第七章 数据包络分析.ppt
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1、第七章第七章 数据包络分析数据包络分析n第一节第一节 思想和原理思想和原理n第二节第二节 模型和步骤模型和步骤n第三节第三节 应用和案例应用和案例第一节第一节 思想和原理思想和原理n一个经济系统或一个生产过程可以看成一个经济系统或一个生产过程可以看成一个单元在一定可能范围内,通过投入一个单元在一定可能范围内,通过投入一定数量的生产要素并产出一定数量的一定数量的生产要素并产出一定数量的“产品产品”的活动。虽然这些活动的具体的活动。虽然这些活动的具体内容各不相同,但其目的都是尽可能地内容各不相同,但其目的都是尽可能地使这一活动取得最大的使这一活动取得最大的“效益效益”。这样。这样的单元被称为的单元
2、被称为决策单元(决策单元(Decision Making Decision Making UnitsUnits,DMUDMU)。)。nDMUDMU的概念是广义的,可以是一个大学,的概念是广义的,可以是一个大学,也可以是一个企业,也可以是一个国家。也可以是一个企业,也可以是一个国家。在许多情况下,我们对多个同类型的在许多情况下,我们对多个同类型的DMUDMU更感兴趣。所谓更感兴趣。所谓同类型的同类型的DMUDMU,是指具有,是指具有以下特征的以下特征的DMUDMU集合:具有相同的目标和集合:具有相同的目标和任务;具有相同的外部环境;具有相同的任务;具有相同的外部环境;具有相同的输入和输出指标。同
3、一个输入和输出指标。同一个DMUDMU的不同时段的不同时段也可视为同类型也可视为同类型DMUDMU。n评价的依据是决策单元的评价的依据是决策单元的“输入输入”数据和数据和“输输出出”数据。根据输入和输出数据来评价决策单数据。根据输入和输出数据来评价决策单元的优劣元的优劣,即评价单位间的即评价单位间的相对有效性相对有效性。n每个决策单元的有效性将涉及两个方面:每个决策单元的有效性将涉及两个方面:(1 1)建立在相互比较的基础上,因此是相对)建立在相互比较的基础上,因此是相对有效性;(有效性;(2 2)每个决策单元的有效性紧密依)每个决策单元的有效性紧密依赖于输入综合与输出综合的比(或理解为多输赖
4、于输入综合与输出综合的比(或理解为多输入入多输出时的投入多输出时的投入产出比)。产出比)。n数据包络分析(数据包络分析(Data Envelopment AnalysisData Envelopment Analysis,简称简称DEADEA)是著名运筹学家)是著名运筹学家A.CharnesA.Charnes和和W.W.CopperW.W.Copper等学者以等学者以“相对效率相对效率”概念为概念为基础,根据多指标投入和多指标产出对相基础,根据多指标投入和多指标产出对相同类型的单位进行相对有效性或效益评价同类型的单位进行相对有效性或效益评价的一种新的系统分析方法。它是处理的一种新的系统分析方法
5、。它是处理多目多目标决策问题标决策问题的好方法。决策单元的好方法。决策单元相对有效相对有效称为称为DEADEA有效有效。n通过输入和输出数据的综合分析,通过输入和输出数据的综合分析,DEADEA可可以得出每个以得出每个DMUDMU综合效率的数量指标。据综合效率的数量指标。据此将各决策单元定级排队,确定有效的决此将各决策单元定级排队,确定有效的决策单元,并可给出其它决策单元非有效的策单元,并可给出其它决策单元非有效的原因和程度。即它不仅可对同一类型各决原因和程度。即它不仅可对同一类型各决策单元的相对有效性做出评价与排序,而策单元的相对有效性做出评价与排序,而且还可以进一步分析各决策单元非且还可以
6、进一步分析各决策单元非DEADEA有有效的原因及其改进方向,从而为决策者提效的原因及其改进方向,从而为决策者提供重要的管理决策信息。供重要的管理决策信息。自从自从19781978年提出第一个年提出第一个DEADEA模型模型 模型以模型以来,来,DEADEA方法不断得到完善并在实际中被广泛运方法不断得到完善并在实际中被广泛运用,用,DEADEA特别适用于具有多输入多输出的复杂系特别适用于具有多输入多输出的复杂系统,这主要体现在以下几点:统,这主要体现在以下几点:n(1 1)DEADEA以决策单元各输入输出的权重为变量,从最有以决策单元各输入输出的权重为变量,从最有利于决策单元的角度进行评价,从而
