223
Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics, VŠBTU Ostrava www.ekf.vsb.cz/saei [email protected]

Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Series on Advanced Economic Issues  Faculty of Economics, VŠB‐TU Ostrava  

www.ekf.vsb.cz/saei  [email protected] 

Page 2: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

   

Page 3: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Series on Advanced Economic Issues  

Faculty of Economics, VŠB‐TU Ostrava 

 

 

 

Mehdi Toloo 

 

 

 

 

 

 

DATA ENVELOPMENT ANALYSIS 

WITH SELECTED MODELS AND 

APPLICATIONS  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ostrava, 2014   

Page 4: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Mehdi Toloo 

Department of Business Administration  

Faculty of Economics 

VŠB‐Technical University of Ostrava, 

Sokolská 33 

701 21 Ostrava, CZ 

[email protected] 

 

Reviews 

Adel Hatami‐Marbini, Université catholique de Louvain, Belgium 

Sahand Daneshvar, Eastern Mediterranean University, Turkey 

Reza Farzipour Saen, Islamic Azad University, Iran 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This  publication  has  been  elaborated  in  the  framework  of  the  project  Support 

research  and development  in  the Moravian‐Silesian Region 2013 DT 1 –  International 

research  teams  (02613/2013/RRC).  Financed  from  the  budget  of  the  Moravian‐

Silesian  Region.  It  has  been  also  supported  by  the  Czech  Science  Foundation 

(GACR  project  14‐31593S)  and  through  European  Social  Fund  (OPVK  project 

CZ.1.07/2.3.00/20.0296). 

 

 

The  text should be cited as  follows: Toloo, M.,  (2014). Data Envelopment Analysis 

with Selected Models and Applications, SAEI, Vol. 30. Ostrava: VŠB‐TU Ostrava. 

 

 

© VŠB‐TU Ostrava 2014 

Printed in Grafico, s.r.o. 

Cover design by MD communications, s.r.o. 

ISBN 978‐80‐248‐3738‐3

Page 5: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

Preface  

  

If you cannot measure it, you cannot improve it.  

  Lord William Thomson Kelvin 

 

 

 

In  microeconomics  a  production  function  is  a  mathematical  function  that 

transforms all combinations of  inputs of an entity,  firm or organization  into  the 

output. Given the set of all technically feasible combinations of outputs and inputs, 

only  the  combinations  encompassing  a maximum  output  for  a  specified  set  of 

inputs  would  constitute  the  production  function.  Data  Envelopment  Analysis 

(DEA), which has initially been originated by Charnes, Cooper and Rhodes in 1978, 

is a well‐known non‐parametric mathematical method with the aim of estimating 

the production function. In fact, DEA evaluates the relative performance of a set of 

homogeneous decision making units with multiple inputs and multiple outputs. 

This book covers some basic DEA models and disregards more complicated ones, 

such as network DEA, and mainly stresses on the importance of weights in DEA 

and  some  of  their  applications.  As  a  result,  this  book  mostly  considers  the 

multiplier  form  of DEA models  to  extend  some  new  approaches,  however  the 

envelopment  forms are  introduced  in some possible approaches. This book also 

aims at dealing with some  innovative uses of binary variables  in extended DEA 

model  formulations. The auxiliary variables  enable us  formulate Mixed  Integer 

Programming (MIP) DEA models for addressing the problem of finding a single 

efficient  and  ranking  efficient DMUs.  In  some  cases,  the  status  of  input(s)  or 

output(s) measure is unknown and binary variables are utilized to accommodate 

these  flexible measures. Furthermore,  the binary variables approach  tackles  the 

problem of selecting input or output measures. 

The book also stresses the mathematical aspects of selected DEA models and their 

extensions  so  as  to  illustrate  their  potential  uses with  applications  to  different 

contexts,  such  as  banking  industry  in  the  Czech  Republic,  financing  decision 

problem,  technology  selection  problem,  facility  layout  design  problem,  and 

selecting the best tennis player. In addition, the majority of the extended models in 

this  book  can  be  extended  to  some  other  DEA models,  such  as  slacks‐based 

measures,  hybrids,  non‐discretionary  and  fuzzy DEA which  are  applicable  on 

some other contexts. 

Page 6: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

VI    Preface 

 

This research‐based book contains six chapters as follows: 

The first chapter (General Discussion) starts with a simple numerical example to 

explain the concept of relative efficiency and to clarify the importance of input and 

output weights  in measuring  the efficiency score. Then  these basic concepts are 

extended to some more complex cases. Efficient frontiers and projection points are 

illustrated by means of some constructive and insightful graphs. 

The second chapter (Basic DEA Models) presents both envelopment and multiplier 

forms of the DEA models in the presence of multiple inputs and multiple outputs. 

However, this book mainly focuses on multiplier form of DEA models. In addition, 

this chapter illustrates the role of each axiom to construct the production possibility 

set (PPS). It is also concerned with some DEA models to deal with pure input data 

as long as with pure output data set. Apart from basic input‐ and output‐oriented 

DEA models with different  returns  to  scale,  the  chapter  includes  a model  that 

combines  both  orientations.  Three  different  case  studies  involving  banking 

industry, technology selection, and asset financing are provided in this section.  

In chapter 3 (GAMS Software), we briefly introduce General Algebraic Modeling 

System  (GAMS)  software,  a modeling  system  for  linear,  nonlinear  and mixed 

integer optimization problems for solving DEA models.  

Chapter 4 (Weights in DEA) treats the weights in DEA and their importance along 

with various weight restrictions and common set of weights  (CSW) approaches. 

The chapter includes Assurance Region (AR) and Assurance Region Global (ARG) 

methods  to  restrict weight  flexibility  in DEA. Two DEA models with different 

types of efficiency,  i.e. minsum and minimax, with  their  integrated versions are 

introduced  in  this  chapter.  The  evaluation  of  facility  layout  design  problem  is 

addressed as a numerical example. 

Chapter 5 (Best Efficient Unit) considers CSW and binary variable approaches as 

the main  tool  for developing models  that  have  the  capability  to  find  the most 

efficient DMU  and  also  rank DMUs. We  cover WEI/WEO data  sets  along with 

multiple  input and multiple output data set. Some epsilon‐free DEA models are 

introduced  to  overcome  the  problem  of  finding  a  set  of  positive weights.  The 

problem of  finding  the most cost efficient under uncertain  input prices are also 

discussed. Two  real data  set  involving professional  tennis players  and Turkish 

automotive company are rendered to validate the approaches in this chapter.  

 Chapter 6 (Data Selection in DEA) closes the book by considering data selection 

problem in DEA and presenting some modifications of the standard DEA models 

to accommodate flexible and selective measures. To deal with these problems, two 

multiplier  and  envelopment  DEA  models  are  developed  where  each  model 

contains two alternative approaches: individual and integrated models. Individual 

approach  classifies  flexible measures  and  identifies  selective measures  for  each 

DMU,  and  aggregate  approach  accommodates  these measures using  integrated 

Page 7: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Preface  VII 

 

DEA  models.  We  present  three  case  studies  to  examine  and  validate  the 

approaches in this chapter. 

Evidently, my deepest gratitude and  love go  to my  family, Laleh and Arad,  for 

supporting me  in writing  this book. Ronak Azizi  saved me  a  lot of  trouble by 

tackling all formatting issues in Microsoft. Last, but certainly not least, I would like 

to extend my thanks to my friend, Dr. Adel Hatami‐Marbini, for helping me with 

editing the book and invaluable ideas and comments. 

This  publication  has  been  elaborated  in  the  framework  of  the  project  Support 

research  and development  in  the Moravian‐Silesian Region 2013 DT 1 –  International 

research  teams  (02613/2013/RRC).  Financed  from  the  budget  of  the  Moravian‐

Silesian  Region.  It  has  been  also  supported  by  the  Czech  Science  Foundation 

(GACR  project  14‐31593S)  and  through  European  Social  Fund  (OPVK  project 

CZ.1.07/2.3.00/20.0296). 

 

 

Mehdi Toloo, Ph.D. 

 

Page 8: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 9: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

Contents 

 

Preface     ............................................................................................................ V 

Contents  ........................................................................................................... IX 

List of Abbreviations .................................................................................. XIII 

Glossary of Symbols .................................................................................... XV 

Chapter 1 General Discusion .......................................................................... 1 

1. 1  A simple case (single input and single output) ............................................ 1 1. 2  Two inputs and one output ............................................................................. 6 1. 3  One input and two outputs ........................................................................... 10 1. 4  Two inputs and two outputs ......................................................................... 12 

Chapter 2 Basic DEA Models ........................................................................ 17 

2.1  The CCR model ............................................................................................... 17 2.2  Numerical Example ........................................................................................ 22 2.3  The Output‐oriented CCR model ................................................................. 25 2.4  Production Possible Set ................................................................................. 27 2.5  Envelopment form of the CCR model ......................................................... 33 2.6  Application (Bank industry) ......................................................................... 36 2.7  The BCC model ............................................................................................... 39 2.8  The output‐oriented BCC model .................................................................. 41 2.9  Without explicit inputs/outputs DEA models ............................................ 42 2.9.1  WEI‐DEA models .................................................................................. 43 2.9.2  Industrial robot evaluation problem ................................................... 45 2.9.3  WEO‐DEA models ................................................................................ 46 2.9.4  Financing decision problem ................................................................. 49 

2.10  The additive model ........................................................................................ 50 

Chapter 3 GAMS Software ........................................................................... 53 

3.1  The GAMS software ....................................................................................... 54 3.2  GAMS IDE ....................................................................................................... 54 3.3  Structure of GAMS codes .............................................................................. 55 3.4  Running a model ............................................................................................ 62 3.5  Navigating the listing file .............................................................................. 62 

Page 10: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

X    Contents 

 

3.6  Listing Window .............................................................................................. 63 3.7  Compilation ..................................................................................................... 64 3.8  Equation listing ............................................................................................... 67 3.9  Column listing ................................................................................................ 68 3.10  Model Statistic ................................................................................................. 69 3.11  Solution report ................................................................................................ 69 3.12  $Include option ............................................................................................... 71 3.13  The Put Writing Facility ................................................................................ 72 3.14  GAMS Data Exchange (GDX) ....................................................................... 77 

Chapter 4 Weights in DEA ............................................................................ 81 

4.1  Weight restrictions ......................................................................................... 85 4.2  Some other approaches .................................................................................. 88 4.3  Common set of weights ................................................................................. 92 4.3.1  Integrated minsum approach .............................................................. 92 4.3.2  Integrated minimax approach ............................................................. 97 4.3.3  Facility layout design problem ............................................................ 97 

Chapter 5 Best Efficient Unit ...................................................................... 101 

5.1  Multi‐input and multi‐output case ............................................................ 102 5.2  DEA‐WEI approach...................................................................................... 113 5.2.1  Penalty function approach ................................................................. 114 5.2.2  Minimax approach .............................................................................. 115 5.2.3  Professional tennis players ................................................................. 117 5.2.4  New minimax method ........................................................................ 119 

5.3  DEA‐WEO approach .................................................................................... 121 5.4  Epsilon‐free approaches .............................................................................. 124 5.5  Most cost efficient DMU .............................................................................. 130 5.5.1  CE with input price uncertainly ........................................................ 130 5.5.2  Turkish automotive company ............................................................ 133 

Chapter 6 Data Selection in DEA  .............................................................. 135 

6.1  Flexible measures ......................................................................................... 135 6.1.1  Multiplier approach ............................................................................ 136 6.1.2  University evaluation .......................................................................... 139 6.1.3  Envelopment approach ....................................................................... 143 

6.2  Selective measures ........................................................................................ 146 6.2.1  The rule of thumb in DEA .................................................................. 146 6.2.2  Multiplier form of selecting model ................................................... 148 6.2.3  Envelopment form of selecting model .............................................. 151 6.2.4  Aggregate approach ............................................................................ 154 6.2.5  Banking industry applications ........................................................... 156 

Page 11: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Contents    XI 

 

Chapter 7 Conclusion ................................................................................... 161 

Appendix ........................................................................................................ 163 

References ...................................................................................................... 183 

List of Tables ................................................................................................. 191 

List of Figures ................................................................................................ 193 

Index ................................................................................................................ 195 

Summary ........................................................................................................ 201 

 

Page 12: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

     

Page 13: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

     

List of Abbreviations 

AHP  Analytic Hierarchy Process 

AMT  Advanced Manufacturing Technology  

ATP  Association of Tennis Professionals 

BCC  Banker, Charnes, Cooper’s model in 1984 

CCR  Charnes, Cooper, Rhodes’s model in 1978 

CE  Cost Efficiency 

CRS  Constant Returns to Scale 

CSW  Common Set of Weights 

DEA  Data Envelopment Analysis 

DMU  Decision Making Unit 

FLD  Facility Layout Design 

FMS  Flexible Manufacturing System 

GAMS  General Algebraic Modeling System, an optimization software 

KKT  Karush‐Kuhn‐Tucker 

LP  Linear Programming 

MCDM  Multiple Criteria Decision Making 

MIP  Mixed Integer Programming 

MINLP  Mixed Integer Non‐Linear Programming 

VRS  Variable Returns to Scale 

WCM  World Class Manufacturing 

 

Page 14: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 15: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

     

Glossary of symbols 

, ,    lowercases in italic denote scalars or variables  

,   lowercases in boldface denote vectors  

,   uppercases in boldface denote matrices 

,   open interval   

,   closed interval   

  origin in  , i.e.  0,… ,0 ∈   

  1,… ,1 ∈  

  jth unit vector; i.e.  , presents  1,0,

 

∗, ∗  Asterisk denotes the optimal value of a vector/variable 

   

   

   

   

   

   

   

Page 16: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 17: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

     

This Book is dedicated to my dear and loving wife, Laleh, and my curious son, Arad, who helped me with patience and kindness.

Thank you

Page 18: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 19: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

CHAPTER 1  

General Discussion 

Limitation  of  resources  is  an  undeniable  fact,  which  is  dealt  with  by  many 

organizations  such  as  business  firms,  banks,  hospitals, universities,  etc. Hence, 

improving the performance of resource utilization for organizations is one of the 

most  important  concerns  of managers.  As  a  result,  a manager must  evaluate 

frequently the performance of the organization. One essential step to improve the 

performance of organizations is to measure the efficiency. In general, the efficiency 

score of an organization with multiple inputs and multiple outputs is defined as 

the ratio of  the weighted sum of outputs  to  the weighted sum of  inputs.  In  this 

definition,  the efficiency score  is closely related  to  the determination of weights 

while different weights leads to different efficiency scores. Experts and managers 

usually, based on their experiments, assign the values to these weights. In contrast 

to this method, data envelopment analysis (DEA) finds the optimal weights with 

the aim of maximizing the efficiency score for each organization. These weights are 

obtained precisely from the data set (inputs and outputs) and may differ from one 

organization to another. In the rest of this chapter, the concept of input and output 

weights in evaluation performance is discussed.  

1. 1 A simple case (single input and single output) 

Suppose there are 12 hospitals that are labeled H1 to H12 at the head of each row in 

Table 1–1. The second and third columns are the number of staff and the number 

of  patients  (measured  in  100  persons/month),  respectively.  Let  us  start  our 

discussion with comparing H1 and H5. Both hospitals have  the same amount of 

staff, whereas more patients are admitted to H5 compared to H1; hence H5 works 

better than H1 and is relatively more efficient. In this case, we say that H5 dominates 

H1 (or equivalently H1 is dominated by H5). In a similar manner, consider H8 and 

H12: with the same quantity of admitted patients, the number of employed staff in 

the former hospital is less than the latter one which means H8 dominates H12 and 

hence is relatively more efficient.  

 

  

Page 20: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

2    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

Table 1–1 Hospital case with single input and single output 

Hospitals  Staff  Patients     

H1 173  222  1.283  0.659 

H2 280  240  0.857  0.440 

H3 225  212  0.942  0.484 

H4 246  297  1.207  0.620 

H5 173  248  1.434  0.736 

H6 323  316  0.978  0.502 

H7 253  342  1.352  0.694 

H8 212  362  1.708  0.877 

H9 197  353  1.792  0.920 

H10 190  370  1.947  1 

H11 270  350  1.296  0.666 

H12 250  362  1.448  0.744 

To draw such comparison, we implicitly accept that fewer staff and more admitted 

patients  are  desirable.  In  general,  there  are  two mutually  exclusive  items  for 

measuring  the  efficiency  score:  input  and  output.  The  smaller  input  and  larger 

output  amounts  are  preferable. According  to  this  definition,  in  this  numerical 

example,  the number of staff and  the number of patients are  input and output, 

respectively. 

In  the  aforementioned  discussion,  we  have  just  relatively  compared  the 

performance of two dominating and dominated hospitals and could not measure 

their efficiency  scores.  In addition,  such analysis  fails  to compare  two arbitrary 

hospitals. To measure the efficiency score of all hospitals, the following ratio can 

be utilized: 

Efficiency = Output 

Input 

This ratio can be interpreted as a patient per staff (output per input) and it can be 

found that more output amounts and/or less input amounts lead to more efficiency 

score.  

In  Table  1–1,  the  fourth  column  indicates  the  ratio  of  patients  to  staff.  The 

normalized efficiency score are presented in the last column, that is, the maximum 

one, H10,  becomes  unity.  The main  difference  between  these measures will  be 

discussed subsequently. Based on this ratio definition for measuring efficiency, as 

we expect, the efficiency score of H5, 0.736, is larger than H1, 0.659 and also H8 with 

0.877 is more efficient than H12 with  0.744  

Page 21: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    3 

      

Note that the efficiency measured in this approach is not absolute and hence if a 

hospital is removed or added, then the efficiency can be changed. It is easy to show 

that the efficiency scores will not change if an inefficient hospital is removed or a 

hospital with  1.947  is added. On the other hand, with removing H10 or adding 

a hospital with  1.947 , the efficiency scores will change.  

To generalize the aforementioned method, suppose that there are n homogeneous 

organizations for evaluating in which each organization utilizes a single input to 

produce a single output. We call these similar organizations as decision making 

units  (DMUs1)  and  denote  by  DMU 1,… , . With  these  assumptions  the 

efficiency score of the under evaluation unit, DMU ∈ ,…, , can be measured as 

 max ∶ 1,… ,

  (1.1) 

where  0  and  0  are  input  and  output  of  DMU ,  respectively.  Clearly, 

efficiency score,  , is a positive number which is less than or equal to 1, i.e. ∀ ∈

0, 1  and hence DMU  is efficient if and only if  1; otherwise it is inefficient. In 

this method,  since  the performance of a DMU  is  relatively measured,    can be 

called relative efficiency score of DMU  and there is always at least one efficient unit. 

Consider the following set 

, : maximum,…,

 

Let  DMU , ∈ .  If  1  then  EF  is  called  efficient  frontier  since  it 

involves all the efficient points. We will discuss more about the efficient frontier 

shortly.  

Note that the above formula (1.1) is a ratio of ratios form and hence is able to present 

the two properties: units invariant and constant returns to scale (CRS). A measure is 

called units  invariant  if  it  is  independent of the units of measurements. In other 

words,  the efficiency  scores  remain unchanged  if one multiplies  all  inputs by a 

positive constant   and all outputs by a positive constant  : 

max ∶ 1, … , max ∶ 1, … , 

If  inputs and outputs of a DMU are multiplied by a positive constant   and the 

efficiency scores remain unchanged, the unit operates under CRS assumption. 

                                                                  1 In general, a DMU converts input(s) into output(s) and whose efficiency score is desirable. 

In managerial applications, DMUs may  include hospitals, banks, schools and et cetera.  In 

engineering, DMUs may take such forms as airplanes or their components such as jet engines. 

Page 22: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

4    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

 

Figure 1–1 Data set and efficient frontier 

If we return to the numerical example we can notice that H10 is efficient and relative 

to this hospital, the worst hospital (H3) attains only 0.440 of efficiency score. In a 

similar  manner,  the  efficiency  score  of  other  hospitals  can  be  interpreted.  In 

addition, if the number of patients were restated in units of persons/month (instead 

of 100 persons/month), then the ratio of output to input, the fourth column in Table 

1–1, would multiply by 100 whereas the ratio of ratios, the last column, remains 

unchanged.  Furthermore, multiplying  the  number  of  staff  and  the  number  of 

patients of a DMU by a positive number does not change the obtained efficiency 

score. 

To  provide  some  geometric  insights, we  plot  number  of  staff  and  number  of 

patients on  the horizontal and vertical axes, respectively. The  line  that connects 

each observation to the origin shows the set of points with an identical slope (i.e., 

ratio of output to input). Considering the CRS assumption, the efficiency score of 

all points on the line is the slope of the line, which is a constant measure.  

The efficient frontier is the highest slope ( 1.947 ) and as a result this frontier 

envelops all data2. The following figure depicts the data set and the efficient frontier.  

Mathematically, DMU dominates DMU  when  and   and if we also 

have  or  , then DMU strictly dominatesDMU . A DMU is efficient if 

other DMUs cannot strictly dominate it. To improve the efficiency of an inefficient 

unit such as H1, we look for a point on the efficient frontier that strictly dominates 

H1. Figure 1–1 depicts the set of all points on the efficient frontier that dominate 

H1, i.e. the line segment  . This line is called project points because one of them  

  

                                                                 2 The name Data Envelopment Analysis (DEA) stems from this property.  

H1H2

H3

H4H5

H6H7

H8

H9

H10

H11

H12

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300 350

Patients

Staff

Efficient Frontier

Page 23: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    5 

      

 

Figure 1–2 Projection Points 

must  be  selected  as  a  target  for  improving  H1.  Note  that  it  is  assumed  that 

increasing in input and/or decreasing in output are not preferable and hence it is 

not allowed. Considering the line  1.947  as the efficient frontier, the efficient 

point A with  coordinates .

, 222   is  achieved by decreasing  the  input of H1 

(input orientation) and similarly the efficient point B with coordinates  173,173

1.947  is gained by increasing the output of H1 (output orientation).  

As it can be extracted from Figure 1–2, the set of all points that dominates H1 is the 

triangle ABH1 and subsequently the efficiency score of H1 is equal to the ratio of 

114.02 to  173 or equivalently the ratio of  222 to  336.83: 

114.02

173

222

336.830.659 

The DM believes that obtaining more details about the data set of hospitals leads 

to more accurate efficiency scores. In such case, we can consider three following 

scenarios: 

1. Decomposing  the number  of  staff  into  the number  of doctors  and  the 

number of nurses, which implies two inputs and one output case.  

2. Decomposing the number of patients into the number of inpatients and 

the number of outpatients that gives us one input and two outputs case. 

3. Decomposing  the  number  of  staff  and  the  number  of  patients, 

simultaneously, (scenario 1 plus scenario 2) which leads to two inputs and 

two outputs case. 

To gain basic insights, we discuss these scenarios in following sections: 

H1H2

H3

H4H5

H6H7

H8

H9

H10

H11

H12

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 50 100 150 200 250 300 350

Patients

Staff

A

B

Page 24: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

6    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

1. 2 Two inputs and one output  

Suppose that the number of staff is decomposed into the number of doctors and 

the number of nurses for all hospitals. The columns in Table 1–2 labeled Doctors 

and Nurses show this decomposition, for example in H1, the number of staff, 173, 

is equal to the number of doctors plus the number of nurses, 25 148. We apply 

the CRS property and normalize the input values to get 1 unit for output which is 

shown in the columns labeled Normalized Inputs and Unitized Output in Table 1–2. 

The efficiency scores are shown in the last column and the calculation method will 

be discussed successively. 

With this slight manipulation, we can plot the new data set on new inputs axes. 

Since the new output is unitized to 1, we can ignore it and  just consider unitized 

axes,  Doctors/Patients  ( )  and  Nurses/Patients  ( ),  in  Figure  1–3.  The  figure 

illustrates  the  intersection  of  efficient  frontier  in   when  Patients=1.  The  line 

connecting H8, H9  and H10  indicates  the  non‐dominated  space  to  be  built  the 

efficient  frontier. Notice  that  the  vertical  and  horizontal  dashed  lines  and  the 

efficient  frontier  envelop  all data  set. H8, H9  and H10 are  the  efficient hospitals, 

which illustrate that more efficient hospitals might be obtained if we use more input 

and output factors.  

There  are  many  alternative  methods  to  project  an  inefficient  hospital  on  the 

efficient frontier. One method is to radially decrease the input values, as much as 

possible, meaning that it identifies a set of points with an identical ratio of inputs3. 

Having the same ratio of inputs for a projection point implies that all inputs can be 

simultaneously reduced without altering the mix (=proportions) in which they are 

utilized. Therefore, to improve an inefficient hospital, H5, we connect it to the origin 

by a green solid line. This line shows the set of all points with the same mix of H5’s 

inputs and hence an efficient point in this line indicates a suitable projection point 

for H5, as specified by   in Figure 1–4. 

The efficiency score of H5 can be measured by comparing the current position, H5, 

with the projection point  , as below 

,

,

√0.0713 0.465

√0.093 0.6050.769 

where  ,  and  ,  are distance from origin to   and  , respectively. 

The  coordinates  of  P  can  be  easily  calculated  from  intersection  of .

., 

associated with  the segment  line OH5, and  2.834 0.667 associated with 

the segment line H9H10. Since the projection point   is on the line connecting H9 

and H10, the set containing these efficient hospitals is called reference set for H5. In  

                                                                  3  In  this  example,  the  improvement of  an  inefficient hospital  cannot be  implemented by 

increasing the outputs because it is assumed that they are be fixed at 1. 

Page 25: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    7 

      

Table 1–2 Two inputs and one output case 

Hospitals  Inputs  Output 

Normalized

 Inputs 

Unitized

 Output 

Efficiency 

Doctors  Nurses  Patients      

H1  25  148  222  0.113  0.667  1  0.677 

H2  46  234  240  0.192  0.975  1  0.441 

H3  32  193  212  0.151  0.910  1  0.499 

H4  39  207  297  0.131  0.697  1  0.624 

H5  23  150  248  0.093  0.605  1  0.769 

H6  36  287  316  0.114  0.908  1  0.542 

H7  50  203  342  0.146  0.594  1  0.724 

H8  16  196  323  0.050  0.607  1  1 

H9  21  176  353  0.059  0.499  1  1 

H10  31  159  370  0.084  0.430  1  1 

H11  45  225  350  0.129  0.643  1  0.668 

H12  43  207  362  0.119  0.572  1  0.752 

 

Figure 1–3 Two inputs and one output case 

Doctors

Patients

Nurses

Patients

Patients

Patients

H1

H2H3

H4

H5

H6

H7H8

H9

H10

H11

H12

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250

Nurses/Patients

Doctors/Patients

Page 26: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

8    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

 

Figure 1–4 Improvement of H5 

The efficiency score of H5 is equal to 0.769, meaning that reducing the coordinates, 

or equivalently both inputs of this hospital by 0.769 leads to a point on the efficient 

frontier. In other words, 0.769(0.093, 0.605) is equal to the coordinates of  , which 

is located on the efficient frontier.  

In Figure 1–4,  it  is  impossible  to  figure out  the output orientation  improvement 

because the number of patients is fixed at one. One approach to show the output 

orientation is to unitize one input and plot the new normalized data. Toward this 

end, we consider one input such as Nurse that are one for all hospitals as well as 

normalizing  Doctors  and  Patients.  Although  the  efficiency  scores will  remain 

unchanged  the  form of efficient  frontier and subsequently  the way of efficiency 

measurement will be changed. Table 1–3 demonstrates the alternative normalized 

data set.  

Figure  1–5  shows  the  new  normalized  data  set where  the  new  horizontal  and 

vertical unitized axes are Doctors/Nurses ( ) and Patients/Nurses ( ), respectively. 

The efficient frontier in this figure is the intersection of efficient frontier in   when 

Nurses=1. As a result, the dashed segment line OH8 and the vertical segment line 

AH5 in Figure 1–5 correspond to vertical dashed line and the segment line OH5 in 

Figure 1–3, respectively. 

In this figure, the vertical segment line AH5 identifies the set of all points with the 

same ratio of H5’s inputs, 1.653. As we expect, the projection point of H5 is located 

on the line connecting H9 and H10. The optimal achievement of H5‘s output is as 

follows: 

2.1502

1.6531.3 

 

H1

H2H3

H4

H5

H6

H7H8

H9

H10

H11

H12

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250

Nurses/Patients

Doctors/Patients

P

Page 27: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    9 

      

Table 1–3 Data with unitized Nurses  

Hospitals 

Normalized 

Input 

Unitized 

Input 

Normalized 

Output Efficiency 

     

H1  0.169  1  1.500  0.677 

H2  0.197  1  1.026  0.441 

H3  0.166  1  1.098  0.499 

H4  0.188  1  1.435  0.624 

H5  0.153  1  1.653  0.769 

H6  0.125  1  1.101  0.542 

H7  0.246  1  1.685  0.724 

H8  0.082  1  1.648  1 

H9  0.119  1  2.006  1 

H10  0.195  1  2.327  1 

H11  0.200  1  1.556  0.668 

H12  0.208  1  1.749  0.752 

 

Figure 1–5 Alternative perspective of two inputs and one output case 

where  0.153,2.1502  is obtained from the intersection of  4.248 1.299, 

the segment line H9H10, and  0.153. Put differently, if H5 increases its output by 

1.3, then it would be efficient. It should be noticed that the efficiency score of H5 is 

equal to .

0.769 which practically shows the CRS property. 

As a matter of fact, vertically moving up from H5 to the efficient frontier in Figure 

1–4 (Doctors/Nurses, Patients/Nurses) space is equivalent to radially moving from 

H5 to the efficient frontier in Figure 1–5 (Doctors/Patients, Nurses/Patients) space 

Doctors

Nurses

Nurses

Nurses

Patients

Nurses

H1

H2H3

H4

H5

H6

H7H8

H9

H10

H11

H12

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300

Patients/N

urses

Doctors/Nurses

P

Page 28: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

10    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

and  these movements are  two  specific projections  from a general movement  in 

(Doctors, Nurses, Patients) space.  

1. 3 One input and two outputs 

Now let us consider the second scenario and suppose that the number of patients 

is decomposed into the number of inpatients and the number of outpatients. The 

third and fourth columns of Table 1–4 show the decomposition, for example in H1, 

the number of patients, 222, is equal to the number of inpatients plus the number 

of outpatients, 33 189. The unitized input and normalized outputs are shown in 

the  5th–7th  columns  of  this  table.  The  efficiency  scores  are  reported  in  the  last 

column and the utilized geometrical method will be discussed successively.  

Figure  1–6  illustrates  one  input  and  two  outputs  case  geometrically where  the 

horizontal  and  vertical  unitized  axes  are  inpatients/staff  and  outpatients/staff, 

respectively. There are three efficient hospitals,  i.e. H9, H10 and H9, and the  lines 

that connect these hospitals are efficient frontier.  

To improve an inefficient hospital we radially increase its outputs (remember that 

inputs are  fixed). Consider an  inefficient hospital, H7, and  the segment  line  that 

connects origin to H7 and crosses the efficient frontier at A. This segment line, OA, 

which shows the set of all points with the same ratio of H7’s outputs, is plotted in 

Figure 1–7.  

Table 1–4 One input and two outputs case   

Hospitals  Input  Outputs 

Unitized 

input 

Normalized

output 

Efficiency 

Staff  Inpatients  Outpatients      

H1  173  33  189  1  0.191  1.092  0.687 

H2  280  65  175  1  0.232  0.625  0.513 

H3  225  70  142  1  0.311  0.631  0.633 

H4  246  63  234  1  0.256  0.951  0.634 

H5  173  87  161  1  0.503  0.931  1 

H6  323  91  225  1  0.282  0.697  0.606 

H7  253  84  258  1  0.332  1.020  0.766 

H8  212  68  294  1  0.321  1.387  0.887 

H9  197  33  320  1  0.168  1.624  1 

H10  190  75  295  1  0.395  1.553  1 

H11  270  73  277  1  0.270  1.026  0.675 

H12  250  69  293  1  0.119  0.572  0.751 

S

Staff

taff

Inpatients

Staff

Outpatients

Staff

Page 29: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    11 

      

 

Figure 1–6 One input and two outputs case 

 

Figure 1–7 Improvement of H7 

Similarly, the efficiency score of H7 can be measured using the formula below 

,

,

√0.332 1.020

√0.433 1.331 0.766 

The  coordinates of P  can be  calculated  from  intersection of .

.  and 

5.751 3.828. The reference set for the inefficient hospital H7 involves H5 and 

H10.  

To  implement  the  input orientation  improvement under CRS, we normalize  the 

input value  staff and  the output value  inpatients  to get  the unity value  for  the 

output outpatients, which is shown in Figure 1–8. 

H1

H2 H3

H4H5

H6

H7

H8

H9

H10

H11

H12

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600

Outpatients/Staff

Inpatients/Staff

H1

H2 H3

H4H5

H6

H7

H8

H9

H10

H11

H12

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600

Outpatients/Staff

Inpatients/Staff

P

Page 30: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

12    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

 

Figure 1–8 Alternative perspective of one input and two outputs case 

Horizontal moving from H7 to the efficient frontier in Figure 1–8 is equivalent to 

radially moving from this hospital to the efficient frontier in Figure 1–7. The similar 

approach  can  be  utilized  to  perform  all  necessary  computations  and  obtain 

instructive details.  

