Programa de Engenharia de
Produção - COPPE/UFRJ
Annibal
Parracho Sant’Anna
Departamento de Engenharia
de Produção - UFF
Marcos
Estellita Lins
Programa de Engenharia de
Produção - COPPE/UFRJ
Abstract
In this paper we present a procedure based on the use of Minimum Sum of
Absolute Errors (MSAE) regression
for the treatment of factor weights in DEA, in the case where the
decision assessed involves a single output. It develops and presentsAn alternative method to
limit the range within wichwhich these factor weights are allowed to
vary is developed.
The objective here is to work provide an automaticone
way to derivein which
numerical boundsconstraints
can be placed for the case where the decision assessed involves
a single output.
Palavras-chave:
DEA, restrições de peso, medição de
eficiência, regressão linear múltipla MSAE.
Neste artigo apresentamos um
método para restringir a flexibilidade de pesos dos fatores na utilização de Data Envelopment Analysis (DEA), metodologia desenvolvida para
avaliar eficiência relativa de unidades produtivas através de análises
realizadas nos níveis de utilização de suas entradas, ou inputs,eus inputs objetivando a produção de seus outputsuas saídas, ou outputs. . . No modelo dos
multiplicadores, CCR,
Mais
especificamente, as eficiências são resultantes de maximização da
razão da soma de saídasoutputs ponderadaos pela soma de entradas inputs ponderadaos da unidade
sob avaliação. Na forma originalmente apresentada por Charnes, Cooper e Rhodes (1978)[1],
DEA permite total flexibilidade de
pesos utilizados nas ponderações, de tal forma que cada unidade alcança sua
eficiência máxima não levando em conta qualquer prioridade ou limitação na
utilização dos fatores.
Esta flexibilidade
permite, por um lado, que cada unidade busque sua eficiência segundo mixcomposição, ou mix, de pesos de inpuentradas ts e saídasoutputs própriaos, sem necessidade de
submeter-se a uma única composiçãoo mix
para todas as unidades. Por outro lado, esta
flexibilidade leva a situações inaceitáveis, devido a duas características
dos modelos DEA
[15]):
1.
As
regiões Pareto-ineficientes, nas quais as DMUs
apresentam pesos nulos atribuídos a algumas entradas ou saídas.ns inputs
ou outputs.
2.
Os
vértices do conjunto de possibilidades de produção, pontos em que se verifica
uma infinidade de mixcomposições de pesos ótimos (soluções
ótimas alternativas do modelo DEA
dos multiplicadores).
Freqüentemente em aplicações
práticas de DEA, onde não são
impostas restrições aos pesos, encontramos soluções impróprias, pois a
eficiência de algumas unidades é alcançada quase que exclusivamente devido a um
determinado fator. Ocorre, ainda, muitas vezes, as distribuições dos pesos
apresentarem-se completamente diferentes para as diferentes unidades.
. A
maior parte deles incorpora valores de julgamentos a priori
realizados por especialistas, que freqüentemente causam controvérsias.
Resumidamente, podemos dizer que os critérios e procedimentos desenvolvidos até
aqui passam pelo estabelecimento de restrições arbitrárias diretas nos pesos
[2], restrições também arbitrárias sobre
a proporção da importância de
determinado output
de uma DMU j
em relação aos demais outputs
[3], e estabelecimento de princípios
de ´´regiões de segurança´´ , onde
restrições são introduzidas para incorporar na análise uma ordenação relativa
dos diversos inputs
ou outputs
[4], [5].
O artigo é
organizado da seguinte maneira: na Seção 2 são destacados os principais trabalhos sobre restriçãocao de pesos em DEA, na Seçãocao 3 introduzimos
a técnica de estimação MSEA apresentando
os procedimentos para a obtenção dos
estimadores pontuais e por intervalo; na Seção 4 avaliamos
a utilização de MSEA aos dados da
aplicação, calculamos seus estimadores e a seguir ponderamos os estimadores pelaos inputsentradas, terminando com a aplicação da metodologia DEA com e sem restrições aos
dados, verificando suas diferenças; finalmente concluímos o artigo na
Seção 5 com comentários finais.