7、避免了确定各指标在利于决策单元的角度进行评价,从而避免了确定各指标在优先意义下的权重;优先意义下的权重;n(2 2)假定每个输入都关联到一个或者多个输出,而且输)假定每个输入都关联到一个或者多个输出,而且输出输入之间确实存在某种关系,使用出输入之间确实存在某种关系,使用DEADEA方法则不必确定方法则不必确定这种关系的显示表达式。这种关系的显示表达式。n(3 3)DEADEA最突出的优点是无需任何权重假设,每一输入最突出的优点是无需任何权重假设,每一输入输出的权重不是根据评价者的主观认定,而是由决策单元输出的权重不是根据评价者的主观认定,而是由决策单元的实际数据求得的最优权重。因此,的实际数据
8、求得的最优权重。因此,DEADEA方法排除了很多方法排除了很多主观因素,具有很强的客观性。主观因素,具有很强的客观性。第二节第二节 模型和步骤模型和步骤一、模型介绍一、模型介绍 在社会、经济和管理领域中,常常需要对具有相在社会、经济和管理领域中,常常需要对具有相同类型的部门、企业或者同一单位不同时期的相同类型的部门、企业或者同一单位不同时期的相对效率进行评价,这些部门、企业或时期称为对效率进行评价,这些部门、企业或时期称为决决策单元策单元。评价的依据是决策单元的一组投入指标数据和一评价的依据是决策单元的一组投入指标数据和一组产出指标数据。组产出指标数据。投入指标投入指标是决策单元在社会、是决策
9、单元在社会、经济和管理活动中需要耗费的经济量;经济和管理活动中需要耗费的经济量;产出指标产出指标表明经济活动产出成效的经济量。表明经济活动产出成效的经济量。根据投入指标根据投入指标数据和产出指标数据评价部门、企业或时期之间数据和产出指标数据评价部门、企业或时期之间的相对有效性。的相对有效性。n设某个设某个DMUDMU在一项生产活动中的输入向量为在一项生产活动中的输入向量为 ,输出向量为输出向量为 。我们可以用(我们可以用(x x,y y)来表示这个)来表示这个DMUDMU的整个生产活动。的整个生产活动。n现设有现设有n n个个DMUDMUj j(1jn1jn),),DMUDMUj j对应的输入
10、、输对应的输入、输出向量分别为:出向量分别为:我们主要介绍我们主要介绍 模型模型而且而且 xij0,yrj0,i=1,2,m;r=1,2,snx xij ij为第为第j j个决策单元对第个决策单元对第i i种类型输入的投入量;种类型输入的投入量;y yrj rj为为第第j j个决策单元对第个决策单元对第r r种类型输出的产出量。种类型输出的产出量。x xij ij和和y yrj rj为为已知的数据,可以根据历史资料得到。已知的数据,可以根据历史资料得到。n由于在生产过程中各种输入和输出之间的地位与作由于在生产过程中各种输入和输出之间的地位与作用不同,因此要对用不同,因此要对DMUDMU进行评价
11、,需要对它的输进行评价,需要对它的输入和输出进行入和输出进行“综合综合”,即把它们看作只有一个总,即把它们看作只有一个总体输入和一个总体输出的生产过程,这样就需要赋体输入和一个总体输出的生产过程,这样就需要赋予每个输入、输出恰当的权重。(见图予每个输入、输出恰当的权重。(见图2 2)n 问题是,由于我们对输入、输出量之间的问题是,由于我们对输入、输出量之间的信息结构了解较少或者他们之间的相互代信息结构了解较少或者他们之间的相互代替性比较复杂,也由于我们想尽量避免分替性比较复杂,也由于我们想尽量避免分析者主观意志的影响,我们并不事先给定析者主观意志的影响,我们并不事先给定输入、输出权向量:输入、
