DEA-关注公平的两阶段DEA模型:建模和计算方面

  • 文献介绍
  • 二阶段网络示意图
  • 基础知识——合作和非合作模式
    • 非合作模式(Non-cooperative mode)
      • subDMU1dominatestheoverallsystemsubDMU1 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU1 dominates the overall system
      • subDMU2dominatestheoverallsystemsubDMU2 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU2 dominates the overall system
    • 合作模式(Cooperative mode)
  • 考虑公平性的二阶段网络——Two−stageutilitymodelwithfairnessconcernTwo-stage \ utility \ model \ with \ fairness \ concernTwo−stage utility model with fairness concern
    • 非合作模式(Non-cooperative mode)
      • subDMU1dominatestheoverallsystemsubDMU1 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU1 dominates the overall system
        • 例子
      • subDMU2dominatestheoverallsystemsubDMU2 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU2 dominates the overall system

文献介绍


新出炉–吴杰老师的文章!文献名字是Two−stageDEAmodelswithfairnessconcern:ModellingandcomputationalaspectsTwo-stage \ DEA \ models \ with \ fairness \ concern:Modelling \ and \ computational \ aspectsTwo−stage DEA models with fairness concern:Modelling and computational aspects,发表于1区OmegaOmegaOmega期刊上,优秀。

这篇文献已经看了两三天了,里面的数学内容还没有彻底消化,但是模型以及所有的结果已经全部可以算得。这里自己主要是对模型抽丝剥茧,理理模型公式。一些数学理论大家有兴趣的话可以仔细钻研。

注意:由于本人看的文献基本都是外刊,国内文献有些术语我不太熟悉。有时候自己对英语翻译,可能说法不太对,我会尽量在一些词汇后面标注英文

二阶段网络示意图


由于这篇文献考虑公平性,对目标函数加上了一些惩罚项,在CCCCCC变换时已经不容易。所以在网络结构方面,考虑的是最简单的二阶段网络,要素只有投入、中间变量和产出。

基础知识——合作和非合作模式

非合作模式(Non-cooperative mode)

subDMU1dominatestheoverallsystemsubDMU1 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU1 dominates the overall system

如果是阶段一(图中用subDMU1subDMU1subDMU1表示)作为领导者(leader),阶段二(subDMU2subDMU2subDMU2)作为跟随者(follower),此时subDMU1subDMU1subDMU1的最优效率Eonon−1∗E^{non-1*}_{o}Eonon−1∗​由model1model1model1计算得到。

Charnes−CooperCharnes-CooperCharnes−Cooper变化存在,但不再特意指出。

在已知Eonon−1∗E^{non-1*}_{o}Eonon−1∗​后,继而求解Eonon−12=∑r=1sμr∗yro∑d=1pωd∗zdoE^{non-12}_{o}=\frac{\sum\limits_{r=1}^{s}\mu^{*}_{r}y_{ro}}{\sum\limits_{d=1}^{p}\omega_{d}^{*}z_{do}}Eonon−12​=d=1∑p​ωd∗​zdo​r=1∑s​μr∗​yro​​。文献中并没有给出求解Eonon−12E^{non-12}_{o}Eonon−12​的具体公式,应该是:

subDMU2dominatestheoverallsystemsubDMU2 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU2 dominates the overall system

与上述同理,如果是阶段二(图中用subDMU2subDMU2subDMU2表示)作为领导者(leader),阶段一(subDMU1subDMU1subDMU1)作为跟随者(follower),此时subDMU2subDMU2subDMU2的最优效率Eonon−2∗E^{non-2*}_{o}Eonon−2∗​由model3model3model3计算得到。

在已知Eonon−2∗E^{non-2*}_{o}Eonon−2∗​后,继而求解Eonon−21=∑d=1pωd∗zdo∑i=1mvi∗xioE^{non-21}_{o}=\frac{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}^{*}z_{do}}{\sum\limits_{i=1}^mv_{i}^{*}x_{io}}Eonon−21​=i=1∑m​vi∗​xio​d=1∑p​ωd∗​zdo​​。Eonon−12E^{non-12}_{o}Eonon−12​的具体公式为:

合作模式(Cooperative mode)

合作模式,实质上就是令两个阶段的加权求和效率最大。模型公式为model5model5model5。

由于权重a,ba,ba,b为0~1之间的常数,并且其大小由决策者(decisionmakerdecision makerdecisionmaker,即DMDMDM)。KaoKaoKao在2014年的OmegaOmegaOmega上发表了一篇关于权重设置的文章,提出给权重赋值。那么本文献也是这么做的,令:
a=∑i=1mvixio∑d=1pωdzdo+∑i=1mvixio,b=∑d=1pωdzdo∑d=1pωdzdo+∑i=1mvixioa=\frac{\sum\limits_{i=1}^mv_{i}x_{io}}{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}z_{do}+\sum\limits_{i=1}^mv_ix_{io}},b=\frac{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}z_{do}}{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}z_{do}+\sum\limits_{i=1}^mv_ix_{io}}a=d=1∑p​ωd​zdo​+i=1∑m​vi​xio​i=1∑m​vi​xio​​,b=d=1∑p​ωd​zdo​+i=1∑m​vi​xio​d=1∑p​ωd​zdo​​

