以目标为导向的边际生产力如何提升G20经济体的能源效率？元边界框架下的新双向资源分配方法

《Energy》：How does target-oriented marginal productivity promote energy efficiency in G20 economies? A new dual-directional resource allocation method within meta-frontier framework

　　摘要：元前沿数据包络分析已被广泛用于在技术差异性背景下评估能源效率，通过识别技术差距为决策单元设定改进基准。然而，该方法在分阶段能源效率优化中的应用仍较为有限。现有的元前沿研究主要提供效率目标，但未能充分重视如何在不同阶段重新分配能源资源。这些研究往往侧重于减少投入，而对GDP增长等期望的产出增长考虑不足。此外，尽管边际生产力已被引入DEA以确定提升生产力的方向，但在元前沿框架下的改进方向可能并非唯一，这会给资源分配决策带来复杂性。因此，本文将边际生产力引入元前沿框架，提出了一种新的目标导向型边际生产力指标，并在此基础上构建了新的双向资源分配方法。这些新方法被用于探讨G20经济体分阶段的能源效率优化路径。理论贡献在于避免了在元前沿框架下设定分阶段目标时的不合理性，丰富了资源分配方法的选择，提升了资源分配的灵活性；实践贡献则在于得出了以下结论与启示：首先，随着需要改进的国家数量以及改进难度的增加，分阶段能源效率优化要求越来越高；其次，早期阶段的能源分配调整主要集中在发展中国家，表明G20内部需要差异化的优化策略；第三，不同国家群体中对GDP增长贡献最大的能源投入各不相同：对于发达国家而言，电力消费通常是最佳投入，而发展中国家则需同时关注电力消费和天然气消费；第四，与传统资源分配方法相比，所提出的双向方法提升了分配灵活性，减少了投入冗余，更能促进期望的产出增长。这些发现为在技术差异性背景下为G20经济体设计差异化的分阶段能源分配政策提供了有针对性的依据。

引言：能源效率对于实现公平公正的清洁能源转型至关重要，也是全球经济脱碳的基础（Lee等人，2024）。然而，提高能源效率不仅意味着降低总能源消耗，还涉及将不同能源投入重新分配到更具生产力且碳排放更低的领域。对于处于不同发展阶段和技术条件的经济体而言，关键挑战在于如何在保持经济增长的同时调整能源资源。G20国家涵盖了全球最大的经济体以及各大洲和主要地区的代表性国家。目前，G20经济体的总排放量和GDP总量占全球总量的四分之三以上。因此，G20经济体在提高能源效率的过程中如何优化能源分配，对全球生态治理具有重要意义。2024年11月，第19届G20峰会以“建设公平的世界与可持续的地球”为主题成功召开。峰会强调了深化能源领域的国际合作与完善全球生态治理，进一步凸显了G20在推动可持续发展中的重要作用。然而，全球生态治理面临的一个重大障碍是，由碳排放加剧的环境恶化主要源于能源利用（Ma等人，2024）。这意味着，提高能源效率不应仅被视为一个整体效率目标，还应与能源资源分配的结构和方向相联系。尤其是低效的能源使用和不当的能源分配可能会进一步扩大G20经济体之间的环境差距，因此有必要探索差异化的能源调整策略。此外，G20中的发展中国家与发达国家在能源分配和低碳发展方面存在显著的技术差距。如图1所示，根据2018年至2022年的平均变化率，发达国家的可再生能源消费量有所增加，包括天然气和石油在内的化石能源消费量则有所下降，温室气体排放量也持续减少。相比之下，大多数发展中国家的化石能源消费量和温室气体排放量仍在上升。这些差异表明，发展中国家在优化能源使用和调整能源投入结构方面面临着更大压力。缩小这些差距不仅需要国际合作和技术进步，还需要更加针对性的能源再分配方案，既要考虑能源效率的提升，也要兼顾GDP的增长。尽管在能源效率优化与分配的研究方面已取得显著进展（Li等人，2024），但仍有一些亟待解决的问题：（1）如何设定分阶段目标以缩小G20经济体之间的差距？（2）如何确定不同投入类别对产出的影响，并制定多元化的能源分配方案？（3）如何在多阶段优化中实现GDP增长与减排的双赢局面？元前沿方法有助于解决第一个问题。作为技术进步的载体，元前沿框架可以通过比较不同决策单元的性能来识别最佳技术，从而为其他决策单元设定基准和目标，推动其达到更高的能源效率水平（Guo和Chen，2024）。近年来，元前沿在衡量技术差距方面的优势已被广泛应用于能源领域（Zhang等人，2024(a)；Dong等人，2024；Huang和Zhao，2024）。但目前，元前沿框架只能为决策单元提供不同阶段的改进目标，忽视了在提高效率过程中的资源分配多样性，也未考虑效率提升过程中的经济增长因素。边际生产力在经济学理论及应用中都发挥着重要作用，是解决第二个和第三个问题的关键。边际生产力能够衡量投入变化对产出的百分比影响，从而为资源分配提供指导。Lee（2014）将边际生产力引入DEA，提出了新的模型来识别提升生产力的方向。在此基础上，Lee（2017）进一步研究了元前沿框架内的方向性边际生产力，并利用该指标为企业寻找改进方向。这些结合了边际生产力的评估模型主要侧重于寻找提升生产力的“方向”。然而，在元前沿框架内，决策单元可能面临多条通往群体前沿和元前沿的可行改进路径，潜在的改进方向并非唯一（Chen和Wang，2023），这就导致了方向性边际生产力值的不确定性。更重要的是，方向性边际生产力并未将所识别的提升生产力方向与预先设定的阶段特定目标明确关联起来。因此，当存在多个提升生产力的方向时，方向性边际生产力无法确定哪个方向最符合当前优化阶段的目标。这种不确定性可能导致不同的资源分配方案，给决策者选择合适的调整策略带来困境。为解决这些局限性，本文将边际生产力引入新的元前沿框架，提出了目标导向型边际生产力指标，以及相应的双向资源分配方法。与仅能判断某个方向是否能够提升生产力的方向性边际生产力不同，目标导向型边际生产力是相对于预先设定的分阶段目标来评估边际生产力，从而确定与实现该目标相一致的方向。从这个意义上说，方向性边际生产力回答的是哪些方向能够提升生产力，而目标导向型边际生产力则进一步明确了哪种提升生产力的方向适合实现特定的阶段目标。通过将目标设定、边际生产力评估与资源分配相结合，所提出的框架减少了方向选择的不确定性，为确定应增加或减少哪些能源投入提供了更清晰的依据。此外，在这一新框架下，还可以实现逐步改进和“观望”决策，这更符合实际的决策过程。本文的其余结构如下：第二部分回顾了有关能源效率提升和元前沿的相关文献；第三部分分析了能源效率优化面临的困境；第四部分提出了提升和分配能源效率的新方法；第五部分为数据部分，第六部分为结果与讨论，这两部分运用这些方法评估分析了G20经济体的能源效率提升路径和资源分配方式；最后，第七部分给出了结论、启示及未来研究方向。

