基于非期望SBM模型的能源效率和技術(shù)效率檢驗(yàn)①

楊曉華，王 芳

制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)力發(fā)展的體現(xiàn)，2014年，李克強(qiáng)總理明確了制造業(yè)的發(fā)展方向，以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、綠色發(fā)展等為主題，使我國(guó)在2025年邁入世界制造強(qiáng)國(guó)的行列。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，制造業(yè)發(fā)展尤為迅速，用數(shù)據(jù)支撐制造業(yè)的快速發(fā)展。然而，能源與環(huán)境問(wèn)題已逐漸成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，對(duì)于制造業(yè)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。2016年我國(guó)制造業(yè)一次性能源消費(fèi)量占比超過(guò)80%，二氧化碳排放量已達(dá)到60 多億噸。因此，提高制造業(yè)能源效率，發(fā)展綠色制造業(yè)成為制造業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)。

一、能源效率的研究進(jìn)展

能源效率的測(cè)算一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論和研究的熱點(diǎn)。根據(jù)研究中考慮的投入產(chǎn)出的數(shù)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)能源效率的研究方法大體上分為單要素能源效率和全要素生產(chǎn)率兩大類。隨著科學(xué)研究的發(fā)展，單要素能源效率評(píng)價(jià)方法日益暴露出其弊端，不能綜合而全面地反映效率的實(shí)際情況，于是囊括了資本、勞動(dòng)和能源投入要素的全要素能源效率測(cè)算方法就應(yīng)運(yùn)而生了。

全要素能源效率評(píng)價(jià)方法的研究始于Hu和Wang(2006)。他們的研究對(duì)于后續(xù)學(xué)者的研究給了很多啟示。Honma 和Hu(2008)測(cè)算了1993 ～2003年期間日本47個(gè)地區(qū)的總要素能效，使用了14項(xiàng)投入和1項(xiàng)產(chǎn)出。Honma 和Hu(2014)使用了四種投入，計(jì)算和分析了14個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家11個(gè)行業(yè)的全要素能源效率。Jebali等(2017)和Ervural 等(2018)基于兩階段DEA 模型分別測(cè)算了地中海地區(qū)和土耳其的全要素能源效率，前者采用了bootstrap法，并考慮了環(huán)境因素，后者則主要基于可再生能源的角度對(duì)全要素能源效率進(jìn)行評(píng)估。

國(guó)內(nèi)對(duì)全要素能源效率的研究方法主要是基于非參數(shù)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法和參數(shù)的隨機(jī)前沿分析SFA模型。SFA模型使用局限較多，非參數(shù)的DEA 方法則不需要知道生產(chǎn)函數(shù)，只需要投入和產(chǎn)出指標(biāo)就可求出效率，使用的靈活度更高，因此大部分學(xué)者都使用了非參數(shù)的DEA模型。一部分學(xué)者采用了傳統(tǒng)的DEA 模型，如魏楚和沈滿洪(2007)、武春友和吳琦(2009)、程元棟(2017)、范秋芳和王麗洋(2018)等。但傳統(tǒng)的DEA模型在實(shí)際研究中逐漸暴露了一些不足，如對(duì)多個(gè)相對(duì)有效的決策單元進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)難以決策，對(duì)非期望產(chǎn)出的考慮等，因此修正的DEA 模型也逐漸被廣泛運(yùn)用在研究中。首先是超效率DEA模型的運(yùn)用，如馬海良等(2011)、師博和沈坤榮(2008)等基于超效率的DEA模型轉(zhuǎn)換了處于最前沿面的決策單元，使得效率較高的決策單元可以進(jìn)行深入的測(cè)評(píng)與對(duì)比。其次是多階段DEA 模型，如黃德春等(2012)、王維國(guó)和范丹(2012)、徐志強(qiáng)等(2013)、高志剛(2015)。再次是Malmquist 指數(shù)法，如李莞婕等(2014)，關(guān)愛(ài)萍等(2014)，王群偉、周德群(2008)和陳海躍(2017)基于Malmquist 指數(shù)法對(duì)我國(guó)及省際能源效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，將全要素能源效率的變動(dòng)分解為技術(shù)進(jìn)步指數(shù)和技術(shù)效率。最后是非期望產(chǎn)出的SBM模型，與傳統(tǒng)的DEA模型不同，SBM模型是非徑向非角度的，可以最大化提高效率的改善程度，同時(shí)考慮投入產(chǎn)出的松弛測(cè)度。肖亞朋和周申蓓(2016)、王景波等(2017)和陳星星(2018)將環(huán)境污染物納入了生產(chǎn)過(guò)程，基于非期望產(chǎn)出的SBM模型對(duì)能源效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

