基于粗糙集和熵权法的石油供应链可持续发展评估

南国芳，张月威

(天津大学管理与经济学部，天津300072)

著名供应链管理专家马丁·克里斯多弗指出，21世纪的竞争是供应链与供应链之间的竞争。石油行业作为国家经济的命脉，其供应链管理则显得更加重要。国内外对石油供应链的研究主要包括三方面内容:一是通过分析石油供应链上的成本结构、物资管理系统，指出供应链上存在的问题，并提出石油供应链管理的必要性以及优化管理的建议［1-3］;二是根据供应链存在的问题及结构特点，加入现实假设提出了石油供应链建模方法以及优化模型［4-6］;三是对石油供应链管理的各环节进行分析，提出准时制采购模型、计划模型，供应、运输和配送规划问题［7-9］。然而随着可持续观念的不断深入，企业在进行供应链管理时必须注重供应链的可持续性。文献［10］以英国石油天然气供应链为例，通过调查问卷、访谈等方式收集数据，研究了可持续性对石油供应链运营及业务绩效的影响。那么应该如何对石油供应链的可持续性进行评估是本文的研究重点。

对石油供应链的可持续发展评估属于多属性决策问题，其一般步骤是建立决策矩阵、确定属性权重、求出综合值进行排序。其中构建评价指标决策矩阵是基础，确定属性权重是关键，求出综合值进行排序是目的。不同的评价问题选取不同的评价指标，构建不同的决策矩阵，指标体系是否科学合理直接关系到评价的质量。指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度。指标权重的确定方法一般可以分为三类:一是主观赋权法，是由评价人员根据各指标的重要性而赋权的一类方法，如层次分析法［11］、群组评价法［12］、模糊分析法［13］等。这些方法由于引入了人为因素，具有一定的主观随意性。二是客观赋权法，是利用指标值所反映的客观信息确定权重的一种方法，如粗糙集法［14］、熵权法［15］等。该方法所赋权重不受主观判断的影响，弥补了主观赋权法的缺陷，权重值比较客观。但其结果可能与人的主观愿望不一致，从而对分析产生困难。三是主客观综合赋权法［16］，将主观赋权法与客观赋权相结合，可以利用各自的优点，弥补不足。获得指标权重后，通常是与指标值进行加权求和并排序，进行趋势分析。

本文在压力状态响应模型(pressure-state-response，PSR)的基础上，依据粗糙集和熵权理论，结合属性约简集所求权重与熵权确定综合权重，提高了指标权值确定的客观性。通过使用不同离散方法进行结果比较，发现加入熵权后属性综合值排序基本一致，解决了不同离散方法导致不同结果这一问题。然后将这种新方法所得的结果与基于理想解构建优化模型确定属性客观权重的方法进行比较，发现二者的排序基本一致，进而从结果上进一步证明了该方法的合理性。最后依据前人的水平分级研究成果及石油行业可持续发展的实际水平，将可持续指标值分为优秀、良好、中等、较差、差五个等级。通过级别的划分，可以根据指标综合值确切地知道行业的可持续发展水平。

一、基于三重底线原则的可持续发展压力状态响应模型

1．模型建立的基础

三重底线［17］是英国学者约翰·埃尔金顿于1997年提出的一个概念，是指在供应链管理中需要协调好经济利益、环境保护和社会责任三者之间的关系，促进三者的平衡发展。可持续性是指既要满足当代人的发展需求又不能损害后代人的利益，20世纪80年代末经济合作和开发组织与联合国环境规划署共同提出了环境指标的压力状态响应概念模型，该模型认为人类从自然环境取得各种资源，通过生产消费又向环境排放，从而改变了资源的数量和环境的质量，进而影响了人类的经济社会活动和福利。据此设计的指标能够较好地反映自然、经济、环境、资源之间相互依存相互制约的关系，因此被广泛应用于可持续发展评估。据此本文基于三重底线原则构建石油供应链可持续发展评估压力状态响应模型。