1. 4 Two inputs and two outputs 

Now, suppose that for each DMU there are two inputs, the number of doctors and 

nurses,  and  two  outputs,  the  number  of  inpatients  and  outpatients  as 

demonstrated in Table 1–5. One approach to measure the efficiency scores in this 

case, might unitize one input or one output. We then plot the data set by taking 

three  normalized  items  as  axes.  However,  it  is  not  easy  to  analyze  a  three‐

dimensional  graph  and more  importantly  this  approach  cannot  be  extended  if 

more than four items exist or DMUs operate under variable returns to scale (VRS) 

assumption. One practical method to tackle this issue is to assign a fixed weight to 

inputs and outputs in order to obtain one input as the weighted sum of inputs, and 

one output as the weighted sum of outputs. Therefore, the one‐input‐one‐output 

method can be applied as discussed above. Nevertheless,  the main  issue  in  this 

approach is how to select weights, because various weights might lead to different 

efficiency  scores.  To  illustrate  the  role  of  selected  weights,  we  consider  the 

numerical example with 12 hospitals in terms of two decomposed inputs and two 

decomposed outputs as exhibited in Table 1–5. 

The  imposition of  the  fixed weights  is very  critical  since  the  efficiency  score  is 

driven from these weights. Having the fixed weights, the ratio of weighted sum of 

outputs to weighted sum of inputs for all hospitals can be calculated and then the 

normalized ratio would then provide an index for evaluating efficiency scores. Let 

 and   be the weights for Doctors and Nurses, respectively. The data set in Table  

H1

H2

H3

H4

H5

H6

H7

H8

H9

H10 H11H12

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000

Inpatients/O

utpatients

Staff/Outpatients

P

Page 31: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    13 

      

Table 1–5 Two inputs and two outputs case 

Hospital Inputs Outputs

Doctors Nurses Inpatients Outpatients

H1 25  148  33  189 

H2 46  234  65  175 

H3 32  193  70  142 

H4 39  207  63  234 

H5 23  150  87  161 

H6 36  287  91  225 

H7 50  203  84  258 

H8 16  196  68  294 

H9 21  176  33  320 

H10 31  159  75  295 

H11 45  225  73  277 

H12 43  207  69  293 

1–4 will be obtained if we select  , 1,1 . Similarly, selecting  , 1,1  

leads to the data set in Table 1–2 where   and   are the weights for inpatients 

and outpatients, respectively, also the unit weights  , , , 1,1,1,1  result 

in the data in Table 1–1.  

Table 1–6  reports  the different efficiency scores when various  fixed weights are 

selected.  The  efficiency  scores  in  the  second  column  are  obtained  by  fixing 

, , , 5,1,1,4  which means that a doctor is weighted five times more 

than a nurse and also an outpatient is weighted four times more than an inpatient. 

The efficiency scores presented in the third and fourth column are the fixed weights 

2.5,0.3,1.5,4.5   and  0.3,1,0.3,1 ,  respectively.  As  can  be  seen,  different  fixed 

weights lead to different efficiency scores. A main question here is which weights 

should be  selected? Which one  is better? Obviously,  the best  (optimal) weights 

must  be  selected  not  the  better  one;  otherwise,  it  is  not  clear  how much  the 

efficiency  scores  are  due  to  assigning  a  non‐optimal weights  and  how much 

inefficiency is associated with the data. To have the optimal weights we must have 

some  criteria which  lead  to different  types  of  optimization problems: A multi‐

objective mathematical programming approach can be developed  if maximizing 

the  individual  efficiency  score  of  all units  is desirable. An  integrated minimax 

mathematical programing method can be formulated if minimizing the deviation 

from efficiency score of the worst inefficient DMU is preferred. Another criterion 

might be maximizing the sum of efficiency score of all DMUs. The last column in 

Table 1–6, labeled CSW, indicates the efficiency score via an aggregation minimax 

mathematical approach.  

Page 32: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

14    Chapter 1 

2014    M. Toloo 

Table 1–6 Various weights 

Hospitals 5,1,1,4 2.5,0.3,1.5,4.5 0.3,1,0.3,1 CSW 

H1 0.619  0.584  0.678  0.662 

H2 0.353  0.331  0.416  0.440 

H3 0.387  0.374  0.426  0.486 

H4 0.532  0.498  0.613  0.621 

H5 0.590  0.578  0.632  0.741 

H6 0.454  0.452  0.449  0.509 

H7 0.527  0.480  0.689  0.689 

H8 0.965  1  0.830  0.895 

H9 1  0.981  0.959  0.932 

H10 0.855  0.797  1  1 

H11 0.562  0.522  0.664  0.665 

H12 0.629  0.581  0.756  0.742 

sum 7.473  7.180  8.113  8.382 

The values at the bottom of each column show the sum of various efficiency scores 

via different weights. The aggregation minimax method gives a set of efficiency 

scores with higher value of  the sum of efficiency  than  the other methods. Most 

importantly,  as  will  be  discussed  in  the  next  section,  an  advantage  of  the 

optimization approaches is that it is not a need to pre‐select the fixed weights for 

inputs and outputs.  

The  weights  obtained  from  all  the  aforementioned  optimization methods  are 

common  to all DMUs and hence are called common  set of weights  (CSW). Beside 

these approaches, there are some others that allow the weights to vary from one 

DMU to another. The maximum efficiency score for each DMU obtains with such 

flexible weights. More details about the approaches and the proposed models are 

explained in the succeeding chapters. However, to illustrate the benefit of flexible 

weights,  Table  1–7  exhibits  optimal weights  and  the  efficiency  scores  that  are 

calculated by the basic DEA model, i.e. CCR4. 

In this table, the last column which is labeled CCR shows the efficiency score and ∗,  ∗,  ∗  and  ∗   are  the  optimal weights  for  the  number  of  doctors,  nurses, 

inpatients and outpatients, respectively. There are four efficient DMUs, i.e. H5, H8, 

H9 and H10,  in  this method while  in  the previous approaches only one efficient 

DMU was determined. In some cases, some optimal weights are zero which means 

the corresponding item must be ignored to gain the maximum efficiency score. For  

  

                                                                  4 Originated by Charnes, Cooper and Rhodes in 1978. 

Page 33: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

General Discussion    15 

      

Table 1–7 The CCR efficiency scores and optimal weights 

Hospitals ∗ ∗  ∗  ∗   CCR 

H1  1.80×10–03  6.45×10–03  0  3.67×10–03  0.693 

H2  0  4.27×10–03  5.86×10–03  8.12×10–03  0.523 

H3  0  5.18×10–03  7.11×10–03  9.85×10–03  0.638 

H4  9.91×10–03  2.96×10–03  5.38×10–03  1.27×10–03  0.636 

H5  1.47×10–02  4.41×10–03  7.99×10–03  1.89×10–03  1 

H6  2.31×10–02  5.81×10–04  7.12×10–03  0  0.648 

H7  0  4.93×10–03  6.76×10–03  9.36×10–04  0.809 

H8  2.87×10–02  2.76×10–03  2.76×10–03  2.76×10–03  1 

H9  1.20×10–02  4.25×10–03  2.82×10–03  2.83×10–03  1 

H10  2.70×10–03  5.76×10–03  2.70×10–03  2.70×10–03  1 

H11  0  4.44×10–03  6.10×10–03  8.45×10–04  0.679 

H12  0  4.83×10–03  0  2.60×10–03  0.763 

instance, the optimal weight for the first output of H1 is zero ( ∗ 0) and hence the 

efficiency  score  for H1  (0.693)  is  calculated  in  the  ignorance  of  the  number  of 

inpatients item for all hospitals.   

 

 

Page 34: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 35: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

17 

CHAPTER 2  

Basic DEA Models 

This chapter provides some basic DEA models. Charnes et al. (1978) formulated a 

linear programming (LP) model, named CCR, to evaluate the efficiency of a set of 

similar DMUs with multiple inputs and multiple outputs. Then, Banker et al. (1984) 

proposed a model, named BCC, which is an extension version of the CCR model 

from CRS to VRS. After that, the field of DEA has been rapidly developing with 

new theoretical and practical topics.  

2.1 The CCR model 

In  general,  suppose  there  are    DMUs  (DMU 1, … , ) with    semipositive5 

inputs,  , … , , and   semipositive outputs,  , … , . A DMU 

has at  least one positive  input and one positive because  it  is not possible  to be 

assumed no input and no output for a DMU. In addition, all inputs and outputs 

are assumed to be nonnegative. Inputs and outputs must be selected somehow to 

reflect thoroughly the production process. Let   and   be the input data and output 

data matrixes, respectively: 

, , … ,

……

⋮ ⋮ ⋮…

, , … ,

… …

⋮ ⋮ ⋮…

 

We denote the unknown input and output weights by m‐vector  , … ,  and 

s‐vector  , … , ,  respectively.  These  weights,  also  called  multipliers  or 

shadow prices, are chosen in a manner that are used to maximize the efficiency score 

of each DMU relative to other DMUs. DEA is based on some mathematical models 

to find the optimal weights for each DMU.  However, the weights can be differed 

                                                                  5 A vector  ∈  is called semipositive if   and   where   is the origin in  . 

Page 36: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

18    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

from one DMU to others since for each DMU one distinct optimization problem 

must be solved. One of the main contributions of DEA models is that the weights 

are driven from inputs and outputs instead of being fixed them in advance. The 

following  ratio measures  the  efficiency  of  an  unit  under  evaluation, DMU ∈

1,… , , which must be maximized: 

∑  

where   and   are called virtual input and virtual output, respectively.  

In addition, if we assume this ratio of virtual output to virtual input is less than or 

equal  to  one  for  all DMUs,  then  the  efficiency  score  of DMU   is  related  to  the 

performance of other DMUs.  In  this  respect, Charnes et al.  (1978) proposed  the 

following fractional programming to measure the efficiency score of DMU : 

 max

∑s. t.∑

∑1 1, … ,

0 1, … ,0 1, … ,

  (2.1) 

It is implicitly assumed that weights, the importance of inputs and outputs, are not 

negative and subsequently non‐negativity constraints are imposed in the model.  

Note that the fractional programming problem (2.1) is nonconvex and nonlinear. 

To deal with the non‐linearity, Charnes et al. (1978) utilized Charnes and Cooper 

(1962)’s transformation6 approach to formulate the following equivalent LP which 

is named as CCR: 

  max θ ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1, … ,

   (2.2) 

This model  involves  1  constraints  and    decision  variables  (weights). 

Similar to (or even simpler than) other LPs it can be solved by the simplex method. 

More  importantly,  mathematical  duality  relations  in  this  model  provide 

opportunities for extending results and simplifying proofs that are not available 

from other approaches. Primal‐Dual relations lead to rich economic interpretations 

related to DEA models. We will use these useful relations to prove that the CCR 

model is always feasible and its optimal objective value is bounded, i.e. 0 ∗

1.  The  primal  form  of CCR model  (2.2)  is  called  the multiplier  form  because  it 

                                                                  6 Letting   ∑  and then   and  . 

Page 37: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    19 

      

contains the multipliers (weights) and, as will be demonstrated subsequently, the 

dual of the multiplier form of CCR is called the envelopment form, because its feasible 

region envelops all data.  

We sometimes use the following vector form of the input‐oriented CCR model: 

  : max. .

1 0 1, … ,   (2.3) 

Suppose that the CCR model (2.3) is solved and  ∗, ∗, ∗  is the optimal solution. 

The following definition partitions all DMUs into two sets: efficient and inefficient: 

Definition 2–1 (CCR‐efficiency). DMU  is CCR‐efficient if and only if 

(i)  ∗ 1 

(ii)  There exists at least one strictly positive optimal solution  ∗, ∗ 7 

As a result, DMU  is CCR‐inefficient if either  ∗ 1 or  ∗ 1 and for every optimal 

solutions there exists at  least one zero weights. It must be noticed here that that 

although  ∗ 1 is a necessary condition for being efficient, it is not sufficient.    

The multiplier form of the CCR model (LP ) finds the optimal weights (multipliers) 

for DMU , under evaluation DMU, and hence to gain the optimal weights for all 

DMUs,   LPs must be solved, i.e. LP ,… , LP . These models have   constraints in 

common, 0 1, … , , and their feasible region differ only from the 

first  constraint,  1.  The  first  constraint  of  model  (2.2),  which  is  called 

normalization condition, ensures that the weights are relative.  

It is worth pointing out that the  ∗ and  ∗ represent the importance of input   and 

output  , respectively. If  ∗ 0 when DMU  is being evaluated, then  ∗ 0 for 

all  1,… ,  which means   does not effect on the efficiency score of DMU . In 

other words, the efficiency score  is obtained meanwhile the  ith  input  is removed 

from related calculations. The similar discussion can be done when  ∗ 0. This 

makes a conceptual problem in economic concept of efficiency and must be avoid. 

The  optimal  solution  of  model  (2.2)  for  the  efficient  DMUs  is  often  highly 

degenerate  and  consequently,  there  are  alternative  optimal  solutions  for  the 

weights. As a result, if there is an optimal solution of the CCR model with  ∗

1and at least one zero weight, then we cannot conclude that DMU  is CCR‐efficient.  

If we ignore the normalization constraint in model (2.2), then the maximum value 

of objective  function over  the cone8  , | , , , as 

                                                                  7 e.g.  ∗  and  ∗  or equivalently ∀ , ∗ 0 and  ∀ , ∗ 0. 8 A set    is called cone when for all  ∈  and all scalar  0 we have  ∈ . 

Page 38: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

20    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

the feasible region will be unbounded. However, the normalization constraint can 

be fixed at any other positive number: 

Lemma 2–1 The CCR model (2.3) is equivalent to the following model: 

  max. .

  (2.4) 

where   is a positive parameter. 

The proof is straightforward and left as an exercise to the reader. It is enough to 

verify that  ∗, ∗, ∗  is an optimal solution of the multiplier form of CCR model 

if and only if  ∗, ∗, ∗  is an optimal solution of model (2.4).  

The following theorem proves that there always exist specific bounded weights: 

Theorem 2–1 There exists a positive parameter  , which makes the following model 

equivalent to the CCR model (2.3): 

  max. .

  (2.5) 

where  1,… ,1 ∈ . 

Proof: Suppose  ∗, ∗  be an optimal  solution of  the CCR model  (2.3). Let 

max ∗,… , ∗ , ∗, … , ∗ .  If  1,  then  the  constraints    and    are 

redundant and, according  to Lemma 2–1, models  (2.3) and  (2.5) are equivalent. 

Otherwise,  let  ∗∗

, ∀ ,  ∗∗

, ∀   ,  and  . Clearly,  ∗, ∗   is  an optimal 

solution  of model  (2.4)  where  ∗ 1, ∀   and  ∗ 1, ∀ .  Hence,  ∗, ∗   is  an 

optimal solution of model (2.5). The reverse of the theorem is obvious. □ 

Although,  theoretically,  for determining a  suitable value  for  the parameter    in 

model (2.5) some computational effort must be done, the following theorem proves 

that it is not necessary to determine a value for  . 

Theorem  2–2  There  exists  a  scale  of  data  such  that  the  CCR  model  (2.3)  is 

equivalent to model (2.6): 

Page 39: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    21 

      

  max. .

1

  (2.6) 

Proof. Suppose  ∗, ∗  be an optimal solution of the CCR model (2.3). Consider 

two cases: 

Case A ( 1, ∀  & 1, ∀ ): In this case from the constraint  1 and 

1, ∀   we  have  1, ∀ .  Furthermore,  the  constraint  0  (or 

equivalently  1  and  1, ∀  give  1, ∀ . Under  these assumptions, 

the constraints   and   are redundant in model (2.6), hence models (2.3) 

and (2.6) are equivalent. 

Case B (∃ , 1 or ∃ , 1): Consider the following two subcases: 

Subcase B1 (∃ , 0 1 or ∃ , 0 1r): In the input oriented case, let 

min 0, 0 1

,otherwise

 

for  ( 1,… , ). Clearly,  1  for  all    and  according  to  case A  the  proof  is 

complete. Similarly, the output oriented case, ∃ , 1, can be proved. 

Subcase B2 (∃ , 0 or ∃ , 0): In this case, under  ∗ 1, let  ∗   . In 

terms of this scaling, the associated multiplier must be less than 1. Similarly, the 

output oriented case, ∃ , 0, can be proved. □ 

Let us return to the traditional the multiplier form of the CCR model (2.3). If   ∗

1, then the constrain  0is tight (because  0). In this case, 

if there exists a positive  ∗, ∗  such that ∀ , 0, then DMU  is called 

extreme efficient. On the other hand,  if  ∗ 1, then we have  ∗ ∗ and, so, 

the  constraint  0is  not  tight  and  there  exist  some  other  tight 

constraints.  Let   be the index set of the efficient DMUs that forces the DMU  to 

be inefficient; mathematically  ∗ ∗ . The reference set or peer group of 

DMU  is a subset   of  . The set spanned by all efficient DMUs in the reference 

set   is called the efficient frontier of DMU  and, as will be discussed later, the set 

spanned by means of all efficient DMUs establish the efficient frontier. 

In DEA point of view, DMU  dominates DMU  if and only if  , is a 

semi‐positive vector. In this case, DMU uses fewer inputs than DMU  (with at least 

the  same outputs) and/or produces more outputs  than DMU   (with at most  the 

same inputs), which shows DMU  is more efficient than DMU . If a DMU is efficient, 

then it is not dominated by means of other DMUs; otherwise there exists at least 

Page 40: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

22    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

one point (not necessary a DMU) that dominates it. In the following theorem we 

are looking for a point that dominates an inefficient unit.  

Theorem 2–3 The optimal solution of the following model is ∗

∗,

∗: 

  max. .

∗ 1∗   (2.7) 

where  ∗, ∗  is the optimal solution of the multiplier form of the CCR model.  

Proof.  It  is  easy  to  show  that ∗

∗,

∗  is a  feasible  solution of  (2.7). To obtain a 

contradiction, suppose that  ,  be the optimal solution of model (2.7) with ∗

∗  . Under these assumptions,  ∗ , ∗  is a feasible solution of the multiplier 

form of the CCR model that its objective value is higher than the optimal solution, ∗ ∗ , which contradicts the optimality conditions. □ 

The following corollaries can be obtained from Theorem 2–3:  

Corollary 2–1 The optimal objective value of model (2.7) is always equal to one.  

It  should be mentioned here  that  if  ∗, ∗ , ,  then ∗

∗,

∗ and 

∗ ,   is  located  on  the  efficient  frontier  which  results  in  the  following 

corollary:  

Corollary  2–2  If  ∗, ∗ ,  then  ∗ ,   is  an  efficient  point  which 

dominates inefficient DMU . 

It follows easily that radially decreasing the  inputs of an  inefficient DMU  by  ∗ 

projects  ,   into a point (not necessarily a DMU) on the efficient frontier, i.e. ∗ , ,  that dominates  ,  when  ∗, ∗ . If  ∗ 0 , then there is 

an excess in the ith input ( ) and similarly, the shortage in the rth output ( ) can 

be recognized when  ∗ 0 such that  ∗ ,  is located on the efficient 

frontier. We will subsequently show that how these variables, known as slacks, can 

be measured.  

2.2 Numerical Example  

We consider a simple example of 6 DMUs with 2  inputs and 1 output, adapted 

from Cooper et al. (2007b). Table 2–1 shows the data and the optimal solution of 

multiplier form of the CCR model, which is obtained by DEA‐Solver software: 

 

 

Page 41: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    23 

      

Table 2–1 Data set and results 

DMUs        ∗  ∗  ∗  ∗ 

A  4  3  1  0.143  0.143  0.857  0.857 

B  7  3  1  0.053  0.211  0.632  0.632 

C  8  1  1  0  1  1  1 

D  4  2  1  0.083  0.333  1  1 

E  2  4  1  0.5  0  1  1 

F  10  1  1  0  1  1  1 

The multiple form of CCR model for DMU  is: 

  max θs. t.4 3 1

4 3 0 7 3 08 0 4 2 02 4 0 10 0

, , 0

  (2.8) 

There are seven constraints in this model: the first constraint is the normalization 

condition for DMU ,  1, and the other six constraints are corresponding to all 

DMUs,  i.e. 0, … , 0. The  last  six  constraints, which  are 

labeled by A–F, are common in the CCR models for all other DMUs. 

As  it  is  shown  in  Table  2–1,  the  optimal  solution  is  ∗, ∗, ∗, ∗

0.143,0.143,0.857,0.857  and so this unit  is CCR‐inefficient with CCR‐efficiency 

score 0.857. 

To obtain  the multiple  form of CCR model  for DMU , we need only change  the 

normalization constraint9 of model (2.8) based on the data of DMU : 

  max θs. t.8 1

4 3 0 7 3 08 0 4 2 02 4 0 10 0

, , 0

  (2.9) 

In a similar manner, the CCR model for the other DMUs can be formulated and 

solved. 

According to the results reported in Table 2–1, there are four DMUs with  ∗ 1 

and among these units only the optimal weights vector of DMU  is positive. Under   

                                                                  9 There is only one unitized output and hence the objective function for all DMUs is identical. 

Page 42: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

24    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

Table 2–2 The desired weights 

DMUs ∗   ∗  ∗   ∗  

A  0.143  0.143  0.857  0.857 

B  0.053  0.211  0.632  0.632 

C  0.083  0.333  1  1 

D  0.167  0.167  1  1 

E  0.167  0.167  1  1 

F  0  1  1  1 

the CCR–efficiency definition, DMU  is efficient and the status of DMU , DMU  and 

DMU  is not clear. The main question here is whether or not there are the alternative 

positive optimal weights for these DMUs? Obviously, if there are the alternative 

solutions, then different software lead to different solutions and to obtain a specific 

optimal solution an appropriate approach must be adopted. Table 2–2 reports a set 

of (possibly) positive optimal weights for the given data set.  

As  can  be  seen,  there  are  the  positive  optimal weights  for  DMU   and  DMU , 

whereas  there  is no positive optimal weights  for DMU  and consequently DMU  

and DMU  are efficient but DMU  is inefficient. 

This numerical  example  shows  the  importance of  the positive weights  in DEA 

models.  For more  details  see Cooper  et  al.  (2007a,  2009). Charnes  et  al.  (1978) 

imposed a positive lower bound on the weights and improved the CCR model as 

follows:  

  max θ ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,1, … ,

   (2.10) 

where  parameter  0  is  named  non‐Archimedean  infinitesimal. We  call  this 

model as CCR  to show that it includes the non‐Archimedean epsilon  . 

Archimedean property of  real numbers  implies  that  for any  real number  0 

there  exists  another positive  real number    such  that  010.  It  is  assumed 

that 0  is  smaller  than  any  positive  real  number  such  that  for  all  positive 

multipliers   we have  0, which means that   is infinitesimal (and hence is not 

a real number) without the Archimedean property. Practically, we have to consider 

a  positive  real  number  for  the  non‐Archimedean  infinitesimal.  The  epsilon 

                                                                  10  Mathematically,  ∀ 0, ∃ ∈ : .  This  essentially  means  that  there  are  no 

infinitesimally small elements in the real line, no matter how small  0 gets we will always 

be able to find an even smaller positive real number 2. 

Page 43: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    25 

      

forestalls weights from being zero, although model (2.10) might be infeasible for 

an unsuitable value of epsilon. As it has been mentioned in Charnes et al. (1993): 

… if one uses a small number in place of the infinitesimal epsilon, one is caught between 

Scylla  and  Charybdis,  i.e.  for  decent  convergence  to  an  optimum,  the  numerical  zero 

tolerance should be as  large as possible, whereas  the numerical value approximating  the 

infinitesimal should be as small as possible! 

A suitable value for the epsilon must be found. Clearly, all the obtained weights in 

model (2.10) are positive which makes the CCR‐efficiency definition easier: DMU  

is  CCR‐efficient  if  and  only  if  in  the  CCR  model  ∗ 1. However,  selecting  a 

suitable value for epsilon plays an important role in this definition.  

Arnold et al. (1996) provided more detailed treatment of these non‐Archimedean 

infinitesimal. Mehrabian et al.  (2000) proposed  the  following model  to obtain a 

suitable value for epsilon in the CCR  model: 

  maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1, … ,

   (2.11) 

It is proved that the CCR  model is feasible for all  ∈ 0, ∗ . The interval  0, ∗  is 

called assurance interval and  ∈ 0, ∗  is called an assurance value. Amin and Toloo 

(2004) designed a polynomial‐time algorithm to obtain an assurance value. As will 

be seen subsequently, using the primal and dual optimality conditions provide an 

epsilon  free  approach, which  is  called  a  two‐phase  approach,  to determine  the 

CCR‐efficient DMUs without dealing with the epsilon parameter. 

2.3 The Output‐oriented CCR model 

The purpose of  the multiplier  form of CCR model  (3.2)  is  to  find  the minimum 

that reduces, as much as possible, the input vector   radially to  . Looking for 

the maximum   such  that  increases  the output vector   radially  to   can be 

considered as an alternative approach. The former and later approaches are called 

input‐oriented and output‐oriented CCR model. Similar to input‐oriented model, 

the output‐oriented model can be formulated as follows: 

  min s. t.

1   (2.12) 

The output‐oriented version of  the multiplier  form of  the CCR model  is always 

feasible and its optimal objective value is bounded, i.e.  ∗ ∈ 1,∞ . DMU  is CCR‐

Page 44: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

26    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

efficient if and only if  ∗ 1 and there exists at least one positive optimal solution ∗, ∗ . If either  ∗ 1 or there is no positive optimal weights with  ∗ 1, then 

DMU  is CCR‐inefficient. Let  ∗, ∗, ∗  and  ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of 

models  (2.3) and  (2.12), respectively. The  following  theorems clarify the relation 

between  the  input‐oriented  and  output‐oriented multiplier  forms  of  the  CCR 

model: 

Theorem 2–4 The following properties are satisfied: 

∗1∗, ∗

∗, ∗

∗ 

Proof: See Cooper et al. (2007b). 

Similar to the proof of Theorem 2–3, the following theorem can be proven: 

Theorem 2–5 The optimal solution of the following model is ∗

∗,

∗: 

  min. .

∗ 1∗    (2.13) 

Corollary 2–3 The optimal objective value of model (2.13) is always equal to one.  

Having positive weights,  , ∗  is located on the efficient frontier which render 

the following corollary:  

Corollary  2–4  If  ∗, ∗ ,  then  , ∗   is  an  efficient  point  which 

dominates inefficient DMU . 

Note that, similar to the input‐orientation model, radially increasing the outputs of 

an inefficient DMU  by  ∗ projects   ,  into a point on the efficient frontier. i.e. 

, ∗ ,  that dominates  ,  when  ∗, ∗ . If  ∗ 0 , then there is 

a shortage in the rth output ( ) and similarly, the excess in the ith input ( ) can be 

recognized when   ∗ 0 such that  , ∗  is located on the efficient 

frontier.  

Table 2–3 summarizes the optimal solution of model (2.13) with (possibly) positive 

optimal weights for the given numerical example in Table 2–1.  

Comparing  the  optimal  solutions  in  Tables  2–2  and  2–3  can  be  instructive  to 

understand  the  relationships  between  the  input‐oriented  and  output‐oriented 

multiplier  forms of CCR model. For  instance,  ∗∗ .

1.167 and  ∗

.

.0.167. 

 

Page 45: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    27 

      

Table 2–3 The weights of model (2.12) 

DMUs  ∗  ∗  ∗  ∗ 

A  0.167  0.167  1.167  1.167 

B  0.084  0.334  1.582  1.582 

C  0.083  0.333  1  1 

D  0.167  0.167  1  1 

E  0.167  0.167  1  1 

F  0  1  1  1 

The following model is the output‐oriented multiplier form of the CCR model for 

DMU : 

  min φ 4ν 3s. t.

14 3 0 7 3 08 0 4 2 02 4 0 10 0

, , 0

   (2.14) 

The  optimal  solution  is  ∗, ∗, ∗, ∗ 0,1,1,1   and  so  this  unit  is  CCR‐

inefficient, although  ∗ 1. As a result,  10,1, ∗ 1 10,1,1 is not located on 

the efficient frontier and there is an excess  0 such that  10 , 1,1 , which 

dominates  10,1,1 , lies on the efficient frontier. 

2.4 Production Possible Set 

In  microeconomics,  a  production  function  is  a  function  that  transforms  all 

combinations of  inputs of an entity,  firm or organization  into  the output. Given 

that a set of all  technically  feasible combinations of output and  inputs, only  the 

combinations encompassing a maximum output for a specified set of inputs would 

constitute  the production  function. Alternatively,  a production  function  can  be 

defined as the specification of the minimum input requirements needed to produce 

the output under a given technology. To estimate the production function we first 

define production possibility set (PPS).  

The  semi‐positive vector  , ∈ is called an  activity and  the  set of  feasible 

activities is called PPS. In other words,    

PPS , | , isafeasibleactivity

, | canbeproducedfrom 

 

Various PPS can be achieved with different definitions  for  feasible activities. To 

define  a  PPS  based  on  CRS  technology  and  obtain  an  accurate mathematical 

definition, we consider the following axioms: 

Page 46: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

28    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

  

Figure 2–1 Feasibility axiom 

(A1)  Feasibility.  All  observed  activities,  i.e.  DMU ,   for  1,… ,  

∀ , ∈ PPS . 

(A2) Free disposability. All dominated activities of a feasible activity are feasible 

, ∈ PPS ⇒ ∀ , ∀ , , ∈ PPS . 

(A3) CRS. If an activity  ,  is feasible, then ∀ 0, ,  is a feasible activity 

, ∈ PPS ⟹ ∀ 0, , ∈ PPS . 

(A4) Convexity. The convex combination of each two feasible activities is a feasible 

activity, i.e.  , , , ∈ ⇒ ∀ ∈ 0,1 , , 1 , ∈  

Note that the change of these axioms leads to the modification of the definition of 

feasible activity.  

We  first geometrically  interpret  the axioms and  then mathematically define  the 

resulting PPS  set. Consider  three  arbitrary DMUs with  single  input  and  single 

output, e.g. DMU , DMU  and DMU .  

Under the feasibility axiom, all DMUs belong to PPS as depicted in Figure 2–1. 

Free disposability regions for the observed DMUs are indicated in Figure 2–2. In 

this figure, the south‐east region of each DMU indicates the free disposability of 

both inputs and outputs.  

The ray from origin through each feasible activity is feasible based on CRS axiom. 

These rays for observed DMUs are portrayed in Figure 2–3. More specifically, their 

rays must be considered for all other feasible activities of free disposability regions. 

A

B

C

Input 

Output

Page 47: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    29 

      

 

Figure 2–2 Free disposability regions for 1 input and 1 output case 

 

Figure 2–3 CRS axiom 

Finally, the minimal set that satisfies the axioms (A1)–(A4) is the PPS as shown in 

Figure 2–4.  

Efficient frontier is a non‐dominated subset of the PPS. DMU  is efficient if it lies on 

the  efficient  frontier  and  otherwise  is  inefficient  and  its  inefficiency  score  is 

measured by comparing DMU  with an efficient activity that dominates this unit. 

Efficient frontier for single input and single output case is a ray that passing a DMU 

with maximum slope as in Figure 2–4. 

 

A

B

C

Input 

Output

A

B

C

Input 

Output

Page 48: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

30    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

 

Figure 2–4 PPS for single input and single output case 

 

Figure 2–5 Free disposability region for 2 inputs and 1 output case 

Assume that a fixed value for the output of DMUs A, B and C. Free disposability 

regions for two inputs and a constant output case are shown in Figure 2–5 where 

the free disposability of both inputs of each DMU is its north‐east region. 

Note that let us to plot the dominated regions in   space. Considering all axioms 

under the CRS axiom, the corresponding PPS can be presented in Figure 2–6.  

As  it  was mentioned  before,  all  points  in  the  efficient  frontier must  be  non‐

dominated and as a result the vertical and horizontal dashed lines passing A and 

C, respectively, are not belonging to the efficient frontier.   

A

C

Input 

Output

BPPS 

A

B

C

Input1/Output

Input2/O

utput

Page 49: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    31 

      

 

Figure 2–6 PPS for 2 inputs and 1 output case 

 

Figure 2–7 PPS for 2 inputs and 1 output 

Figure 2–7 depicts a typical PPS for two inputs and one output as a convex cone in 

. It should be mentioned here the PPS in Figure 2–6 is the intersection of the PPS 

in Figure 2–7 with plane  1. Note that the PPS shown in Figure 2–6 is equivalent 

to the PPS in Figure 2–7 under the CRS assumption, 

Analogously, Figures 2–8 and 2–9 represent the free disposability region and the 

PPS, respectively, for a single constant input and two outputs case. The set of all 

south‐west regions of DMUs consists the free disposability regions.  

B

C

Input1/Output 

Input2/O

utput

PPS

Efficient 

   Frontier

Page 50: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

32    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

 

Figure 2–8 Free disposability region for 1 input and 2 outputs case 

 

Figure 2–9 PPS for 1 input and 2 outputs case 

A  typical  PPS  for  one  input  and  two  outputs  case  under  CRS  assumption  is 

presented in Figure 2–10. In fact, Figure 2–9 shows the intersection of the PPS in 

Figure 2–10 with plane  1.  

To  develop  an  envelopment  form  of  the  CCR  model  we  first  need  to 

mathematically define the PPS. To do so, we take care of the following theorem. 

Theorem 2–6 The PPS which satisfies the axioms (A1)–(A4) can be mathematically 

defined by  

P , | , ,  . 

A

B

C

Output1/Input 

Output2/Input

A

B

C

Output1/Input 

Output2/Input

PPS

Efficient

 Frontier

Page 51: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    33 

      

   

Figure 2–10 PPS for 1 input and 2 outputs 

Proof: It suffices to show that the axioms (A1)–(A4) hold for P : 

Let   for  1,… ,  where   is the jth unit vector11 shows ∀ DMU

, ∈ P  which means that the feasibility axiom is hold.  

If  , ∈ P ,  then  there  is    such  that  ,   and 

subsequently if   , , then  ,  which implies 

, ∈ P   . This  therefore  shows  that  the  free disposability axiom  is 

hold.  