能源效率提升：随着全球范围内对能源最优利用的不断加强与推进，能源效率优化已成为一个需要更加灵活精准的决策来推动其发展的关键研究领域，因此对其评估与提升显得尤为重要。目前，关于能源效率的研究主要分为三类：第一类是对能源效率进行评估与比较，例如G?kg?z和Yal?in（2023）就运用DEA方法评估了//fanyi.sogou.com/?keyword=European%20Union%20member%20state&fr=websearch_submit&from=en&to=zh-CHSThe能源效率提升的主要困境：有效利用能源并提升其生产力增长，是全球经济实现可持续发展的关键因素（Shah等人，2024）。缩小G20中发达国家与发展中国家之间的技术差距，是提升能源效率的关键。作为评估能源效率提升及提升路径的重要方法，DEA在能源效率领域的应用仍面临以下两个困境：

困境1：优化方法

本研究为G20经济体优化能源效率与能源分配提供了新的研究思路和方法。研究流程图如图4所示。首先，本文提出了一种改进的博弈目标设定方法，该方法不仅能解决能源效率提升过程中多重目标选择的决策困境，还能避免不合理的TGR。其次，基于G20经济体的实际情况，首次将边际生产力与元前沿相结合，Data在本部分，本文采用了一种新的分阶段能源效率优化路径框架，并从双向资源分配的角度进一步探讨了G20经济体的能源效率提升问题。

能源效率提升中的最优目标设定：在第四部分，首先计算了不同阶段纳什博弈法的第1步结果，从而确定了每个阶段需要改进的决策单元的最优目标。如表4所示，在能源效率提升的第一阶段，需要改进的国家是土耳其。在第二阶段，为了缩小与最佳技术的差距，需要改进的国家包括加拿大、巴西、韩国、墨西哥和土耳其。在第三阶段，为了进一步缩小差距，需要改进的国家……结论与未来研究：G20中发达国家与发展中国家之间的技术差距，对于优化能源效率及调整能源分配至关重要。本文将边际生产力引入元前沿框架，提出了目标导向型边际生产力指标及双向资源分配方法。根据本文的计算结果，可得出以下重要结论：●随着分阶段能源效率优化路径的逐步推进，需要改进的国家数量不断增加，CRediT作者贡献声明：Xu Guo：撰写——初稿、软件、方法论、概念设计。Lei Chen：验证、监督、方法论、概念设计。Junchao Wang：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件。Lizhen Huang：形式分析、数据整理。Yuting Lin：验证、数据整理利益冲突声明：?作者们声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Lei Chen表示获得了中国国家自然科学基金（72171052）的资助；还获得了中国国家自然科学基金（72571065）的资助；以及福建省自然科学基金杰出青年科学基金（2024J010015）的资助。如果有其他作者，他们也需作出相应声明：Xu Guo|Lei Chen|Lizhen Huang|Yuting Lin|Junchao Wang河北师范大学商学院，中国石家庄市，邮编050024