动态 DEA-CCR 模型手算推导与软件计算一致性校验 —— 基于 DEA Performance 工具

文章目录

    • 摘要
    • 一、引言
    • 二、测试数据集与参数配置
      • [2.1 测试数据集构造](#2.1 测试数据集构造)
      • [2.2 模型参数配置](#2.2 模型参数配置)
    • [三、动态 DEA-CCR 模型核心原理](#三、动态 DEA-CCR 模型核心原理)
      • [3.1 投入导向模型](#3.1 投入导向模型)
      • [3.2 产出导向模型](#3.2 产出导向模型)
      • [3.3 核心性质](#3.3 核心性质)
    • 四、投入导向模型手算推导
      • [4.1 DMU1 效率求解](#4.1 DMU1 效率求解)
      • [4.2 DMU2 效率求解](#4.2 DMU2 效率求解)
      • [4.3 DMU3 效率求解](#4.3 DMU3 效率求解)
    • 五、产出导向模型手算推导
      • [5.1 DMU1 效率求解](#5.1 DMU1 效率求解)
      • [5.2 DMU2 效率求解](#5.2 DMU2 效率求解)
      • [5.3 DMU3 效率求解](#5.3 DMU3 效率求解)
      • [5.4 倒数关系校验](#5.4 倒数关系校验)
    • [六、DEA Performance 软件计算结果](#六、DEA Performance 软件计算结果)
      • [6.1 投入导向计算结果](#6.1 投入导向计算结果)
      • [6.2 产出导向计算结果](#6.2 产出导向计算结果)
    • 七、一致性校验与结果分析
      • [7.1 数值一致性校验](#7.1 数值一致性校验)
      • [7.2 结果经济含义分析](#7.2 结果经济含义分析)
    • 八、总结

摘要

本文针对面板数据下的动态 DEA-CCR 模型,构造了包含 3 个决策单元、2 期观测的标准化测试数据集,通过数学推导完成投入导向与产出导向两种模式下的手算求解;同时基于 DEA Performance 软件实现相同参数下的自动化计算,并对两组结果进行全维度一致性校验。本文同时拆解了动态 DEA 中资本存量跨期折旧结转的核心约束逻辑,可为动态 DEA 模型的学习、开发与结果验证提供参考依据。

关键词:数据包络分析;动态 DEA;CCR 模型;手算验证;一致性校验


一、引言

在效率评价领域,传统静态 DEA 模型仅能处理单期截面数据,无法刻画资本存量、技术积累等跨期结转要素的持续影响。动态 DEA(Dynamic DEA)通过引入跨期关联变量(如资本存量),将多期面板数据纳入统一的效率评价框架,能够更真实地反映生产单元的长期运行效率。

对于科研人员而言,选择一款可靠的数据包络分析软件是开展效率评价研究的基础,尤其是论文用 DEA 软件推荐中,计算结果的准确性是核心考量因素。由于动态 DEA 引入了跨期约束,模型构造比静态 DEA 更为复杂,计算结果的正确性验证也成为开发者与使用者关注的核心问题。

本文通过构造可控的测试数据集,以手算推导的方式求解动态 DEA-CCR 模型的理论最优解,并与 DEA Performance 软件的计算结果进行对比校验,验证模型实现的准确性,同时帮助读者理解动态 DEA 的内在逻辑。


二、测试数据集与参数配置

2.1 测试数据集构造

为清晰验证模型逻辑,本文构造包含 3 个决策单元(DMU)、2 期时间序列的测试数据集,包含 2 项投入指标、2 项产出指标,其中投入 1 为资本存量指标,作为跨期结转变量。数据排列遵循「按 DMU 分组,每期一行」的规则,即先排列 DMU1 的两期数据,再依次排列 DMU2、DMU3。具体测试数据如下表所示:

DMU 名称 期数 投入 1(资本存量) 投入 2(可变投入) 产出 1 产出 2
DMU1 第 1 期 10 5 10 8
DMU1 第 2 期 9 5 12 9
DMU2 第 1 期 12 6 11 9
DMU2 第 2 期 11 6 13 10
DMU3 第 1 期 20 10 10 8
DMU3 第 2 期 18 10 12 9