Suppose  , ∈ P  and  0  is given. There  is   such  that 

, . Let   lead to  ,  and hence  , ∈

P  shows that the CRS axiom holds.  

Suppose  , , , ∈ P  and 0 1 is given. Hence, there are 

    and  such  that  ,   and  ,

. If we assume  1 , then  1  

and  1   and  consequently  1 ,

1 ∈ P  shows that the convexity axiom holds. □ 

Note  that  the border of P   envelops all data and, as will be  seen  shortly,  the 

developed model based on this set is called an envelopment form of the CCR model. 

2.5 Envelopment form of the CCR model 

To  measure  the  technical  or  radial  efficiency  score  of  under  evaluation  unit, 

DMU , , the input vector   must be radially decreased to   as small as 

possible. Mathematically, the following optimization problem must be solved: 

                                                                  11 A vector which having zero components, except for a 1 in the jth position. 

Page 52: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

34    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

  min θs. t.θ , ∈

  (2.15) 

Considering Theorem 2–6, model (2.15) is equivalent to the following model, so‐

called an envelopment form of CCR model:  

  min θs. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

   (2.16) 

This model contains the following properties: 

1. , 1,  is a feasible solution for this model to be used to show the 

feasibility of the envelopment form of CCR model all the time. 

2. Given the feasibility of  1,  we obtain  ∗ 1 , since the objective value 

of this feasible solution is 1 and model (2.16) is a minimization problem. 

3. The  objective  value  for  every  optimal  solution  is  positive,  i.e.  0; 

otherwise  from  the  first  type  of  constraints we  have   which 

implies   and from the second type of constraints we obtain 

which is impossible. 

4. From properties 2 and 3 we have 0 ∗ 1.  

As a result, the following model is equivalent to model (2.16): 

  min θs. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0

   (2.17) 

Since models  (2.16) and  (2.17) are equivalent,  their duals are equivalent as well. 

Hence, the following lemma holds. 

Lemma 2–2 The following model is equivalent to the multiplier form of the CCR 

model: 

  max. .

1  (2.18) 

Page 53: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    35 

      

In the envelopment form of the CCR slack variables play an important role in CCR‐

efficiency definition.  The slack variables associated with the input constraints 

∈  presents the input excesses while the slack variables associated with 

the output constraints  ∈  presents the output shortfalls. 

We  now define  the CCR‐efficiency  score  in  the  envelopment  form  of  the CCR 

model as follows: 

Definition 2–2 (CCR‐efficiency). DMU  is CCR‐efficient if and only if  ∗ 1 and 

for all optimal solutions there is no input excess and output shortfall ( ∗ , ∗

).  

Note that an optimal solution  ∗, ∗, ∗ 1, , is not sufficient for being 

efficient. It is necessary to show that there is no positive excess and shortfall for any ∗ 1. To deal with this issue, the following two‐phase approach is developed: 

Phase I. Solve model (2.16) to obtain  ∗.  

Phase II. Solve the following model:  

  max ∑ ∑s. t.∑ ∗ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,

   (2.19) 

The aim of the model  is to find the maximum value for the summation of  input 

excesses and output shortfalls among the optimal solutions of model (2.16). In fact, 

the feasible region of Phase II is the set of alternative solutions for Phase I. 

Clearly, if  ∗ 1 and  ∗ 0, then for all optimal solutions of model (2.16) there is 

no input excesses and output shortfalls and consequently the unit under evaluation 

is CCR‐efficient.  

Definition 2–3 Model (2.19) is called max‐slack and its optimal solution is known 

as max‐slack solution. In addition, a max‐slack with  ∗ , ∗  is called zero‐

slack.  

Hence, the following CCR‐efficiency definition can be driven: 

Definition 2–4 (CCR‐efficiency). DMU  is CCR‐efficient if and only if  ∗ 1 with 

zero‐slack.  

In the next section, we will apply the CCR model to a real data set. 

Page 54: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

36    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

2.6 Application (Bank industry) 

This section illustrates the proposed approach through a real data set involving 14 

banks  in  the Czech  Republic,  a member  state  of  European Union12.  Table  2–4 

exhibits 14 banks  in  the Czech Republic  (see Table A–1  in Appendix A  for  their 

brief description) with two inputs, the number of employees and assets, and two 

outputs, deposits and loans.  

We  apply  the  input‐oriented CCR model  to measure  the  optimal weights  and 

efficiency score, as reported in Table 2–5. 

The  optimal  solution  for  the  first  bank  is  ∗, ∗, ∗, ∗, ∗ 0.987,0,2.98

10 , 3.22 10 , 0 which  shows  the  CCR‐efficiency  score  of  Air  bank  is 

0.987and radially decreasing the  inputs of bank,  400,33600 , by 0.987 projects 

the  bank  on  394.96,33176.64 .  It  will  be  shown  that  0.987 ,

9394.96,33176,30696,11135   is  not  an  efficient  point  even  if  it  dominates 

0.987 , 400,33600,30696,11135 . By reference to Table 2–5 there are five 

efficient banks: CMZRB, EQB, FIO, RB, and UCB. 

The optimal weights and objective values of the output‐oriented CCR model are 

summarized in Table 2–6.  

Table 2–4 Bank data in the Czech Republic 

Banks Inputs   Outputs

Employees Assets   Deposits Loans

AIR 400  33600    30696  11135 

CMZRB 217  111706    86967  16813 

CS   10760  920403    688624  489103 

CSOB 7801  937174    629622  479516 

EQB  296  8985    7502  5611 

ERB 72  33614    2940  1762 

FIO 59  18561    17174  6465 

GEMB 3346  135474    97063  101898 

ING 293  128425    92579  19216 

JTB  407  85087    62085  39330 

KB 8758  786836    579067  451547 

LBBW  365  31300    20274  2528 

RB 2927  197628    144143  150138 

UCB 2004  318909    195120  192046 

 

 

                                                                  12 However, has not joined the Eurozone yet. 

Page 55: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    37 

      

Table 2–5 Optimal weights and CCR‐efficiency score (input‐oriented) 

Banks ∗ ∗ ∗  ∗ ∗

AIR  0.9874  0  2.98E‐05  3.22E‐05  0 

CMZRB 1  2.05E‐03  4.98E‐06  1.05E‐05  4.98E‐06 

CS   0.9146  1.81E‐06  1.07E‐06  9.65E‐07  5.11E‐07 

CSOB 0.8886  2.80E‐05  8.34E‐07  5.93E‐07  1.07E‐06 

EQB 1  6.06E‐05  1.09E‐04  8.80E‐05  6.06E‐05 

ERB  0.2233  1.39E‐02  0  0  1.27E‐04 

FIO  1  3.64E‐03  4.23E‐05  4.23E‐05  4.23E‐05 

GEMB 0.9901  0  7.38E‐06  0  9.72E‐06 

ING 0.8804  1.13E‐03  5.21E‐06  9.51E‐06  0 

JTB  0.964  2.00E‐03  2.17E‐06  0  2.45E‐05 

KB  0.9245  2.12E‐06  1.25E‐06  1.13E‐06  5.98E‐07 

LBBW 0.7  0  3.19E‐05  3.45E‐05  0.00E+00 

RB  1  3.40E‐06  5.01E‐06  3.40E‐06  3.40E‐06 

UCB 1  8.70E‐05  2.59E‐06  1.84E‐06  3.34E‐06 

Table 2–6 Optimal weights and objective value (output‐oriented) 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  1.0128  0  3.02E‐05  3.26E‐05  0 

CMZRB  1  2.05E‐03  4.98E‐06  1.05E‐05  4.98E‐06 

CS   1.0934  1.98E‐06  1.17E‐06  1.06E‐06  5.59E‐07 

CSOB  1.1254  3.15E‐05  9.39E‐07  6.67E‐07  1.20E‐06 

EQB  1  6.06E‐05  1.09E‐04  8.80E‐05  6.06E‐05 

ERB  4.4783  6.22E‐02  0  0  5.69E‐04 

FIO  1  3.64E‐03  4.23E‐05  4.23E‐05  4.23E‐05 

GEMB  1.0100  0  7.45E‐06  0  9.82E‐06 

ING  1.1358  1.28E‐03  5.92E‐06  1.08E‐05  0 

JTB  1.0373  2.07E‐03  2.25E‐06  0  2.54E‐05 

KB  1.0817  2.29E‐06  1.35E‐06  1.22E‐06  6.47E‐07 

LBBW  1.4286  0  4.56E‐05  4.93E‐05  0.00E+00 

RB  1  3.40E‐06  5.01E‐06  3.40E‐06  3.40E‐06 

UCB  1  8.70E‐05  2.59E‐06  1.84E‐06  3.34E‐06 

The  optimal  solution  for  Air  bank  is  ∗, ∗, ∗, ∗, ∗ 1.0128,0,3.02

10 , 3.2 10 , 0 .  This  bank  is  inefficient  and  its  efficiency  score  is .

0.9874. In addition, Air bank is proportionally increased its outputs by 1.10125 to 

arrive at  31055.90,11265.55  as a benchmarking point.  

The PPS for this example is described as follows: 

, , , :

400 217 10760 ⋯ 2927 200433600 111706 ⋯ 197628 31890930696 86967 ⋯ 144143 195120 11135 16813 ⋯ 150138 192046 0 1,2, … ,14

 

   

Page 56: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

38    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

Table 2–7 Reference sets ( ∗) 

Banks  CMZRB  EQB  FIO  RB  UCB 

AIR     1.7874     

CMZRB 1.0000         

CS   8.2412  18.3840  2.1581   

CSOB     14.6244  1.5083  0.8254 

EQB   1.0000       

ERB     0.2725     

FIO     1     

GEMB       0.6787   

ING 0.7347    1.6701     

JTB     2.1355    0.1329 

KB   0.9204  13.0940  2.4093   

LBBW     1.1805     

RB       1   

UCB         1 

Table 2–7 reports the reference set  ∗  of the envelopment form of the CCR model. 

Note that  ∗ for the inefficient DMUs are always zero which are ignored in Table 

2–7. 

Let  us  again  consider  AIR  bank.  We  have  ∗ 1.787  which  means  that 

multiplying  all  inputs  and  outputs  of  FIO  bank  by  1.787,  i.e. 

105.4566,33175.93,30696.81,11555.54 , makes AIR bank inefficient. In addition, 

reference set  for CS bank  is  , , . The set spanned by EQB, FIQ 

and RB is the efficient frontier of CS bank; mathematically 

, , , :

296 59 2927 8985 18561 1976287502 17174 1441435611 6465 150138 0, 0, 0

 

Table 2–8 summarizes the optimal max‐slack solutions as model (2.19) of Phase II. 

There are three inefficient banks with the zero‐slack solutions, i.e. CS, CSOB and 

KB. Hence, radially decreasing their inputs by  ∗ (or decreasing their outputs by ∗) projects these three banks into an efficient point. On the other hand, AIR, ERB, 

GEMB, ING, JTB and LBBW are six inefficient banks with the nonzero max‐slack 

solutions, meaning  that  the projection of  these  type of  inefficient banks on  the 

efficient  frontier  max‐slack  solutions  must  be  considered.  More  precisely, ∗ , ∗, ∗  is an efficient projection point for such DMUs.  

Page 57: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    39 

      

Table 2–8 Max‐slack solutions 

Banks ∗ 

∗ 

∗ 

∗ 

AIR  289.487  0  0  420.237 

CMZRB  0  0  0  0 

CS   0  0  0  0 

CSOB  0  0  0  0 

EQB  0  0  0  0 

ERB  0  2448.487  1740.679  0 

FIO  0  0  0  0 

GEMB  1326.245  0  766.22  0 

ING  0  0  0  3934.215 

JTB  0  0  522.434  0 

KB  0  0  0  0 

LBBW  185.866  0  0  5103.968 

RB  0  0  0  0 

UCB  0  0  0  0 

For  instance,  the  following  feasible  activity  is  an  efficient  projection  point  for 

inefficient AIR bank: 

0.987 ∗, ∗ 105.473, 33176.64, 30696, 11555.24  

In the next section, we will consider DEA models with the VRS assumption, which 

are originated by Banker et al. (1984). 

2.7 The BCC model 

To formulate a DEA model with VRS property, Banker et al. (1984) proposed the 

following new PPS by removing the CRS axiom:  

, : , , 1 ,  

Note that the set   is a convex polyhedral set. Figure 2–11 depicts a typical   

for a single input and single output case.  

Figure 2–12 also displays a typical PPS for two inputs and one output case which 

is a convex polyhedral in  . In this case, since the assumption is VRS, we cannot 

unitize the output and plot the PPS in   space.  

 

Page 58: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

40    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

 

Figure 2–11 PPS for single input and single output case (VRS) 

 

Figure 2–12 PPS for 2 inputs and 1 output (VRS) 

The aim of the following model, which is called the envelopment form of BCC, is 

to find the minimum   such that  , ∈ : 

  min θs. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,

   (2.20) 

The last constraint of the model, ∑ 1, is called convexity constraint. The BCC 

model differs from the CCR model in the presence of the convexity constraint. The 

A

C

Input 

Output

BPPS 

Efficient Frontier 

Page 59: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    41 

      

convexity constraint enables the model to evaluate the efficiency score in regions 

of increasing, constant, or decreasing returns to scale. We can develop a two‐phase 

approach to obtain max‐slack for the BCC model.  

Suppose that  ∗ and max‐slack  ∗, ∗ are obtained. So, one can define the BCC‐

efficiency as follows: 

Definition 2–5 (BCC‐efficiency). DMU  is BCC‐efficient if and only if  ∗ 1 with 

zero‐slack.  

From mathematical point of view, since the feasible region of model (2.20) is subset 

of the feasible region of model (2.16),  ⊆ , and hence the BCC‐efficiency is 

always greater than or equal to the CCR‐efficiency,  ∗ ∗ . 

The following model as a dual of model (2.20) is called the multiplier form of BCC 

model: 

  max θ ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … , 0 1,… ,

   (2.21) 

 

where   is the free variable corresponding to the convex condition in model (2.20), 

i.e. ∑ 1. 

Definition 2–6 (BCC‐efficiency). DMU  is called BCC‐efficient if and only if  ∗ 1 

and there exists at least one strictly positive optimal solution  ∗, ∗ ; otherwise is 

BCC‐inefficient. 

In contrast  to envelopment  forms,  the  feasible  region of CCR model  (2.2)  is not 

subset  of  the multiplier  form  of  BCC model  (2.21). Nevertheless,  if  ,   is  a 

feasible  solution  for  the multiplier  form  of CCR model  (2.2),  then , , 0     is  a 

feasible  solution  for  the multiplier  form of BCC model  (2.21) and hence  ∗

∗ .  

2.8 The output‐oriented BCC model 

The output‐oriented BCC model can be formulated as follows: 

  min θ ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (2.22) 

Page 60: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

42    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

Table 2–9 Optimal weights and BCC‐efficiency score (input‐oriented) 

Banks  ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

AIR  1  1.12E‐05  2.96E‐05  2.94E‐05  1.12E‐05  –2.62E‐02 

CMZRB  1  5.48E‐04  7.89E‐06  1.14E‐05  7.89E‐06  –1.23E‐01 

CS   1  1.07E‐06  1.07E‐06  1.07E‐06  1.07E‐06  –2.65E‐01 

CSOB  1  3.79E‐05  7.52E‐07  1.24E‐06  5.12E‐07  –2.39E‐02 

EQB  1  7.37E‐05  1.09E‐04  7.37E‐05  7.37E‐05  3.32E‐02 

ERB  0.819  1.39E‐02  0  0  0  8.19E‐01 

FIO  1  1.59E‐03  4.88E‐05  4.88E‐05  4.88E‐05  –1.54E‐01 

GEMB  0.994  0  7.38E‐06  0  9.64E‐06  1.23E‐02 

ING  1  3.10E‐03  7.14E‐07  4.38E‐05  7.14E‐07  –3.07E+00 

JTB  1  3.34E‐04  1.02E‐05  1.02E‐05  1.02E‐05  –3.26E‐02 

KB  1  3.46E‐05  8.86E‐07  1.28E‐06  1.28E‐06  –3.14E‐01 

LBBW  0.703  0  3.19E‐05  3.55E‐05  0  –1.72E‐02 

RB  1  4.03E‐06  5.00E‐06  4.03E‐06  4.03E‐06  –1.87E‐01 

UCB  1  7.51E‐05  2.66E‐06  2.66E‐06  2.82E‐06  –6.06E‐02 

In comparison with the CCR model, the input‐oriented BCC‐efficiency score is not 

necessarily the inverse of the output‐oriented BCC‐efficiency score.   

The following Table 2–9 exhibits the optimal solution of the BCC model (2.22) for 

the given data set in Table 2–4.  

Table 2–9 shows  that  the BCC‐efficiency score of a bank  is  larger  than  its CCR‐

efficiency score which was reported in Table 2–5. There are 11 BCC‐efficient banks 

in this data set while 9 banks are CCR‐efficient. Therefore, the CCR‐efficient banks 

must be BCC‐efficient.  

2.9 Without explicit inputs/outputs DEA models  

DEA models have generally developed  for a data  set with multiple  inputs and 

multiple outputs, however there are some applications with multiple outputs and 

without explicit  inputs (WEI), which means that  inputs are not directly defined. 

On  the  other  hand,  some  applications  deal with multiple  inputs  and without 

explicit  outputs  (WEO).  Several  researches  have  been  conducted  in  the  DEA 

literature  to  consider  WEI/WEO  data  set:  Dyson  and  Thanassoulis  (1988) 

developed a  regression approach  for  restricting weight  flexibility  in DEA when 

there is a single input and multiple outputs or multiple inputs and single output. 

Lovell and Pastor (1999) investigated DEA models with a single constant input and 

multiple outputs or with multiple inputs and a single constant output and achieved 

some  simplified versions of DEA models with  fewer  constraints  and variables. 

Page 61: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    43 

      

Some other studies have been accomplished in performance evaluation according 

to a data set with multiple outputs and WEI (for more details we refer the readers 

to Fernandez‐Castro and Smith, 1994; Despotis, 2005 and Liu et al., 2011). 

2.9.1 WEI‐DEA models 

Suppose that there are   DMUs (DMU : 1, … , ) where each DMU uses a single 

input    to  produce    outputs  , … , .  We  first  consider  the  CRS 

assumption and then extend it to the VRS condition. As will be seen shortly, the 

single input (dummy) output will be removed under CRS assumption. Under these 

conditions, the output‐oriented multiplier form of CCR model for measuring the 

efficiency of DMU  can be written as follows:  

  min φs. t.∑ 1∑ 0 1, … ,

00 1,… ,

   (2.23) 

where    and    are  the weights  associated with  single  input  and  rth  output, 

respectively. 

Similarly, model (2.24) is the input‐oriented multiplier model.    

  max θ ∑s. t.

1∑ 0 1, … ,

00 1,… ,

   (2.24) 

By means of the normalization constraint, we simplify the above model as: 

  max θ ∑s. t.

∑ 1, … ,

0 1,… ,

   (2.25) 

If we utilize the CRS assumption and unitize the single input, then we obtain an 

equivalent data set involving a single input  1 and   outputs  . In this 

case, the following model calculate the efficiency score of DMU : 

  max θ ∑s. t.∑ 1 1,… ,

0 1,… ,

   (2.26) 

 Model (2.26) that is the absence of inputs is called DEA without explicit inputs (DEA‐

WEI) model under CRS.  

Page 62: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

44    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

To  formulate  envelopment  form of  the DEA‐WEI model, we  first axiomatically 

construct feasible activity set (FAS) as: 

(A1) Feasibility. The observed units  1,… ,  belong to the FAS. 

(A2) Convexity.  If  two  activities  ′  and  ′′  belong  to  the  FAS,  then  all  convex 

combinations of these activities belong to the FAS.  

(A3)  Free  disposability.  For  any  activity    in  the  FAS,  any  activity    is 

included in FAS. 

Under all the aforementioned axioms, FAS can be mathematically defined as  

, … , ∑ 1, … , , ∑ 1, 0, ∀  

We  formulate  the  following  envelopment  form  of  the  DEA‐WEI  model  for 

measuring the technical efficiency score of DMU : 

  max φs. t.φ ∈

  (2.27) 

where is equivalent to the following model, which is called the envelopment form 

of DEA‐WEI model:  

  max φs. t.∑ φ 1,… ,

∑ 1

0 1, … ,

   (2.28) 

Compared with the standard DEA models, the envelopment form of the DEA‐WEI 

model  (2.28)  is  not  explicitly  dual  of  its  multiplier  form.  Nevertheless,  we 

manipulate  the model  (2.28)  to obtain an equivalent model which  is  the dual of 

model (2.26). We assume that   and  , ∀  to transfer model (2.28) to the 

following model: 

  mins. t.∑ t 1, … ,

0 1,… ,

   (2.29) 

which is equivalent to  

  min ∑

s. t.∑ t 1, … ,

0 1,… ,

   (2.30) 

Therefore, models (2.30) and (2.26) are dual to each other. 

Page 63: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    45 

      

If there is a single input and multiple outputs, then the following model evaluates 

the BCC‐efficiency score of DMU :  

  max θ ∑s. t.

∑ 1, … ,

0 1,… ,

   (2.31) 

The  input‐oriented  envelopment model measure  the  efficiency  score under  the 

VRS assumption. 

  max φs. t.∑

∑ φ 1, … ,

∑ 1

0 1,… ,

   (2.32) 

If we consider a data set involving a single constant  input and multiple outputs, 

then  constraint ∑   is  equal  to ∑ 1.  Lovell  and  Pastor  (1999) 

proved  that  the  constant  ∑ 1  is  active  at  optimality  which  shows  the 

convexity  constraint  ∑ 1  is  redundant.  Hence,  when  there  is  a  single 

constant input, the results can be obtained using the output‐oriented BCC model 

(2.32) and the CCR model (2.28) which are identical. 

2.9.2 Industrial robot evaluation problem 

During  the past  two decades  it has been seen a wide use of  robots  in  industry. 

Robots can be programmed to keep a constant speed and a predetermined quality 

when performing a task repetitively. Robots can work under hazardous conditions 

such  as  excessive  heat  or  noise,  heavy  load,  toxic  gases,  etc.  Therefore, 

manufacturers  prefer  to  use  robots  in  many  industrial  applications  where 

repetitive, difficult or hazardous  tasks need  to be performed, such as assembly, 

machine  loading, materials handling,  spray painting  and welding  (Karsak  and 

Ahiska, 2005). 

In this section, we evaluate the relative efficiency of 12 industrial robots which is 

adapted from Braglia and Petroni (1999) and shown in Table 2–10. There is a single 

input  cost  ( )  and  four  engineering  attributes  including  handling  coefficient,  load 

capacity, repeatability and velocity ( , … , ).  

In order  to measure  the CCR‐efficiency score of robots, we  firstly normalize  the 

data, then utilize model (2.26). Table 2–11 reports the normalized output and the 

CCR‐efficiency scores. As can be seen, there are three efficient robots, R5, R8, and 

R12.  

 

Page 64: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

46    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

Table 2–10Input and output data for 12 industrial robots 

Robots           

R1  100000  0.995  85  1.7  3 

R2  75000  0.933  45  2.5  3.6 

R3  56250  0.875  18  5  2.2 

R4  28125  0.409  16  1.7  1.5 

R5  46875  0.818  20  5  1.1 

R6  78125  0.664  60  2.5  1.35 

R7  87500  0.88  90  2  1.4 

R8  56250  0.633  10  8  2.5 

R9  56250  0.653  25  4  2.5 

R10  87500  0.747  100  2  2.5 

R11  68750  0.88  100  4  1.5 

R12  43750  0.633  70  5  3 

Table 2–11 Normalized outputs and results obtained 

Robots  CCR 

efficiency 

R1  9.950E‐06  8.500E‐04  1.700E‐05  3.000E‐05  0.6534 

R2  1.244E‐05  6.000E‐04  3.333E‐05  4.800E‐05  0.8217 

R3  1.556E‐05  3.200E‐04  8.889E‐05  3.911E‐05  0.9547 

R4  1.454E‐05  5.689E‐04  6.044E‐05  5.333E‐05  0.9509 

R5  1.745E‐05  4.267E‐04  1.067E‐04  2.347E‐05  1 

R6  8.499E‐06  7.680E‐04  3.200E‐05  1.728E‐05  0.5639 

R7  1.006E‐05  1.029E‐03  2.286E‐05  1.600E‐05  0.6836 

R8  1.125E‐05  1.778E‐04  1.422E‐04  4.444E‐05  1 

R9  1.161E‐05  4.444E‐04  7.111E‐05  4.444E‐05  0.7656 

R10  8.537E‐06  1.143E‐03  2.286E‐05  2.857E‐05  0.7143 

R11  1.280E‐05  1.455E‐03  5.818E‐05  2.182E‐05  0.9091 

R12  1.447E‐05  1.600E‐03  1.143E‐04  6.857E‐05  1 

As we  earlier  stated,  the  BCC‐efficiency  score  for  the  normalized  data  is  not 

identical to the original data set.  

2.9.3 WEO‐DEA models 

In this section, we follow the DEA‐WEI approach to formulate DEA models when 

there  are    inputs  , … ,   and  a  single output  .  In  this  case,  the  input‐

oriented and output‐oriented multiplier forms of the CCR model are respectively 

as follows: 

Page 65: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    47 

      

   maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0

   (2.33) 

  min ∑s. t.

1

∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0

   (2.34) 

By means  of  the  alteration  variable    the  following  equivalent model  is 

obtained: 

  min ∑s. t.

∑ 1, … ,

0 1, … ,

   (2.35) 

Considering  the CRS assumption, we unitize  the single output  to  formulate  the 

following equivalent model: 

  min ∑ s. t.∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

   (2.36) 

where  . Model  (2.36)  contains only  input data without  explicit outputs, 

which is known as DEA‐WEO model.  

Similar to DEA‐WEI approach, we can make the FAS which contains all feasible 

activities by means of the following axioms: 

(A1) Feasibility. The observed units  1,… ,  belong to the FAS. 

(A2) Convexity.  If  two  activities  ′  and  ′′  belong  to  the  FAS,  then  all  convex 

combinations of these activities belong to the FAS.  

(A3) Free disposability. For any activity   in the FAS, any activity   is included 

in the FAS. 

The FAS can be therefore defined as  

, … , ∑ 1,… , , ∑ 1, 0, ∀  

We formulate the envelopment form of DEA‐WEO model (2.37) as 

Page 66: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

48    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

  max θs. t.∑ 1, … ,

∑ 1

0 1,… ,

   (2.37) 

Furthermore,  the  following  output‐oriented multiplier  and  envelopment DEA‐

WEO models evaluates the BCC‐efficiency score of DMU , respectively: 

  min ∑s. t.

∑ 1, … ,

0 1, … ,

   (2.38) 

 

  max φs. t.∑ 1, … ,

∑ φ

∑ 1

0 1,… ,

   (2.39) 

On  the  other  hand,  the  following  models  are  input‐oriented  multiplier  and 

envelopment DEA‐WEO models: 

  maxs. t.∑ 1

∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0

   (2.40) 

 

  mins. t.∑ 1, … ,

∑ 1

0 1,… ,

   (2.41) 

If we consider a data set involving multiple inputs and a single constant output, 

then  constraint ∑   is  equal  to ∑ 1.  Lovell  and  Pastor  (1999) 

proved that the convexity constraint ∑ 1 is redundant and concluded that 

the input‐oriented BCC model (2.41) and the CCR model (2.37) and are identical 

when there is a constant output.  

Page 67: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    49 

      

2.9.4 Financing decision problem 

The financing decision problem is a controversial topic consisting of selecting the 

best asset‐financing alternative offered by banks and leasing companies (see Levy 

and  Sarnat  1994).  More  specifically,  consider  a  company  or  an  entrepreneur 

(decision maker) who wants to make a decision about long‐term asset financing. In 

this situation, it is necessary for an entrepreneur to find out which alternatives are 

efficient and which are not. There are various cost‐type and other measures related 

to  each  alternative,  which  should  be  minimized.  Toloo  and  Kresta  (2014) 

considered these measures as  inputs and handled a pure  input data set without 

explicit  outputs.  In  their  practical  application  the  authors  considered  an 

entrepreneur to acquire a long‐term asset (specifically a personal car). The cost of 

the car  is 726,000 CZK13 and  the entrepreneur has  two possibilities of  financing: 

bank loans or finance leases. The main difference between these two alternatives is 

in the ownership of the car. In the case of bank loan, the entrepreneur is the owner 

of the car and thus can charge a depreciation, which leads to decreasing the profit. 

Whereas,  in  the  case  of  finance  leases,  factual  owner  of  the  car  is  the  leasing 

company, however the costs of depreciation are included in lease payments and 

subsequently car becomes  the property of  the entrepreneur after  the end of  the 

lease term.  

Moreover, as it can be extracted from Table A–2 in Appendix A, there is a broad 

offer for each type of financing alternatives. In this table, the different financing 

products, as DMUs, are listed together with four input measures without explicit 

outputs: Down payment  is  the amount of money  the entrepreneur has  to pay  in 

advance. For the finance lease, it is prepayment; for the bank loan it is the amount 

of own money the entrepreneur uses to finance the long‐term asset. Generally, we 

can say that the bigger down payment the lower principal the entrepreneur has to 

repay. However, this relationship is not strictly linear – there can be some fees and 

costs  related  to  the  acquisition  of  financing.  Annuities  measure  involves  two 

components:  monthly  installment  of  the  principal  (repayment  portion)  and 

interests. For each DMU the monthly payment is constant, however the proportion 

of these two components changes – the interests are decreasing and instalments are 

increasing over  time. Other  fees  includes all the cost paid by  the entrepreneur  in 

order to obtain the bank loan or the finance lease. These costs incur for all DMUs 

at the beginning of the bank financing or the lease, so there is no need to compute 

their  net  present  value.  Bank  loan  coefficient  (or  coefficient  of  overpayment) 

measures  the  relationship  of  the  amount  of  re‐payments  in  total  (monthly 

repayments and other fees) and the principal the entrepreneur borrows from the 

bank or leasing company (the cost of the car minus down payment). The financing 

period was not considered  in  the study because  it  is a  function of the principal, 

annuities and coefficient of overpayment.  

                                                                  13 Czech Republic Krona 

Page 68: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

50    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

It is obvious that entrepreneur wants to minimize all the costs that causes that these 

measures are the inputs. If one considered the repayment period, it would be also 

more measures, which must be minimized, however the problem would become a 

kind of multi criteria decision‐making problem with two conflicting criteria. 

Toloo and Kresta (2014) considered the information about whether or not the car 

was acquired as single implicit output and logically assigned a value of 1 for the 

implicit output of all DMUs. The column  labeled as CCR‐efficiency  in Table A–2 

indicates the CCR‐efficiency score of DMUs which is obtained by model (2.36).  

2.10 The additive model 

The optimal solution of both CCR and BCC models does not take into account the 

input  excesses  and  output  shortfalls.  However,  there  is  another  variant  DEA 

model, which is referred to additive (ADD) model; this model has been designed 

based on the slacks of the input excesses and the output shortfalls. Also, this model 

combines both of the input‐oriented and output‐oriented models in a single model 

(For more details Ali and Seiford 1993). The basic ADD model  is  formulated as 

follows: 

  ∗ max∑ ∑s. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,

   (2.42) 

where   and   are the slacks for the inputs and output, respectively. The optimal 

objective value of model (2.42), s∗ , is the maximum slacks. An efficient DMU in the 

ADD model is defined as follows: 

Definition 2–7 DMU  is ADD‐efficient if and only if  ∗ 0 and otherwise, DMU  is 

called ADD‐inefficient. 

There  is  a  symmetric  relationship  between  CCR‐efficient  and  ADD‐efficient 

DMUs. In this regard, Ahn et al. (1988) proved that a DMU is CCR‐efficient if and 

only if it is ADD‐efficient, which means  that the CCR and the ADD models, for 

efficient DMUs are equivalent. The ADD model fails to measure the efficiency score 

of  the  inefficient DMUs based on  slacks, however  slacks based measure  (SMB) 

model is extended to overcome this shortage.  

Table 2–12 summarizes the optimal solution of the additive model (2.42) for the 

data of  the banks  in  the Czech Republic. The optimal objective value which  is 

labeled as  ‘ ∗’ shows  that  there are  five ADD‐efficient banks,  i.e. CMZRB, EQB, 

FIO, RB, and UCB. Table 2–5 shows that these banks are CCR‐efficient as well. This  

 

Page 69: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Basic DEA Models    51 

      

Table 2–12 Results of the additive model 

Banks ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

AIR  1934.05  163.6291  0  0  1770.425 

CMZRB 0  0  0  0  0 

CS   1.40E+05  0  0  31053.07  108560.8 

CSOB 1.74E+05  0  0  156306.9  17452.41 

EQB  0  0  0  0  0 

ERB  35108.88  0  10963.29  18018.1  6127.492 

FIO  0  0  0  0  0 

GEMB 4108.18  1339.541  0  1747.031  1021.604 

ING  33698.63  0  22942.39  0  10756.24 

JTB  5526.55  0  0  5526.549  0 

KB  87396.24  0  0  43591.53  43804.71 

LBBW 21979.68  0  0  4215.332  17764.35 

RB  0  0  0  0  0 

UCB  0  0  0  0  0 

numerical example  illustrates  that  the CCR and additive models are equivalent 

when the DMU under evaluation is efficient.  

One of  the  interesting properties of  the additive model  is  translation  invariant.  It 

means the model is invariant if the original input and/or output data are translated. 

