A study on DEA-based environmental performance evaluation and quota allocation

par Chenpeng Feng

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de Feng Chu.

Soutenue le 18-12-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université d'Évry-Val-d'Essonne (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était Franck Delaplace.

Le jury était composé de Roberto Wolfer Calvo, Yugang Yu.

Les rapporteurs étaient Imed Kacem.

  • Titre traduit

    Evaluation de la performance environnementale et allocation de quotas basées sur la DEA


  • Résumé

    Les problèmes environnementaux attire depuis longtemps l’attention du milieu académique. Cette thèse porte sur l’évaluation de la performance environnementale et l’allocation des quotas, deux problématiques importantes des problèmes environnementaux. Nous faisons appel à l’analyse d’enveloppement des données (data envelopment analysis (DEA) en anglais) qui est un outil de programmation mathématique connu pour évaluer l’efficacité des groupes de décideurs - DMUs (decision making units). Plus précisément, les modèles à gain total nul (zero sum gains (ZSG) en anglais), les modèles centralisés et à frontière uniforme sont des techniques souvent utilisées pour l’évaluation de la performance environnementale et l’allocation des quotas. En revanche, les modèles ZSG-DEA existants sont non linéaires, ce qui engendre des goulets d’étranglement dans l’application réelle. En outre, l’approche à frontière uniforme proposée par Gomes and Lins (2008) ne s’applique qu’au cas avec une sortie indésirable unique de la technologie de production et sous l’hypothèse de rendements d’échelle variables (variable returns-to-scale (VRS) en anglais). De plus elle ne peut pas prendre en compte l’intérêt global des DMUs, tandis que les modèles centralisés se concentrent uniquement sur l’intérêt global et ignorent les intérêts individuels.Cette thèse présente nos trois contributions principales sur ces deux sujets. Le premier travail (chapitre 3) met l’accent sur l’évaluation de la performance environnementale. Les modèles ZSG-DEA existants sont transformés pour la première fois en modèles linéaires ou linéaires paramétrés grâce à des propriétés analytiques. Ensuite, les modèles linéarisés sont adoptés pour évaluer la performance environnementale de 30 régions chinoises. Le deuxième travail présenté dans le chapitre 4 traite l’allocation des quotas de sorties indésirables en tenant compte des intérêts individuels. Le chapitre 5 traite le même sujet mais prend en compte en même temps les intérêts globaux et les intérêts individuels. Deux modèles ZSG-DEA améliorés sous les hypothèses VRS et CRS (constant returns-to-scale, ou rendements d’échelle constants) sont proposés dans le chapitre 4 pour surmonter l’infaisabilité des modèles existant dans la littérature. Comme la frontière uniforme joue un rôle important dans l’allocation des ressources, en nous basant sur les propriétés analytiques que nous démontrons, nous proposons un algorithme itératif pour calculer le plan d’allocation de quotas lorsque tous les DMUs forment une frontière uniforme. Ensuite, l’algorithme est testé avec une étude empirique sur l’allocation des trois types de déchets industriels parmi 30 régions chinoises. Enfin, le chapitre 5 développe une méthode innovante à deux étapes pour l’attribution de la réduction des émissions de carbone (carbon emission abatement (CEA) en anglais). La méthode proposée est appliquée pour l’attribution de CEAs parmi les pays de l’OCDE.


  • Résumé

    The environmental problems have drawn academia’s attention for a long time. This thesis focuses on environmental performance evaluation and quota allocation, which are two crucial issues of the environmental problems. Data envelopment analysis (DEA) is a mathematical programming tool to evaluate the relative efficiencies of decision making units (DMUs). Specifically, the techniques such as zero sum gains (ZSG) DEA models, centralized DEA models and the uniform frontier are used in environmental performance evaluation and quota allocation. Nevertheless, the ZSG-DEA models in the literature are nonlinear ones, which bring up bottlenecks in real application. In addition, the uniform frontier proposed by Gomes and Lins (2008) can only allocate single undesirable output under variable returns-to-scale (VRS) assumption and it pays no attention to the overall interest, while the centralized models merely concentrate on the overall interest and ignore individual ones.This thesis mainly consists of three works about two topics. The first topic (Chapter 3) focuses on environmental performance evaluation. For the first time, the existing ZSG-DEA models are transformed into linear or parametric linear ones through objective substitution and analytical properties. Then the linearized models are adopted to evaluate the environmental efficiencies of 30 administrative regions in China. The second topic focuses on quota allocation of undesirable outputs with consideration of the individual interests (Chapter 4) or the overall and individual interests (Chapter 5). Two improved ZSG-DEA models under VRS and constant returns-to-scale (CRS) assumptions are proposed to overcome the infeasibility of the existing models. As the uniform frontier plays an important role in resource allocation, based on the analyses of models’ properties, an iterative algorithm is devised to calculate the quota allocation plan when all the DMUs form a uniform frontier. Then the algorithm is tested by an empirical study of allocating the quotas of three industrial wastes for 30 administrative regions in China. Finally, Chapter 5 develops a novel two-step method of allocating carbon emissions abatement (CEA). In the empirical example, the proposed method is applied to the CEAs allocation for the countries in Organization for Economic Co-operation and Development (OECD).


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Informations

  • Détails : 1 vol. (XVI-124 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 111-118.

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