2. Estudos Anteriores
Diversos trabalhos
para impor limites a pesos de fatores têm sido desenvolvidos e publicados
,
destacando-se:
·
Restrições Diretas
nos pesos
Desenvolvido por
Dyson e Thanassoulis (1988) e generalizado por Roll, Cook e Golany (1991).
Segundo este método, impõem-se limites numéricos diretamente aos multiplicadores, da forma:
Q2i £ Vi £ Q1i para as entradas,os inputs
P2r £ Ur £ P1r para as saídas,os outputs
B0 = S Vi Xi0.
·
A Região de
Segurança
(Assurance Region-AR)
Desenvolvido por Thompson, Langemeier,
Lee, Lee e Thrall (1990).. As restrições AR
são do tipo:
Ur £ ars Us,
" r ¹ s
Vi £ bij Vj " i ¹ j
onde ars e bij são definidos pelo
usuário.
Esta
é a chamada
Região de Segurança de tipo I (Assurance Region
I – AR I).
A Região de Segurança de tipo II (Assurance Region
II – AR II), apresentada
por Thompson et al. (1990), relaciona os pesos das entradas e saídas.os inputs e dos outputs.
·
Método Cone Ratio
Desenvolvido por
Charnes,
Cooper, Wei e Huang (1989). Este método permite uma transformação da base de
dados original de modo a que o
modelo com restrições
possa ser implementado em um software para modselos DEA básicos .
Uma vez obtidos os resultados, os dados devem
ser.
transformados
para a forma original para
que se possaa fim de interpretá-los.
·
Restrição às entradas e saídasaos inputs
e outputs virtuais
Do ponto de vista
do usuário,
é, as vezes difícil estabelecer limites aos multiplicadores, levando em conta as
unidades de medidas
dos iinputs
e outputsas entradas e saídas. Uma alternativa
mais amigável
é estabelecer limites fr e yr à saídaao output virtuail
r de
uma DMU j, o que foi proposto por Wong e Beasley (1990).. A restrição à saída ao output
virtual r é da forma
,
onde
representa a saídao output v virtual total da DMU
j. Este tipo de restrição, no entanto, acarreta
problemas de inviabilidade de difícil solução.
·
Restrição
contingente das entradas
e saídasos input e
outputs virtuais
Propõe
a imposição de limites relativos às participações de cada input (ou output)entrada ou saída na entradao input v virtual. Foi, e foi proposta por (Pedraja-Chaparro
et al, 1997). Produz restrições da seguinte forma:
ciV1X1j
£ ViXij
£ di
V1 X1j,
para i > 1,
onde ci e di são
determinados pelo usuário.
Este tipo de restrição aos
pesos é
“contingente”
porque o padrão dos pesos
selecionados depende dos níveis das entradas e saídasos inputs
e outputs utilizados pela DMU .
Os
métodos apresentados para introduzir as restrições nos pesos podem ser classificados da
seguinte forma, (Pedraja-Chaparro et al., (1997)).:
|
Tipo de
Restrição |
|
Pesos (multiplicadores) |
Absoluta |
Relativa |
Original |
Dyson & Thanassoulis ( Roll, Cook &
Golany (1991) |
Thompson,
Langemeier, Lee, Lee & Thrall (1990) |
Método Cone
Ratio (1989) |
|
|
Virtual |
Wong &
Beasley (1990) |
Pedraja-Chaparro et al. (1997) |
O critério adotado neste
trabalho utiliza o ajustamento preliminar de um modelo de regressão linear y= Sxi bi
+ e, onde o parâmetro bi indica a mudança esperada na variável dependente y
por unidade adicionada à variável xi,
quando as outras coordenadas do vetor x de variáveis explicativas permanecem
inalteradas. No nosso caso, seguindo esse conceito, os parâmetros bi representam as importâncias
relativas de cada input na entrada na determinação
da saídao output y. Depois de estimados estes parâmetros, calculamos intervalos de confiança para as
estimativas dos b´s. Os limites bmin e bmax destes intervalos, serão
utilizados na construção de proporções que delimitarão os pesos das entradasos inputs na determinação das eficiências
utilizando DEA.