12、输出权向量:n ,而是先把它们看作,而是先把它们看作变向量。然后在分析过程中再根据某种原变向量。然后在分析过程中再根据某种原则来确定他们。则来确定他们。每个决策单元每个决策单元DMUDMUj j都有相应的效率评价指都有相应的效率评价指数,我们可以适当的取权系数数,我们可以适当的取权系数v v和和u u,使得,使得 1 1。n 现在,对第现在,对第j j0 0个决策单元进行效率评价。一个决策单元进行效率评价。一般来说,般来说,越大,表明越大,表明 能够用相对较少能够用相对较少的输入而得到相对较多的输出。如果我们的输入而得到相对较多的输出。如果我们要对要对 进行评价,看进行评价,看 在这在这n n
13、个个DMUDMU中相对来说是不是最优的。我们可以考察中相对来说是不是最优的。我们可以考察当尽可能地变化权重时,当尽可能地变化权重时,的最大值究竟是的最大值究竟是多少。以第多少。以第j j0 0个决策单元的效率指数为目标,个决策单元的效率指数为目标,以所有决策单元(含第以所有决策单元(含第j j0 0个决策单元)的效个决策单元)的效率指数为约束,就构造如下的率指数为约束,就构造如下的 模型:模型:模型模型:上式是一个分式规划问题,使用上式是一个分式规划问题,使用Charnes-Cooper变化,即令:变化,即令:n则可得到则可得到C2R的的线性规划模型:的的线性规划模型:n现在,现在,我们考虑的
14、我们考虑的 另外一种形式另外一种形式:如如果要衡量某一决策单元果要衡量某一决策单元j j0 0是否是否DEADEA有效,有效,即是否处在由包络线组成的生产前沿面即是否处在由包络线组成的生产前沿面上,上,为此先构造一个有为此先构造一个有n n个决策单元线性个决策单元线性组合成的假想决策单元。这个假想决策组合成的假想决策单元。这个假想决策单元的第单元的第i i项投入为项投入为 且且 该假想决策单元的第该假想决策单元的第r r项产项产n出为出为 且且n如果这个假想的决策单元的各项产出均不低于如果这个假想的决策单元的各项产出均不低于j j0 0决决策单元的各项产出,它的各项投入均低于策单元的各项产出,
15、它的各项投入均低于j j0 0的各项的各项投入投入(当当 11时时),即有,即有n这说明这说明j j0 0决策单元不在生产前沿面上。决策单元不在生产前沿面上。基于上述,可以写出如下数学模型,基于上述,可以写出如下数学模型,该式也该式也是是 的对偶形式的对偶形式:当求解结果有当求解结果有 11,则决策单元,则决策单元j j0 0非非DEADEA有效,否则,有效,否则,j j0 0决策单元决策单元DEADEA有效。有效。n应用线性规划对偶理论,我们可以通过对偶规划应用线性规划对偶理论,我们可以通过对偶规划来判断来判断 的有效性。为了讨论及应用方便,进的有效性。为了讨论及应用方便,进一步引入松弛变量
16、一步引入松弛变量s+s+和剩余变量和剩余变量s-s-,将上面的不,将上面的不等式约束变为等式约束:等式约束变为等式约束:下面给出几条定理与定义:下面给出几条定理与定义:n定理定理1:线性规划线性规划P和其对偶规划和其对偶规划D均存在均存在可行解,所以都存在最优值。假设它们的可行解,所以都存在最优值。假设它们的最优值分别为最优值分别为 与与 ,则,则 1。n定义定义1:若线性规划若线性规划P的最优值的最优值 1,则,则称决策单元为弱称决策单元为弱DEA有效。有效。例:四个人的输入输出见下表,试用例:四个人的输入输出见下表,试用DEADEA方法分析方法分析其有效性。其有效性。注:可用线性规划的软件
17、计算。注:可用线性规划的软件计算。例:某银行的四个分理处的投入和产出情况例:某银行的四个分理处的投入和产出情况见下表,要求分别确定各分理处的运行是否见下表,要求分别确定各分理处的运行是否DEADEA有效。有效。分理处分理处分理处分理处1分理处分理处2分理处分理处3分理处分理处4投投 入入产产 出出职工数职工数营业面积营业面积储蓄储蓄贷款贷款中间业务中间业务15202120180010008009001401301201352003504504201600100013001500解:先确定分理处解:先确定分理处1是否是否DEA有效有效n求解结果为求解结果为E=1E=1,说明分理处,说明分理处1