上述文獻(xiàn)對(duì)全要素能源效率的評(píng)價(jià)做出了大量的貢獻(xiàn)，但是本文發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的研究中，對(duì)能源效率和技術(shù)效率仍然存在含糊不清的情況，以制造業(yè)為研究對(duì)象，考慮其非期望產(chǎn)出碳排放來(lái)測(cè)算其能源效率的研究幾乎沒(méi)有。本文擬以制造業(yè)為研究對(duì)象，厘清能源效率和技術(shù)效率之間的差異，對(duì)兩種效率進(jìn)行測(cè)算和對(duì)比。

二、能源效率和技術(shù)效率

能源作為一種生產(chǎn)要素，通常是和勞動(dòng)、資本、原材料等其他生產(chǎn)要素共同參與生產(chǎn)過(guò)程。能源效率是指使用較少量的能源生產(chǎn)出同等數(shù)量的服務(wù)或有用產(chǎn)出。這里的問(wèn)題是如何去定義并度量能源投入和有用產(chǎn)出。由于生產(chǎn)中需要的投入是多方面的，因此本文借鑒Hu 和Wang(2006)在研究中提出的全要素能源效率(TEEE)的概念，將資本、勞動(dòng)力和能源消費(fèi)作為投入變量，將GDP 作為產(chǎn)出變量來(lái)計(jì)算能源效率。能源效率是在當(dāng)前的能源投入水平下，實(shí)際產(chǎn)出達(dá)到的最大產(chǎn)出水平，或者說(shuō)在產(chǎn)出固定的條件下，能源實(shí)現(xiàn)最小投入的程度。因此全要素能源效率＝能源投入最優(yōu)值/能源投入實(shí)際值。

技術(shù)效率(TE)的概念則是由Farrell(1957)提出來(lái)的，他從投入角度給出了技術(shù)效率的定義。他認(rèn)為技術(shù)效率是指在相同的產(chǎn)出下生產(chǎn)單元理想的最小可能性投入與實(shí)際投入的比率。因此從概念上來(lái)看，能源效率和技術(shù)效率有著顯著的區(qū)別，技術(shù)效率是針對(duì)生產(chǎn)單元，而能源效率是能源這一要素的利用效率。

圖1表明了技術(shù)效率和全要素能源效率的具體計(jì)算方法，同時(shí)也表明了二者的顯著區(qū)別。其中橫坐標(biāo)E為能源投入量，縱坐標(biāo)N為其他投入量，CD為生產(chǎn)前沿面。則R1點(diǎn)的技術(shù)效率為:而R1點(diǎn)的全要素能源效率值(TEEE)為:

在現(xiàn)有關(guān)于能源效率的大量研究中，存在一個(gè)問(wèn)題:通過(guò)DEA軟件測(cè)算出來(lái)的效率是否是能源效率?事實(shí)上，在計(jì)算能源效率的DEA模型中，盡管把能源作為一種生產(chǎn)要素加入DEA 模型中，其本質(zhì)只是在傳統(tǒng)的全要素生產(chǎn)框架中多考慮了能源投入這一生產(chǎn)要素，從而測(cè)度決策單元在綜合利用多種生產(chǎn)要素的條件下進(jìn)行生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出最大化的能力和程度。因此從本質(zhì)上來(lái)講，此時(shí)利用DEA軟件計(jì)算出來(lái)的效率，是一個(gè)考慮更為全面的決策單元的技術(shù)效率，并非是能源效率或者是某一投入要素的效率。

圖1全要素能源效率與技術(shù)效率計(jì)算演示

三、全要素能源效率和技術(shù)效率的測(cè)算與對(duì)比——以制造業(yè)為例

(一)測(cè)算模型

傳統(tǒng)DEA 模型既沒(méi)有考慮環(huán)境變量，也局限了投入產(chǎn)出的優(yōu)化途徑，因此本文主要介紹基于非期望SBM模型的全要素能源效率和技術(shù)效率。Tone(2001)先后提出了基于松弛變量的SBM模型和考慮非期望產(chǎn)出的SBM模型，此后將污染物作為非期望產(chǎn)出來(lái)計(jì)算能源效率。假設(shè)有n個(gè)決策單元(DMU)，投入變量、期望產(chǎn)出與非期望產(chǎn)出的向量表示分別為x∈Rm，yg∈Rs1和yb∈Rs2，在規(guī)模報(bào)酬不變(CCR)的情況下，該模型形式為:

其中，ρ表示效率；λ表示權(quán)重向量；m，s1，s2分別為投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出要素的個(gè)數(shù)；r為產(chǎn)出要素的個(gè)數(shù)；s-，sg，sb分別表示投入、期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出的松弛變量。當(dāng)s-＝sg＝sb＝0 時(shí)，決策單元的效率值ρ＝1，即此時(shí)決策單元處于生產(chǎn)函數(shù)前沿面上。當(dāng)效率值ρ＜1時(shí)，此時(shí)決策單元無(wú)效，存在投入或產(chǎn)出上的改進(jìn)。

通過(guò)該模型計(jì)算出來(lái)的效率即為技術(shù)效率，而s-為每種要素的冗余量，設(shè)為能源的冗余量，E為能源實(shí)際投入量，那么全要素能源效率

(二)研究變量及數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取了制造業(yè)的年度能源消費(fèi)量E、資本存量K、勞動(dòng)力L作為投入變量，制造業(yè)增加值Y作為期望的產(chǎn)出變量，制造業(yè)的碳排放作為非期望的產(chǎn)出變量，數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為1987～2016年，就變量的選擇和數(shù)據(jù)來(lái)源做如下說(shuō)明:

1.期望產(chǎn)出變量用制造業(yè)每年的增加值Y表示。選取《中國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的1987 ～2016 年制造業(yè)增加值數(shù)據(jù)，并以1987～2016年的居民消費(fèi)價(jià)格指數(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，折算為以1987年為基期的制造業(yè)增加值。

2.能源投入用制造業(yè)每年的能源消費(fèi)量E表示。數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.勞動(dòng)力投入用制造業(yè)每年就業(yè)人數(shù)L表示。選擇《中國(guó)勞動(dòng)統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的1987～2002 年制造業(yè)每年的就業(yè)人員數(shù)據(jù)，2003～2016 年的數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

4.資本投入用制造業(yè)每年固定資本存量K表示。鑒于固定資本存量無(wú)法在現(xiàn)有年鑒中直接找到，本文采用永續(xù)盤(pán)存法對(duì)制造業(yè)每年固定資本存量進(jìn)行測(cè)算。黃勇峰等(2002)在對(duì)中國(guó)制造業(yè)資本存量永續(xù)存盤(pán)法的估計(jì)中指出，固定資產(chǎn)原值和固定資產(chǎn)凈值是估計(jì)過(guò)程中需要用到的兩個(gè)重要指標(biāo)。永續(xù)盤(pán)存法的核心假設(shè)是相對(duì)效率幾何下降，與此同時(shí)折舊率保持不變，公式如下:

其中，Kt表示制造業(yè)第t年的固定資本存量，It表示制造業(yè)第t年的投資額，δ表示制造業(yè)的固定資產(chǎn)折舊率，參考單豪杰、師博(2008)對(duì)中國(guó)工業(yè)部門(mén)經(jīng)濟(jì)折舊率的估算結(jié)果，取其值為11.6%。

5.非期望產(chǎn)出用制造業(yè)碳排放量C表示。制造業(yè)的碳排放計(jì)算時(shí)采用能源消耗量(萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤)×標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放系數(shù)2.499，該系數(shù)取自鄭長(zhǎng)德、劉帥(2011)的研究。

(三)制造業(yè)全要素能源效率和技術(shù)效率的測(cè)算及對(duì)比

本文采用我國(guó)制造業(yè)1987～2016年的數(shù)據(jù)，構(gòu)建非期望產(chǎn)出的SBM模型，利用DEA-Solver pro5.0軟件進(jìn)行模型的運(yùn)算，結(jié)果如表1所示:

表1我國(guó)制造業(yè)技術(shù)效率和全要素能源效率

由表1可以看出，不考慮環(huán)境變量的能源效率被高估了，現(xiàn)實(shí)中的能源消耗除了能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的產(chǎn)出，也會(huì)帶來(lái)環(huán)境方面的產(chǎn)出，這種產(chǎn)出是非期望的。