Dentro das diversas
alternativas de estimação de parâmetros
em regressão linear, como por exemplo a
popular Mínima Soma dos Erros Quadráticos (MSEQ), a Mínima Soma dos Erros Relativos (MSEA) e também a Mínima Soma dos Erros Absolutos (MSEA), optamos pelo último método, pois
se apresenta como a alternativa mais robusta. A busca de alternativas robustas
se justifica por ser a presença de outliers
uma provável causa dos pesos extremos que queremos evitar. Adotando o algoritmo
de minimização da soma dos valores dos resíduos na regressão linear, estaremos
sendo coerentes com uma idéia central de DEA, que é a de não descartar outliers, admitindo a existência de
informações relevantes neste tipo de observação.
Ao contrário de grande parte
das abordagens anteriores, a utilização de regressão estatística neste trabalho
aparece como um complemento, e não como uma alternativa à metodologia DEA. Nosso objetivo é oferecer uma
possibilidade de refinamento para propiciar que seus resultados se apresentem coerentes
com a realidade das aplicações.
O artigo é
organizado da seguinte maneira: na Seção 2 introduzimos a técnica de estimação MSEA apresentando os procedimentos para a obtenção
dos estimadores pontuais e por intervalo;
na Seção 3 avaliamos a utilização de MSEA aos dados
da aplicação, calculamos seus estimadores e a seguir ponderamos os estimadores
pelos inputs, terminando com a aplicação da metodologia DEA com e sem restrições aos dados, verificando suas diferenças; finalmente concluímos o artigo na Seção 4 com comentários finais.
3. 2. A
Regressão MSEA
3.1 Introdução
O algoritmo da Mínima Soma
dos Erros Quadráticos (MSEQ) há muito
tempo ocupa posição privilegiada na estimação dos parâmetros de modelos de
regressão linear devido, principalmente, à relativa simplicidade da teoria. Tem
presença obrigatória em todas as rotinas de computadores para cálculo de
estimadores. Entretanto, seus resultados têm de ser questionados quando a
distribuição das perturbações não é Normal. A presença de outliers, muitas vezes, revela que o erro aleatório possui
uma distribuição complicada pela mistura de alguma parcela discreta ou
representante de uma família de distribuições com cauda mais acentuada, como,
por exemplo, as de Cauchy e LaLaplace (ver Blaterg e Sargent
(1971)). [6].
Um método para avaliarmos
esta distribuição dos erros, apresentado em Montgomery e Peck (1992)[7], fornece um bom critério para
verificarmos se estimadores de MSEQ
devem ser utilizados em determinada aplicação. O método consiste em plotar em
ordem crescente os erros, ou seja, e[1] < e[2] <
... < e[n3] contra a probabilidade
cumulativa Pi = [(i – ½)]/ n. O gráfico resultante, dependendo de sua forma, indicará presença ou não de
outliers que, em caso positivo,
sugere a utilização de outra
alternativa para os estimadores.
O Método das Mínimas Somas dos Erros Absolutos (MSEA) supera as deficiências encontradas
pelo MSEQ na existência de outliers. Este método é menos sensível à
existência de dados extremos, podendo ser demonstrado que estimadores de mínima soma dos erros absolutos são de
máxima verossimilhança quando os erros seguem uma distribuição de Laplace, conforme Blaterg e Sargent (1971). [6].
Durante muito tempo, a descoberta de algoritmos
computacionais para solução do problema dee
min S ÷ yi - xibú em modelos de regressão
linear múltipla foi uma barreira à utilização do método. Uma contribuição de Charnes,
Cooper e Ferguson (1955)[8] foi formular a regressão MSEA como um problema de programação
linear. Nas últimas décadas vários algoritmos eficientes têm sido propostos, ver Barrodale e Roberts (1973) e
Zhang (1993).[9],[10].