In other words, adding a constant to each input or output for all DMUs does not 

effect on the optimal solution of the ADD model (2.42). This property helps us to 

handle DEA with negative data. 

The dual problem to the ADD model (2.42) can be expressed as follows: 

  min∑ ∑s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

1 1, … ,1 1,… ,

   (2.43) 

The following model is equivalent to model (2.43): 

  min∑ ∑s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,1, … ,

   (2.44) 

where    is a positive number. In fact,  if  ∗, ∗  is an optimal solution for model  

(2.44), then ∗

,∗

 is optimal for model (2.43). Conversely, if  ∗, ∗  is an optimal 

solution for model (2.43) , then  ∗, ∗  is optimal for model (2.44). On the other 

hand, we can manipulate model (2.43) to obtain the following equivalent model: 

Page 70: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

52    Chapter 2 

 

2014    M. Toloo 

 ∗ mins. t.∑ ∑ 0 1,… ,

1 1, … ,1 1,… ,

   (2.45) 

From the optimality conditions for the primal and dual problems (2.42) and (2.45) 

we have  ∗ s∗ .  

There is another variant of the additive model under VRS assumption, which can 

be formulated by adding the convexity constraint to the ADD‐model (2.42): 

  max∑ ∑s. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,

   (2.46) 

Similarly,  adding  a  free  variable    to  model  (2.44)  results  in  the  following 

multiplier form of the ADD model under VRS:  

  min∑ ∑s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,1, … ,

   (2.47) 

 

Page 71: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

53 

CHAPTER 3  

GAMS Software 

It is a need to exploit suitable software for solving an optimization problem. This 

necessity  increases  in DEA when  there  are different optimization models  to be 

solved for dealing with a problem. Some respective software has been produced to 

solve the DEA models that can be divided into two main groups: commercial and 

non‐commercial.   The aim of non‐commercial software  is  to  facilitate  the use of 

DEA models for the beginners (students) that of course contain some restrictions 

such as the problem size. Some typical non‐commercial DEA software are: DEA‐

SOLVER‐LV, DEAFrontier and MaxDEA. Commercial software, which refers  to 

software produced for sale contains no limitation in use. 

For  learning DEA‐SOLVER software, we refer  to  the well‐known DEA  textbook 

written by Cooper et al.  (2007b). This  software has  capability  to  solve  standard 

DEA models with up to 50 DMUs and unlimited number of inputs and outputs. 

Student  version  of  DEAFrontier  is  accompanied  with  Quantitative  Models  for 

Performance Evaluation and Benchmarking written by Zhu (2009) where it is able to 

solve standard DEA models with up to 100 DMUs and unlimited number of inputs 

and outputs. Although there is no limitation on the number of DMUs in the basic 

version of MaxDEA software, available at http://www.maxdea.cn/, this software can 

only solve some basic DEA models. The core of DEA‐SOLVER and DEAFrontier 

software is Excel Solver and hence indeed they are Add‐In for Microsoft® Excel. 

Beside  non‐commercial  version  for  the  DEA  software,  there  are  some  others 

involving PIM‐DEA14, Frontier Analyst and Konsi. PIM‐DEA, which is developed 

by Emrouznejad,  is available at http://deazone.com/en/software. Frontier Analyst  is 

provided  by  Banxia  Frontier  Analyst  and  can  be  downloaded  from 

http://www.banxia.com/frontier/. Konsi DEA software that is provided by Konsi Ltd 

creates  visual  graphic  images  of  classical  DEA  concepts  in  three‐dimensional 

parameter space and is available at http://www.dea‐analysis.com/. 

                                                                  14 Performance Improvement Management. 

Page 72: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

54    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

This chapter is concerned with the General Algebraic Modeling System (GAMS), 

which  is  a high‐level modeling  system  for  linear, nonlinear  and mixed  integer 

optimization problems. The power of the algebraic modeling languages like GAMS 

leads to the creation and modification of the equations and inequalities by hand as 

well as reporting results in the convenient way.  

The  GAMS  consists  of  a  language  compiler  and  a  stable  of  integrated  high‐

performance solvers. This optimization software  is suitable  for complicated and 

large scale modeling applications such as DEA.  

3.1 The GAMS software 

The GAMS  software  is  available  for  use  on  personal  computers, workstations, 

mainframes and supercomputers. It is written for Microsoft windows, UNIX and 

Macintosh Operations systems that are available at www.gams.com.   

The GAMS is a programming language and it is essential to be aware the structure 

of GAMS  codes,  how  to  debug  the  possible  errors,  and  finally  investigate  the 

outputs from GAMS.  

3.2 GAMS IDE 

The GAMS  IDE  is  a general  text  editor designed  for GAMS with  the  ability  to 

launch  and monitor  the  compilation/execution of GAMS models. Progress of  a 

compilation/execution can be monitored in the process window. Figure 3–1 shows 

the GAMS IDE. We need to create a project at the beginning step. The project file 

is  a need  to  remember  the  various  settings  for  the  editor  but  the  file does not 

contain any GAMS source code. We created in this respect a new project entitled 

DEA which  is  shown  in  the  title  bar  of  the main window of  Figure  3–1. After 

creating the project, we will see the main window; no text file is shown.  

From File menu select New to create a new GAMS file so as to write a code. A Tab 

is added to the current edit window, and a temporary name (Untitled_1.gms)  is 

assigned. Form File menu select Save as and enter CCR to change the current file 

name to CCR.gms.  

Page 73: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    55 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

Figure 3–1 GAMS IDE 

3.3 Structure of GAMS codes 

A  GAMS  code  involves  one  or  more  statements  (sentences)  that  define  data 

structures,  initial  values,  data  modifications,  and  symbolic  relationships 

(equations). The only rule concerning the ordering of statements is that an entity of 

the model  cannot  be  referenced  before  its  definition.  The GAMS  compiler  does  not 

distinguish between upper‐and lowercase letters, so you are free to use either. The 

basic components of a GMAS code are listed as bellow: 

Sets (Declaration, Assignment of members) 

Data15 (Declaration, Assignment of values) 

Variables (Declaration, Assignment of type) 

Equations (Declaration, Definition) 

Model and Solve statements 

Put statement (optional) 

Declaration means declaring the existence of a component something by giving it 

a name while assignment or definition means giving the component with a specific 

value or form. The typical syntax of a statement in GAMS begins with the keyword, 

followed by the name, and its members.  

Let us write a GAMS code for the CCR model with the 14 active banks in the Czech 

Republic data  set given  in Chapter  2. The data  set  contains 14 banks with  two 

                                                                 15 Tables, Parameters 

Page 74: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

56    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

inputs,  Employee  and Assets,  and  two  outputs, Deposits  and  Loans.  In  other 

words, 

Bank01, Bank02,… , Bank14 , 

  Employee, Assets , 

, .  

These index sets must be declared and initialized in a GAMS code as follows: 

SETS

j “Number of DMUs” /Bank01*Bank14/

i “Number of Inputs” /Employee, Assets/

r “Number of Outputs” /Deposits, Loans/;

Explanatory text (quoted label) may place between double quotes (”). The entire 

list must  be  placed  between  slashes  (/). Note  that  /Bank01*Bank14/  in  GAMS 

notation  is  equal  to  /Bank01,  Bank02,…,Bank14/.  Each  statement  must  be 

terminated with a semicolon (;). 

These statements must be entered in the GAMS IDE, as in Figure 3–2. 

Input matrix,  ,  can be declared and initialized as follows: 

TABLE X(j,i) “Input matrix” Employee Assets Bank01 400 33600 Bank02 217 111706 Bank03 10760 920403 Bank04 7801 937174 Bank05 296 8985 Bank06 72 33614 Bank07 59 18561 Bank08 3346 135474 Bank09 293 128425 Bank10 407 85087 Bank11 8758 786836 Bank12 365 31300 Bank13 2927 197628 Bank14 2004 318909;

Due to the fact that the number of DMUs is generally much more than the number 

of inputs we consider   instead of  .  

The statement TABLE declares the parameter   and also specifies its domain as the 

set of ordered pairs in the Cartesian product of   and  . The values (components) of 

 must be entered under the appropriate heading. Note that GAMS will perform 

domain  check  to make  sure  that  the  row  and  column  names  of  the  table  are 

members of the appropriate sets. 

Page 75: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    57 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

Figure 3–2 GAMS code for the CCR model 

In a similar manner, output matrix,  , can be declared and initialized as follows: 

TABLE Y(j,r) “Output matrix” Deposits Loans Bank01 30696 11135 Bank02 86967 16813 Bank03 688624 489103 Bank04 629622 479516 Bank05 7502 5611 Bank06 2940 1762 Bank07 17174 6465 Bank08 97063 101898 Bank09 92579 19216 Bank10 62085 39330 Bank11 579067 451547 Bank12 20274 2528 Bank13 144143 150138 Bank14 195120 192046;

To declare inputs, Xo(i), and outputs, Yo(r), of DMU under evaluation, DMU , we 

use PARAMETERS statement as follows: 

PARAMETERS

Xo(i) “Input Vector of DMUo”

Yo(r) “Output Vector of DMUo”;

It  should be noted  that,  the value of  these parameters must be assigned before 

solving the CCR model.  

Page 76: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

58    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

The  statement  VARIABLES  declares  all  decision  variables  in  an  optimization 

problem. Each variable is given a name, a domain if appropriate, and explanatory 

text. Therefore, we need to define four non‐negative decision variables (weights) 

concerning the data set. The objective function value must be also defined as a free 

variable 

VARIABLES

Theta “Objective value (efficiency score)”

v(i) “Input Weights”

u(r) “Output weights”;

There exist five type of variable in GAMS, which are exhibited in Table 3–1. 

Table 3–1 Type of variables 

Variable type Allowed Range of Variable

free(default)  ∞ to ∞ 

positive  0 to ∞ 

negative  ∞ to 0 

binary  0 or 1 

integer  0, 1, …, 100 (default) 

POSITIVE  VARIABLES  statement  declares  non‐negative  variables  and  FREE 

VARIABLES statement declares free variables: 

FREE VARIABLES

Theta;

POSITIVE VARIABLES

v(i)

u(r);

EQUATION statement declares all equations (constraints) of the model: 

EQUATIONS

Object “Objective function”

Normal “Normalization constraint”

Common (j) “Common constraints”;

Nevertheless  it  seems  two  constraints  are  defined,  GAMS  (as  an  algebraic 

modeling language) creates all required equations and inequalities.   

To define each equation we require to pursue the following steps: 

1. Define the name of the equation by EQUATION statement. 

2. Define the domain (if there is). 

3. Enter the symbol ʹ..ʹ 

4. Enter the left‐hand‐side expression of each constraint. 

Page 77: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    59 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

5. Define a suitable relational operator: =L= (means less than or equal to), =E= 

(means equal to), or =G= (means greater than or equal to). 

6. Enter the right‐hand‐side expression. 

The CCR constraints can be defined as follows: 

Object.. Theta =E= SUM(r,u(r)*Yo(r));

Normal.. SUM(i,v(i)*Xo(i)) =E= 1;

Common(j).. SUM(r,u(r)*Y(j,r))- SUM(i,v(i)*X(j,i)) =L= 0;

where SUM(r,u(r)*yo(r)) is equivalent to ∑ . 

The following statement defines the CCR model as CCR_UV_I16 that contains all 

the defined equations: 

MODEL CCR_UV_I /Object, Normal, Common/;

If all the equations are to be included in a model, we can simply enter /all/ as shown 

below: 

MODEL CCR_UV_I /all/;

To call the solver we use SOLVE statement, which in our example is written as: 

SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing z;

Keyword USING is a reserved word in GAMS and must be written. The term of LP 

presents the linear programming solver. GAMS as a powerful software is able to 

solve a wide range of programming models as listed below: 

1. LP: linear programming 

2. QCP: quadratic constraint programming 

3. NLP: nonlinear programming 

4. DNLP: nonlinear programming with discontinuous derivatives 

5. MIP: mixed integer programming 

6. RMIP: relaxed mixed integer programming 

7. MIQCP: mixed integer quadratic constraint programming 

8. MINLP: mixed integer nonlinear programming 

9. RMIQCP: relaxed mixed integer quadratic constraint programming 

10. RMINLP: relaxed mixed integer nonlinear programming 

11. MCP: mixed complementarity problems 

12. MPEC: mathematical programs with equilibrium constraints 

13. CNS: constrained nonlinear systems 

The term of MINIMIZING indicates that the problem is a minimization problem. 

Similarly, the term of MAXIMIZING is used for maximization problems. Finally, z 

is the name of the variable to be optimized or the value of objective function.  

                                                                  16 It means CCR model in UV (multipliers) space and input orientation. 

Page 78: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

60    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

Note that the defined model CCR_UV_I cannot be solved, because the input and 

output vector of under evaluation DMU, i.e. Xo(i) and Yo(r), are still not defined. 

On  the  other  hand,  these  vectors  must  be  updated  when  the  DMU  under 

evaluation is changed, i.e., we need to solve 12 different LP models. In doing so, 

we first define another name such as o to j, the index set of DMUs, as follows: 

ALIAS (j,o);

In fact, the name o is identical to a  j’. Therefore,  ∈ 1,… ,12 .   For a fixed o, the 

following loop is used to assign input i consumed by DMUo, i.e. X(o,i), to parameter 

xo(i) for all i. 

LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

Note  that  the  ʹ=ʹ  symbol  here  is differ  from  the  ʹ=E=ʹ  symbol used  in  equation 

statement. The  former  symbol  is used only  for  the direct assignments. A direct 

assignment gives a value to a parameter before calling the solver.  

Similarly, the following loop can be used to allot all outputs of DMUo to parameter 

yo: 

LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

We then put these two loops and the SOLVE statement into a new loop over the 

index set o as follows: 

LOOP (o,

LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing theta;

);

A GAMS code of the multiplier form of the CCR model is prepared as summarized 

below: 

SETS

j “Number of DMUs” /Bank01*Bank14/

i “Number of Inputs” /Employee, Assets/

r “Number of Outputs” /Deposits, Loans/;

TABLE X(j,i) “Input matrix” Employee Assets Bank01 400 33600 Bank02 217 111706 Bank03 10760 920403 Bank04 7801 937174 Bank05 296 8985

Page 79: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    61 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Bank06 72 33614 Bank07 59 18561 Bank08 3346 135474 Bank09 293 128425 Bank10 407 85087 Bank11 8758 786836 Bank12 365 31300 Bank13 2927 197628 Bank14 2004 318909;

TABLE Y(j,r) “Output matrix” Deposits Loans Bank01 30696 11135 Bank02 86967 16813 Bank03 688624 489103 Bank04 629622 479516 Bank05 7502 5611 Bank06 2940 1762 Bank07 17174 6465 Bank08 97063 101898 Bank09 92579 19216 Bank10 62085 39330 Bank11 579067 451547 Bank12 20274 2528 Bank13 144143 150138 Bank14 195120 192046;

PARAMETERS

Xo (i) “Input Vector of DMUo”

Yo(r) “Output Vector of DMUo”;

VARIABLES

Theta “Objective value (efficiency score)”

v(i) “Input Weights”

u(r) “Output weights”;

FREE VARIABLES Theta; POSITIVE VARIABLES v(i) u(r);

EQUATIONS

Object “Objective function”

Normal “Normalization constraint”

Common (j) “Common constraints”;

Page 80: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

62    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

Object.. Theta =E= SUM(r,u(r)*Yo(r));

Normal.. SUM(i,v(i)*Xo(i)) =E= 1;

Common (j).. SUM(r,u(r)*Y(j,r))- SUM(i,v(i)*X(j,i)) =L= 0;

MODEL CCR_UV_I /Object, Normal, Common/;

ALIAS (j,o);

LOOP (o,

LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing theta;

);

3.4 Running a model 

To run the CCR model, select Run command from File menu or press the F9 key. 

You can also use  the mouse and click on  the run button17 on  the main window. 

Note that when moving the mouse over various buttons, a small yellow box will 

appear to indicate its function.  

3.5 Navigating the listing file 

After starting the run, a new window, called the Process Window, will be shown 

as in Figure 3–‐3. The Process Window shows the progress of the GAMS execution. 

The top of the window shows the name of GAMS code (here is CCR). When the 

run  finishes,  the  title  of Process Window  changes  to No  active  process. To  read 

solution, we double‐click on the line ‐‐‐Reading solution for model CCR_UV_I which 

is shown in blue. 

                                                                 

17   

Page 81: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    63 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

Figure 3–3 Process Window 

3.6 Listing Window 

After running the model, a new tab for the listing file (a file with the same code 

name with ‘.lst’ suffix) will be generated in the edit window. Click on CCR.lst tab 

on GAMS  IDE  to open  it. As  it  is represented  in Figure 3–4,  the  listing window 

shows two panes; the left pane is the index of the listing file and the right pane is 

the listing file. The index pane contains the list for the whole of the solving process 

as a tree. 

This window can be considered as the GAMS output which helps us to check and 

comprehend a model. It may contain three parts: the echo print of the program, an 

explanation of any errors detected, and the maps.  

Page 82: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

64    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

 

Figure 3–4 Listing window 

3.7 Compilation  

The first section of output from a GAMS run is an echo to report the errors. For the 

sake of future reference, GAMS puts the line numbers on the left‐hand side of the 

echo. Our CCR example contains no errors, the echo print is as presented below: 

   1 SETS

2 j "Number of DMUs" /Bank01*Bank14/

3 i "Number of Inputs" /Employee, Assets/

4 r "Number of Outputs" /Deposits, Loans/;

5

6 TABLE X (j,i) "Input matrix"

7 Employee Assets

8 Bank01 400 33600

9 Bank02 217 111706

10 Bank03 10760 920403

11 Bank04 7801 937174

12 Bank05 296 8985

13 Bank06 72 33614

14 Bank07 59 18561

15 Bank08 3346 135474

16 Bank09 293 128425

17 Bank10 407 85087

Page 83: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    65 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

18 Bank11 8758 786836

19 Bank12 365 31300

20 Bank13 2927 197628

21 Bank14 2004 318909;

22

23 TABLE Y (j,r) "Output matrix"

24 Deposits Loans

25 Bank01 30696 11135

26 Bank02 86967 16813

27 Bank03 688624 489103

28 Bank04 629622 479516

29 Bank05 7502 5611

30 Bank06 2940 1762

31 Bank07 17174 6465

32 Bank08 97063 101898

33 Bank09 92579 19216

34 Bank10 62085 39330

35 Bank11 579067 451547

36 Bank12 20274 2528

37 Bank13 144143 150138

38 Bank14 195120 192046;

39

40 PARAMETERS

41 Xo(i) "Input Vector of DMUo"

42 Yo(r) "Output Vector of DMUo";

43

44 VARIABLES

45 Theta "Objective value (efficiency score)"

46 v (i) "Input Weights"

47 u(r) "Output weights";

48

49 FREE VARIABLES

50 Theta;

Page 84: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

66    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

51

52 POSITIVE VARIABLES

53 v (i)

54 u(r);

55

56 EQUATIONS

57 Object "Objective function"

58 Normal "Normalization constraint"

59 Common (j) "Common constraints";

60

61 Object.. Theta =E= SUM(r,u(r)*Yo(r));

62 Normal.. SUM (i,v(i)*Xo(i)) =E= 1;

63 Common (j).. SUM(r,u(r)*Y(j,r))- SUM(i,v(i)*X(j,i)) =L= 0

64

65 MODEL CCR_UV_I /Object, Normal, Common/;

66

67 ALIAS (j,o);

68

69

70 LOOP (o,

71 LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

72 LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

73 SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing theta;

74 );

To show how GAMS detects errors, we intentionally make a mistake in the code. 

For  instance, we  change  ‘=E=’  in  line  61  to  ‘=’ which  is  a  common mistake  for 

beginners. In this case, the GAMS compiler inserts a coded error message inside 

the echo print on the line. These messages always start with **** and contain a ʹ$ʹ 

directly below the line where the compiler finds the error. The $ is followed by a 

numerical error code, which is explained after the echo print.  

The following shows the result in the echo: 

61 Object.. Theta = SUM(r,u(r)*Yo(r));

**** $37

Page 85: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    67 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

which means something is wrong in line 61. At the bottom of the echo print, we see 

the interpretation of error code 37: 

37 '=l=' or '=e=' or '=g=' operator expected

Note  that  practically  one  might  receive  more  than  one  error  message.  It  is 

suggested to concentrate on fixing the errors in turn. In many cases, all the errors 

will be removed after debugging the first error. 

3.8 Equation listing  

The ability to generate a model is an additional interesting advantage of the GAMS 

software. It is important to verify whether the GAMS generated is our model. The 

equation listing shows the specific instance of the model that is created when the 

current values of the sets and parameters are plugged  into the general algebraic 

form of the model. For example, the generic common constraint given in the line 

63 is  

Common (j).. SUM(r,u(r)*Y(j,r))- SUM(i,v(i)*X(j,i)) =L= 0;

while the equation listing of specific constraints is 

---- Common =L= Common constraints

Common (Bank01).. - 400*v(Employee) - 33600*v(Assets) + 30696*u(Deposits)+ 11135*u(Loans) =L= 0 ; (LHS = 0)

Common (Bank02).. - 217*v(Employee) - 111706*v(Assets) + 86967*u(Deposits) + 16813*u(Loans) =L= 0 ; (LHS = 0)

Common (Bank03).. - 10760*v(Employee) - 920403*v(Assets) + 688624*u(Deposits)+ 489103*u(Loans) =L= 0 ; (LHS = 0)

REMAINING 11 ENTRIES SKIPPED

The  default  output  is  a maximum  of  three  specific  equations  for  each  generic 

equation.  To  change  the  default,  insert  an  input  statement  prior  to  the  solve 

statement: 

Option limrow = r ;

where r is the desired number. Hence, if we want to observe all created equations 

the following statement must be added to the code: 

Option limrow = 14.

Page 86: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

68    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

3.9 Column listing 

Similar to the equation listing which shows the constraints, the column listing deals 

with  variables. Note  that  each  column  in  the  coefficient matrix  is  related  to  a 

variable. For each variable,  its  lower bound  (.LO),  initial  level value  (.L), upper 

bound (.UP), initial marginal value18 (.M) are presented. In addition, the column 

listing  lists  the  individual  coefficients  for each variable. Consider  the  following 

column listing for the first input weight (variable): 

---- v Input Weights

v(Employee)

(.LO, .L, .UP, .M = 0, 0, +INF, 0)

400 Normal

-400 Common (Bank01)

-217 Common (Bank02)

-10760 Common (Bank03)

-7801 Common (Bank04)

-296 Common (Bank05)

-72 Common (Bank06)

-59 Common (Bank07)

-3346 Common (Bank08)

-293 Common (Bank09)

-407 Common (Bank10)

-8758 Common (Bank11)

-365 Common (Bank12)

-2927 Common (Bank13)

-2004 Common (Bank14)

In this list, (.LO, .L, .UP, .M = 0, 0, +INF, 0) means  

1. The lower bound of v(Employee) is equal to zero, i.e. v(Employee).LO=0 

2. The initial value of v(Employee) is equal to zero, i.e. v(Employee).L=0 

3. There is no upper bound for v(Employee), i.e. v(Employee).UP= ∞ 

4. The initial marginal value of v(Employee) is equal to zero, i.e. v(Employee).M=0 

                                                                  18 Dual value or its complementary pair in a dual problem. 

Page 87: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    69 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Moreover,  400  Normal  means  the  coefficient  of  v(Employee)  in  the  Normal 

constraint  is  equal  to  400.  In  a  similar manner,  the  other  components  can  be 

interpreted. 

3.10 Model Statistic   

The model statistic is the last part of the output that is generated by GAMS before 

solving the problem. It deals with the size of the model, as shown below for the 

CCR model: 

LOOPS o Bank01

MODEL STATISTICS

BLOCKS OF EQUATIONS 3 SINGLE EQUATIONS 16

BLOCKS OF VARIABLES 3 SINGLE VARIABLES 5

NON ZERO ELEMENTS 61

The first line shows that Bank01  is a DMU under evaluation. The BLOCK  levels 

refer  to  the  number  of  generic  equations  and  variables.  There  are  3  blocks 

associated  with  the  equations  (Object,  Normal  and  Common)  and  3  blocks 

associated with the variables (theta, v and u). The SINGLE levels refer to individual 

rows  and  columns  in  the  specific model.  There  are  16  single  equations  (one 

objective function, one normalization condition and 14 common constraints) and 5 

variables,  i.e. theta, v(Employee), v(Assets), u(Deposits) and u(Loans). Note that 

the coefficient matrix  in this problem  involves 16 rows and 5 column and hence 

there are 16×5=80 elements  in the matrix. NON ZERO ELEMENTS’  indicates the 

number of non‐zero elements of the coefficient matrix. In the CCR model of the 

example we have 19 zero elements: theta  is not  in the 14 constraints. Two  input 

variables are excluded  from  the objective  function and  two output variables are 

excluded from the normalization condition.  

3.11 Solution report 

This section provides the results of the optimization involving different parts. In 

the first part, it reports general  information about the solving process, as shown 

below for the CCR model:  

S O L V E S U M M A R Y

MODEL CCR_UV_I OBJECTIVE Theta

TYPE LP DIRECTION MAXIMIZE

SOLVER CPLEX FROM LINE 73

Page 88: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

70    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

This list indicated that CCR_UV_I is the name of the model, the objective function 

variable is Theta, the CCR model is a maximization LP problem, the solver is the 

well‐known solver CPLEX19, and finally the solve statement is located in line 73. 

The second part of solution report presents the solver and model status, and the 

objective function value, as shown below for the first bank (Bank01): 

**** SOLVER STATUS 1 Normal Completion

**** MODEL STATUS 1 Optimal

**** OBJECTIVE VALUE 0.9874

The solver status  reports  the way  that solver  is  terminated. Normal completion 

means  that  the  solver  terminated  in  a  normal way.  Table  B–1  in Appendix  B 

provides all possible solver status.  

The  model  status  describes  the  characteristics  of  the  accompanying  solution. 

Optimal means that the solution  is optimal;  in other words,  it  is feasible (within 

tolerances)  and  it  has  been  proven  that  no  other  feasible  solution with  better 

objective value exists. There are  three possible model  status  for LP  termination 

involving  1  OPTIMAL,  3  UNBOUNDED  and  4  INFEASIBLE.  Table  B–2  in 

Appendix B provides all possible model status for all types of optimization models.  

The  last  line shows that the objective value for Bank01  is 0.9874 which  indicates 

that the bank under evaluation is inefficient. 

The third part of solution report lists the lower bound, level of value, upper bound 

and marginal  for  all  equations  (rows)  as  is  shown  in  below  for  the  common 

equation: 

---- EQU Common constraints

LOWER LEVEL UPPER MARGINAL

Bank01 -INF -0.013 . .

Bank02 -INF -0.527 . .

Bank03 -INF -5.243 . .

Bank04 -INF -7.640 . .

Bank05 -INF -0.026 . .

Bank06 -INF -0.906 . .

Bank07 -INF . . 1.787

Bank08 -INF -0.910 . .

                                                                  19 To change solver form File menu select Options and the click on Solvers tab. 

Page 89: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    71 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Bank09 -INF -0.844 . .

Bank10 -INF -0.535 . .

Bank11 -INF -4.792 . .

Bank12 -INF -0.279 . .

Bank13 -INF -1.245 . .

Bank14 -INF -3.215 . .  

It  indicates  that  considering Bank01, as  the bank under evaluation,  there  is not 

lower  bound  on  this  type  of  constants  whereas  its  upper  bound  is  zero, 

mathematically  ∈ ∞, 0 . Moreover, the level for Bank01 is –0.013 which 

means  0.013. From the normal condition we have  1 and hence ∗ 1 0.013 0.987 which already reported in the previous part. The 7th 

common  constraints  0  shows  that  Bank07  lead  to  inefficiency  of 

Bank01. The marginal value for this constraint is 1.78 and subsequently we have ∗ 1.787.  In  other words,  the  optimal  solution  for  the  dual  problem  can  be 

obtained from the GAMS’s solution report. 

Similar to the previous part, the last part of solution report provides more details 

about all variables (columns). 

3.12 $Include option 

There are two special symbols, the asterisk ʹ*ʹ and the dollar symbol ʹ$ʹ, in GAMS 

which can be used in the first position on a line to indicate a non‐language input 

line. An asterisk in the first column means that the line will not be processed, but 

treated as a comment. A dollar symbol in the same position indicates that compiler 

options are contained in the rest of the line.  

$include helps us to use multiple files in a GAMS program. Suppose that we put 

the input and output tables into two text files such as input.txt and output.txt. In 

this case we replace lines 7–21 with the following option : 

$include "input.txt";

where the external file input.txt is as follows: 

Employee Assets Bank01 400 33600 Bank02 217 111706 Bank03 10760 920403 Bank04 7801 937174 Bank05 296 8985 Bank06 72 33614 Bank07 59 18561 Bank08 3346 135474 Bank09 293 128425 Bank10 407 85087

Page 90: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

72    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

Bank11 8758 786836 Bank12 365 31300 Bank13 2927 197628 Bank14 2004 318909;

Similarly, we can replace lines 24–38 with the following option: 

$include "output.txt";

where the external file output.txt is as follows: 

                             Deposits Loans Bank01 30696 11135 Bank02 86967 16813 Bank03 688624 489103 Bank04 629622 479516 Bank05 7502 5611 Bank06 2940 1762 Bank07 17174 6465 Bank08 97063 101898 Bank09 92579 19216 Bank10 62085 39330 Bank11 579067 451547 Bank12 20274 2528 Bank13 144143 150138 Bank14 195120 192046; 

It is also supposed that dad.txt file is located in the GAMS system directory20 (the 

GAMS  system  directory  is  the  directory where  the GAMS  system  files  should 

reside). However, we  can  add  a  path  to  ask GAMS  for  finding  the  file  in  the 

required folder, as shown below: 

$include "C:\My GAMS CODES\data.txt";

3.13 The Put Writing Facility 

Although the GAMS software provides various  lists, we must verify all parts to 

find our desirable list. PUT statement is one way to get rid of this issue. The put 

writing facility enables one to generate the structural documents using information 

that is stored by the GAMS system. This information is available using numerous 

suffixes connected with identifiers, models, and the system. The put writing facility 

generates  documents  automatically  when  GAMS  is  executed.  A  document  is 

written  to an external  file sequentially, a single page  in place. First, we need  to 

define a name for which is used inside the GMAS and then connect it to an external 

file name. The following statement defines the result as an internal file name and 

connects it to CCR‐efficiency.txt as an external file. 

FILE result/CCR-effciency.txt/;

                                                                  20 The GAMS system directory is located at gamsdir folder in documents. 

Page 91: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    73 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Suppose that we solve both the CCR and BCC models. In this case we can define 

two files as follows: 

FILE result/CCR-effciency.txt/, result2/BCC-efficiency.txt/;

The following statement assigns the CCR‐efficiency.txt file as the current file: 

PUT result;

The following statement writes the textual item CCR efficiency score into the current 

file: 

PUT ‘CCR efficiency score’///;

Notice that the text is quoted. The 3 slashes following the quoted text represent 3 

carriage returns, which leads to 2 free lines. 

The following statement writes the efficiency score of under evaluation DMU on 

the current file:    

PUT theta.l/;

To write the label of the DMU under evaluation we can use the suffix .tl as shown 

below: 

PUT o.tl theta.l/;

To  report  the  efficiency  score  in  6 digits  and  4 decimal places one  can use  the 

following statement 

PUT o.tl theta.l:6:5/;

The following statements present the optimal input and output weights: 

LOOP (i, PUT v.l(i):10:5);

LOOP (r, PUT u.l(r):10:5);

In  conclusion,  the  following  codes give us more  suitable  information about  the 

optimal solution of the CCR model:  

File result /C:\My GAMS CODES\CCR-efficiency.txt/;

PUT result;

PUT 'CCR efficiency score'///;

PUT ' DMUs eff. v1 v2 u1 u2'/;

PUT '========================================================='/;

LOOP (o,

LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

Page 92: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

74    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing theta;

PUT o.tl theta.l:6:5;

LOOP (i, PUT v.l(i):10:5);

LOOP (r, PUT u.l(r):10:5);

PUT /;

);

To see the output file CCR‐effiicency.txt, double click on the following link which 

will be appeared at Process Window: 

--- putfile result C:\My GAMS CODES\CCR-efficiency.txt

The following GAMS model runs the CCR and BCC models for the given data set 

and puts their optimal solutions into two different external files: 

SETS

j "Number of DMUs" /Bank01*Bank14/

i "Number of Inputs" /Employee, Assets/

r "Number of Outputs" /Deposits, Loans/;

TABLE X (j,i) "Input matrix"

Employee Assets

Bank01 400 33600

Bank02 217 111706

Bank03 10760 920403

Bank04 7801 937174

Bank05 296 8985

Bank06 72 33614

Bank07 59 18561

Bank08 3346 135474

Bank09 293 128425

Bank10 407 85087

Bank11 8758 786836

Bank12 365 31300

Bank13 2927 197628

Bank14 2004 318909;

Page 93: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    75 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

TABLE Y (j,r) "Output matrix"

Deposits Loans

Bank01 30696 11135

Bank02 86967 16813

Bank03 688624 489103

Bank04 629622 479516

Bank05 7502 5611

Bank06 2940 1762

Bank07 17174 6465

Bank08 97063 101898

Bank09 92579 19216

Bank10 62085 39330

Bank11 579067 451547

Bank12 20274 2528

Bank13 144143 150138

Bank14 195120 192046;

PARAMETERS

Xo (i) "Input Vector of DMUo"

Yo(r) "Output Vector of DMUo";

VARIABLES

Theta "Objective value (efficiency score)"

v(i) "Input Weights"

u(r) "Output weights";

FREE VARIABLES

Theta

u0;

POSITIVE VARIABLES

v(i)

u(r);

Page 94: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

76    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

EQUATIONS

Object "Objective function"

Normal "Normalization constraint"

Common (j) "Common constraints"

Trick "makes uo=0";

Object.. Theta =E= SUM(r,u(r)*Yo(r))+u0;

Normal.. SUM (i,v(i)*Xo(i)) =E= 1;

Common (j).. SUM(r,u(r)*Y(j,r))+u0- SUM(i,v(i)*X(j,i)) =L= 0;

Trick.. u0 =E=0;

MODEL CCR_UV_I /Object, Normal, Common, trick/;

MODEL BCC_UV_I /Object, Normal, Common/;

ALIAS (j,o);

File result /C:\My GAMS CODES\CCR-efficiency.txt/;

File result2/C:\My GAMS CODES\BCC-efficiency.txt/;

PUT result;

PUT 'CCR efficiency score'///;

PUT ' DMUs eff. v1 v2 u1 u2'/;

PUT '========================================================='/;

PUT result2;

PUT 'BCC efficiency score'///;

PUT ' DMUs eff. v1 v2 u1 u2'/;

PUT '========================================================='/;

Page 95: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    77 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

LOOP (o,

LOOP (i,xo(i)=X(o,i));

LOOP (r,yo(r)=y(o,r));

SOLVE CCR_UV_I USING LP maximizing theta;

PUT result;

PUT o.tl theta.l:6:5;

LOOP (i, PUT v.l(i):10:5);

LOOP (r, PUT u.l(r):10:5);

PUT /;

SOLVE BCC_UV_I USING LP maximizing theta;

PUT result2;

PUT o.tl theta.l:6:5;

LOOP (i, PUT v.l(i):10:5);

LOOP (r, PUT u.l(r):10:5);

PUT /;

);

3.14 GAMS Data Exchange (GDX) 

Microsoft Excel is the best software for storing, organizing and manipulating data. 