由此,model5model5model5的目标函数变为: max∑d=1pωdzdo+∑r=1sμryro∑d=1pωdzdo+∑i=1mvixio\ max \ \frac{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}z_{do}+\sum\limits_{r=1}^s\mu_ry_{ro}}{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}z_{do}+\sum\limits_{i=1}^mv_ix_{io}} max d=1∑p​ωd​zdo​+i=1∑m​vi​xio​d=1∑p​ωd​zdo​+r=1∑s​μr​yro​​。
此时,当model5model5model5达到最优值,subDMU1subDMU1subDMU1和subDMU2subDMU2subDMU2的效率分别为:
Eo1∗=∑d=1pωd∗zdo∑i=1mvi∗xio,Eo2∗=∑r=1sμr∗yro∑d=1pωd∗zdoE_o^{1*}=\frac{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}^*z_{do}}{\sum\limits_{i=1}^mv_i^*x_{io}},E_o^{2*}=\frac{\sum\limits_{r=1}^s\mu_r^*y_{ro}}{\sum\limits_{d=1}^p\omega_{d}^*z_{do}}Eo1∗​=i=1∑m​vi∗​xio​d=1∑p​ωd∗​zdo​​,Eo2∗​=d=1∑p​ωd∗​zdo​r=1∑s​μr∗​yro​​

考虑公平性的二阶段网络——Two−stageutilitymodelwithfairnessconcernTwo-stage \ utility \ model \ with \ fairness \ concernTwo−stage utility model with fairness concern

文献中指出,公平关怀是行为经济学中指导人际交往的一个重要理念。公平关注的基本观点是,参与人关注的是自身利益以及利益在所有参与人之间的分配结果。
为了公平起见,假设两个阶段除了自身利益外,对彼此都有公平的关注,或者整体系统的监管者为两个子决策单元设定一个公平的结果。在本研究中,可以将自我效益视为效率。随后,假设每个子决策单元将协商一个双方都接受的公平的自我效能结果。对公平结果的任何损害都将以对彼此产生负效用的形式出现。
假设subDMU1subDMU1subDMU1的效率是subDMU2subDMU2subDMU2的效率的kkk倍,即Eo1=k∗Eo2(k>0)E_o^1=k*E^2_o(k>0)Eo1​=k∗Eo2​(k>0),基于行为经济学中的不平等厌恶和公平关注,对subDMU1subDMU1subDMU1和subDMU2subDMU2subDMU2的公平关注效用分别定义如下:


并且α1,α2,β1,β2>0\alpha_1,\alpha_2,\beta_1,\beta_2>0α1​,α2​,β1​,β2​>0。
其中,α\alphaα是嫉妒参数(envyparameterenvy \ parameterenvy parameter),β\betaβ是内疚参数(guiltparameterguilt \ parameterguilt parameter)。

非合作模式(Non-cooperative mode)

文献中详细说了subDMU1subDMU1subDMU1领导的情况,那么,在这里同样地详细说明该情况,subDMU2subDMU2subDMU2领导的情况草草带过。

subDMU1dominatestheoverallsystemsubDMU1 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU1 dominates the overall system

当subDMUsubDMUsubDMU(阶段一)是领导者并且关注公平性时,此时subDMUsubDMUsubDMU不只关注自己的效率Eo1E^1_oEo1​,同时关注公平关注效用(fairnessconcernutilityfairness \ concern \ utilityfairness concern utility)fo1f_o^1fo1​。模型见model9model9model9,一些变换见下图:

这里,经过Charnes−CooperCharnes-CooperCharnes−Cooper变化,令:

此时,model9model9model9转变为model11model11model11:

在model11model11model11中,α1,α2,β1,β2\alpha_1,\alpha_2,\beta_1,\beta_2α1​,α2​,β1​,β2​是由决策者决定的常数,kkk和qqq是需要讨论的。在后续例子中,作者有给出算法:

例子

文献中给出了数据,如Table1Table1Table1所示:

Enon−1∗E^{non-1*}Enon−1∗是由model1model1model1所得,Enon−12∗E^{non-12*}Enon−12∗是由model(1−1)model(1-1)model(1−1)所得。
qqq是通过循环遍历可得到。不同的kkk和嫉妒参数、内疚参数,所得结果不同。


subDMU2dominatestheoverallsystemsubDMU2 \ dominates \ the \ overall \ systemsubDMU2 dominates the overall system

若是在合作模式下,算法为:

本文设置k=2.357k=2.357k=2.357,结果为:

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