2．PSR模型指标层的建立

压力指标是指企业生产经营活动对社会和自然资源环境带来的影响，这里包括直接影响和间接影响。事故死亡率和总事故率可以体现生产活动对社会的影响。废水、废气的排放体现了对自然资源的直接影响，而原油、天然气的储量反映了对自然资源的间接影响。

状态指标是指企业在发展过程中各系统的状态，包括自然资源环境、社会经济发展等所处的状态。总资产、营业额、净利润可以体现企业追求的经济状态，税费可以体现企业的社会责任，原油、天然气、乙烯等的销售产量可以体现自然环境所处的状态。

响应指标用以表征企业为促进供应链可持续发展，应对环境问题，体现社会责任所采取的措施。节水、节能、环境保护可以应对环境污染及浪费的行为。健康体检体现企业对员工承担的责任，扶贫帮困、捐资助学、赈灾捐赠等是社会责任的一种体现。

3．PSR模型指标体系的构建

中国石油天然气股份有限公司(简称“中国石油”)是中国最大的石油天然气产品及相关产品的提供商，通过引入供应链管理思想，建成集原油勘探、生产、运输、加工和成品油及化工产品销售一体化的现代供应链管理体系。现以中国石油为例，选取石油供应链可持续发展指标，构建PSR模型。

在指标选取时依据《石油与天然气行业发布可持续发展报告指南》以及中国石油年度报表中2005—2011年的数据，以三重底线原则为依据，选取核心指标和附加指标共22个构建PSR模型。指标体系具有较好的统一性、完整性和代表性，能够准确地反映石油供应链的发展水平，如表1所示。

表1 中国石油可持续发展PSR模型及2005—2011年指标标准化值

续表1

二、基于粗糙集和熵权法的石油供应链可持续发展评估模型

1．石油供应链可持续发展评估模型建立的思路

一是通过粗糙集和熵权法确定各指标层的权重，由于粗糙集与熵权法都属于客观权重确定方法，两者结合既考虑了属性对决策的重要性又考虑了属性信息量，使得权重的确定更全面;二是通过假设要素层的权重，构建综合评价模型，求出可持续指标值。最后通过可持续指标值对被评价对象进行排序，确定可持续发展水平。

2．基于粗糙集和熵权法的评价步骤

(一)原始数据的标准化处理

由于评价指标的性质不同，具有不同的量纲和数量级，为了保证数据的可靠性，消除不同的量纲对决策结果的影响，使数据具有可比性，需要对数据进行规范化处理。假设有M个评价指标，N个评价对象，指标评价值为m'ij(i∈N，j∈M)，标准化指标值为mij。由文献［18］、［19］，效益型属性是指标值越大越好的指标，本文指状态层和响应层指标，则

成本型属性是指标值越小越好的指标，本文指压力层指标，则

(二)确定权重

利用粗糙集处理数据时，由于不需要其他任何先验知识，其处理数据的能力越来越受到重视。依据粗糙集原理确定指标权重的一般方法是利用属性重要性。属性的约简集是指同原来划分不变的最小的属性集合，且属性的约简集的个数大于零，所有约简集的交集为核属性。通过数据分析发现当核属性不存在时，利用属性的重要性得出来的所有属性权重为零，由此可知利用该方法计算权重存在缺陷。当核属性不存在时，则所有的约简集中的属性为相对必要属性。根据文献［20］可知，该属性出现在约减集中的个数与整个约简集个数之比可作为其重要程度刻画的一个标准。

设G为所有约简集的个数，g为含有相对重要属性kj的约简集的个数，则kj的权重，将其归一化可得

虽然上述方法可以确定相对重要属性权重，但是一方面由式(3)求出来的权重存在多个属性权重相等的情况，另一方面由于该方法处理的是离散化数据，属性离散化方法不同将会导致不同的约简集，进而将导致不同的属性权重。由此可知该方法求相对重要属性权重存在不足之处。