GAMS data exchange (GDX) facilities import Excel files to GAMS. A GDX file is a 

file that stores the values of one or more GAMS symbols such as sets, parameters, 

variables  and  equations.  Figure  3‐5  shows  an  Excel  file,  named  data.xlsx, 

containing two sheets: Inputs and Outputs. The input and output data set in the 

given data set is located in Inputs and Outputs sheets, respectively. In this section, 

we show how to import data.xlsx file to GAMS. 

The following statement allows GDXXRW.EXE program to read data.xlsx file and 

also  put  range  A1:C15  of  inputs  sheet  (rng=inputs!A1:C15)  into  parameter  X 

(par=X): 

$CALL GDXXRW.EXE data.xlsx par=X rng=inputs!A1:C15

In  this  case, a GDX  file with  the  same name of Excel  file,  i.e. data.gdx, will be 

created. 

To put parameter X from GDX to GAMS, we need to firstly declare it as follows: 

PARAMETER

X(j,i);

 

Page 96: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

78    Chapter 3 

 

2014    M. Toloo 

 

Figure 3–5 Excel file (data.xlsx) 

The following statement opens data.gdx:  

$GDXIN data.gdx

To load parameter X from the opened GDX file to GAMS and then close the current 

GDX file, we use the following statements, respectively: 

$LOAD X Y

$GDXIN

Likewise, the output data set can be imported from the Excel file to GDX and then 

transfer to GAMS. Nevertheless, the following statements can be used to import 

both inputs and output data set from data.xlsx to GAMS:  

$CALL GDXXRW.EXE data.xlsx par=X rng=inputs!A1:C15 par=Y rng=outputs!A1:C15

PARAMETER

X(j,i)

Y(j,r);

$GDXIN data.gdx

$LOAD X Y

$GDXIN

An easy way to change the current GAMS system directory is to create new project 

into the new directory (folder). 

Page 97: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

GAMS Software    79 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

Figure 3–6 A GDX file 

Figure 3–6 depicts the created data.gdx file which is opened by GAMS interface. It 

helps us to verify the imported data from Excel to GDX. 

   

Page 98: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 99: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

81 

CHAPTER 4  

Weights in DEA 

The efficiency of a DMU with multiple inputs and multiple outputs is defined as 

the ratio of the weighted sum of outputs to the weighted sum of  inputs. Hence, 

weights  of  the  inputs  and  outputs  play  an  important  role  in  the  performance 

evaluation in terms of the multiplier DEA model. Traditional DEA models seek the 

optimal weights for a DMU in the best light in comparison to all the other DMUs. 

This flexibility may cause different weights for one  input or output;  in addition, 

they are not unique  for an efficient DMU.  In other words,  there are alternative 

optimal  solutions  for multiplier  form of  the CCR and BCC models when DMU 

under evaluation is efficient. In this case, if software reports some zero weights for 

an  efficient DMU,  then  there  exists  at  least  one  strictly positive  optimal  set  of 

weights (by definition 2–1). A systematic approach for finding a specific solution 

among  alternative  optimal  solutions  is  to  formulate  a  new model. Hence, we 

formulate a minimax model  that explores entire alternative optimal weights  for 

finding a set of (possibly) positive optimal weights.  

Suppose  that  the multiplier  form  of  the CCR model  is  solved  and  the  optimal 

solution is  ∗, ∗, ∗  in place. The set  , : ∗ , 1,

0, 1, … , , ,   represents  all  alternative  optimal  weights.  The 

following  non‐linear  programming model  determines  a  specific  optimal  set  of 

weights which are known as maximin weights (see Wang et al., 2009): 

 

maxmin , … , , , … ,s. t.∑ ∗

∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.1) 

where  the  parameter  ∗  is  the  known  efficiency  score  of DMU . Note  that  the 

feasible  region  of model  (4.1)  is  the  set    and  subsequently  the model  finds 

minimax weights  among whole  alternative  optimal weights  achieved  from  the 

CCR model.  The  non‐linear maximin  objective  function  in model  (4.1)  can  be 

Page 100: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

82    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

transformed to a linear function by including an additional decision variable, say 

, which indicates the minimum value of weights,  min ,… , , , … , . In 

order to establish this relationship, the following   extra constraints must be 

imposed:  

1, … , 1, … ,

 

Now, when   is maximized, these constraints ensure that   will be less than or equal 

to weights. At  the  same  time,  the  optimal  value  of   will  be  no  less  than  the 

minimum  of  all weights.  Therefore  the  optimal  value  of  z will  be  as  small  as 

possible  and  exactly  equal  to  the minimum  of weights.  The  following model 

utilizes the efficiency obtained by the CCR model to find a maximin weight: 

 

maxs. t.∑ ∗

∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1, … ,

   (4.2) 

If  ∗ 1 and  ∗ 0, then DMUo is efficient by definition 2–1. Note that if  ∗ 0 

then DMUo is inefficient even if  ∗ 1. 

Consider the real data set of active banks in the Czech involves 14 banks with two 

inputs  and  two  outputs  (see Chapter  2). We  first  utilize  both DEA‐Solver  and 

GAMS software to solve the CCR model for the given data and then compare the 

results obtained. 

The following Table 4–1 exhibits the efficiency score and optimal weights gained 

by DEA‐Solver software. 

There are 9 banks with  ∗ 1 which are absolutely inefficient, UCB is a single bank 

with  ∗ 1 and  ∗, ∗, ∗, ∗ 0,0,0,0  which is efficient by definition, and the 

status of the other banks is unclear.  

Table 4–2 presents the efficiency score and optimal weights obtained by a written 

code in GAMS software. 

Comparing  Table  4–1  with  Table  4–2  illustrates  a  unique  efficiency  score  is 

obtained  for each DMU by both DEA‐Solver and GAMS software, however,  the 

optimal weights are not necessary  identical.    In addition,  two zero weights are 

obtained  for CMZRB and RB banks by GAMS while DEA‐Solver  identified one 

zero weight  for  each one.  In  the presence of  alternative optimal weights,  these 

weights are determined based on the solution method or software used to solve 

the problem. It is worth noting that FIO is found as an efficient bank in Table 4–2 

with positive weights.  

Page 101: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    83 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 4–1 Optimal weights obtained by DEA‐Solver 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  0.9874  0  2.98E‐05  3.22E‐05  0 

CMZRB  1  4.61E‐03  0  6.92E‐06  2.37E‐05 

CS   0.9146  1.81E‐06  1.07E‐06  9.65E‐07  5.11E‐07 

CSOB  0.8886  2.80E‐05  8.34E‐07  5.93E‐07  1.07E‐06 

EQB  1  0  1.11E‐04  1.07E‐04  3.50E‐05 

ERB  0.2233  1.39E‐02  0  0  1.27E‐04 

FIO  1  0  5.39E‐05  5.82E‐05  0 

GEMB  0.9901  0  7.38E‐06  0  9.72E‐06 

ING  0.8804  1.13E‐03  5.21E‐06  9.51E‐06  0 

JTB  0.964  2.00E‐03  2.17E‐06  0  2.45E‐05 

KB  0.9245  2.12E‐06  1.25E‐06  1.13E‐06  5.98E‐07 

LBBW  0.7  0  3.19E‐05  3.45E‐05  0 

RB  1  1.23E‐04  3.24E‐06  0  6.66E‐06 

UCB  1  8.70E‐05  2.59E‐06  1.84E‐06  3.34E‐06 

Table 4–2 Optimal weights obtained by GAMS 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  0.9874  0  3.00E‐05  3.20E‐05  0 

CMZRB  1  4.61E‐03  0  1.10E‐05  0 

CS  0.9146  2.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

CSOB  0.8886  2.80E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

EQB  1  0  1.11E‐04  1.07E‐04  3.50E‐05 

ERB  0.2233  1.39E‐02  0  0  1.27E‐04 

FIO  1  9.10E‐05  5.40E‐05  4.90E‐05  2.60E‐05 

GEMB  0.9901  0  7.00E‐06  0  1.00E‐05 

ING  0.8804  1.13E‐03  5.00E‐06  1.00E‐05  0 

JTB  0.964  2.00E‐03  2.00E‐06  0  2.50E‐05 

KB  0.9245  2.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

LBBW  0.7  0  3.20E‐05  3.50E‐05  0 

RB  1  0  5.00E‐06  0  7.00E‐06 

UCB  1  8.70E‐05  3.00E‐06  2.00E‐06  3.00E‐06 

Now, we apply model (4.2) on the given data to obtain maximin weights, which 

leads to a set of possibly positive weights as listed in Table 4–3.  

Table 4–3 shows that there is a strictly positive set of weights for each DMU with ∗ 1 and hence these units are efficient by definition 2–1. However, there are still 

some  zero weights  for  some  inefficient DMUs.  For  instance,  consider  the  first 

DMU, AIR, and note  that  the optimal weight  for  the  first  input,  the number of  

Page 102: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

84    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

Table 4–3 Optimal maximin weights 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  0.9874  0  3.00E‐05  3.20E‐05  0 

CMZRB  1  2.05E‐03  5.00E‐06  1.10E‐05  5.00E‐06 

CS  0.9146  2.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

CSOB  0.8886  2.80E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

EQB  1  6.10E‐05  1.09E‐04  8.80E‐05  6.10E‐05 

ERB  0.2233  1.39E‐02  0  0  1.27E‐04 

FIO  1  3.64E‐03  4.20E‐05  4.20E‐05  4.20E‐05 

GEMB  0.9901  0  7.00E‐06  0  1.00E‐05 

ING  0.8804  1.13E‐03  5.00E‐06  1.00E‐05  0 

JTB  0.964  2.00E‐03  2.00E‐06  0  2.50E‐05 

KB  0.9245  2.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

LBBW  0.7  0  3.20E‐05  3.50E‐05  0 

RB  1  3.00E‐06  5.00E‐06  3.00E‐06  3.00E‐06 

UCB  1  8.70E‐05  3.00E‐06  2.00E‐06  3.00E‐06 

employee, and the second output, loans, is zero which means the model did not 

take these measures  into account for obtaining the maximum possible efficiency 

score (0.9874). Obviously, if we develop an approach to consider all measures in 

this evaluation, i.e. positive weights, then the efficiency score of such DMUs may 

be decreased. 

Since the status of DMUs with  ∗ 1 might be  in question we can apply model 

(4.2)  only  for  these  units  and  utilize  the  following maximin model  (for more 

discussion about weight restrictions we refer the reader to Wang et al., 2009): 

 

maxs. t.∑ ∑ 0

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.3) 

The  maximin  weight  method  firstly  utilizes  the  CCR  model  to  measure  the 

efficiency score and then tries to find a lower bound (as large as possible) for the 

weight and subsequently it may fail to find a set of positive optimal weights for 

some  inefficient  DMUs.  In  fact,  the  efficiency  score  of  such  DMUs  must  be 

decreased  to achieve a positive set of weights. A method  that provides positive 

weights for all measures can be obtained by a positive lower bound on all weights, 

which has been discussed  in Chapter 2. Next  section provides another possible 

method by means of another type of weight restrictions.  

Page 103: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    85 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

4.1 Weight restrictions  

The  main  concern  in  DEA  is  to  reduce  the  need  for  a  priori  knowledge. 

Nevertheless, in some cases additional information concerning the importance of 

factors  leads to restriction  imposed on the feasible region of weights. Assurance 

Region (AR) method imposes some constraints on the relative importance of the 

weights for special measures. AR method was firstly proposed by Thompson et al. 

(1986)  to help  in  choosing  a best  site  for  the  location  of  a high‐energy physics 

laboratory.  

Consider  two pairs of  input measures,   and  . The  following constraints put a 

restriction on the ratio of weights for the given measures: 

 

where    and    are  two  the  lower  and upper bounds  that  the  ratio   may 

assume. Without  loss of generality, we can assume  that  . Given  that 

 we have   and hence  it  is  implicitly assumed   and 

.  Furthermore,  two  restrictions    and  give 

the similar restrictions for the ratio   as  . As a result, we consider the 

following constraint on the ratio   for  2,… , : 

 

Imposing these restrictions on the DEA models may decrease the efficiency score 

and we subsequently observe a decrease  in  the number of efficient DMUs. This 

property increases the discriminating power in the AR models.  Note that since the 

efficiency score is extremely sensitive to weight restrictions, some more care needs 

to be taken in choosing these bounds. 

If more information about weights variations is available, then some more general 

restrictions  can  be  considered.  For  instance,  Roll  et  al.  (1991)  suggested  the 

following restrictions: 

 

where   and   are the  lower and upper bounds for  , respectively. From the 

given lower and upper bounds for weights in the proposed restriction by Roll et 

al. (1991) we can obtain theses bounds for the ratio of    as     and  , 

respectively. 

Allen et al. (1997) considered the following weight restrictions to generalize the AR 

method which is called Assurance Region Global (ARG) method: 

∑ 

Page 104: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

86    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

where the ratio of a weighted input to the weighted sum of all inputs is restricted. 

Note that by summing up the constraint ∑

 over  from  1 to  , 

we have ∑∑

∑1 ∑   . As a  result,  (1)  the  sum of  the  lower 

bounds of inputs must be less than or equal to one and (2) the sum of the upper 

bounds must be greater than or equal to one in the case all inputs are restricted; 

otherwise the ARG model is infeasible.  

It  is worth noting  that  the  similar weight  restrictions  can be  considered on  the 

outputs. 

Adding some weight restrictions to the multiplier form of the CCR model leads to 

a model with restricted feasible region. For instance, the following model is known 

as CCR‐AR: 

 

max ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 2, … ,0 2, … ,0 2, … ,0 2, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.4) 

where   and   are the lower and upper bounds on ratio  , respectively.  

The  following dual program of model  (4.4)  is  the envelopment  form of  the AR 

model: 

  

min θs. t.∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ 2, … ,

∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ 2, … ,

0 1, … ,

, 0 2, … ,

0 2, … ,

   (4.5) 

where  , , ,  and    are  the  dual  variables  associated  with  the  last  four 

constraints of model (4.4) respectively.   

A more general weight restriction method, known as cone‐ration, was proposed 

by Charnes et al. (1990). Cone‐ratio method restricts the feasible region of a weight 

to  places  in  the  polyhedral  convex  cone.  For  a  deeper  discussion  of  weight 

restriction methods we refer readers to Cooper et al. (2007b). 

Page 105: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    87 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Now, we apply the assurance region method on the real data set of active banks  in 

the Czech Republic. Suppose that an expert in bank industry believes that: 

1. The importance of employees is at least 2 times more than the weight of 

assets.  

2. The importance of employees is at most 5 times less than the weight of 

assets.   

3. The importance of Deposits is at least equal to the weight of loans. 

4. The  importance of Deposits  is at most 2  times  less  than  the weight of 

loans. 

The following four constraints can be formulated to reflect the above additional 

information: 

2 5; 1 2 

Table  4–4  summarizes  the  optimal weights  achieved  by  considering  the  above 

weight restriction:  

As can be extracted from the table, all the lower and upper bounds for the input 

weights are achieved and also this is the case for 6 output weights. Moreover, all 

obtained weights are strictly positive and hence all DMUs with  ∗ 1 are efficient. 

Comparing Table 4–3 with Table 4–4 it is seen that the AR‐efficiency scores are less 

than or equal to the CCR‐efficiency score. The status of CMZRB, EQB, and UCB 

banks, which are CCR‐efficient, is changed to AR‐inefficient. Definitely, the ratio 

of optimal weights obtained by  the CCR model  for  these DMUs are not  in  the 

assurance  region  imposed  by  additional  constraints.  For  instance,  considering 

Table  4–3  the  ratio  of  optimal  input weights  for CMZRB  is ∗

.

.410 

which is quite far from the interval  2,5 . There are two AR‐efficient DMUs, i.e. FIO 

and RB, which are CCR‐efficient. This example illustrates that the assurance region 

method  increases  the  discriminating  power  and  enables  further  discriminate 

among efficient DMUs.   

Figure 4–1 depicts the changes made by applying the assurance region constraints. 

CMZRB and UCB, which were evaluated as the efficient banks without imposing 

the assurance region are now inefficient. In fact, the efficiency of banks generally 

declines in the presence of weight restrictions.  

In sum, weight restriction methods restrict  the  feasible region and  lead  to more 

discriminating power. Nonetheless, this method is inapplicable when there is no 

information about the weights. Next section introduces some more variant models 

with a higher discriminating power. 

 

Page 106: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

88    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

Table 4–4 AR‐Efficiency and weights  

Banks  ∗  ∗  ∗ ∗

∗  ∗  ∗  ∗

∗ 

AIR  0.9649  5.81E‐05  2.91E‐05  2  2.66E‐05  1.33E‐05  2 

CMZRB  0.7813  4.43E‐05  8.87E‐06  5  8.19E‐06  4.10E‐06  2 

CS  0.9140  2.12E‐06  1.06E‐06  2  9.60E‐07  5.17E‐07  1.86 

CSOB  0.8481  5.12E‐06  1.02E‐06  5  9.08E‐07  5.77E‐07  1.57 

EQB  0.9937  2.09E‐04  1.04E‐04  2  9.44E‐05  5.09E‐05  1.86 

ERB  0.1059  1.47E‐04  2.94E‐05  5  2.61E‐05  1.66E‐05  1.57 

FIO  1  2.65E‐04  5.30E‐05  5  4.90E‐05  2.45E‐05  2 

GEMB  0.9677  1.41E‐05  7.03E‐06  2  4.86E‐06  4.86E‐06  1 

ING  0.7269  3.85E‐05  7.70E‐06  5  7.11E‐06  3.56E‐06  2 

JTB  0.8856  5.74E‐05  1.15E‐05  5  1.02E‐05  6.47E‐06  1.57 

KB  0.9245  2.49E‐06  1.24E‐06  2  1.12E‐06  6.06E‐07  1.86 

LBBW  0.6155  6.24E‐05  3.12E‐05  2  2.86E‐05  1.43E‐05  2 

RB  1  9.83E‐06  4.91E‐06  2  4.44E‐06  2.39E‐06  1.86 

UCB  0.8544  1.52E‐05  3.04E‐06  5  2.69E‐06  1.71E‐06  1.57 

 

Figure 4–1 CCR‐efficiency and CCR‐AR‐efficiency scores 

4.2 Some other approaches  

There are some various versions of multiplier DEA models  in  the  literature. To 

introduce these models, we first add a variable to each inequality constraints of the 

multiplier form of the CCR model: 

1 1 1

0,990

0,987

0,925

0,915

0,964

1

0,889

1

0,880

0,700

0,223

1 1

0,9937

0,9677

0,9649

0,9245

0,9140

0,8856

0,8544

0,8481

0,7813

0,7269

0,6155

0,1059

CCR‐Efficiency CCR‐AR‐efficiency

Page 107: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    89 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

∗ min or max ∑

s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.6) 

From  the  second  set  of  constraints  for  an  unit  under  evaluation, ∑

∑ 0 and  the normalization constraint, ∑ 1, we result  in 

∑ 1 . Hence, (i)  0  if and only  if ∑ =1, (ii)  ∈ 0,1   , 

and (iii) 1 ∗  is efficiency score of DMUo. The variable   is called deviation from 

efficiency and DMUo  is called efficient  if and only  if there exists at  least a strictly 

positive set of optimal weights  ∗, ∗  with  ∗ 0. 

Sexton et al.  (1986)  formulated  the  following LP with considering  the weighted 

sum of all deviation variables as the objective function: 

  

min∑

s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.7) 

where parameter   presents the weight (importance) of deviation variable  . In 

this model, 1 ∗ ∑ ∗  is called weighted minsum efficiency score for DMUo. 

The  evaluated  efficiency  score  by  this method  is  closely  related  to  the  given 

parameters  ( , … , .  Let  ∗, ∗, ∗   be  the  optimal  solution  for model  (4.6). ∗, ∗  is a feasible solution for the CCR model and given optimality conditions 

1 ∗ ∗.  In  other words,  the  efficiency  defined  under minsum  criterion  in 

model (4.6) is more restrictive than that of the CCR model. As a result, if DMUo is 

weighted minsum efficient, then it is CCR‐efficient (1 ∗ 1 ∗ ⇒ ∗ 1) but 

the reverse is not always true. If we also suppose  , … , 1, … ,1 , then 1 ∗  

is known as minsum efficiency score of DMU .  

The minsum model can be simplified as follows: 

  

min∑ ∑ ∑

s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.8) 

The feasible region of model (4.8) and the multiplier form of the CCR model are 

identical.  

Page 108: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

90    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

Table 4–5 Minsum efficiency and weights 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  0.7690  7.14E‐04  2.10E‐05  1.50E‐05  2.70E‐05 

CMZRB  0.7750  1.50E‐05  9.00E‐06  8.00E‐06  4.00E‐06 

CS  0.8736  2.60E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

CSOB  0.8422  2.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

EQB  0.6637  1.78E‐03  5.30E‐05  3.80E‐05  6.80E‐05 

ERB  0.1040  5.00E‐05  3.00E‐05  2.70E‐05  1.40E‐05 

FIO  1  9.10E‐05  5.40E‐05  4.90E‐05  2.60E‐05 

GEMB  0.8081  1.36E‐04  4.00E‐06  3.00E‐06  5.00E‐06 

ING  0.7221  1.30E‐05  8.00E‐06  7.00E‐06  4.00E‐06 

JTB  0.8757  2.00E‐05  1.20E‐05  1.10E‐05  6.00E‐06 

KB  0.9191  3.10E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

LBBW  0.4057  7.71E‐04  2.30E‐05  1.60E‐05  3.00E‐05 

RB  1  1.14E‐04  3.00E‐06  2.00E‐06  4.00E‐06 

UCB  0.8342  5.00E‐06  3.00E‐06  3.00E‐06  1.00E‐06 

The following Table 4–5 shows the minsum efficiency and optimal weights for the 

banks in the Czech Republic given in Chapter 2.  

As can be seen, all weights are positive without having need of defining a positive 

lower bound on the weights, however this result  is not always true all the time. 

Since  all weights  are  positive,  each DMU with  ∗ 1,  such  as  FIFO  or RB,  is 

minsum‐efficient.  

Stewart  (1996)  suggested  an  alternative  approach  for  dealing  with  deviation 

variables in DEA. The author formulated the following minimax form of deviation 

variables as the objective function: 

 

mins. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.9) 

where    ∗ max ∗: 1, … , .  In  this model, 1 ∗   is  known  as minimax 

efficiency score of DMUo. Similar to the minsum approach, the minimax efficiency 

score evaluated by model (4.9) is more restrictive than the CCR efficiency. 

Page 109: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    91 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 4–6 Minimax efficiency and weights 

Banks  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  

AIR  0.8143  5.63E‐04  2.30E‐05  1.80E‐05  2.40E‐05 

CMZRB  0.7220  2.08E‐04  9.00E‐06  7.00E‐06  9.00E‐06 

CS   0.8830  2.10E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

CSOB  0.8773  2.20E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

EQB  0.7206  1.51E‐03  6.20E‐05  4.70E‐05  6.50E‐05 

ERB  0.1163  6.90E‐04  2.80E‐05  2.20E‐05  3.00E‐05 

FIO  1  1.22E‐03  5.00E‐05  3.80E‐05  5.30E‐05 

GEMB  0.8384  1.12E‐04  5.00E‐06  4.00E‐06  5.00E‐06 

ING  0.6736  1.80E‐04  7.00E‐06  6.00E‐06  8.00E‐06 

JTB  0.9382  2.57E‐04  1.10E‐05  8.00E‐06  1.10E‐05 

KB  0.9204  2.40E‐05  1.00E‐06  1.00E‐06  1.00E‐06 

LBBW  0.4533  6.07E‐04  2.50E‐05  1.90E‐05  2.60E‐05 

RB  1  9.10E‐05  4.00E‐06  3.00E‐06  4.00E‐06 

UCB  0.9580  6.60E‐05  3.00E‐06  2.00E‐06  3.00E‐06 

The following nonlinear programming model is equivalent to model (4.9) with the 

same feasible region as the multiplier form of the CCR model: 

  

minmax ∑ ∑ : 1,… ,

s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.10) 

Table 4–6 reports minimax efficiency score and optimal weights for the given real 

data set. 

Comparison  between  Table  4–5  and  Table  4–6  shows  that  two  minsum  and 

minimax approaches lead to the similar results, however it is not always true.  

Li  and  Reeves  (1999)  considered  all  three  mentioned  objective  functions  and 

formulated  the  following  Multiple  Objective  Linear  Programming  DEA 

(MOLPDEA) model:  

Page 110: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

92    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

 

min or max ∑

min

min∑

s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.11) 

The first objective function (criterion) is identical to the objective function of model 

(4.6),  the  second  one  is minimax  of  all  deviation  variables  and  finally  the  last 

criterion is the sum of the deviation.  

Typically,  there  is no unique optimal  solution  for MOLP problems  that  can be 

obtained without incorporating preference information. The concept of an optimal 

solution is often replaced by the set of non‐dominated solutions. A non‐dominated 

solution contains the property that it is not possible to move away from it to any 

other solution without sacrificing in at least one criterion. For more details about 

multi‐objective optimization we refer readers to Steuer (1989) and Cohon (2013). 

4.3 Common set of weights 

Thus far, the presented DEA models must be solved   times, one model for each 

DMU, and hence the optimal weight can differ from one DMU to others. Whereas 

CSW models integrate by solving a single optimization problem to obtain a CSW. 

As a result, there is no DMU under evaluation in this type of DEA models. Instead 

of  having  a  single  normalization  constrain,  CSW  models  usually  involve   

normalization  constraints  ∑ 1 1, … , .  The  CSW  models  have 

several advantages over the traditional DEA models; (i) the optimal set of weights 

is obtained by solving only a single integrated problem, (ii) there is no need to solve 

corresponding  individual  LP  problem  for  evaluating  all  efficiencies,  (iii)  these 

models  render more  discriminating  power  among  efficient DMUs. Cook  et  al. 

(1990) and Roll et al. (1991) introduced the CSW approach to measure the relative 

efficiency of highway maintenance patrols in Ontario. 

4.3.1 Integrated minsum approach 

Consider the following model as an integrated version of model (4.7):  

Page 111: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    93 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

  

min∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.12) 

The model  involves   normalization  constraints  (∑ 1, 1, … , ). The 

model obtains a CSW to evaluate the efficiency score of all DMUs with solving a 

single LP.  

Clearly,  , , , ,   is a feasible solution for this model. On the other 

hand, due to the minimization of the objective function the optimal objective value 

is always zero i.e.,  , ,  is an optimal solution. Note that unlike traditional 

DEA models, model (4.12) fails to find a non‐zero weights when there is no positive 

lower bounds  for  , . To overcome  the problem we must consider a positive 

lower bound   for the weights. We also point out that the two‐phase approach for 

finding the CCR‐efficient DMUs without dealing with the epsilon (see Chapter 2) 

is inapplicable for the model. 

The following integrated minsum is obtained by imposing the non‐Archimedean 

epsilon on the previous model: 

 

min∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,1,… ,

   (4.13) 

In  this  model  ,   is  called  a  CSW.  Here  the  efficiency  score  of  DMUj  is ∑ ∗

∑ ∗

∑ ∗  and hence DMUk is efficient if and only if  ∗ 0.   

The  following  theorem  proves  that  the  efficiency  score  of  DMUs  remains 

unchanged when the first   constraints of the model are disregarded, although this 

omission changes the feasible region. This type of redundant constraint is called 

non‐geometrically  redundant  constraint.  As  will  be  proved  subsequently,  the 

ignorance of these non‐geometrically redundant constraint helps us formulate an 

epsilon‐free model. 

Theorem 4–1 The   normalization  constraints  in  the  integrated minsum model 

(4.13) are non‐geometrically redundant constraint. 

Proof. Consider the following dual problem of model (4.13): 

Page 112: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

94    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

 

max ∑ ∑ ∑

s. t.∑ 0 1, … ,

∑ 0 1, … ,

1, 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

   (4.14) 

It  is  sufficient  to  show  that  in  the optimality  ∗ 0  for all  . On  the  contrary, 

suppose that ∗,

∗, ∗, ∗  be the optimal solution for model (4.14) where  ∗

. Clearly, ∗,

∗, , ∗   is  a  feasible  solution  for  this model with  the  better 

objective value, which is a contradiction. Hence, model (4.14)is equivalent to the 

following model: 

 

max ∑ ∑ s. t.∑ 0 1, … ,

∑ 0 1, … ,

1 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

   (4.15) 

And the dual of model (4.15) is as follows 

 

min∑

s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,1,… ,

   (4.16) 

It completes the proof. □ 

Removing the extra   normalization constraints not only leads to a simpler model, 

but also changes the role of epsilon in the model. The following theorem proves 

that model (4.16) is feasible for all values of epsilon. 

Theorem 4–2 The optimal objective value of the following model is unbounded: 

 

∗ maxs. t.∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1, … ,

   (4.17) 

Proof.  Clearly, model  (4.17)  is  always  feasible.  Considering  the weak  duality 

property, we can show that the following dual model of (4.17) is infeasible: 

Page 113: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    95 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

min 0s. t.∑ 0 1, … ,

∑ 0 1, … ,

∑ ∑ 1

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

   (4.18) 

From  the  first  set  of  constraints, ∑  we have  0∀ ,  0∀ . 

Considering the second set of constraints we obtain  0∀ which is impossible 

due to the constraint ∑ ∑ 1. □ 

As a result,   in model (4.16) is an Archimedean parameter. More importantly, if 

the vector  ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (4.16) for a fixed parameter 

0, then for all  0 the vector  ∗, ∗, ∗  is an optimal solution of model (4.16) 

if we select   as a parameter.  In other words, the efficiency scores of model (4.16) 

are identical for any positive value for  . The most suitable value for epsilon is 1 

that leads to the following integrated epsilon‐free equivalent model: 

 

min∑

s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

1 1, … ,1 1,… ,

   (4.19) 

This model excludes epsilon and in comparison with model (4.16) is simpler, and 

more practical. As it was earlier mentioned DMU  is minsum efficient if and only if ∗ 0. Now, we  compare  the  integrated minsum model  (4.19) with  the  CCR 

model.  

Theorem 4–3 The following model is equivalent to the CCR model: 

 

max∑

s. t.∑

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.20) 

where   is a positive number. 

Proof.   By reference to Toloo (2009), the CCR model (4.6) is equivalent to model 

(4.21): 

Page 114: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

96    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

 

max∑

s. t.∑

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,0 1,… ,

   (4.21) 

Consequently, it is sufficient to show that models (4.20) and (4.21) are equivalent. 

Toward the end, consider the following dual of these models, respectively: 

 

mins. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

free is sign

   (4.22) 

 

mins. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,0

   (4.23) 

From the constraints of model (4.22), it is implied that  0. Therefore, this model 

is  equivalent  to model  (4.23)  and  the  related  primal models  are  equivalent.  It 

completes the proof.  □ 

Suppose that the integrated minsum model (4.19) is solved; let the set   be the set 

of indices of efficient DMUs,  ∗ 0 1, … , . In the following theorem, 

we prove that a minsum efficient DMU with CSW is CCR‐efficient. 

Theorem 4–4 DMU ∈  is CCR‐efficient. 