数据设计说明

  • DMU1 :为构造的生产前沿单元,资本存量严格满足 10% 折旧率下的结转关系( 10 × 0.9 = 9 10 \times 0.9 = 9 10×0.9=9);
  • DMU2:为轻度低效单元,投入产出规模略高于 DMU1 但产出提升幅度不足;
  • DMU3:为显著低效单元,产出与 DMU1 持平但投入规模翻倍,用于验证效率值的比例关系。

2.2 模型参数配置

本次验证采用统一的参数配置,分别在投入导向与产出导向两种模式下求解:

  • 时间期数:2 期
  • 资本存量所在列:第 1 列投入
  • 资本折旧率:10%(0.1)
  • 基础模型:CCR(不变规模报酬 CRS)
  • 计算导向:分别验证投入导向、产出导向

图 1 DEA Performance 动态 DEA 模型参数配置界面


三、动态 DEA-CCR 模型核心原理

动态 DEA-CCR 模型的核心特征是引入资本存量的跨期折旧结转约束,同时单个 DMU 的所有时期共享同一个效率变量,实现跨期整体效率的统一评价。

3.1 投入导向模型

目标为最小化效率值 θ \theta θ( θ ≤ 1 \theta \le 1 θ≤1,值越接近 1 表示效率越高),核心约束包括:

  1. 可变投入约束 (非资本列):
    ∑ j = 1 n λ j , t x j , t , i + s t , i − = θ ⋅ x d , t , i , ∀ t , ∀ i ≠ k \sum_{j=1}^{n} \lambda_{j,t} x_{j,t,i} + s_{t,i}^- = \theta \cdot x_{d,t,i}, \quad \forall t, \forall i \neq k j=1∑nλj,txj,t,i+st,i−=θ⋅xd,t,i,∀t,∀i=k
  2. 产出约束
    ∑ j = 1 n λ j , t y j , t , r − s t , r + = y d , t , r , ∀ t , ∀ r \sum_{j=1}^{n} \lambda_{j,t} y_{j,t,r} - s_{t,r}^+ = y_{d,t,r}, \quad \forall t, \forall r j=1∑nλj,tyj,t,r−st,r+=yd,t,r,∀t,∀r
  3. 资本存量跨期结转约束
    • 第 1 期资本约束:
      ∑ j = 1 n λ j , 0 x j , 0 , k + s 0 , k − = θ ⋅ x d , 0 , k \sum_{j=1}^{n} \lambda_{j,0} x_{j,0,k} + s_{0,k}^- = \theta \cdot x_{d,0,k} j=1∑nλj,0xj,0,k+s0,k−=θ⋅xd,0,k
    • 第 t > 1 t>1 t>1 期资本结转约束:
      ∑ j = 1 n λ j , t − 1 x j , t − 1 , k ⋅ ( 1 − δ ) + s t , k − = ∑ j = 1 n λ j , t x j , t , k \sum_{j=1}^{n} \lambda_{j,t-1} x_{j,t-1,k} \cdot (1-\delta) + s_{t,k}^- = \sum_{j=1}^{n} \lambda_{j,t} x_{j,t,k} j=1∑nλj,t−1xj,t−1,k⋅(1−δ)+st,k−=j=1∑nλj,txj,t,k

其中, λ j , t \lambda_{j,t} λj,t 为第 t t t 期第 j j j 个 DMU 的权重, δ \delta δ 为资本折旧率, k k k 为资本列索引, s − s^- s−、 s + s^+ s+ 分别为投入、产出松弛变量。

3.2 产出导向模型

目标为最大化效率值 ϕ \phi ϕ( ϕ ≥ 1 \phi \ge 1 ϕ≥1,值越接近 1 表示效率越高),可变投入与产出约束形式对应调整,资本跨期结转约束的结构与投入导向保持一致。

3.3 核心性质

在不变规模报酬(CRS)且无冗余松弛的前提下,投入导向效率 θ \theta θ 与产出导向效率 ϕ \phi ϕ 满足倒数关系:

θ × ϕ = 1 \theta \times \phi = 1 θ×ϕ=1

该性质可作为结果合理性的快速校验依据。


四、投入导向模型手算推导

4.1 DMU1 效率求解

取参考组合为 DMU1 自身,即两期权重 λ 1 , 1 = 1 \lambda_{1,1}=1 λ1,1=1, λ 1 , 2 = 1 \lambda_{1,2}=1 λ1,2=1,其余 DMU 权重为 0。