为了弥补上述不足，本文在属性约简集求权重的基础上加入熵权。熵权法也是一种客观求权重的方法，计算是基于规范化矩阵，不考虑离散数据，分析的是指标变异大小对权重的影响。而利用属性约简集求相对重要属性权重，考虑的是决策属性对条件属性的依赖性。将属性约简集求得的权重与熵权相结合，综合考虑了属性对决策的重要性和属性的信息量，从两个角度确定了属性的权重，并且可以弥补利用属性约简集在判断权重上的不足。根据文献［21］指标kj的熵权为

式中:l=1/ln N;hij=mij，并假定当 hij=0，hijln hij=0。

新权重wkj综合考虑了属性对决策的重要性和属性的信息量，权重设置更加合理。

(三)综合评价值

设压力层、状态层、响应层在可持续发展中重要性比重分别为 α、β、δ，则综合值为

式中:M1、M2、M3分别为压力层、状态层和响应层指标的个数;α、β、δ由标准差确定权重的方法［22］即式(7)确定;yij为压力层、状态层和响应层指数;yj为指数的均值。

依据前人的可持续发展水平分级研究成果及石油供应链的可持续发展的实际情况，将可持续指标值分为优秀、良好、中等、较差、差5个等级。当可持续指标值Z≥0.7时，可持续发展水平为优秀，表明石油供应链在经济、环境和社会方面都达到了较高的水平;而当0.6＜Z＜0.7时，可持续发展水平为良好;当0.5＜Z≤0.6时，可持续发展水平为中等，说明可持续发展水平虽然有所发展，但是水平不是很高;当0.4＜Z≤0.5时为较差，Z≤0.4为差，这时候的可持续发展水平比较低，需要大力提高可持续发展水平。

三、石油供应链可持续发展评估实证分析

1．评价指标标准化

由式(1)、式(2)对中国石油2005—2011年数据进行标准化处理，得到各指标的标准化值(见表1)。由于粗糙集处理的是离散化数据，利用Spss软件对数据进行等宽离散及聚类分析［23］，其中等宽离散算法是典型的无监管离散化方法，将标准化数据［0，1］等分为4个区间(1～0.75;0.75～0.5;0.5～0.25;0.25～0)，区间取 4 个离散值(4，3，2，1)，直观上可以理解为优、良、中、差。使用聚类分析得到决策属性，根据条件属性将决策属性分为了4类，确定最终决策信息系统(见表2)。

2．权重的计算

属性约简是保持和决策属性的依赖性相同的最小条件子集，根据表2利用Rosetta软件得出各层的属性约简集。

压力层属性约简集

状态层属性约简集

表2 PSR模型决策表

响应层属性约简集

A1={a2，a5};A2={a2，a6};A3={a4，a5};A4={a2，a3};A5={a3，a4};A6={a2，a4};A7={a5，a6};A8={a4，a7};A9={a3，a6}

根据各指标层所得的属性约简集以及式(3)可以得到相对必要属性权重，式(4)和式(5)以及表 1可得各指标层的熵权和新权重wkj，计算结果如表3所示。通过粗糙集得出的权重是以实验数据为依据，对数据本身进行挖掘，从而找出事物的内在规律，避免了不同专家的偏好和价值取向的差异带来的主观性问题。因此，它比一般的主观赋权法更具客观性，提高了评价结果的真实性。由表3可知，由粗糙集得到的属性权重中，存在着多个属性权重相等的情况，与实际分析不符。另外在进行数据分析时对数据进行了等宽离散，由于不同的离散方法将会导致不同的属性约简集，进而导致不同的权重。加入熵权得到新权重后，可以看出权重设计更加合理，弥补了仅使用约简集求权重的不足。

3．综合评价值

根据表1、表3以及式(6)、式(7)，可得各指标层综合属性值以及可持续发展水平，如表4。由表4可得2006年到2011年的可持续水平排序为:Z2010＞Z2011＞Z2008＞Z2009＞Z2007＞Z2006

表3 各指标权重

表4 PSR模型综合值及可持续发展等级

四、方法对比

首先，对表1的数据使用另一应用较为广泛的K均值聚类离散法，并且将K均值聚类离散法与等宽离散法所求的最终数据进行比较，判断加入熵权的合理性。其次，将该方法与文献［19］中提出的通过利用理想点构建优化模型求属性客观权重的方法进行比较，判断本文提出的方法在确定权重上的合理性。现将文献［19］中的方法称之为D方法，最终比较结果见表5。