Proof. Let  ∈ and  ∗, ∗, ∗  be an optimal solution of the integrated minsum 

model  (4.19)  with  ∗ 0.    With  these  assumptions  we  have  ∑ ∗

∑ ∗ 0  and  consequently  ∑ ∗ ∑ ∗ .  Let  ∑ ∗   and 

note  that  from  the  constraints  1, 1, … , , we  have  0. Under  these 

conditions  ∗, ∗   is a feasible solution of model (4.20) and the related objective 

function value is equal to   and hence, according to Theorem 4–3, DMU  is CCR‐

efficient. □ 

Let us utilize the real data set of active banks  in the Czech Republic to evaluate 

their performance based on minsum‐integrated approach. The optimal objective   

Page 115: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    97 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 4–7 Minsum efficiency score (CSW) 

Banks  ∗ Banks  ∗

AIR  0.8674  GEMB  0.8782 

CMZRB  0.7428  ING  0.6925 

CS  0.8940  JTB  0.9145 

CSOB  0.8646  KB  0.9218 

EQB  0.7997  LBBW  0.5092 

ERB  0.1115  RB  1 

FIO  1  UCB  0.9120 

value and the optimal solution of model (4.19) for the given data set is 6.2985E+5 

and  ∗, ∗, ∗, ∗ 18.525, 1.215,1,1 ,  respectively.  Table  4–7  reports  the 

minsum efficiency score.  

There are two minsum efficient DMUs, FIO and RB, and the worst inefficient bank 

is ERB. 

4.3.2 Integrated minimax approach 

An  alternative  technique  involving  less  deviation  variables  minimizes  the 

maximum value of these variables. We formulate the following integrated epsilon‐

free minimax model that minimizes the maximum value of deviation variables for 

all DMUs: 

 

mins. t.∑ ∑ 0 1,… ,

0 1, … ,

0 1, … ,

1 1, … ,1 1,… ,

   (4.24) 

Similar to the minsum model (4.19), this epsilon‐free model has very  interesting 

properties (for more details see Toloo 2014a). 

We apply the integrated minimax model (4.11) to the data set of banks in the Czech 

Republic.  The  optimal  CSW  is ∗, ∗, ∗, ∗ 18.525, 1.215,1,1   which  is 

identical to the CSW of model (4.19). This example illustrates that there are some 

similarities  between  the  minsum  and  minimax  approaches.  However,  the 

following section demonstrates that in some cases a DMU might be efficient in a 

model and inefficient in another model. 

4.3.3 Facility layout design problem 

Facility  Layout  Design  (FLD)  referees  to  the  arrangement  of  all  equipment, 

machinery, and furnishings after considering the various objectives of the facility. 

Page 116: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

98    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

The layout consists of production areas, support areas, and the personnel areas in 

the  building.  Traditionally,  there  are  four  types  of  layout  designs  that 

manufacturing  organizations  employ,  namely,  process  layout,  product  layout, 

fixed position  layout, and Group Technology  (GT)  layout  (Stevenson 2011). The 

need for facility layout design arises both in the process of designing a new layout 

and in redesigning an existing layout. The concept of FLD is usually considered as 

a multi‐objective problem. For this reason, a layout generation and its evaluation 

are often challenging and time consuming due to their inherent multiple objectives 

in nature and their data collection process. As a result,  the determination of  the 

best layout for a facility is regarded as a multiple objectives optimization problem. 

The  best  layout  can  optimize measurements  of  production  efficiency,  such  as 

throughput, cycle time, or resource utilization.  

To have an efficient evaluation of facility layout design, it is necessary to consider 

both  qualitative  and  quantitative measures.  Ertay  et  al.  (2006)  considered  two 

qualitative measures, flexibility in volume and variety and quality related to the 

product and production, and four quantitative measures; material handling cost, 

adjacency score, shape ratio, and material handling vehicle. The authors presented 

a decision‐making methodology based on DEA, which uses both quantitative and 

qualitative measures for evaluating FLD. The material handling cost and adjacency 

score measures that are to be minimized are viewed as inputs whereas shape ratio, 

flexibility, quality and material handling vehicle measures that to be maximized 

are considered as outputs.  

Material handing cost ( ) is the cost of movement, protection, storage and 

control of materials and products throughout manufacturing, warehousing, 

distribution,  consumption  and  disposal.  In  general,  20–50%  of  the 

production cost is for the material handling and alleviating any amount of 

cost in this section has a crucial role in the production time, the production 

cost, and the system efficiency (see Singh and Sharma 2005). 

The  adjacency  score  ( )  is  computed  as  the  sum  of  all  flow  values  (or 

relationship  values)  between  those  departments  (activities)  that  are 

adjacent in the layout.   

The  shape  ratio  ( )  is  the  ratio  between  the  sizes  of  shape  in different 

dimensions. For example, the aspect ratio of a rectangle  is the ratio of  its 

longer side to its shorter side. In unequal plant layout, the maximum aspect 

ratio is a constraint that should be satisfied. When it exist more than two 

dimensions, such as hyper rectangles, the aspect ratio can still be defined as 

the ratio of the longest side to the shortest side.  

Flexibility  ( ).  In  designing  the  plant  layout  taking  into  account  the 

changes  over  short  and medium  terms  in  the  production  process  and 

manufacturing volumes. The concept of plant  layout  is not static but it is 

dynamic  because  of  continuous  manufacturing  and  technological  

 

Page 117: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Weights in DEA    99 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 4–8 Inputs and outputs of 19 FLDs 

FLDs Inputs Outputs

 

1  20309.56  6405    0.4697  0.0113  0.041  30.89 

2  20411.22  5393    0.438  0.0337  0.0484  31.34 

3  20280.28  5294    0.4392  0.0308  0.0653  30.26 

4  20053.2  4450    0.3776  0.0245  0.0638  28.03 

5  19998.75  4370    0.3526  0.0856  0.0484  25.43 

6  20193.68  4393    0.3674  0.0717  0.0361  29.11 

7  19779.73  2862    0.2854  0.0245  0.0846  25.29 

8  19831  5473    0.4398  0.0113  0.0125  24.8 

9  19608.43  5161    0.2868  0.0674  0.0724  24.45 

10  20038.1  6078    0.6624  0.0856  0.0653  26.45 

11  20330.68  4516    0.3437  0.0856  0.0638  29.46 

12  20155.09  3702    0.3526  0.0856  0.0846  28.07 

13  19641.86  5726    0.269  0.0337  0.0361  24.58 

14  20575.67  4639    0.3441  0.0856  0.0638  32.2 

15  20687.5  5646    0.4326  0.0337  0.0452  33.21 

16  20779.75  5507    0.3312  0.0856  0.0653  33.6 

17  19853.38  3912    0.2847  0.0245  0.0638  31.29 

18  19853.38  5974    0.4398  0.0337  0.0179  25.12 

19  20355  17402    0.4421  0.0856  0.0217  30.02 

improvements taking place necessitating quick and immediate changes in 

production  processes  and  designs.  A  flexible  layout may  be  necessary 

because of technological changes in the products as well as simple change 

in processes, machines, and materials.  

Quality ( ). In manufacturing, the quality of product/service is defined as 

fitness for pre‐determined purposes.  

Material  handling  vehicle  ( )  encompasses  a  diverse  range  of  tools, 

vehicles, storage units, appliances and accessories for transporting, storing, 

controlling,  enumerating  and  protecting  products  at  any  stage  of 

manufacturing, distribution  consumption  or disposal. Material  handling 

equipment  is  the mechanical equipment, which  is generally divided  into 

four main categories: storage and handling equipment, engineered systems, 

industrial trucks, and bulk material handling. 

Table 4–8 exhibits inputs and outputs of 19 FLDs which is adapted from Ertay et 

al. (2006). 

Table 4–9 reports the efficiency scores of 19 FLDs: the second column indicates the 

CCR‐efficiency  score  of  the  CCR  model,  the  third  and  fourth  columns  show  

 

Page 118: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

100    Chapter 4 

2014    M. Toloo 

Table 4–9 Different efficiencies for 19 FLDs 

FLDs CCR Minsum  Minimax

1 0.9846  0.9473  0.5965 

2 0.9884  0.9846  0.7283 

3 0.9974  0.9878  0.7057 

4 0.9493  0.9426  0.6487 

5 1  0.8603  0.9445 

6 0.9733  0.9323  0.9153 

7 1  0.9217  0.6242 

8 0.8568  0.8134  0.5379 

9 0.8892  0.8138  0.7963 

10 1  1  1 

11 0.9983  0.9505  0.9777 

12 1  0.9854  1 

13 0.7759  0.7454  0.5951 

14 1  1  1 

15 1  1  0.7360 

16 1  0.9853  0.9746 

17 1  1  0.6803 

18 0.8517  0.8118  0.6487 

19 1  0.6374  0.6846 

minsum‐efficiency  and  minimax  efficiency  of  models  (4.19)  and  (4.24), 

respectively.  

The optimal CSW for the minsum and minimax models is  ∗, ∗, ∗, ∗ , ∗ , ∗

1,1, 2.32 10 , 2.24 10 , 2.79 10 , 5.81 10   and  ∗, ∗, ∗, ∗ , ∗ , ∗

1.08, 1, 9.12 10 , 1.43 10 , 1, 3.55 10  , respectively. 

As can be extracted from Table 4–9, there are 9 CCR‐efficient, 4 minsum‐efficient 

and 3 minimax‐efficient FLDs. All minsum‐efficient and minimax‐efficient FLDs 

are also CCR‐efficient. FLD10 and FLD14 are both minsum and minimax efficient 

FLD15 and FLD17 are minsum‐efficient and minimax‐inefficient, FLD12 is minimax‐

efficient  and minsum‐inefficient.  In  addition,  there  is  a  considerable difference 

between the minsum‐efficiency and minimax‐efficiency score of FLD1. The last row 

of table indicates the biggest difference between the CCR‐efficiency and minsum 

and minimax efficiency scores. 

Page 119: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  101 

CHAPTER 5  

Best Efficient Unit 

One of  the purposes of DEA  in practice  is  to provide  the prioritization among 

DMUs. However, DEA models partition all the DMUs into two sets: efficient and 

inefficient, where an efficient and inefficient DMU respectively have a score of 1 and 

less than 1. Hence, these models fail to provide more information about the efficient 

DMUs. On the other hand, standard DEA models must be solved   times, once for 

each unit, to get the maximum ratio of weighted sum of outputs to weighted sum 

of  inputs.  The  flexibility  of weights  in  these methods  leads  to  the maximum 

efficiency score for each unit. One method to improve the discriminating power of 

DEA models  is  to  reduce  the  flexibility  of weights. Although  a  discriminating 

power can be improved by the weight restriction methods, a priori knowledge on 

the  weights  is  needed  which  is  often  unavailable.  The  CSW  approach  is  an 

alternative method that  leads to a DEA model with more discriminating power. 

However, they may suffer from discrimination among efficient DMUs. Adler et al. 

(2002) comprehensively reviewed all ranking methods in DEA context including 

linear discriminant analysis (Torgersen et al., 1996), discriminant analysis of ratios 

(Sinuanay‐Stern  et  al.,  1994),  super  efficiency  ranking methods  (Andersen  and 

Petersen  1993),  benchmark  ranking  methods  (Seuyoshi  1999),  cross  efficiency 

ranking methods (Dyson et al., 2001). 

In some cases, the main concern is to find a single efficient DMU, called the most 

efficient DMU, which can be determined by ranking approaches. However, it is not 

necessary  to  rank  all  efficient  DMUs  for  identifying  the  best  efficient  DMU. 

Noteworthy, ranking methods usually deal with a variable set of optimal weights 

for each DMU, whereas the best efficient DMU may be determined in an identical 

situation by  the CSW approaches. Consequently,  instead of solving at  least one 

optimization problem for each DMU, an integrated model can be applied to find 

the best efficient DMU. Recently, the problem of finding the most (best) efficient 

DMU  in DEA has called  the attention  to some researchers: Shang and Sueyoshi 

(1995)  suggested  a  DEA/AHP  approach  to  find  the  most  efficient  flexible 

manufacturing  system  (FMS).  The  proposed  framework  first  involved  the 

integrated use of analytic hierarchy process (AHP), simulation and an accounting 

Page 120: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

102    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

procedure to determine the necessary outputs and inputs of FMS alternatives, and 

then, the application of DEA with restricted weights and cross‐efficiency analysis 

to select  the most efficient FMS. Baker and Talluri  (1997) dealt with  finding  the 

most  efficient  robot  in advanced manufacturing  technology  (AMT). Cook  et al. 

(1996)  proposed  a  structure  for  decision  problems  where  some  factors  are 

measurable only on an ordinal scale, which enables  the  treatment of qualitative 

factors in an ordinal sense within the standard DEA model. Karsak and Ahishka 

(2005) followed the approach of Cook et al. (1996) in order to incorporate ordinal 

outputs into the AMT evaluation process. The authors proposed a MCDM method 

to handle industrial robot selection problem. Ertay et al. (2006) developed a robust 

layout framework based on the DEA/AHP methodology to find the most efficient 

FLD.  Farzipoor  Saen  (2007),  Toloo  and  Nalchigar  (2011a),  and  Toloo  (2014b) 

addressed  the  supplier  selection problem  in  the presence  of  both  cardinal  and 

ordinal data. Toloo et al.  (2009) and Toloo and Nalchigar  (2011b)  formulated an 

integrated model for finding the most efficient discovered rule in data mining and 

designed  an  algorithm  to  rank  all  efficient  discovered  rules.  Amin  and 

Emrouznejad (2010) suggested an approach to find the most relevant information 

among  a  return  set  of  ranked  lists  of  documents  retrieved  by  distinct  search 

engines. Farzipoor Saen (2011) formulated a new DEA model to tackle the media 

selection problem. Toloo  (2013) proposed an approach  to  find  the most efficient 

professional  tennis  player.  Toloo  and Kresta  (2014)  dealt with  the  problem  of 

finding the most efficient long‐term asset financing provided by Czech banks and 

leasing companies. Toloo and Etray (2014) suggested a minimax approach to find 

the most cost efficient automotive vendor with price uncertainty. 

5.1 Multi‐input and multi‐output case 

The minimax  efficiency  formulation  can  reduce  the number of  efficient DMUs, 

although  it may have deficiency  in determining  the best one. To overcome  this 

weakness, Ertay et al. (2006) formulated the following minimax model: 

 

mins. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,1,… ,

   (5.1) 

where  ∈ 0,1  is a constant, called discriminating parameter, that is determined by 

trial‐and‐error method  to  obtain  a  single  relatively  efficient  alternative.  In  this 

model,  ∗ is a deviation from efficiency of DMU  when DMU  is being evaluated. 

The efficiency score of DMU  is 1 ∗  and this unit is efficient if and only if  ∗ 0. 

The second term of the objective function plays the role of a penalty function. In   

Page 121: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    103 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–1 Different efficiency scores 

FLDs  CCR Minimax 

( 0) 

Minimax

( 0.3) 

1 0.985  0.952  0.932 

2 0.988  0.959  0.952 

3 0.997  0.933  0.926 

4 0.949  0.872  0.872 

5 1  0.794  0.794 

6 0.973  0.897  0.897 

7 1  0.794  0.793 

8 0.857  0.787  0.776 

9 0.889  0.775  0.775 

10 1  0.847  0.811 

11 0.998  0.9  0.9 

12 1  0.868  0.868 

13 0.776  0.776  0.776 

14 1  0.97  0.97 

15 1  1  0.994 

16 1  1  1 

17 1  0.973  0.924 

18 0.852  0.796  0.785 

19 1  0.806  0.806 

this approach, firstly model (5.1) must be solved for  0. If a single efficient DMU 

is determined, then the model succeeds in finding most efficient unit. Otherwise, a 

suitable value for   (by trial‐and‐error approach) should be assigned to obtain a 

single efficient DMU.   

Table 5–1 reports several efficiency scores obtained from the CCR and Ertay et al. 

(2006)’s models.  The minimax  approach  successfully  decreases  the  number  of 

efficient FLDs  from 9  to 2 as well as determining FLD15 and FLD16 as  the most 

efficient  candidates. However, we  require  a  single  efficient DMU  to  find most 

efficient DMU. The last column shows the efficiency score obtained from the model 

of Ertay et al. (2006) for  0.3. The efficiency scores with  0.3 are less than or 

equal to the efficiency scores computed by other methods. The results show that 

the FLD16 is the single efficient unit. 

Ertay  et  al.  (2006)  ignored  the  importance  of  epsilon’s  role  in  discriminating 

between efficient DMUs and practically  considered  0. Table 5–2  shows  the 

optimal weights for the minimax model (5.1) for the data set with  0.  

As can be seen, the second input and output are omitted in the evaluation process. 

In other words, model (5.1) ignores two out of six measures (i.e., more than 30% of 

measures)  to  identify  the best efficient candidates. To  tackle  this  issue and have 

maximum discriminating  power, we  consider  the maximum  non‐Archimedean 

epsilon for the data set,  ∗ 2.64852 10 , in the method of Ertay et al. (2006). 

Consequently, the following results from Table 5–3 can be listed: 

Page 122: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

104    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Table 5–2 The optimal weights for the minimax model 

FLDs ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

1  0.000049  0  0.074192  0  0.024538  0.029672 

2  0.000049  0  0.073822  0  0.024415  0.029524 

3  0.000049  0  0.074299  0  0.024573  0.029715 

4  0.000050  0  0.075140  0  0.024851  0.030051 

5  0.000050  0  0.075345  0  0.024919  0.030133 

6  0.000050  0  0.074618  0  0.024678  0.029842 

7  0.000051  0  0.076179  0  0.025195  0.030467 

8  0.000050  0  0.075982  0  0.025130  0.030388 

9  0.000051  0  0.076845  0  0.025415  0.030733 

10  0.000050  0  0.075197  0  0.024870  0.030074 

11  0.000049  0  0.074115  0  0.024512  0.029641 

12  0.000050  0  0.074760  0  0.024726  0.029899 

13  0.000051  0  0.076714  0  0.025372  0.030681 

14  0.000049  0  0.073232  0  0.024220  0.029288 

15  0.000048  0  0.072836  0  0.024089  0.029130 

16  0.000048  0  0.072513  0  0.023982  0.029001 

17  0.000050  0  0.075897  0  0.025101  0.030354 

18  0.000050  0  0.075897  0  0.025101  0.030354 

19  0.000040  0  0.077202  0  0  0.025723 

1. The CCR model with maximum epsilon has more discriminating power 

and determines 7 efficient DMUs. Hence, FLD5 and FLD19 are not the most 

efficient candidates. 

2. The minimax model  (5.1)  for  0 with  2.64852 10   identifies 

FLD10 and FLD14 as the most efficient candidates. Note that neither FLD15 

nor FLD16 are efficient with a set of strictly positive weights while they 

were identified as the efficient units in Ertay et al. (2006).  

3. The most efficient FLD with  0.4 is FLD14. 

In conclusion, considering a set of positive weights as an essential  issue  in DEA 

models may lead to different results in fining the most efficient DMU.  

Amin and Toloo (2007) provided the following numerical example, see Table 5‐4, 

to criticize the trial‐and‐error method of Ertay et al. (2006).  

There are 4 DMUs with a single input and 4 outputs in the data set. The maximum 

epsilon for the data is  ∗ 0.0714. The following model represents model (5.1) for 

DMU1. 

Page 123: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    105 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–3 Different efficiency scored with maximum epsilon 

FLDs  CCR Minimax

( 0) 

Minimax

( 0.4) 

1 0.9655  0.7405  0.7405 

2 0.9884  0.8365  0.8365 

3 0.9950  0.8170  0.8170 

4 0.9493  0.7655  0.7655 

5 0.9892  0.9049  0.8684 

6 0.9733  0.9288  0.9288 

7 1  0.7319  0.7319 

8 0.8568  0.6684  0.6684 

9 0.8532  0.7989  0.7989 

10 1  1  0.8535 

11 0.9853  0.9622  0.9468 

12 1  0.9657  0.9440 

13 0.7644  0.6724  0.6724 

14 1  1  1 

15 1  0.8468  0.8468 

16 1  0.9883  0.9883 

17 1  0.8184  0.8184 

18 0.8449  0.7332  0.7332 

19 0.6714  0.6714  0.6714 

Table 5–4 A counter example adapted from Amin and Toloo (2007) 

DMUs  

DMU1 1  2  3  4  5 

DMU2 1  3  2  4  5 

DMU3 1  4  2  3  5 

DMU4 1  5  2  3  4 

 

 

mins. t.2 3 4 5 13 2 4 5 14 2 3 5 15 2 3 4 1

0 1, … ,4

0 1, … ,4

0.0714 1,… ,

   (5.2) 

Note  that  the  input weight    is equal  to 1  from  the normalization constraint of 

model (5.1) and hence is substituted in model (5.2) The optimal solution of model 

(5.2) for all  ∈ 0,1  is   ∗ ∗ ∗ ∗ 1 which shows DMU1 is efficient by 

trial‐and‐error method of Ertay et al. (2006). It  is of  interest to verify that model 

(5.2)is the same for all the DMUs and the method proposed by Ertay et al. (2006) 

Page 124: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

106    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

has deficiency  in detecting  the most  efficient DMU. More precisely,  it may not 

converge to a single efficient DMU.  

Amin and Toloo  (2007) utilized  the CSW approach  to evaluate  the performance 

attributes and tried to eliminate the requirement of using parameter in the objective 

function which  is used  in Ertay et al.  (2006).  Indeed, unlike model  (5.1), which 

modifies  the  objective  function  of  minimax  model,  Amin  and  Toloo  (2007) 

attempted  to  restrict  the  feasible  region  of  the  integrated  minimax  model. 

Furthermore, Toloo and Nalchigar (2009) utilized the approach of Amin and Toloo 

(2007)  to  develop  a  model  for  finding  the  most  efficient  DMU  under  VRS 

assumption. However, Amin (2009) showed these models may fail to find the most 

efficient DMU and formulated the following mixed integer non‐linear programing 

(MINLP) DEA model:  

 

mins. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,1, … ,

   (5.3) 

Here  ∗ is a deviation from efficiency of DMU  and the efficiency score of DMU  is  ∑ ∗

∑ ∗

∑ ∗  and subsequently the unit is efficient if and only if  ∗ 0. The 

constraints of model are formulated such that the model can find a single efficient 

DMU. In each feasible solution of the model there is an auxiliary binary variable 

with a zero value, say  0, and the others are equal to 1,  1. Under this 

assumption, the non‐linear constraint  0 for   leads to  0 and 

also for   gives  0. Hence, there exists a unique deviation variable   with 

a  value  of  zero  and model  (5.3)correctly  finds  the most  efficient DMU with  a 

minimax criterion.  

Amin (2009) did not mention how to determine an assurance value for the non‐

Archimedean   for model (5.3) Hence, Foroughi (2011) showed model (5.3) might 

be  infeasible. Toloo  (2014c)  first proved  that model  (5.3)  is always  feasible  for a 

suitable value of epsilon that can be obtained using model (5.4), then applied the 

well‐known separable programming  indirect technique (see Taha, 2011) to solve 

MINLP model (5.3). 

Page 125: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    107 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

ε∗ maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

0 1,… ,

   (5.4) 

Furthermore, the following theorems prove the validity and some properties of the 

MINLP model. 

Theorem 5–1 Model (5.4) is always feasible. 

Proof. Consider the following epsilon form of the envelopment CCR model:  

  min ∑ ∑s. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,

   (5.5) 

Cooper et al.  (2007b) proved  that  there exists at  least one extreme efficient unit. 

Without loss of generality, suppose that DMU  is such extreme efficient unit. Then ∗, ∗, ∗,

∗1, , ,   is  a  feasible  solution  of  model  (5.5)  and  its 

objective value  is equal  to 1. Consequently,  this vector  is an optimal max‐slack 

solution of model (5.5). 

From the strong complementary slackness conditions, there is an optimal solution ∗, ∗, ∗ of the multiplier CCR model such that  

∗ ∗ ∗ 0, ∗ ∗ ∗  

where  ∗ ∑ ∗ ∑ ∗  .These conditions imply that  ∗ 0, ∗ 0.  

Therefore, the vector  ∗, ∗, ∗, , is a feasible solution of the MINLP model of 

Amin (2009) where: 

1 ∗⁄ ,

1,,

1,0,

 

Note  that due  to  the constraints of  the model  ∗ ∑ ∗ ∑ ∗ 1

∑ ∗ 1

 

. As a result, we have ∀ , 1, which completes the proof.  

Theorem 5–20 ∗ ∞ 

Page 126: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

108    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Proof. Using Theorem 5–1, a similar procedure proves  ∗ 0. On the other hand, 

from the first and the second types of the constraints of model (5.4), we achieve  

∑ 1 ⇒ ∃ . . ∀

∑ ∑ ∑ 1 ⇒ ∃ . . ∀   

In addition, the last two sets of constraints result in  

∗ min , … , , , … , min , ∞ 

which completes the proof.  

Corollary  5–1 Model  (5.3)  is  always  feasible  for  the  non‐Archimedean  value 

achieved from model (5.4). 

Proof.  According  to  Theorem  5–1,  model  (5.4)  is  always  feasible.  Let 

, , , , ,   be  a  feasible  solution  of  this  model,  then  obviously 

, , , ,  is a feasible solution of model (5.3) if  0 is considered as an 

assurance value.  

To illustrate the validity and discriminating power of MINLP model (5.3) we utilize 

the data set in Table 5–4. The maximum value for non‐Archimedean epsilon for the 

data is  ∗ 0.071363. The following optimal solution of model (5.3) clarifies that 

DMU  is the most efficient DMU:  

0,if 20,if 2

,0,if 21,if 2

 

Practically,  dealing  with  non‐linear  constraints  and  solving  the  non‐linear 

programming problems might be difficult. Hence, we should show that the MINLP 

models (5.3) and (5.4) are solvable. Unfortunately, there is no single algorithm for 

dealing with the general nonlinear models, because of the unstable behavioral of 

the  nonlinear  functions.  Nevertheless,  (nonlinear)  DEA  models  usually  have 

special structure what with the nature of DEA method. The Karush‐Kuhn‐Tucker 

(KKT) conditions are the most general approach to handle nonlinear programs (for 

more details see Bazaraa et al., 2013). The objective functions of MINLP models are 

affine but  their  feasible  regions are non‐convex sets and consequently,  the KKT 

conditions are impractical. The constraints  0 1, … ,  make these 

models nonlinear  and  therefore we utilize  the  separable programming  indirect 

technique  to  deal with  these models.  In  doing  so,  let  ,  then  log

log log   where  the  variable    is  non‐negative  and  the  logarithmic 

function is undefined for non‐positive values. Hence we assume that   

where    is  an  arbitrary  positive  number.  For  simplicity,  let  1  that  is 

substituted in model (5.3)to obtain the following equivalent model: 

   

Page 127: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    109 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

   

mins. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,

log log log 0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

1 1, … ,

1, … ,1, … ,

   (5.6) 

Note that since the left hand side of the 5th and 6th set of constraints, i.e.   

and log log , are separable functions, model (5.6) can be solved 

using a separable programming approach (for more details see Taha, 2011).  

Now, we apply the MINLP model proposed by Amin (2009) to the FLDs data set. 

The optimal solution of the epsilon model (5.4) is  ∗ 0.0000269.  Considering the 

maximum value for epsilon, the following results can be obtained by using model 

(5.3): 

∗ 0.3226, ∗ 1, 140, 14

, ∗ 0, 140, 14

 

Note that Amin (2009)’s method seeks the most efficient DMU without having need 

of  applying  a  trial‐and‐error  approach.  Table  5–5  presents  the  efficiency  score 

obtained  from model  (5.3). The  table  shows  that Amin  (2009)’s model with  the 

maximal value for epsilon selects FLD14 as the most efficient DMU. This result is 

the same as the model of Eraty et al. (2006) with the maximum value for the epsilon.  

Now, we  consider  the  real data  set containing 14 banks  in  the Czech Republic. 

Firstly, we use model (5.4) to calculate the maximum epsilon,  ∗ 7.366 10 , 

which  is  a  very  small  number. Hence, we  normalize  the  data  to  have  a more 

suitable result. Then, we utilize the method of Amin (2009) to find the most efficient 

bank. Table 5–6 exhibits the normalized data and the efficiency score of DMUs with ∗ 0.3816.  

The results show  that FIO  is  the best bank  in  the Czech Republic. Although  the 

outputs of CS bank are more than the others, this bank is not selected as efficient 

since it consumes more inputs.   

Foroughi  (2011)  proposed  the  following  alternative  MIP  model  (5.7)  for 

determining a single efficient DMU. 

Page 128: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

110    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Table 5–5 Efficiency score obtained by the model of Amin (2009) 

FLDs Efficiency FLDs  Efficiency

1 0.60847  11  0.97681 

2 0.73726  12  0.99979 

3 0.71503  13  0.59968 

4 0.65872  14  1 

5 0.94248  15  0.74510 

6 0.91725  16  0.97394 

7 0.63407  17  0.69105 

8 0.54882  18  0.65513 

9 0.79538  19  0.67740 

10 0.99994     

Table 5–6  The normalized data and efficiency score 

Banks          Efficiency 

AIR  0.0372  0.0359  0.0446  0.0228  0.6991 

CMZRB  0.0202  0.1192  0.1263  0.0344  0.7410 

CS  1  0.9821  1  1  0.7633 

CSOB  0.7250  1  0.9143  0.9804  0.7978 

EQB   0.0275  0.0096  0.0109  0.0115  0.5162 

ERB  0.0067  0.0359  0.0043  0.0036  0.1195 

FIO  0.0055  0.0198  0.0249  0.0132  1 

GEMB  0.3110  0.1446  0.1410  0.2083  0.6357 

ING  0.0272  0.1370  0.1344  0.0393  0.6858 

JTB   0.0378  0.0908  0.0902  0.0804  0.9092 

KB  0.8139  0.8396  0.8409  0.9232  0.8022 

LBBW   0.0339  0.0334  0.0294  0.0052  0.3888 

RB  0.2720  0.2109  0.2093  0.3070  0.8328 

UCB  0.1862  0.3403  0.2833  0.3926  0.9042 

 

 

maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ ∑ 1 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1, … ,1, … ,

s free

   (5.7) 

Page 129: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    111 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

In this model, DMU  is efficient unit if and only if  ∗ 1. Foroughi (2011) claimed 

that model  (5.7) can be applied  to rank  the extreme efficient DMUs. To do  this, 

suppose that this model is solved and DMU  ( ∗ 1) is identified as the first one 

in the ranking from the top. Then a new constraint,  0, must be added to this 

model to determine the second DMU, and this is repeated until all extreme efficient 

DMUs are ranked. 

Furthermore, Foroughi (2011) also claimed that we can ignore the role of epsilon 

in the model: 

Note that, in DEA,   is usually used to discriminate between efficient 

and weak efficient DMUs so it is assumed to be positive. However, as 

it will be seen, the single efficient DMU obtained from the proposed 

model is extreme efficient and so, even if we select  0, it will be 

efficient which is also an advantage of the model. 

We illustrate that if we select zero value for the non‐Archimedean epsilon in the 

model of Foroughi (2011), then the model can be inapplicable to determine the best 

efficient unit and consequently this approach fails to rank all extreme efficient units 

as well. Consider  the numerical  example  in Table  5–4. The optimal  solution of 

model (5.7), with  0, indicates that DMU  is the best efficient unit with omitting 

the role of three outputs,  ,  , and   ( ∗ ∗ ∗ 0): 

∗ 0.3333, ∗ 1, ∗ 0.3333, 30, 3

, ∗ 1, 20, 2

 

However, it should be noted that if   and   are excluded from computations, then 

DMU  and DMU  are identical. The following is an alternative optimal solution:  

∗ 0.3333, ∗ 1, ∗ 0.3333, 20, 2

, ∗ 1, 10, 1

 

In conclusion, DMU  can be selected as the best unit in addition to DMU .  

Therefore,  the  numerical  example  clarifies  that  the  Foroughi’s model  (2011)  is 

unable  to  find  the best  single efficient unit when zero belongs  to  the assurance 

interval for the non‐Archimedean epsilon. Indeed, in this case one of the alternative 

solutions will be  selected  randomly  (depending  on  the  solution method  or  the 

software used to solve the problem).  

We illustrate that the in some cases method of Foroughi (2011) is unable to find a 

single efficient DMU. Now, we show it may also fail to rank efficient units. Suppose 

that we want to rank the units that are listed in Table 5–4. When  0, we apply 

Foroughi’s approach  (Foroughi, 2011). Solving model  (5.7) results  in  ∗ 1 and 

subsequently DMU  is at the top of the ranking. Next, we obtain  ∗ 1 after solving 

the model with new constraint  1, which implies that DMU  is at the 2nd of the 

ranking.  In  a  similar  manner,  DMU   and  DMU   are  the  next  ranked  units, 

successively. 

Page 130: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

112    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Table 5–7 The optimal solution of Foroughi’s model with  0 

Added 

Constraint ∗  ∗  ∗   ∗   ∗   ∗  ∗  ∗  ∗  ∗ 

‐‐‐‐  0.333  0  0  0.333  0  1  0  1  0  0 

0  0.333  0  0.333  0  0  1  1  0  0  0 

00  0  0  0  0  0  0  0  0  1  0 

As a result, it seems that this approach is able to rank these units. The following 

Table 5–7 shows  that  the optimal solution of Foroughi’s model  (Foroughi, 2011) 

after adding these two constraints ( 0, 0):  

It  can be easily  seen  that  in model  (5.7), alternative optimal  solutions exist and 

consequently the best DMU cannot be determined, correctly. In addition,  in this 

stage this model fails to rank the DMUs, as well. On the other hand, as shown in 

the last row of Table 5–7, the optimal weights of all inputs and outputs are equal 

to zero; hence DMU  is at the 3rd position of the ranking without considering any 

inputs and outputs, which is irrational. Indeed, the ranking approach of Foroughi 

(2011) suffers from afore‐mentioned drawback as well.  

One way to deal with this drawback is to consider an appropriate lower bound on 

the weights. In doing so, we first formulate the following MIP model to determine 

the maximum non–Archimedean epsilon for model (5.7): 

 

ε∗ maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ ∑ 1 1, … ,

∑ 1

0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1,… ,

s free

   (5.8) 

This model  has some interesting properties. 