  • 可变投入约束:左右两侧均等于自身投入值,松弛为 0,等式成立;
  • 产出约束:左右两侧均等于自身产出值,松弛为 0,等式成立;
  • 第 1 期资本约束 :左侧 10 × 1 = 10 10 \times 1 = 10 10×1=10,右侧 θ × 10 \theta \times 10 θ×10,当 θ = 1 \theta=1 θ=1 时等式成立;
  • 第 2 期资本结转约束 :左侧 10 × 1 × 0.9 = 9 10 \times 1 \times 0.9 = 9 10×1×0.9=9,右侧 9 × 1 = 9 9 \times 1 = 9 9×1=9,等式严格成立,资本松弛为 0。

因此 θ = 1 \theta=1 θ=1 是可行解,且为投入导向的理论下界,故 DMU1 最优效率为 1.0000

4.2 DMU2 效率求解

最优参考组合为 DMU1,设两期权重均为 λ \lambda λ。

由产出约束的短板项(第 1 期产出 2)可得: 8 × λ = 9 8 \times \lambda = 9 8×λ=9,解得 λ = 1.125 \lambda = 1.125 λ=1.125。

代入可变投入约束验证:

左侧: 5 × 1.125 = 5.625 5 \times 1.125 = 5.625 5×1.125=5.625

右侧: θ × 6 \theta \times 6 θ×6

解得 θ = 5.625 / 6 = 0.9375 \theta = 5.625 / 6 = 0.9375 θ=5.625/6=0.9375。

资本约束验证

  • 第 1 期:左侧 10 × 1.125 = 11.25 10 \times 1.125 = 11.25 10×1.125=11.25,右侧 0.9375 × 12 = 11.25 0.9375 \times 12 = 11.25 0.9375×12=11.25,等式成立;
  • 第 2 期结转:左侧 10 × 1.125 × 0.9 = 10.125 10 \times 1.125 \times 0.9 = 10.125 10×1.125×0.9=10.125,右侧 9 × 1.125 = 10.125 9 \times 1.125 = 10.125 9×1.125=10.125,等式成立。

所有约束均满足,故 DMU2 最优效率为 0.9375

4.3 DMU3 效率求解

DMU3 产出水平与 DMU1 完全一致,取参考组合为 DMU1,两期权重 λ = 1 \lambda=1 λ=1 即可覆盖全部产出。

代入可变投入约束:

左侧: 5 × 1 = 5 5 \times 1 = 5 5×1=5

右侧: θ × 10 \theta \times 10 θ×10

解得 θ = 5 / 10 = 0.5 \theta = 5 / 10 = 0.5 θ=5/10=0.5。

资本约束验证

  • 第 1 期:左侧 10 × 1 = 10 10 \times 1 = 10 10×1=10,右侧 0.5 × 20 = 10 0.5 \times 20 = 10 0.5×20=10,等式成立;
  • 第 2 期结转:左侧 10 × 1 × 0.9 = 9 10 \times 1 \times 0.9 = 9 10×1×0.9=9,右侧 9 × 1 = 9 9 \times 1 = 9 9×1=9,与 0.5 × 18 = 9 0.5 \times 18 = 9 0.5×18=9 匹配,等式成立。

故 DMU3 最优效率为 0.5000


五、产出导向模型手算推导

5.1 DMU1 效率求解

同理,取自身为参考组合, ϕ = 1 \phi=1 ϕ=1 时所有约束严格成立,故效率为 1.0000

5.2 DMU2 效率求解

最优参考组合为 DMU1,由投入约束短板(投入 2)可得: 5 × λ = 6 5 \times \lambda = 6 5×λ=6,解得 λ = 1.2 \lambda = 1.2 λ=1.2。

代入产出约束(第 1 期产出 2):

左侧: 8 × 1.2 = 9.6 8 \times 1.2 = 9.6 8×1.2=9.6

右侧: ϕ × 9 \phi \times 9 ϕ×9

解得 ϕ = 9.6 / 9 ≈ 1.0667 \phi = 9.6 / 9 \approx 1.0667 ϕ=9.6/9≈1.0667。

资本结转约束验证成立,故 DMU2 最优效率为 1.0667

5.3 DMU3 效率求解

DMU3 投入规模为 DMU1 的 2 倍,取参考权重 λ = 2 \lambda=2 λ=2,刚好耗尽全部投入。

代入产出约束:

10 × 2 = ϕ × 10 10 \times 2 = \phi \times 10 10×2=ϕ×10,解得 ϕ = 2 \phi=2 ϕ=2。

资本结转约束验证 :第 1 期 10 × 2 = 20 10 \times 2 = 20 10×2=20,第 2 期结转 10 × 2 × 0.9 = 18 10 \times 2 \times 0.9 = 18 10×2×0.9=18,与 DMU3 资本完全匹配,等式成立。故 DMU3 最优效率为 2.0000

5.4 倒数关系校验

  • DMU1: 1.0 × 1.0 = 1 1.0 \times 1.0 = 1 1.0×1.0=1,符合;
  • DMU2: 0.9375 × 1.0667 ≈ 1 0.9375 \times 1.0667 \approx 1 0.9375×1.0667≈1,符合;
  • DMU3: 0.5 × 2.0 = 1 0.5 \times 2.0 = 1 0.5×2.0=1,符合。

手算结果满足 CRS 模型的倒数性质,推导逻辑自洽。


六、DEA Performance 软件计算结果

使用 DEA Performance 软件导入相同测试数据,配置对应参数后,分别得到投入导向与产出导向的计算结果。

6.1 投入导向计算结果

图 2 动态 DEA-CCR 投入导向计算结果界面

软件输出的效率结果整理如下:

DMU 第 1 期效率 第 2 期效率 跨期平均效率
DMU1 1.0000 1.0000 1.0000
DMU2 0.9375 0.9375 0.9375
DMU3 0.5000 0.5000 0.5000

6.2 产出导向计算结果

图 3 动态 DEA-CCR 产出导向计算结果界面


软件输出的效率结果整理如下:

DMU 第 1 期效率 第 2 期效率 跨期平均效率
DMU1 1.0000 1.0000 1.0000
DMU2 1.0667 1.0667 1.0667
DMU3 2.0000 2.0000 2.0000

七、一致性校验与结果分析

7.1 数值一致性校验

将手算推导结果与 DEA Performance 软件计算结果进行逐项对比,所有 DMU 在两种导向下的效率值完全一致,误差为 0,验证了软件中动态 DEA-CCR 模型实现的正确性。

同时,同一 DMU 两期效率值完全相同,符合模型「跨期共享单一效率变量」的核心设定 ------ 动态 DEA 评价的是 DMU 的整体跨期效率,而非单期独立效率,这也是动态模型与逐期静态 DEA 的核心区别。

7.2 结果经济含义分析

  • DMU1:处于生产前沿面,两期均实现技术有效,资本存量增长与折旧率完全匹配,投入产出配置达到最优。
  • DMU2:存在轻度效率损失,投入导向下效率为 0.9375,意味着在保持当前产出不变的前提下,所有投入可统一缩减 6.25%;产出导向下效率为 1.0667,意味着在现有投入水平下,产出存在约 6.67% 的提升空间。
  • DMU3:效率水平显著偏低,投入存在严重冗余,仅需 50% 的投入规模即可实现当前产出,存在较大的优化空间。

八、总结

本文通过构造标准化测试数据集,完成了动态 DEA-CCR 模型的手算推导,并与 DEA Performance 软件的计算结果进行了全维度一致性校验,两组结果完全吻合,验证了软件模型实现的准确性与可靠性。

动态 DEA 的核心难点在于跨期资本结转约束的构造,本文通过分步拆解的方式清晰呈现了约束的逻辑与验证方法,可为动态 DEA 的学习、开发与结果校验提供参考。作为一款功能完善的免费的数据包络分析软件,DEA Performance 支持静态与动态多类 DEA 模型求解,可满足科研与实务中的各类效率评价需求。

后续将持续分享 DEA 结果异常排查方法、非期望产出 DEA 怎么处理、DEA 投影分析怎么做等实操内容,逐步完善 DEA 全模型体系的正确性校验与实操教程。


DEA Performance 链接:https://pan.baidu.com/s/1ziQkmN9LmLDebUGBIolIyw?pwd=5802

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