表5 用不同离散方法及D方法所得综合值

由表5可知:1)用不同的离散方法所得的排序结果是不同的，尤其是可持续指标值的排序不同。用等宽离散方法得到的可持续发展水平最好的年份是2008年，而用K均值离散方法得到的可持续发展水平最好的是2011年。联系实际可知，2008年全球金融危机，石油行业受到很大影响，因此从实际情况来看2008年的可持续发展水平不应该是最好的。说明不同离散方法导致了不同的排序结果，并且直接影响到评估的准确性。但加入熵权后发现，对于可持续发展水平两种方法排序一致，均为:Z2010＞Z2011＞Z2008＞Z2009＞Z2007＞Z2006，这一排序结果符合实际情况。说明加入熵权后可以弥补不同离散方法导致不同结果这一缺陷，同时还可以使排序结果更加符合发展的客观规律。2)本文的方法与D方法所得的综合值在各层的排序基本一致，且最终的可持续发展指标排序一致。因此，从数据分析上证明了用本文方法确定属性权重进而进行多属性评估是合理的。同时应用本文中的方法可得2005—2011年可持续发展趋势图，由图可知中国石油天然气有限公司2005年至2011年可持续发展水平、压力层、状态层总体上呈上升趋势，而响应层呈现下降趋势，现可根据各个指标层的趋势进行有针对性的分析。

(1)压力指标。压力指标综合值呈现总体上升趋势，这是由于:第一，该企业不断重视生产的安全性，树立以人为本的理念，导致事故率不断下降;第二，由于环境保护意识的不断增强以及环保法律法规的不断健全，企业废气、废物的排放量不断下降;第三，考虑到资源开发对下一代的影响，中国石油对环境的潜在压力不断下降。因此，出现压力指标综合值呈现总体上升的趋势是内外部压力的共同结果，说明了社会、政府对企业的发展有不可忽视的作用。

图1 可持续发展趋势

(2)状态指标。状态综合值整体呈上升趋势，但是从2007年到2008年该指标增幅下降，2008年至2009年该指标呈下降趋势，这主要是由于石油行业受到了国际金融危机的严重影响和冲击。全球性金融危机的爆发影响了实体经济，国际市场原油价格大幅度下降，石油石化产品需求下降，石油开发项目由于融资困难而延迟等各种问题，因此出现状态综合值在2008年增幅下降，2009年下降的趋势。为了应对金融危机，该公司坚持以市场为导向、以效益为中心、科学组织生产经营。同时2010年后，国际金融市场逐渐趋于稳定，中国经济回升向好的基础逐步巩固，石油石化产品的需求增长，企业经营业绩上涨。因此2010年、2011年状态综合值呈现上升趋势。状态指标的发展状态说明在经济全球化的趋势下，企业的发展离不开整个国际经济环境，因此企业应该提高应对国际金融危机、金融风险的能力，不断提升企业核心竞争力。同时积极拓展市场，为可持续发展提供保障。

(3)响应指标。响应指标的波动幅度比较大，这主要是由于该指标反应了扶贫帮困、捐资助学、赈灾捐赠社会责任，表明了该公司在生产的同时，注重了国有企业在履行社会责任方面的表率作用。

(4)可持续发展指标。呈现总体上升趋势，由等级表可知，2005年到2011年中国石油天然气有限公司的可持续发展水平由差到良好，说明企业不断注重经济、环境和社会的可持续发展。

五、结 语

本文在粗糙集的基础上分析了当核属性不存在时，相对必要属性权重的确定方法。加入熵权可以弥补多个属性权重相等及离散方法不同所带来的影响。该方法为客观权重的确定提供了一种新的思路。以中国石油天然气有限公司为例，构建了石油供应链可持续发展评估PSR模型，使得对可持续发展水平有了更加细致的认识。另外提出的可持续发展水平等级表为企业处于可持续发展的阶段提供了标准，有利于企业对可持续发展水平有一个直观的认识。

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