總的來(lái)看，我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率和技術(shù)效率的發(fā)展特點(diǎn)有:①我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率降低幅度大，不穩(wěn)定。1987～2016年，我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率增長(zhǎng)較快，但是增長(zhǎng)中也不穩(wěn)定，只有兩年的能源效率為1。此外我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率在2012年時(shí)達(dá)到了1，2013年降低為0.9083。②我國(guó)制造業(yè)全要素能源消耗大，技術(shù)不完善。在1987～1991年時(shí)極低，不超過(guò)0.4，這期間年我國(guó)實(shí)施改革開(kāi)放政策有了一定效果，經(jīng)濟(jì)有了很大的發(fā)展，但是也投入了大量的能源，加之我國(guó)的技術(shù)還不完善，因此能源效率不高。③我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率有待提高。2010 年，我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率首次達(dá)到了0.9，2011年更是達(dá)到了0.98，這其中的發(fā)展之迅速與我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提高有很大的關(guān)聯(lián)。在2012年和2016年時(shí)我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率達(dá)到了1，是我國(guó)制造業(yè)能源利用相對(duì)有效的狀態(tài)。其他年份的能源效率仍然有待提高。④我國(guó)制造業(yè)技術(shù)效率要小于全要素能源效率。技術(shù)效率是制造業(yè)投入產(chǎn)出的總效率，而能源效率則是計(jì)算制造業(yè)在考慮所有投入產(chǎn)出的基礎(chǔ)上能源的利用效率，兩者存在大小關(guān)系，這也說(shuō)明能源效率和整體效率不一致。

(四)制造業(yè)各要素冗余率分析

要素的冗余量＝要素實(shí)際投入量-要素最優(yōu)投入量，要素冗余率＝要素冗余量÷要素實(shí)際投入量×100%。由圖2可以看出，我國(guó)制造業(yè)各要素的投入都有冗余，且冗余率高。1987～2016年所有投入要素的冗余量都呈逐漸降低的趨勢(shì)，資本投入冗余率年平均降低速度為2.87%，能源投入冗余率年平均降低速度為9.31%，勞動(dòng)力投入冗余率年平均降低速度為11.82%。其中，勞動(dòng)投入冗余率降低幅度最大。此外，也可以看出，三種投入要素中，勞動(dòng)力投入的冗余率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)要素，可見(jiàn)，我國(guó)制造業(yè)的勞動(dòng)力投入多有冗余，利用效率不高。

圖2 1987～2016年我國(guó)制造業(yè)各要素投入冗余率

四、結(jié)論與建議

本文利用非期望產(chǎn)出SBM-DEA模型對(duì)制造業(yè)的能源效率和技術(shù)效率進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)全要素能源效率增長(zhǎng)迅速，但不太穩(wěn)定。我國(guó)制造業(yè)整體技術(shù)效率低下，有待提高。制造業(yè)技術(shù)效率值低于全要素能源效率，原因可能是降低能耗的過(guò)程中增加了別的要素投入，由此導(dǎo)致了總效率的降低。制造業(yè)三種要素投入都存在冗余，其中勞動(dòng)力投入冗余率平均下降速度最快，能源次之，資本冗余率下降速度最慢。由此本文提出如下建議:

(一)合理利用智能技術(shù)，減少能源消耗

我國(guó)制造業(yè)的能源效率不太穩(wěn)定，大部分歸因于我國(guó)的節(jié)能技術(shù)還不是很發(fā)達(dá)，因此比較重要的是利用發(fā)展迅速的網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)，提高能源的利用效率，在一定程度上減少能源消耗。

(二)減少一次性能源投入，保護(hù)生活環(huán)境

制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中消耗大量的能源，尤其是一次性能源的使用，在造紙、石油加工、有色金屬加工等行業(yè)中表現(xiàn)尤為明顯。大量的能耗必然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此在生產(chǎn)過(guò)程中要減少一次性能源的投入，增加綠色能源的使用，使制造業(yè)發(fā)展符合當(dāng)下時(shí)代、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題，為生態(tài)環(huán)境、為所有人類造福。

(三)適當(dāng)控制勞動(dòng)力的投入，合理提高能源效率

當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)規(guī)模大，發(fā)展快，根基深，但行業(yè)效率低下。我國(guó)制造業(yè)人力投入冗余過(guò)多，平均超出了最優(yōu)水平的三倍多，因此在打造我國(guó)自主的制造業(yè)品牌過(guò)程中，也應(yīng)適當(dāng)控制勞動(dòng)力，合理配置人力資源，更好地提高能源效率。