Ao
trabalharmos regressão linear em
conjunto com DEA, onde outliers são importantes nas
análises, devemos escolher um método
que supere este problema de alta sensibilidade aos dados extremos sem admitir a
exclusão de dados. Esta é uma vantagem da regressão de Mínima Soma dos Erros Absolutos (MSEA) sobre outros métodos apresentados em Narula e Wellington (1985)[11], como alternativas robustas à
regressão MSEQ.
3.2 Estimadores de MSEA
Considere
o modelo de regressão linear múltiplo y
= b0 + b1x1 + ... + bk + e (1), onde y é uma
variável dependente; x 1,..., xk são k
variáveis regressoras; b0, b1, ...bk são k + 1 constantes desconhecidas e e representa o erro aleatório produzido
pelo modelo possuindo função de densidade denotada por f(e).
O estimador
obtido pelo método da Mínima Soma dos Erros Absolutos (MSEA) b de b minimiza
åin = çyi - xib ç (1)
para todos os valores de b, onde yi é o i-ésimo elemento do vetor Y e xi
é a i-ésima linha da matriz X, sendo n
o número de observações. O modelo em (1) pode ser escrito na forma matricial
como Y = Xb + e. O procedimento para
encontrarmos o estimador MSEA pode ser formulado através do seguinte PPL:
Minimizar 1'e+ + 1'e-
Sujeito a Xb
+ e+ - e- = Y
e+ , e-
³ 0
b
irrestrito em sinal, sinal,
onde o estimador MSEA
b
é um vetor k x 1, 1 é um vetor n x 1, sendo
ej+ = (yj – xj b) se yj – xj b ³ 0
ej- = -(yj – xj b ) se yj – xj b < 0
4.
Um exemplo na
utilização de MSEA com DEA
4.1
Obtenção
dos estimadores
estimadores
Ilustraremos a utilização de estimadores MSEA através de um exemplo. Os
dados, com duas variáveis regressoras e
uma variável dependente para 25 observações vêem
de Montgomery e Peck (1992) [7], com dados sobre
tempo de entrega. Utilizando oprograma de computador para resolver o
PPL da Seção 2.2, com o critério MSEA, encontramos o seguinte modelo
com duas variáveis regressoras com o critério MSEA: Y = 3.66210 + 1.42721X1 +0 .0143X2
. (2).
Utilizando resultados de inferência estatística
baseados em Narula
(1987)[12], calcularemos intervalos de
confiança para os estimadores de MSEA
da regressão (2).
Para o estimador bi, a um intervalo de
confiança de (1-a) 100%, t teremos a seguinte amplitude
bi - za/2 t (X’X)ii-1/2
£ bi £ bi + za/2 t (X’X)ii-1/2
onde (X’X)ii-1 é o i-ésimo elemento da diagonal de (X’X)-1 e t um
estimador proposto em Birkes
e Dodge (1993) e Mckean e Schhrader (1987) dado por seguinte forma
[13],[14]
da seguinte forma
t = n*1/2 (e[n*-
m + 1] - e[m])/4 , onde m = (n* + 1)/2
- n*1/2 e ,
n*
sendo
o número de
resíduos diferentes de zero e e[1],
e[2], ..., e[n*] são os
resíduos diferentes de zero ordenados em ordem crescente.
