑能源投入的问题，本文首先通过分析影响港口能源效率的因素，从能源投入、劳动投入、设施投入、期望产出和非期望产出等方面建立了港口全要素能源效率评价指标体系；其次将考虑非期望产出的SBM模型与超效率DEA理论相结合，构建了基于考虑非期望产出的超效率SBM模型的港口能源效率评价模型；最后对上海港2008—2016年能源效率情况进行实证分析，评价结果表明，运用考虑非期望产出的超效率SBM模型对港口能源效率进行评价是现实可行的；同时，可以看出上海港自2008年来在港口能源效率提升方面的大力投入取得了切实成效，今后一段时期，在深化节能减排工作的基础上，上海港能源效率提升重点应逐渐由控制油料消耗向加大电能节约转变，为上海港下一步提升能源效率指明了方向，对其他港口提升能源效率具备一定借鉴和参考意义.