Theorem 5–3 Model (5.8) is always feasible. 

Proof. Similar to the proof of Theorem 5–1, let  ∗, ∗, ∗  be an optimal solution of 

the multiplier CCR model  that  is  obtained  from  the  complementary  slackness 

conditions  and  ∗  be  an  assurance  value. Clearly, ∗

,∗

,∗

, , is  a  feasible 

solution to model (5.8) where 

Page 131: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    113 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

min ∗ : : 1, … , ,

min∗ ∗

: 1, … , ,

1, 0,

 

which completes the proof. □ 

Similar  to Theorem 5–2, Theorem 5–7  shows  that  the optimal  solution value of 

model  (5.8)  is  positive  and  finite. Hence,  in  the model  of  Foroughi  (2011)  the 

assurance  interval  for  the  non‐Archimedean  epsilon  is  0, ∗  where  ∗  is  the 

optimal objective value of the MIP model (5.8) and the best efficient unit can be 

determined for any epsilon value which belongs to the assurance interval.  

The optimal objective value of model  (5.8)  for  the data  set  in Table 5–4  is  ∗

0.0769. Table 5–8  reports  the optimal  solution of model  (5.7) when  the  epsilon 

value is 0.0769: 

Table 5–8 The optimal solution of Foroughi’s model with  ∗ 0.0769 

∗  ∗  ∗   ∗   ∗   ∗  ∗ ∗  

0.1767  0.0522  0.1245  0.0522  0.0522  1  1  0 

It is easy to show that there is no alternative optimal solution here and DMU  is the 

most efficient unit. Similar to the approach of Foroughi (2011), to rank all DMUs 

we add a new related constraint ( 1) to the model, then the optimal solution 

declares that DMU  is at the 2nd position in the ranking order. In a similar manner, 

DMU   and DMU  will  be  ranked  at  the  3rd  and  4th  positions,  respectively.  It  is 

noteworthy  that considering  the maximum non‐Archimedean epsilon value,  the 

weights of inputs and outputs always remain strictly positive.  

Wang and Jiang (2012) showed that the model of Foroughi (2011) involves many 

redundant  constraints.  The  authors  formulated  some  novel  MIP  models  for 

identifying the most efficient DMU under different returns to scales, which contain 

only essential constraints and decision variables and are much simpler and more 

succinct compared to Foroughi’s.  

5.2 DEA‐WEI approach 

In this section, we provide some approaches for finding the most efficient DMU 

with pure  output measures  or  a  single  input measure under CRS  assumption. 

Practically, there are some problems where either all measures are output type or 

there  is  a  single  constant  input measure,  for  example,  in  technology  selection 

(Karsak and Ahiska, 2005; Amin et al., 2006), discovered association rules from data 

mining  (Toloo et al., 2009), and professional  tennis players  (Ramón et al., 2012; 

Toloo, 2013).  

Page 132: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

114    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

5.2.1 Penalty function approach 

Karsak  and Ahiska  (2005)  introduced  a practical  common weight multi‐criteria 

decision making  (MCDM) method with  an  improved discriminating power  for 

technology  selection.  In  contrast  with  conventional  DEA models,  the  authors 

formulated the following integrated DEA model for dealing with single (but not 

necessary constant) input   and multiple outputs  , … ,  data set with CSW: 

 

mins. t.∑

1 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,

   (5.9) 

Let  ∗ , ∗, ∗   be  the  optimal  solution  of  model  (5.9).  In  this  model,  the 

efficiency score of DMU  with the common set of optimal weights  ∗ is equal to 1∗and  consequently  this  unit  is  efficient  if  and  only  if  ∗ 0  (or  equivalently ∗ ). Now,  let    be  indexes  set  of  efficient DMUs,  i.e.  : ∗ 0 , 

which  is named the efficient set. If the efficient set is singleton and  ∈ , then 

DMU  is the unique efficient DMU with the common set of optimal weights  ∗and 

can be considered as the most efficient unit. Otherwise, this model fails to find the 

most efficient unit. To tackle this problem Karsak and Ahiska (2005)  formulated 

the following model: 

 

min ∑ ∈

s. t.∑

1 1, … ,

0 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,

   (5.10) 

where  ∈ 0,1   is a discriminating parameter. Note  that model  (5.10)  for  0 

measures the minimax efficiency score of DMUs. 

The second term of objective function, ∑ ∈ , enhances the discriminating power 

of  the  model  and  can  be  interpreted  as  a  penalty  function.  This  function  is 

considered  to  make  ∈   variables  as  large  as  possible.  The  discriminating 

parameter   plays an  important role for obtaining the best efficient unit. Karsak 

and Ahiska (2008) designed a bi‐section algorithm to obtain an appropriate value 

of   over an interval  ,  at iteration   where the search interval is  0,1  at the 

initial iteration.  At each iteration the value to be assigned to parameter  , say   

for iteration  , is set to be the midpoint of the interval  , , and based on the 

degree of discrimination. In this regard, two cases arise: (i) all DMUs are inefficient 

in the current solution which means that   must be varies within interval  , , 

(ii) more than a single efficient DMU exist in the current solution which updates   

Page 133: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    115 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–9 Various efficiency scores (Karsak and Ahiska, 2005) 

Robots CCR‐

efficiency Model (5.10) with  0 0.1 0.2

R1  0.653  0.653  0.653  0.634 

R2  0.821  0.753  0.753  0.694 

R3  0.954  0.883  0.883  0.777 

R4  0.95  0.862  0.862  0.784 

R5  1  1  1  0.886 

R6  0.563  0.563  0.563  0.55 

R7  0.683  0.683  0.683  0.677 

R8  1  0.631  0.631  0.55 

R9  0.765  0.687  0.687  0.623 

R10  0.714  0.617  0.617  0.632 

R11  0.909  0.89  0.89  0.892 

R12  1  1  1  1 

the new  interval  ,   for  the next  iteration. This procedure  is  repeated until 

either  one  of  the  two  stopping  conditions  for  the  algorithm  is  satisfied.  One 

stopping condition is defined as stop when the value assigned to   results in a single 

efficient DMU. The other stopping condition is defined as stop when the length of the 

current interval is less than or equal to the accuracy of the given tolerance. For a deeper 

discussion  and more  details  about  steps  on  the  bi‐section  algorithm we  refer 

readers to Karsak and Ahiska (2008). Karsak and Ahiska (2005, 2008) applied their 

approaches to deal with industrial robot selection problem, which was introduced, 

in Chapter 2. The authors considered  0.00001and determined R12 as the most 

efficient robot, as is shown in Table 5–9. 

The second column  indicates  the efficiency scores of DMUs and  there are  three 

CCR‐efficient robots, i.e. R5, R8 and R12. The minimax efficiency score under  0 

in model (5.10)improves the discriminating power when the number of efficient 

DMUs is reduced into two. However, the model fails to identify the most efficient 

DMU when  1. Finally, in order to determine the best robot,  Karsak and Ahiska 

(2005) considered the min 0.2  objective function and determined 

a single efficient robot, R12. 

5.2.2 Minimax approach 

Karsak and Ahiska (2005, 2008) presented some numerical examples to illustrate 

that their approach always finds a suitable value for   with a single efficient DMU, 

nevertheless their approach was criticized by Amin et al. (2006) and Toloo (2013). 

The existence of the most efficient DMUs in the model of Karsak and Ahiska (2005) 

means  that  there would exist a suitable  ∈ 0,1  such  that  | | 1. Amin et al. 

(2006)  formulated  an  MIP  model  in  which  it  assures  that  | | 1  without 

considering the parameter  . In doing so, the authors instead of utilizing a penalty 

Page 134: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

116    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

function proposed by Karsak and Ahiska (2005), tried to restrict the feasible region 

as much as possible. In fact, Amin et al. (2006) defined  as deviation from 

the efficiency (instead of   in the model of Karsak and Ahiska, 2005) where 0

1 and suggested to impose the constraint ∑ 1 where   is a binary 

variable:  

 

mins. t.∑

1 1, … ,

0 1, … ,

0 1 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1, … ,

   (5.11) 

Here  1 ∗ ∗ ∑ ∗

  is  efficiency  score  of  DMU .  Due  to  the  constaint 

∑ 1 there exists only a single binary variable with a vlaue of zero, say 

d∗ 0. In this case, the efficiency score of DMU  is 1 ∗  whereas the efficiency 

score of DMU , ∀  is  ∗. As a result, model (5.11) allows the efficiency score of 

DMU  to be larger than one, whereas the efficiencies of the other DMUs are all less 

than or equal to one.  

Amin et al. (2006) did not formulated a model for finding the maximum epsilon 

value for their model, however, to do this, we suggest the following model: 

 

maxs. t.∑

1 1, … ,

0 1 1, … ,

∑ 1

0 1,… ,

∈ 0,1 1, … ,

   (5.12) 

Now, we apply  the model of Amin et al.  (2006)  for  the data set of 12  industrial 

robots. The maximum value of epsilon is  ∗ 6.46 10 .  Similar to Karsak and 

Ahiska (2005, 2008),  Table 5–10 shows that R12 is the most efficient robot. 

Although the efficiency score of R11 is equal to one, this unit is not identified as the 

most efficient DMU because the efficiency score of R12 is greater than one. 

Toloo (2013) formulated a new DEA‐WEI model to find the most efficient DMU 

where the efficiency score of a DMU  is equal to one and the efficiency score for 

other DMUs is less than one. He firstly criticized the model of Karsak and Ahiska 

(2005) and then utilized a real data set containing 40 professional tennis players to 

illustrate a drawback of  the approach of Karsak and Ahiska  (2005, 2008). More   

Page 135: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    117 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–10 Efficiency scores of Amin et al. (2006) 

Robots  Efficiency  Robots  Efficiency 

R1  0.5861  R7  0.6963 

R2  0.4484  R8  0.2428 

R3  0.2996  R9  0.3694 

R4  0.4506  R10  0.7773 

R5  0.3711  R11  1 

R6  0.5337  R12  1.1616 

precisely, Karsak and Ahiska  (2008) designed a bi‐section algorithm  to compute 

the values of discriminating parameter   in a systematic manner. Indeed, the bi‐

section  algorithm  avoids  the  burden  of  using  a  trial‐and‐error  procedure  and 

calculates the value of   in an iterative manner with the benefit of bi‐section search. 

It is also claimed that the aim of the bi‐section algorithm is to find the value   that 

decreases the number of efficient DMUs as much as possible. Karsak and Ahiska 

(2008) presented an illustrative numerical example to validate the proposed the bi‐

section  algorithm.    Mathematically,  the  penalty  function  ∑ ∈   results  in 

positive  ∈  variable (as much as possible), which can increase the discriminating 

power of the model. However, there is no guarantee that only one efficient DMU 

will be obtained as  the most efficient unit.  In  the ensuing section, we present a 

numerical example of professional tennis players that is adapted from Toloo (2013). 

This example enable us  to  illustrate a drawback of  the approach of Karsak and 

Ahiska (2005, 2008).  

5.2.3 Professional tennis players 

We utilize a real data set involving of 40 professional tennis players that is taken 

from  Ramón  et  al.  (2012).  This  data  set  is  chosen  because  there  is  a  severe 

competition between these professional tennis players, which makes it hard to find 

the best one. The data set, which is exhibited in Table (1), is originally located in 

the  official  website  of  the  association  of  tennis  professionals  (ATP)  at 

http://www.atpworldtour.com. The ATP provides a ranking of players that reflects 

their performance in the tournaments during a season. To be specific, the players 

are given a different amount of points, which depends mainly on the rounds they 

obtained in the tournaments of a season, and the ranking is eventually determined 

according  to  the  total  points.  Thus,  the  ATP  ranking  is  concerned  with  the 

competitive performance of the players. Contrarily, Ramón et al. (2012) derived a 

ranking of 53 players  that reflects  the efficiency performance of  their game. The 

ATP statistics reports data regarding the different aspects of the game of the players 

such as the percentage of the 1st serve points won or the percentage of return games 

won. These  aspects  can be used  to derive  a  ranking of players  regarding  their 

performance. Ramón et al.  (2012) used  the CSW approach  in order  to define an 

overall index of performance of the players. 

Page 136: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

118    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Table 5–11 The data set of 40 professional tennis players 

No.  Player                   

1  Federer  62  79  57  90  69  31  51  41  24 

2  Nadal  68  71  57  84  65  33  57  47  34 

3  Djokovic  63  79  54  85  66  33  54  42  31 

4  Murray  58  76  54  85  65  35  56  46  33 

5  del Potro  62  74  53  84  65  31  53  42  27 

6  Davydenko  67  71  55  83  64  34  54  41  31 

7  Roddick  70  79  57  91  64  26  49  37  19 

8  Soderling  60  78  54  86  65  31  51  44  25 

9  Verdasco  69  72  54  85  66  31  53  45  28 

10  Tsonga  63  80  54  89  67  28  47  38  19 

11  Gonzalez  63  77  53  88  71  29  49  38  22 

12  Stepanek  61  73  50  80  62  31  53  40  25 

13  Monfils  62  76  50  84  63  30  50  42  25 

14  Cillic  56  75  54  84  65  33  51  38  27 

15  Simon  55  74  54  82  67  30  52  43  25 

16  Robredo  63  72  54  81  61  31  51  44  25 

17  Ferrer  61  69  52  77  60  32  55  43  32 

18  Haas  60  77  53  85  66  28  48  39  21 

19  Youzhny  62  71  52  80  60  31  51  40  26 

20  Berdych  59  74  53  81  61  30  50  37  22 

21  Wawrinka  58  73  52  81  66  32  50  38  25 

22  Hewitt  53  76  53  81  62  31  53  39  28 

23  Ferrero  67  68  54  78  60  29  53  43  26 

24  Ljubicic  59  78  51  85  67  27  48  35  16 

25  Querrey  60  79  52  86  60  27  48  39  19 

26  Almagro  59  75  52  82  60  28  49  40  21 

27  Kohlschreiber  66  70  56  82  66  30  50  41  24 

28  Melzer  60  74  51  81  59  30  47  40  21 

29  Troicki  59  71  45  73  63  30  50  44  25 

30  Montantes  58  71  50  76  60  30  51  45  24 

31  Chardy  59  75  52  82  62  26  47  36  19 

32  Mathieu  57  71  50  78  61  26  49  42  20 

33  Isner  67  75  56  89  70  22  42  32  11 

34  Andreev  62  71  52  80  61  29  48  37  20 

35  Karlovic  67  85  54  92  69  21  42  32  10 

36  Tipsarevic  56  74  52  80  61  28  50  43  24 

37  Beck  59  72  52  81  66  28  50  33  19 

38  Garcia‐López  61  69  49  75  59  30  53  40  27 

39  Blake  57  74  52  82  63  27  48  38  19 

40  Bennetau  66  70  48  77  59  29  50  40  22 

We consider the data for 40 professional tennis players, which are shown in Table 

5–11. For each player, the following measures are considered that are concerned 

with different aspects of both service and return: 

Page 137: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    119 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–12 Efficiency status for various   

  Efficiency status of players 

0  Djokovic and Nadal are efficient 

0.5  All players are inefficient 

0.25  Djokovic and Nadal are efficient 

0.375  Djokovic and Karlovic are efficient 

0. 4375  Karlovic is efficient! 

= percentage of 1st serve.   

= percentage of 1st serve points won. 

 = percentage of 2nd serve points won. 

 = percentage of service games won. 

 = percentage of break points saved. 

 = percentage of points won returning 1st serve. 

 = percentage of points won returning 2nd serve. 

 = percentage of break points converted. 

 = percentage of return games won. 

The problem of professional tennis players is solved using the proposed bi‐section 

algorithm of Karsak and Ahiska (2008); the results are summarized in Table 5–12. 

As can be seen, Nadal (Player 2) and Djokovic (Player 3) are minimax efficient (

0). As Karsak and Ahiska claimed, to improve the discriminating power of their 

model, we apply the bi‐section algorithm. The initial search interval is  0,1 , hence 

we assume  0.5  in the first  iteration of the algorithm. In this case, all players 

have an efficiency score  less than 1. Next assume  0.25 by setting the second 

search interval to be  0,0.5 . Therefore, Djokovic and Nadal are efficient. When we 

assume  0.375  an unexpected  result  is  obtained: Djokovic  and Karlovic  are 

efficient  while  Karlovic  is  not  even  a  minimax  efficient.  The  final  result  is 

completely incorrect when we assume  0.4375 (based on bi‐section algorithm): 

Karlovic  is  the  most  efficient  professional  tennis  player.  In  other  words,  an 

inefficient player is determined as the most efficient player. Obviously, it is illogical 

to select an inefficient unit as the most efficient unit. 

5.2.4 New minimax method 

The professional tennis players example illustrated the main drawback of Karsak 

and Ahiska (2005)’s approach. However, we tackle this problem with resorting to 

auxiliary binary variables. Notwithstanding a penalty  function  ∑ ∈  on  the 

objective  function of  the  integrated minimax DEA model of Karsak and Ahiska 

(2005), we appropriately restrict the feasible region of the model to obtain a single 

efficient  unit.  The  author  formulated  the  following  integrated MIP model  for 

selecting the most efficient unit without explicit inputs: 

Page 138: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

120    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

   

mins. t.∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

∑ 1

1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

0 1,… ,

1, … ,

   (5.13) 

where M is a large enough positive number. 

In this model, the third set of constraints lead to only one auxiliary binary variable 

 with a value of zero,  0. Consequently,  the constraint    for  index   

implies  0. In this case, constraint   is redundant. On the other hand, 

we have  1, ∀  and hence, for a large enough value of  , the constraints 

  lead  to  0, ∀   also  constraints  , ∀   are  redundant. 

Therefore,  0 if and only if  0 and more importantly  0 if and only if 

1. 

In integrated DEA models the non‐Archimedean epsilon plays an important role 

and  must  be  determined  correctly.  Otherwise,  the  related  model  might  be 

infeasible.  In order  to  find an appropriate value  for epsilon  in model  (5.13),  the 

following MIP model was suggested: 

   

maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ 1

1, … ,

0 1, … ,

∈ 0,1 1,… ,

0 1,… ,

   (5.14) 

The following theorems validate the suggested approach (for the proofs we refer 

the reader to Toloo, 2013). 

Theorem 5–4 Model (5.14) is always feasible. 

Theorem 5–5 Model (5.13) is feasible when the optimal objective value of model 

(5.14) is selected as the non‐Archimedean epsilon. 

Theorem 5–6 Model (5.13) determines a single efficient unit. 

Up to this point, we theoretically showed some  interesting features of the Toloo 

(2013)’s  approach. Now, we  apply  this  approach  for  the  real  data  set without 

explicit inputs in Table 5–11. The optimal solution of model (5.14) is   ∗ 0.00194. 

Considering  this value as an assurance value  for  the non‐Archimedean epsilon, 

model (5.13) is solved and the following results are achieved 

Page 139: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    121 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

∗ 0, 21, 2

, ∗ 0, 20, 2

 

In  the  other  words,  the  second  player  (Rafael  Nadal)  is  the  most  efficient 

professional  tennis player.  It  is  important  to verify  that no  alternative  solution 

exists for model (5.13). Alternative solutions play an important role in DEA models 

(for instance see Toloo, 2012). If we add a new constraint  1 and resolve this 

model,  then  the optimal objective value will  increase and there  is no alternative 

optimal solution. Thereby, Rafael Nadal  is  the most efficient professional  tennis 

player. 

5.3 DEA‐WEO approach 

In this section, we suggest an approach for finding the most efficient DMU when 

there is a pure input data set. The idea stems from the use of the minimax method 

for WEI condition in order to deal with a pure output data set. We firstly formulate 

an  integrated  DEA‐WEO  model  and  then  suggest  imposing  some  suitable 

constraints on the model to obtain a single efficient DMU.  

We  propose  the  following  integrated  nonlinear minimax model  for measuring 

CSW‐efficiency under without explicit outputs condition: 

   

minmax : 1, … ,s. t.∑ 1 1, … ,

0 1,… ,

1, … ,

   (5.15) 

The minimax objective  can be  transformed by  including  an  additional decision 

variable  , which represents  the maximum of deviations,  max :

1, … , . In order to establish this relationship, the   extra constraints 

0 1, … ,  must be  imposed to model (5.15). When    is minimized, these 

constraints ensure  that   will be greater  than or equal  to  , ∀ . At  the same 

time,  the  optimal  value  of   will  be  no  greater  than  the maximum  of  all   

because   has been minimized. Therefore,  the optimal value of   will be 

both as small as possible and exactly equal to the maximum   over  : 

   

mins. t.∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,

1, … ,

   (5.16) 

In this model,  ∗ is the CSW‐efficiency score of DMU  and hence DMU  is CSW‐

efficient  if  and  only  if  ∗ 0;  otherwise,  is  CSW‐inefficient.  The  following 

Page 140: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

122    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

theorems express the relation between CSW‐efficiency and CCR‐efficiency scores 

(for the proofs we refer readers to Toloo and Kresta, 2014): 

Theorem 5–7 The CSW‐efficiency score of a DMU with pure input data is greater 

than or equal to its CCR‐efficiency score. 

Theorem 5–8 The CSW‐efficient DMU with pure input data is CCR‐efficient. 

These theorems ensure that the discrimination power of integrated model (5.16) is 

more than the CCR model when there is explicit outputs. It is therefore of interest 

to  develop model  (5.16)  to  deal with  finding  the most  efficient DMU without 

explicit outputs. In doing so, the following integrated MIP model can be utilized:  

   

mins. t.∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

∑ 1

1, … ,

1, … ,

∈ 0,1 1,… ,

1, … ,

   (5.17) 

where   and   are  large enough positive numbers. Note  that since  the output‐

oriented CCR model is utilized, unlike Toloo (2013),   can be greater than one. To 

meet this condition, the constraint   (for a large enough  ) is imposed to 

the model. We suggest the following integrated MIP model to obtain the maximum 

value of epsilon for model (5.17): 

   

maxs. t.∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

∑ 1

1, … ,

1, … ,

0 1, … ,∈ 0,1 1,… ,

   (5.18) 

The following theorem help us to verify the validity of the DEA‐WEO method (for 

the proofs we refer readers to Toloo and Kresta, 2014). 

Theorem 5–9 Model (5.17) determines a single CCR‐efficient unit. 

Theorem 5–10 Model (5.18) is always feasible  

Theorem 5–11 Model (5.17) is feasible when the optimal objective value of model 

(5.18) is selected as the non‐Archimedean epsilon. 

 

Page 141: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    123 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–13 Efficiency score of asset financing alternatives 

DMUs  Efficiency  DMUs  Efficiency  DMUs  Efficiency  DMUs  Efficiency 

1  0.608273  36  0.055018  71  0.059766  106  0.072422 

2  0.211282  37  0.047188  72  0.060234  107  0.073153 

3  0.127845  38  0.041309  73  0.060569  108  0.073687 

4  0.091659  39  0.036732  74  0.043908  109  0.049848 

5  0.071434  40  0.033069  75  0.047781  110  0.055298 

6  0.058524  41  0.03007  76  0.049225  111  0.057386 

7  0.049549  42  0.027569  77  0.049978  112  0.058486 

8  0.042972  43  0.025453  78  0.050439  113  0.059165 

9  0.037938  44  0.023638  79  0.050751  114  0.059623 

10  0.033958  45  0.022065  80  0.050974  115  0.059956 

11  0.030733  46  0.065963  81  0.038976  116  0.043584 

12  0.028068  47  0.06958  82  0.041764  117  0.047398 

13  0.025822  48  0.071418  83  0.042783  118  0.048819 

14  0.023913  49  0.072036  84  0.043311  119  0.049559 

15  0.022267  50  0.072532  85  0.043632  120  0.050013 

16  0.655738  51  0.073298  86  0.043846  121  0.050317 

17  0.21645  52  0.07385  87  0.044001  122  0.050538 

18  0.129618  53  0.181587  88  0.035039  123  0.038719 

19  0.092533  54  0.348432  89  0.037095  124  0.041471 

20  0.071932  55  0.501756  90  0.037833  125  0.042475 

21  0.058834  56  0.642674  91  0.038212  126  0.042994 

22  0.049774  57  0.772201  92  0.038442  127  0.043311 

23  0.043126  58  0.890472  93  0.038597  128  0.043524 

24  0.038045  59  1  94  0.038707  129  0.043676 

25  0.034038  60  0.058792  95  0.17618  130  0.034832 

26  0.030794  61  0.067114  96  0.329056  131  0.036862 

27  0.028114  62  0.070432  97  0.462535  132  0.037593 

28  0.025858  63  0.072213  98  0.579374  133  0.037967 

29  0.023942  64  0.073319  99  0.682594  134  0.038194 

30  0.022289  65  0.074074  100  0.773994  135  0.038346 

31  0.318878  66  0.074616  101  0.855432  136  0.038456 

32  0.162681  67  0.050271  102  0.058214  137  0.545554 

33  0.109409  68  0.055822  103  0.066361  138  0.582072 

34  0.082318  69  0.057947  104  0.069604  139  0.647249 

35  0.065963  70  0.05907  105  0.071342     

In order to illustrate the potential uses of the suggested approach, we utilize a real 

data set involving 139 different alternatives for long term asset financing provided 

by Czech banks and leasing companies which was presented in Chapter 2.  

The  optimal  solution  of model  (5.17) with  the maximum  value  of  epsilon  ∗

0.000087 is summarized in Table 5–13. 

 

Page 142: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

124    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Hence, DMU59  is selected as the best efficient DMU. The 59th financing product 

denotes bank  loan  from Komerční banka  (group Société Générale) with zero down 

payment, minimal annuities and no other  fees,  thus all  the costs  (the  first  three 

inputs) are minimized for the entrepreneur.  

To  verify  whether  there  is  an  alternative  solution  or  not,  we  impose  a  new 

constraint  1 on model (5.17) and resolve the model. In this case, the optimal 

objective value  increases and  it proves  that  there  is no alternative  solution and 

DMU59 is the single efficient unit. 

Furthermore, some interesting results can be extracted from Table 5–12: it is better 

to utilize bank loan since the six most efficient DMUs are 59, 58, 101, 100, 57 and 

99, respectively. All of them are bank loan offers provided by Komerční Banka. In 

addition,  the worst  six DMUs are 45, 15, 30, 44, 14, and 29,  respectively. These 

DMUs denote two product types from the same group (KBC group): finance lease 

from ČSOB leasing and bank loan from the ČSOB bank. Hence, it can be concluded 

that for car financing it is more efficient to utilize bank loan provided by Komerční 

banka than the financing offers of the other companies. Products from KBC group 

(both the bank loan and finance lease) are inefficient for the entrepreneur. 

5.4 Epsilon‐free approaches 

Wang and Jiang (2012) introduced the following MIP model for selecting the best 

efficient DMU under CRS assumption: 

  ∗ min∑ ∑ ∑ ∑

s. t.∑ ∑ 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1, … ,

1,… ,

   (5.19) 

where  1, … ,  are the binary variables. In this model, DMU  is determined 

as the best efficient unit if and only if  ∗ 1. Note that to have positive weights, 

Wang and Jiang (2012) borrowed  max  and  max  for 

the lower bounds from slack‐adjusted DEA models suggested by Sueyoshi (1999).  

Wang and Jiang (2012) proved that (5.19)  is feasible and can always produce an 

optimal  solution  as  well  as  presenting  some  important  advantages  over  the 

previous  models:  fewer  variables  and  constraints,  more  reliable,  and  more 

practical. Furthermore, it is also asserted that the main aim of their model is to find 

a CSW that maximizes the efficiency scores of all DMUs. Toloo (2015) manipulated 

the model of Wang and Jiang (2012) to formulate a new minimax model.  

Page 143: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    125 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

We begin our discussion with proving that in model (5.19), the efficiency score for 

just one unit  is  larger  than one and  for  the others  is  less  than or  equal  to one. 

Toward this end, we suppose that model (5.19) is solved and the optimal solution, ∗, ∗, ∗ , is in place. In addition, we assume  

1

max

1

max

∑ ∗ ∑ ∗ ∗ 0

 

Theorem 5–12 In model (5.19),  . 

Proof. There is no loss of generality if we assume that at optimality  ∗ 1, ∀

∗ 0. Now, suppose  ∗ is fixed and consider the following corresponding LP 

 

∗ min∑ ∑ ∑ ∑

s. t.∑ ∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.20) 

Clearly,  ∗, ∗   is  the  optimal  solution  of  model  (5.20)  with  21∗ 22

∗ .  Now, 

consider the dual of model (5.20) as follows: 

 ∗ max ∑ ∑s. t.∑ ∑ 1, … ,

∑ ∑ 1, … ,

0 1, … ,

0 1,… ,0 1, … ,

   (5.21) 

The following complementary slackness conditions hold for any optimal solution ∗, ∗  of model (5.21) and  ∗, ∗, ∗  of model (5.21): 

 

∗ 1 ∑ ∑ 0∗ ∑ ∑ 0 1, … ,∗ 0 1, … ,∗ 0 1, … ,

    

Suppose,  contrary  to  our  claim,  that  .  The  complementary  slackness 

conditions provided that ∀ ∗ 0, but from the dual feasibility conditions, i.e. the 

first  set  of  constraints  in model  (5.21) we  obtain  ∀ ∑  which  is  a 

contradiction. □ 

Theorem 5–13 In model (5.19),  ∗ 1, ∀ ∗ 1. 

Page 144: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

126    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

Proof.  To  obtain  a  contradiction,  assume  ∀ ∗ 1.  Obviously,  with  this 

assumption, model (5.20) is equivalent to the following LP model: 

 

24∗ min∑ ∑ ∑ ∑

s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.22) 

It  should  be  noticed  here  that  24∗

22∗

21∗ .  Now,  considering  the  special 

structure of the model (5.22), we select a tight constraint, ∑ ∑

0,  such  that  increasing  its  right  hand  side will  decrease  the  optimal  objective 

function value  ( ∗ ).   Note  that we have  ; otherwise  ∗ 1. Consider  the 

following LP model that can be gained by increasing the right hand side of the tight 

constraint ∑ ∑ ` 0 from zero to one:  

 

z25∗ min∑ ∑ ∑ ∑

s. t.∑ ∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.23) 

Let  ∗, ∗  be  the optimal  solution of  this model and  ∗ 1, ∀ ∗ 0. Clearly, ∗, ∗, ∗  is a feasible solution of model (5.19) with an objective function value less 

than  1∗ which is a contradiction. □ 

So far, we showed that the selected efficient DMU outperforms other DMUs. In the 

remainder of this section, we manipulate the model of Wang and Jiang (2012) to 

obtain an equivalent model. 

Theorem 5–14 Model (5.19) is equivalent to the following model: 

 

min∑

s. t.∑ ∑ 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

0 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.24) 

Proof. From the first set of constraints in model (5.24), for  1,… ,   we have 

∑ ∑ ; summing up these constraints over   from  1 to 

, results in ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ . On the other 

hand,  considering  the  second  set  of  constraints  in  this model, ∑ 1,  and 

substituting  it  for  the  obtained  relation  ∑ ∑ ∑

∑ ∑ 1  will  be  in  place.  Ignoring  the  constant  1  enables  us  to 

Page 145: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    127 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

consider  the  objective  function  of  model  (5.24)  as  ∑ ∑

∑ ∑  which  is  equal  to  the  objective  function  of model  (5.19). The 

reverse is also true which completes the proof. □ 

We also prove that model (5.24) is equivalent to the following model: 

 

min∑

s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.25) 

Theorem 5–15 Models (5.24) and (5.25) are equivalent. 

Proof.  In model  (5.24),  let  1   and  1   for  1,… , .  Evidently, 

∑ ∑ 1  and  ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ . 

Given  max∑   is  equal  to  min∑ ∑ ∑ ∑   the  proof 

completes. □ 

On the other hand, ∑  is a constant and hence model (5.25) is equivalent to the 

following model: 

 

min∑

s. t.∑ ∑ 0 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.26) 

Corollary 5–2 The model of Wang and Jiang (2012) is equivalent to model (2.28). 

Note that according to Theorem 5–13 ( ∗ 1, ∀ ∗ 1) and Corollary 5–2 we 

conclude that  ∗ ∗ 0 and ∀ , ∗ ∗ 0. We can then identify whether 

a DMU is the most efficient DMU as follows:   

Definition 5–1 In model (2.28), DMU  is the most efficient unit if and only if  ∗

∗ min ∗ ∗ 1, … , . 

Toloo (2015) formulated the following minimax model as an alternative MIP for 

identifying the most efficient unit under CRS assumption: 

Page 146: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

128    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

   

mins. t.∑ ∑ 0 1,… ,

0 1, … ,

∑ 1

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,

1, … ,

1, … ,

   (5.27) 

Let us firstly show some essential properties of model (5.27) and then compare this 

model with some afore‐mentioned models.  

Theorem 5–16 Model (5.27) is always feasible. 

Proof. Let  , ,  be a feasible solution to model (5.19). Note that Wang and 

Jiang  (2012) proved  that  such  solution exists. Let  1  and  1

 for  1,… ,  and  max 1,… , . It is easy to verify 

that  , , , ,  is a feasible solution to model (5.27). □ 

Theorem 5–17 The optimal objective value of model (5.27) is bounded. 

Proof. Let    , , , ,  be a  feasible solution  to model  (5.29). From  the 

constrains of  this model we have  1 which means  the 

objective function value of any feasible solution is bounded. This fact that model 

(5.27) is a minimization problem completes the proof. □ 

Similar to the proof of Theorem 5–13, we can demonstrate that in the new proposed 

minimax model (5.27), only the efficiency score of most efficient DMU is more than 

unity and the efficiencies of the other DMUs are all less than or equal to one.  