No exemplo em estudo, (X’X)22
-1 = 0.0027,
n* = 22, m = (22 + 1)/2 – 4.69 = 6.81,
t = 4.69 (e2016 –
e7)/4 = 4.69 (1.08681.1753
+ 0,66594)/4
= 2.0552.1582 para a/2 = 0.005,
b1 –
(2.34074)(2.0552.1582) ( 0.0027)1/2 £ b1 £ b1 + (2.34074)(2.0552.1582) ( 0.0027)1/2 e
1.17731945 £ b1 £ 1.67716596 (3)
Calculando agora o intervalo para b2 : (X’X)33-1 = 0.00000123,
b2 – (2.34074) (2.0552.1582) (0.00000123)1/2 £ b2 £ b2 + (2.34074) (2.0552.1582) (0.00000123)1/2 e
0.0089093 £ b2 £ 0.019692 (4)
4.2
Ponderando os Estimadores
pelas Escalas das
Entradasos Inputs
É importante observar que, simplesmente analisando
os estimadores pontuais obtidos na Seção anterior, não puodemos concluir
muita coisa a respeito da importância de cada entradainput nna determinação da saídao output y. Logicamente, os valores dos estimadores b1 e b2 são influenciados pelas escalas de valores daos correspondentes inputs entradas x1
e x2.
Devemos propor um procedimento razoável para eliminarmos
esta influência, de forma que tenhamos um parâmetro que indique as reais
parcelas de contribuição na determinação da saídao output feita por cada entradainput.
Uma maneira simples de obtermos este
parâmetro é relacionando os estimadores bi´s com a média dos dados
observados da variável xi, conforme mostrado a seguir:
Yi = [ bi . S xij / n] / S [bi . S xij / n].
No caso em estudo,
teremos Y1 = 0,681371 e Y2 = 0,318729.
Estas medidas pontuais podem ser utilizadas para
formar os intervalos Yi min e Yi max através das amplitudes
relativas dos intervalos de confiança (3) e (4).
Para o intervalo de b1 a amplitude do intervalo
foi de (1.67716596
– 1.42721)/1.42721= 0.1751629 ou 17.516.29%. Da mesma forma, para b2 teremos uma amplitude
percentual de 37.0634.26%
Utilizando estes percentuais encontramos os
intervalos possíveis para os pesos daos entradas inputs na determinação da saídao output:.
0.563259
£ Y1 £ 0.800082
(5)
0.200019
£ Y2 £ 0.436848
4.3
Utilizando Estimadores MSEA
ponderados como Restrição aos Pesos em DEA
Utilizando os dados referidos, de Montgomery e Peck (1992), [7],
geramos a Tabela
A (ANEXO), com os escoresscores
de eficiência, os respectivos conjuntos referência, ou (peer groups,) e ainda a
contribuição de cada entradainput na obtenção da eficiência. O modelo utilizado foi o CCR com orientação para a minimização das
entradasinputinput, sem restrição aos
pesos dos fatores formalizado
assim:
.
Seja a DMUo a unidade
a ser avaliada. Nós
resolvemos o seguinte problema de programação
fracional para obter os valores dos pesos das entradasos inputs
vi (i=1,2) e o peso
dao únicao saída output u como
variáveis.
Max f = (uyo / v1x1o + v2x2o) (6)
Sujeito a (uyj / v1x1j + v2x2j) £ 1
(j=1,2,...,25) (7)
Sendo v1, v2 ³ 0
e u ³ 0 (8)
Este é um programa
de programação não linear
que pode ser convertido em um PPL.
Podemos observar,
na Tabela A,
por exemplo, que todas as
observações 4, 5, 10, e 12 alcançam
suas eficiências baseadas exclusivamente no fator X1, o que, na
prática, possivelmente, não se apresenta como um resultado razoável.
Os pesos representam um valor relativo que
proporciona o melhor escorescore possível para uma
determinada unidade, além disso, esse sistema de pesos deve garantir que para
todas as unidades, nenhuma alcance um
um score
escore de eficiência acima da unidade.
Nestas condições, é comum algum fator de menor relevância adquirir um peso
relativamente alto, gerando
uma unidade eficiente basicamente às custas desse fator, tendo por outro lado
atribuído peso nulo a fatores mais relevantes, sendo isso inaceitável do ponto
de vista prático.
Utilizando agora o mesmo modelo CCR-I (Equações 6-8) acima, tendo a
Equação
(8) alterada para (8´) conforme
resultados obtidos em (5), teremos
0.5632 £ v1
£ 0.8100 e
0.1900 £ v2 £ 0.4368 (8´)
representando as restrições aos fatores calculadas
anteriormente. Assim, encontramos a Tabela B em anexo.
acrescido das restrições impostas aos inputs conforme
restrições adicionais em (5), teremos a
Tabela B (ANEXO).