18、1的运行的运行DEADEA有效。同理可求得分理处有效。同理可求得分理处3 3和和4 4,E=1E=1,但对,但对于分理处于分理处2 2,E=0.966,E=0.966,即分理处即分理处2 2的运行非的运行非DEADEA有效。有效。n检验的检验的DEADEA有效性时,可通过构造一个稍加变化有效性时,可通过构造一个稍加变化的模型可使这一检验简化。这就是具有非阿基米的模型可使这一检验简化。这就是具有非阿基米德无穷小的模型(祥见有关文献)。利用此模型德无穷小的模型(祥见有关文献)。利用此模型可以一次性判断出决策单元是可以一次性判断出决策单元是DEADEA有效,还是弱有效,还是弱DEADEA有效,或者是
19、非有效,或者是非DEADEA有效。有效。下面举一例下面举一例DEADEA在工业行业科技发展评在工业行业科技发展评价中的应用,说明价中的应用,说明DEADEA评价的全过程评价的全过程n把某一工业行业科技实力发展视作把某一工业行业科技实力发展视作DEADEA的一个决的一个决策单元,它具有特定的输入和输出。为了使各策单元,它具有特定的输入和输出。为了使各DMUDMU具有可比性以及具有可比性以及DEADEA综合评价指标的合理综合评价指标的合理和有意义,必须选择好评价系统的输入和输出指和有意义,必须选择好评价系统的输入和输出指标体系,以利于实现系统的客观描述和评价。标体系,以利于实现系统的客观描述和评价
20、。二、实例分析二、实例分析 1 1、工业行业科技实力评价指标体系设、工业行业科技实力评价指标体系设计的原则计的原则n(1)(1)充分、全面性原则充分、全面性原则。n(2)(2)独立性原则独立性原则。n(3)(3)导向性原则导向性原则。n(4)(4)均匀平滑性原则均匀平滑性原则。对于周期较长的指。对于周期较长的指标采取三年平均;对发展速度异常的指标采取三年平均;对发展速度异常的指标,基期数值用基期与报告期数值平均标,基期数值用基期与报告期数值平均代替。代替。n(5)(5)可操作性原则。可操作性原则。指标体系数据从现有统计指标指标体系数据从现有统计指标中产生。中产生。n(6)(6)综合、系统性原则
21、综合、系统性原则。n(7)(7)可比性原则可比性原则。要尽可能采用相对指标,便于各。要尽可能采用相对指标,便于各类企业进行对比;对于行业之间的对比,我们采类企业进行对比;对于行业之间的对比,我们采取各指标的发展速度。取各指标的发展速度。n 根据上述原则,分别选择了根据上述原则,分别选择了1212项输入和输出指项输入和输出指标,分成标,分成7 7个组分别建立了广州市工业科技实力个组分别建立了广州市工业科技实力DEADEA评价指标体系。评价指标体系。2、指标体系中各项指标的含义、指标体系中各项指标的含义n(1)(1)研究与开发(研究与开发(R&DR&D)人员占全体职工比重)人员占全体职工比重I I
22、1 1,此指标反映行业中从事研究与开发人力投入的比此指标反映行业中从事研究与开发人力投入的比重。重。n(2)(2)科技活动人员中科学家和工程师的比重科技活动人员中科学家和工程师的比重I I2 2。这。这一指标反映行业科技活动中人力投入的质量和管一指标反映行业科技活动中人力投入的质量和管理水平。理水平。n(3)(3)机器设备原值中微电子控制机器设备原值占有机器设备原值中微电子控制机器设备原值占有率率I I3 3。这一指标反映企业机器设备的现代化程度。这一指标反映企业机器设备的现代化程度。n(4)(4)企业科研机构固定资产原值与原固定资产原值企业科研机构固定资产原值与原固定资产原值比率比率I I4
23、 4。该指标反映企业开展科技活动的物质基础。该指标反映企业开展科技活动的物质基础。n(5)(5)技术引进投资占总支出比率技术引进投资占总支出比率I I5 5。这一指标反映。这一指标反映企业引进高新技术的程度。(三年平均)企业引进高新技术的程度。(三年平均)n(6)(6)科技活动经费支出与产品销售收入比率科技活动经费支出与产品销售收入比率I I6 6。这。这一指标反映企业对科技进步的重视程度。一指标反映企业对科技进步的重视程度。n(7)(7)每百名科技活动人员的专利授权数每百名科技活动人员的专利授权数O O1 1。该指标在。该指标在专利授权方面反映科技成果的数量和质量。(三年平均)专利授权方面反
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