Como podemos observar na Tabela B,
as
restrições ão aos
pesos tornaram ornou
o resultado da avaliação de desempenho
mais balanceada, no sentido de que todasos asos entradasinputs participam de uma
maneira mais aproximada ao ajuste realizado pela regressão linear realizada no
início deste trabalho. Também observa-sese observa, comparando as duas Tabelas, uma
maior discriminação entre as observações para o modelo com restrições.
5.
Comentários Finais
O conjunto de dados que escolhemos não se
caracteriza como especialmente adequado para o ajustamento pelo critério de minimização
da soma dos valores absolutos dos resíduos. Os resíduos da regressão de mínimos
quadrados apresentam um padrão típico de uma amostra proveniente de uma
distribuição com cauda mais fina que uma Normal.
O ajuste obtido por Mínimos Quadrados é y = 2.3412 +
1.6159x1 + 0.0143x2 com R2
= 0.9596 e os intervalos de confiança produzidos sob as hipóteses clássicas
conduzem a restrições para os pesos e resultados finais para as medidas de
eficiência muito próximos dos que obtivemos com os intervalos de confiança
maiores produzidos pelo ajustamento por MSAE.
Demonstramos desta forma a robustez do procedimento proposto para variações na
especificação das perturbações. É um procedimento que leva em conta a possível
presença de outliers, mas que se
comporta satisfatoriamente, mesmo quando os dados, ao contrário, se apresentam
muito concentrados.
É importante destacar que, mesmo com intervalos de
confiança mais largos do que o possivelmente necessário, ainda obtivemos
restrições efetivas, no sentido de conduzir a uma envoltória mais realista.
Obtemos desta forma um procedimento geral para produção de restrições aos
pesos. Este caráter geral, aliado à sua relativa simplicidade, permite
que ele seja usado de forma automática, em lugar dos procedimentos ad hoc.
AFinalmente, acreditamos que a técnica de
restrição de multiplicadores proposta neste artigo, aqui aplicada
a somente uma
saída output, pode ser generalizada a situações de váriaos saídasoutputs. Sugeriríamos, para este caso, na etapa
inicial, umaUma recomendação para estudos posteriores seria análise de a
utilização prévia de
correlação canônica, conforme Arnold et ali (1996).
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ANEXO
Tabela A
Eficiência
das unidades Sem
Restrição de Multiplicadores – Modelo CCR-I |
||||
Observação |
Eficiência % |
Referência |
Contribuição X1 |
Contribuição X2 |
19 |
100,00 |
- |
|
|
7 |
100,00 |
|
|
|
4 |
100,00 |
|
|
|
10 |
100,00 |
|
|
|
3 |
94,02 |
|
|
|
2 |
93,88 |
|
|
|
13 |
83,54 |
|
|
|
14 |
80,28 |
|
|
|
18 |
74,55 |
|
|
|
16 |
70,68 |
|
|
|
25 |
70,3 |
|
|
|
15 |
67,37 |
|
|
|
8 |
67,03 |
|
|
|
9 |
66,88 |
|
|
|
17 |
66,86 |
|
|
|
6 |
65,71 |
|
|
|
11 |
64,57 |
|
|
|
5 |
60,95 |
|
|
|
24 |
60,30 |
|
|
|
1 |
57,93 |
|
|
|
12 |
56,27 |
|
|
|
21 |
54,16 |
|
|
|
22 |
52,83 |
|
|
|
20 |
52,64 |
|
|
|
23 |
52,61 |
|
|
|
Tabela B
Eficiência
das unidades, Com
Restrição de Multiplicadores – Modelo CCR-I |
||||
Observação |
Eficiência % |
Referência |
Contribuição X1 |
Contribuição X2 |
19 |
100,0 |
- |
|
|
|
|
19 |
0,04348
(80,80%) |
0,01033
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