We utilize the epsilon‐free common set of weight minimax approach to formulate 

the following model: 

 

mins. t.∑ ∑ 0 1,… ,

0 1, … ,

∑ 1

1, … ,

1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1 1, … ,1 1, … ,

   (5.28) 

where M and N are large positive numbers.  

In  this  model,  the  auxiliary  binary  variables,  1,… , ,  are 

introduced  to  provide  a  group  of  mutually  exclusive  alternatives,  so  the   

Page 147: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    129 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 5–14 Efficiency scores by epsilon‐free approaches. 

Banks  Wang and Jiang (2012) Toloo (2014a) Toloo (2015)

AIR  0.7330  0.8674  0.8913 

CMZRB  0.6835  0.7428  0.8418 

CS   0.8661  0.894  0.9174 

CSOB  0.8979  0.8646  0.9127 

EQB  0.6239  0.7997  0.7234 

ERB  0.1252  0.1115  0.1255 

FIO  1  1  1.115 

GEMB  0.7861  0.8782  0.8254 

ING  0.6388  0.6925  0.7816 

JTB  0.9792  0.9145  1 

KB  0.9181  0.9218  0.9498 

LBBW  0.3676  0.5092  0.5259 

RB  1  0.9999  1 

UCB  1.0355  0.9120  0.9802 

deviation  from  efficiency  variable,  ,  for  just  one  DMU  can  take  a 

value of zero.  

The  following  theorem, which  can  be  proved  similar  to Theorem  4  in Toloo 

(2013), ensures that the formulated model (5.28) is valid. 

Theorem 5–18 In model (5.28) there exists just a single efficient DMU. 

Proof. Let  ∗ , ∗, ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (5.28).  There is 

no loss of generality if we assume  ∗ 0, ∗ 1,  implies  ∗ 0, ∗

0. In this case, by means of the second set of constraints we have  ∗ ∗

0. This shows that DMUk is an efficient unit by using the optimal CSW,  ∗, ∗ . 

Now, suppose that two efficient units are determined using the optimal CSW, 

say  DMU   and  DMU .  With  this  assumption,  we  have  ∗ ∗ 0  and 

subsequently  ∗ ∗ 0 which  leads to a contradiction with the feasibility of 

the given optimal solution. Thus, DMU  and DMU  could not be efficient units at 

the same time. □ 

In order to compare these methods, we consider the data set containing 14 active 

banks in the Czech Republic. Table 5–14 summarizes efficiency scores obtained 

by epsilon‐free approaches.  

The bold values in the table highlight the efficiency score for the most efficient 

banks. The results reveal that UCB is selected as the most efficient bank based on 

the method  of Wang  and  Jiang  (2012). Nevertheless,  it  is  different  from  the 

selection made by the methods of Toloo (2014a, 2015). It should be noted here 

that it is understandable that different models may result in different selection. 

In addition, the methods of Toloo (2015) and Wang and Jiang (2012) allows the 

efficiency score of one unit to be larger than one and the efficiency score of other 

DMU are less than or equal to one. In these approaches, the most efficient DMU 

Page 148: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

130    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

is a unit when its efficiency score is more than one while in the method of Toloo 

(2014a), the efficiency score of all DMUs are less than or equal to one. In Toloo 

(2014a)’s method, there is only a single DMU with efficiency score of one which 

is selected as the most efficient DMU. 

5.5 Most cost efficient DMU 

Cost efficiency (CE) is a useful tool to evaluate the ability of a DMU to produce the 

current outputs at minimal cost, given its input prices. In other words, CE can be 

expressed as a measure of the potential cost reduction reachable given the outputs 

and the current input prices at each DMU. The concept of CE with price uncertainty 

two approaches are developed: the most favorable price (optimistic perspective) 

and the least favorable price (pessimistic perspective). In the following sub‐section, 

we extend an approach for finding the most cost efficient DMU with input price 

uncertainly. 

5.5.1 CE with input price uncertainly  

Thompson  et  al.  (1996),  Schaffnit  et  al.  (1997)  and  Taylor  et  al.  (1997)  utilized 

assurance region (AR) method in the multiplier form of DEA models to develop 

new DEA/AR models for measuring CE under input price uncertainly. The aim of 

these  studies was  to  propose  an  optimistic DEA model  for measuring  the CE, 

whereas  Camanho  and  Dyson  (2005)  enhanced  these methods  to  account  for 

different scenarios relating to input price information.  

The following model measures the optimistic CE with input price uncertainty: 

  max ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

, , 1, … ,

1, … ,

   (5.29) 

where   and   are minimum and maximum bounds estimated for the price 

of input   of DMU . This model is formulated by imposing 2  input weight 

restrictions  on  the  standard  DEA model.  The  bounds  of  the  CE measure  are 

obtained from assessments in the light of the most favorable price scenario and the 

least favorable price scenario.  

Note that changing the objective function of model (5.29) from maximization to a 

minimization leads to approximately zero CE for all DMUs assessed. Hence it is not 

easy  to  extend  a  model  for  measuring  the  pessimistic  CE  with  input  price 

uncertainty. However, Camanho and Dyson (2005) tackled this issue and extended 

the following model: 

Page 149: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    131 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

  min ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0

∑ ∑ 0 1, … ,

, , 1, … ,

1, … ,

   (5.30) 

where  the  index    represents  the  peer  DMU  underlying  the  optimistic  CE 

assessment of DMU  (see model (5.29)).  Finding the set of peer DMUs in this model 

can be considered as an arguable topic.  

Toloo  and Ertay  (2014)  considered  two optimistic  and pessimistic  scenarios  for 

finding  optimistic/pessimistic  cost  efficient  using  a  basic LP model  and  a MIP 

model  for  determining  the most  cost  efficient  unit  among  these  cost  efficient 

candidates. Toloo and Ertay (2014) formulated the following integrated optimistic 

CE model  to measure  the  cost  efficiency  score with CSW  under  an  optimistic 

perspective: 

  min ∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

01

1, … ,0 1, … ,

   (5.31) 

Definition 5–2 DMU  is optimistic cost efficient with CSW if and only if   ∗ 0.   

The following LP model can be utilized for attaining a suitable value of epsilon in 

model (5.31): 

  ε∗ maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

0 1

0 1,… ,

   (5.32) 

Toloo and Ertay (2014) proved that the optimal objective value of model (5.32) is 

bounded and hence model (5.31) is feasible for  ∈ 0, ∗ . Nevertheless, to have the 

maximum discrimination among cost efficient DMUs, let   ∗.  

Let    be the index set of optimistic cost efficient DMU, i.e.  : ∗ 0 . If 

 is singleton and  ∈ , then model (5.33) can determine DMU  as the most 

Page 150: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

132    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

cost efficient unit under an optimistic perspective. One method  to have a single 

cost efficient DMU is to add some suitable variables and constraints to the model. 

In  doing  so,  Toloo  and  Ertay  (2014)  formulated  the  following MIP model  for 

obtaining the most optimistic cost efficient DMU: 

  min ∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

01

∑ 1

1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1, … ,0 1, … ,

   (5.33) 

where   is a large enough positive number.  

In contrast with  the approach proposed by Camanho and Dyson  (2005), we can 

transform  the  objective  function  of  model  (5.33)  from  a  minimization  to  a 

maximization to formulate the pessimistic integrated model:  

  max ∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

01

1, … ,0 1, … ,

   (5.34) 

Definition 5–3 DMU  is pessimistic cost efficient with CSW if and only if   ∗ 0. 

Model (5.32) provides a suitable value for the epsilon in model (5.34)  because the 

feasible region of models (5.33) and (5.34)  is identical. Let    be the index set of 

pessimistic cost efficient DMU. If   is singleton and  ∈ , then model (5.34) 

enables  us  to  select DMU   as  the most  cost  efficient  unit  under  an  pessimistic 

perspective. 

Analogously, if one changes the objective function of model (5.33) to maximization, 

then the following model finds the most pessimistic cost efficient DMU: 

Page 151: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Best Efficient Unit    133 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

  max ∑

s. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

01

∑ 1

1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

1, … ,0 1, … ,

   (5.35) 

Note that since the feasible region of models (5.33) and (5.35) is identical, then the 

following model obtains the maximum value for their epsilon: 

  maxs. t.∑ 1 1, … ,

∑ ∑ 0 1, … ,

01

01

∑ 1

1, … ,

0 1, … ,

∈ 0,1 1,… ,

0 1, … ,

   (5.36) 

Next section provides a case study of an automotive company located in Turkey to 

verify the effectiveness and the validity of the approach. 

5.5.2 Turkish automotive company 

This  section  considers  a  Turkish  automotive  company  that manufactures  both 

passenger  car  and  light  commercial  vehicle  as  an  application  of  the  CE‐DEA 

models. This company is a global player that has been manufacturing five brands 

in its factory, which has a privileged position in the highest rank by achieving Silver 

production level within 170 group factories of World Class Manufacturing (WCM). 

As the pioneer of the Turkish automotive industry, company exported its products 

to 80 countries by 2011 and its received share from the total automotive industry 

export was at the  level of 22.8% with 180698 units. Turkey’s  leading automotive 

company continued to create long‐term value for its investors in 2010. Hence, the 

company succeeded  in generating strong  financial results and maintaining high 

levels  of  customer  and distributor  satisfaction. Company manufactured  312000 

vehicles in 2010, or 28.5% of the automotive sector total to become Turkey’s largest 

automobile  and  light  commercial  vehicle  manufacturer.  More  than  85%  of 

Page 152: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

134    Chapter 5 

 

2014    M. Toloo 

company  sales  in  2010 were models manufactured  at  its  plant. Among  global 

brands that manufacture in Turkey, the company is the top performer in terms of 

the ratio of local production to total sales.  

As it is shown in Table C–1 in Appendix C, this real data set contains seven inputs 

and five outputs: 

Input 1 ( ): number of branch offices 

Input 2 ( ): total number of exhibiting vehicles (including branch office) 

Input 3 ( ): total number of test vehicles 

Input 4 ( ): total number of selling advisers 

Input 5 ( ): total number of employee of vendors 

Input  6  ( ):  number  of  the  exhibitions  and  presentation  activities  realized  by 

vendors 

Input 7 ( ): number of advertisement broadcasting by multi‐media 

Output 1 ( ): number of the sold vehicles 

Output 2 ( ): average satisfaction value for all vendors determined by the whole 

customers 

Output 3 ( ): service endorsement of vendors after selling (in Turkish Lira) 

Output  4  ( ):  credit  endorsement  loaned  by means  of  financial  founding  for 

customers (in TL) 

Output 5 ( ): vendor’s selling endorsement on the spare parts (in TL) 

The last two rows of Table C–1 in Appendix C report the minimum and maximum 

input prices. The objective of the formulated CE‐DEA models is to determine the 

most  cost  efficient  vendor  in  both  the most  and  the  least  favorable  price.  The 

maximum epsilon for these models is  ∗ 0.001114. Regarding this suitable value, 

the  integrated  model  (5.31)  implies  that  40,49,56   which  shows  that 

Vendor40, Vendor49, and Vendor56 are optimistic cost efficient vendors which are 

the  most  cost  efficient  candidates  under  an  optimistic  perspective.  Finally, 

Vendor40 is determined as the most cost efficient vendor by model (5.33). 

To  find  the most cost efficient unit under a pessimistic point of view, we apply 

model  (5.34), which  leads  to  56 .  In  this  case,    is  singleton and  the 

model can individually find Vendor56 as the most cost efficient with a pessimistic 

point of view. Therefore, it is unnecessary to utilize MIP model (5.35) with this data 

set. 

  

Page 153: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  135 

CHAPTER 6  

Data Selection in DEA 

DEA is a data‐driven based mathematical approach for measuring the efficiency of 

DMUs. Hence, data play an important and critical role in DEA and selecting input 

and output measures  is an essential  issue  in  this method. The measures should 

reflect an analystʹs or a managerʹs  interest  in  the  factors  that will enter  into  the 

relative efficiency evaluations of the DMUs. There are two debatable problems in 

selecting measures in DEA; one is related to status of a measure (input or output) 

and the next one is related to obtaining a measures. In general, it is assumed that 

the  input  versus  output  status  of  the  chosen  performance measures  is  known. 

Nevertheless,  in  some  situations,  certain performance measures  can play  either 

input or output roles, which are called flexible measures. On the other hand, if the 

number of measures is high in comparison with the number of DMUs, then most 

of DMUs are evaluated efficient. One method to deal with this situation is to use 

some  suitable  measures,  referred  to  as  selective  measures.  The  main  idea  to 

accommodate flexible and selective measures is to utilize auxiliary binary variable 

6.1 Flexible measures 

Beasley  (1990, 1995)  firstly  faced with a data selection  issue  in DEA.  Indeed, he 

found that research  income measure  in the evaluation of research productivity by 

universities can be considered either as input or output. Some other such measures 

are: uptime measure in evaluating robotics installations (Cook et al., 1992), outages 

measure in the evaluation of power plants (Cook et al., 1998), deposits measure in 

the  evaluation  of  bank  efficiency Cook  and  Zhu  (2005), medical  interns  have  a 

similar interpretation in the evaluation of hospital efficiency,. In many situations, 

the input versus output status of certain measures can be deemed as flexible. There 

are two alternative approaches to deal with flexible measures, which are based on 

the multiplier and envelopment models. 

Page 154: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

136    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

6.1.1 Multiplier approach 

Cook and Zhu  (2007) modified  the standard CRS‐DEA model  to  formulate both 

individual DMU and aggregate models to derive the most appropriate designations 

for flexible measures. An individual DMU model classifies measures for each DMU 

and must be solved   times, meanwhile an aggregate model classifies measures for 

all the DMUs simultaneously and hence must be solved once. Suppose there are   

flexible measures,  , … , , that may be  input or output status. For each 

measure  , a binary variable  ∈ 0,1  is introduced where  0 presents an input 

status,  and  1  presents  an  output  presents.  Let    be  the weight  for  each 

measure  .  Cook  and  Zhu  (2007)  established  the  following  mathematical 

programming classifier model: 

 max

∑ ∑

∑ ∑ 1s. t.∑ ∑

∑ ∑ 11 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

  (6.1) 

Note that under these assumptions 2  various cases for   flexible measures (two 

cases for each flexible measure) and hence model (6.1) choses the best combination 

of these cases for DMU . However, as will be seen subsequently, this combination 

is not necessarily unique.   

Model  (6.1)  is  equivalent  to  the  following  programming  problem  by  the  same 

transformation of Charnes and Cooper (1962): 

  max∑ ∑s. t.∑ ∑ 1 1

∑ ∑ ∑ ∑ 1 0 1, …

0 1, … , 0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

(6.2) 

Although model (6.2) is non‐linear due to term  , the following method can be 

applied to eliminate the product of a binary and a continuous variable: 

Let   be a binary variable, and   be a continuous variable  for which 0  

holds. Now a continuous variable,  , is introduced to replace the product  . 

The following constraints must be added to force   to take the value of  : 

, , 1 , 0 

Page 155: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    137 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

The  validity  of  these  constraints  can  be  checked  by  examining  all  following 

possible situations:  

If  0,then  from  the  constraint   we have  0.  In  this case, other 

constraints   and  1  are redundant.  

If  1, then form the constraint  1 , or equivalently  , and 

also   we have  ; subsequently the constraint   is redundant. 

Cook  and  Zhu  (2007)  utilized  this method  and  let    for  1,… ,   to 

formulate the following mixed integer classifier model: 

  ∗ max∑ ∑s. t.∑ ∑ ∑ 1

∑ 2∑ ∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,1 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

   (6.3) 

where M is a  large positive number.  

Let  ∗, ∗, ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (6.3),  : ∗ 0  and 

: ∗ 1 . Furthermore, suppose that the model is solved for  1,… , . 

One  possible  approach  for  deciding  the  overall  input  versus  output  status  of 

flexible measure   would  then  be  to  compare  | | with  | |:  If  | |

| |, then flexible measure   must be selected as input and if | | | |, 

then  is must  be  selected  as  output.  Ties  for  determining  the  status  of  flexible 

measure  , i.e. | | | |, may be broken by applying an aggregated model. 

Cook and Zhu (2007) formulated the following aggregated model to evaluate the 

aggregate efficiency, which optimizes the aggregate or the average ratio of outputs 

to inputs: 

 max

∑ ∑ ∑ ∑

∑ ∑ ∑ 1 ∑

s. t.∑ ∑

∑ ∑ 11 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

  (6.4) 

Similarly, the following equivalent MIP model can be obtained: 

Page 156: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

138    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

  max∑ ∑ s. t.∑ ∑ ∑ 1

∑ 2∑ ∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,1 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,0 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,

   (6.5) 

where   ∑ ∀ , ∑ ∀ ,  ∑ ∀ .  

Now, we formulate some models exclude parameter  . According to Theorem 2–

1, we can conclude the following Lemmas: 

Lemma 6–1 There exists at least one positive  , which makes the following models 

equivalent to models (6.3) and (6.5), respectively: 

  max∑ ∑s. t.∑ ∑ ∑

∑ 2∑ ∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,1 1, … ,

0 1 1, … , 0 1 1, … ,0 1 1, … ,∈ 0,1 1, … ,

   (6.6) 

  max∑ ∑ s. t.∑ ∑ ∑

∑ 2∑ ∑ ∑ 0 1, … ,

0 1, … ,1 1, … ,

0 1 1, … , 0 1 1, … ,0 1 1, … ,∈ 0,1 1, … ,

   (6.7) 

As we earlier stated, in general, there are 2  various cases for   flexible measures. 

Let  ∗ 1,2, … , 2 be the CCR‐efficiency for each case. The following theorem 

proves that the optimal objective value of model (6.3) equals to the maximum value 

of objective function for all the possible combinations.  

Theorem 6–1   ∗ max ∗: 1, … , 2 . 

Page 157: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    139 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Proof: Let  ∗, ∗, ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (6.3) and  : ∗

0 . Consider the following model: 

  ∗ max∑ ∑ ∉

s. t.∑ ∑ ∈ 1

∑ ∑ ∉ ∑ ∑ ∈ 0 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,

0 ∈ 0 ∉

   (6.8) 

Note that model (6.8) is the CCR model when we consider  , ∀ ∈  as input and 

also  , ∀ ∉   as output. Let  ∗, ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (6.8). 

Clearly, we have  ∗ ∗ ∀ ,  ∗ ∗ ∀ ,   ∗ ∗ ∀ ∈  and  ∗ ∗ ∀ ∉  

which imply  ∗ ∗.  Hence, we have proved that  ∗ ∈ ∗, ∗, … , ∗  and what is 

left is to show that  ∗ max ∗, ∗, … , ∗ . Let  ∗ max ∗, ∗, … , ∗  and contrary 

to our claim,  ∗ ∗ . Without loss of generality, we assume that the following CCR 

model obtains  ∗ : 

  ∗ max∑ ∑ ∈

s. t.∑ ∑ ∈ 1

∑ ∑ ∈ ∑ ∑ ∈ 0 1, … ,

0 1, … , 0 1, … ,

0 ∈ 0 ∈

   (6.9) 

Let  ∗, ∗, ∗, ∗  be the optimal solution of model (6.9). Clearly,  ∗, ∗, ∗, ∗, ∗  

is a feasible solution of model (6.3) where 

∗ ∗ ∀ , ∗ ∗ ∀ ,

∗ ∗, ∈

0, otherwise, ∗

∗, ∈

0, otherwise, ∗

1, ∈0, otherwise

 

The objective value of this feasible solution,  ∗, is larger than the optimal objective 

function,  ∗, which is a contradiction.  □ 

In the following section, we apply these developments to assist in determining the 

input output status of flexible variables in reality. 

6.1.2 University evaluation  

This section deals with evaluating of 50 universities, shown in Table 6‐1, which was 

firstly used by Beasley (1990). This real application involves General Expenditure 

(GE)  and  Equipment  Expenditure  (EE)  as  two  inputs,  and  Under  Graduate  

 

Page 158: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

140    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

Table 6–1 University data set (Beasley, 1990) 

DMU  GE ( )  EE ( )  UGS ( )  PGT ( )  PGR ( )  RI ( ) 

University 1  528  64  145  0  26  254 

University 2  2605  301  381  16  54  1485 

University 3  304  23  44  3  3  45 

University 4  1620  485  287  0  48  940 

University 5  490  90  91  8  22  106 

University 6  2675  767  352  4  166  2967 

University 7  422  0  70  12  19  298 

University 8  986  126  203  0  32  776 

University 9  523  32  60  0  17  39 

University 10  585  87  80  17  27  353 

University 11  931  161  191  0  20  293 

University 12  1060  91  139  0  37  781 

University 13  500  109  104  0  19  215 

University 14  714  77  132  0  24  269 

University 15  923  121  135  10  31  392 

University 16  1267  128  169  0  31  546 

University 17  891  116  125  0  24  925 

University 18  1395  571  176  14  27  764 

University 19  990  83  28  36  57  615 

University 20  3512  267  511  23  153  3182 

University 21  1451  226  198  0  53  791 

University 22  1018  81  161  5  29  741 

University 23  1115  450  148  4  32  347 

University 24  2055  112  207  1  47  2945 

University 25  440  74  115  0  9  453 

University 26  3897  841  353  28  65  2331 

University 27  836  81  129  0  37  695 

University 28  1007  50  174  7  23  98 

University 29  1188  170  253  0  38  879 

University 30  4630  628  544  0  217  4838 

University 31  977  77  94  26  26  490 

University 32  829  61  128  17  25  291 

University 33  898  39  190  1  18  327 

University 34  901  131  168  9  50  956 

University 35  924  119  119  37  48  512 

University 36  1251  62  193  13  43  563 

University 37  1011  235  217  0  36  714 

University 38  732  94  151  3  23  297 

University 39  444  46  49  2  19  277 

University 40  308  28  57  0  7  154 

University 41  483  40  117  0  23  531 

University 42  515  68  79  7  23  305 

University 43  593  82  101  1  9  85 

University 44  570  26  71  20  11  130 

University 45  1317  123  293  1  39  1043 

University 46  2013  149  403  2  51  1523 

University 47  992  89  161  1  30  743 

University 48  1038  82  151  13  47  513 

University 49  206  1  16  0  6  72 

University 50  1193  95  240  0  32  485 

Page 159: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    141 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 6–2 Results from the multiplier model 

DMU ∗ ∗ DMU ∗ ∗

University 1 1  1  University 26 0  0.565 

University 2 0  0.640  University 27 1  0.855 

University 3 0  0.837  University 28 0  1 

University 4 1  0.686  University 29 1  0.825 

University 5 0  1  University 30 0  0.930 

University 6 0  1  University 31 1  0.776 

University 7 1  1  University 32 0  0.896 

University 8 1  0.812  University 33 1  1 

University 9 0  1  University 34 0  1 

University 10 1  0.907  University 35 1  1 

University 11 0  0.890  University 36 0  0.837 

University 12 1  0.709  University 37 1  0.831 

University 13 0  0.803  University 38 0  0.833 

University 14 0  0.768  University 39 0  0.791 

University 15 0  0.704  University 40 1  0.741 

University 16 0  0.543  University 41 1  1 

University 17 1  0.819  University 42 0  0.847 

University 18 1  0.628  University 43 0  0.921 

University 19 1  1  University 44 0  1 

University 20 0  0.898  University 45 0  0.889 

University 21 0  0.700  University 46 0  0.851 

University 22 1  0.717  University 47 1  0.688 

University 23 0  0.617  University 48 0  0.939 

University 24 0  1  University 49 0  1 

University 25 1  1  University 50 0  0.842 

Students (UGS), PostGraduate Teaching (PGT), and PG Research (PGR) as three 

outputs. Also the flexible measure here is the Research Income (RI). 

Table 6–2 reports  the results of  the classifier model proposed by Cook and Zhu 

(2007), where  the  columns  labeled  ‘ ∗’  shows  the  optimal    and  the  columns 

labeled  ‘ ∗’,  the  optimal  value  to model  of Cook  and Zhu  (2007). The  authors 

concluded that the flexible measure RI must be considered as input: In this case, 20 

out of the 50 universities treat the research income measure as an output, i.e., the majority 

of 30 treat it as an input. See Cook and Zhu (2007). 

Practically,  to validate  the  results of Cook and Zhu  (2007) we  first evaluate  the 

efficiency of DMUs when RI is considered as an input and then re‐evaluate it when 

RI is considered as an output. Since there is only one flexible measure, there are 

only two possible cases for the status of RI. Table 6–3 summarizes the efficiency 

scores obtained from these two individual substitutions.  

The second and third columns of Table 6–3 reports the efficiency score when RI is 

treated as input and output, respectively. As can be seen, the maximum value of 

these  two columns  leads  to  the efficiency score  in Table 6–2. The  last column  is  

Page 160: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

142    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

Table 6–3 The comparison of max and min of efficiency scores 

DMU Efficiency,

RI as Input 

Efficiency,

RI as output ∗ 

University 1 1  1  0 or 1 

University 2 0.615  0.640  0 

University 3 0.837  0.663  0 

University 4 0.645  0.686  1 

University 5 1  0.893  0 

University 6 1  1  0 or 1 

University 7 1  1  0 or 1 

University 8 0.750  0.812  1 

University 9 1  0.658  0 

University 10 0.892  0.907  1 

University 11 0.890  0.747  0 

University 12 0.691  0.709  1 

University 13 0.803  0.772  0 

University 14 0.768  0.702  0 

University 15 0.704  0.688  0 

University 16 0.543  0.520  0 

University 17 0.536  0.819  1 

University 18 0.593  0.628  1 

University 19 1  1  0 or 1 

University 20 0.858  0.898  0 

University 21 0.700  0.669  0 

University 22 0.664  0.717  1 

University 23 0.617  0.560  0 

University 24 0.484  1  0 

University 25 0.952  1  1 

University 26 0.425  0.565  0 

University 27 0.853  0.855  1 

University 28 1  0.809  0 

University 29 0.775  0.825  1 

University 30 0.831  0.930  0 

University 31 0.728  0.776  1 

University 32 0.896  0.841  0 

University 33 1  1  0 or 1 

University 34 1  1  0 or 1 

University 35 1  1  0 or 1 

University 36 0.837  0.735  0 

University 37 0.782  0.831  1 

University 38 0.833  0.806  0 

University 39 0.791  0.789  0 

University 40 0.740  0.741  1 

University 41 1  1  0 or 1 

University 42 0.847  0.835  0 

University 43 0.921  0.643  0 

University 44 1  1  0 or 1 

University 45 0.883  0.889  0 

University 46 0.848  0.851  0 

University 47 0.655  0.688  1 

University 48 0.939  0.883  0 

University 49 1  0.637  0 

University 50 0.842  0.835  0 

Page 161: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    143 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

obtained by comparing the efficiency scores in the second and third columns. The 

efficiency score of 9 universities, i.e. universities 1, 6, 7, 19, 33, 34, 35, 41, and 44, is 

identical when RI  is considered as either an  input or an output. In other words, 

∩ 1, 6, 7, 19, 33, 34, 35, 41, 44 .  The  status  of  these  measures  are 

randomly determined in Cook and Zhu (2007), depending on the solution method 

or the software used to solve the problem.  

This analysis illustrates that in some cases the classifier model of Cook and Zhu 

(2007) might has an alternative solution. Logic dictates that these DMUs must not 

be taken into account for classifying inputs and outputs. Considering this fact, 21 

out of the 41 remaining universities consider RI as an output and the rest, i.e. 20 

universities, consider RI as an input. As a result, RI must be considered as an input, 

however  Cook  and  Zhu  (2007)  ignored  these  alternative  solutions  and 

accommodated  it as an output which  clearly  is an  incorrect  result. This  critical 

difference  illustrates  the  necessity  of  considering  the  alternative  solutions  in 

classifying  inputs and outputs. Furthermore, Cook and Zhu (2007) applied their 

aggregate model  (6.5),  the  optimal  ∗ 1, with  the  optimal  objective  function 

value  being  0.69329.  The  authors  tried  to  provide  some  explanations  for  the 

different  results between  their  two‐multiplier models, however  there  is no  any 

difference at all. In the next section a new envelopment approach is introduced to 

overcome this problem 

6.1.3 Envelopment approach 

We show that Cook and Zhu (2007) did not consider alternative solutions for their 

models and assume that  ∩ . However, in some situations we may 

have  ∩ , which can effect on the final decision about the status of 

the flexible measure. In other words, alternative optimal solutions of these models 

require  to be considered  to deal with  the  flexible measures, otherwise  incorrect 

results might occur. Practically,  the  efficiency  scores of  a DMU  could be  equal 

when the flexible measure is considered either as input or output. We refer to these 

measures as share case. We illustrate that share cases must not be taken into account 

for classifying inputs and outputs. 

Cook and Zhu  (2007) developed  their approach based on multiplier  form of  the 

CCR model. However, we  utilize  the  envelopment  form  of  the CCR model  to 

develop an alternative classifier approach that enables us to accommodate flexible 

measure. In the envelopment form of the CCR model,  if flexible measure    is an 

input measure, then the constraint ∑  must be  imposed, otherwise 

the  constraint  ∑ .  The  condition  that  either  ∑   or  

∑  must hold cannot be formulated in a linear programming model, 

because  in  a  linear  program  all  constraints must  hold. The  following  auxiliary 

binary  variable  is  introduced  to  transform  the  either‐or  constraints  to  a 

simultaneous constraint: 

Page 162: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

144    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

0, isaninput1, isanoutput

 

In  the presence of  a  sufficient  large  amount  for,    ,  the  either‐or  constraints  are 

converted to the following simultaneously constraints: 

∑ 1   

The conversion guarantees that only one of the two constraints can be active at any 

one time. If  0, then the constraint ∑  is active and the constraint 

∑ is redundant due to the constraint ∑ ; otherwise 

the first constraint is redundant and the last one, i.e. ∑ , is active. In 

other words,  flexible measure   will  end up with  either an  input,  0, or an 

output, 1. 

Hence, we formulate the following classifier MIP problem to determine the status 

of   flexible measures: 

 ∗ mins. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,0 1, … ,

   (6.10) 

It is easy to verify that model (6.10) has the properties of units invariance and CRS 

We  also  suggest  the  following  envelopment  aggregate model  to  evaluate  the 

aggregate efficiency, which optimizes the aggregate or the average ratio of outputs 

to inputs: 

  mins. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1 1, … ,

∈ 0,1 1, … ,0 1, … ,

   (6.11) 

where   ∑ ∀ , ∑ ∀ ,  ∑ ∀ .  

Although the multiplier form of CCR model is the dual of the envelopment form 

of the CCR model with equal optimal objective value, model (6.10) is not the dual 

Page 163: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    145 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

of model  (6.3) and  consequently might have different optimal objective values. 

Model (6.3), as a maximization problem, shows the existence or non‐existence of a 

flexible measure multiplier (variable); whereas in model (6.10) either‐or constraint 

of a  flexible measure constraint  is considered as a minimization problem.  In  the 

following, we prove that there might be a gap between the optimal objective value 

of multiplier and envelopment approaches. 

Theorem 6–2   ∗ min ∗: 1,… , 2 .   

Proof: Let  ∗, ∗  be the optimal solution of model (6.10) and  : ∗ 0 . Under 

these assumptions, model  (6.10)  is equivalent  to  the envelopment  form of CCR 

model where    for ∀ ∈   is  input and also  for ∀∉   is output. As a result,  ∗

∗, … , ∗ . Similar to the proof of Theorem 6–1, let  ∗ min ∗, … , ∗  and on the 

contrary suppose  ∗ ∗. Without loss of generality we assume that the following 

envelopment form of the CCR model obtains  ∗: 

 ∗ mins. t.∑ 1, … ,

∑ ∈

∑ 1, … ,

∑ ∈

0 1, … ,

   (6.12) 

Let  ∗ be an optimal solution of model (6.12) and also  ∗ 0 if  ∈ ; otherwise ∗ 1. A trivial verification shows that  ∗, ∗  is a feasible solution of model (6.10) 

with an objective value that is smaller than the optimal objective function, which 

is impossible. □ 

Consider the university application, which was introduced in the previous section. 

The  optimal  solution  of  classifier model  (6.3)  leads  to  the maximum  value  of 

efficiency score, however the minimum value of efficiency score will be obtained 

from model (6.10). As a result, the classifier models (6.3) and (6.10) classify inputs 

and outputs for the best and worst situations, respectively.  

Corollary 6–1   ∗ ∗ ∗ for  1,… , 2 . 

Practically,  it  is not easy  to pre‐determine which model has alternative optimal 

solutions via  the classifier model. However,  the  following corollary provides an 

easy condition to find the alternative solutions. 

Corollary 6–2 IF  ∗ 1, then  ∗ 1 for  1,… , 2 .  

Corollary 6–2  is a key  tool  to  tackle alternative solutions, especially when  1 

which  is  the  case  in  the  afore‐mentioned university  application. Because when 

there  is a single flexible measure, the optimal value of single binary variable for 

Page 164: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

146    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

model (6.3), i.e.  ∗, can be obtained from the optimal value of single binary variable 

for model (6.10). In fact, under these assumptions  ∗ 1 ∗.  

In  addition,  Corollary  6–1  shows  that  the  envelopment  approach  has  more 

discriminating  power  than  the multiplier  approach. However,  considering  the 

following cases, we can handle the flexible measure by model (6.10): 

If  ∗ 1, then  ∗ 1 and hence the flexible measure is a share case and 

must not be taken into account for classifying inputs and outputs. 

If  ∗ 1 and  ∗ 0, then  ∗ 1 and consequently flexible measure   has 

to  be  designated  as  an  output.  In  this  case minimum  efficiency  score 

(worst  situation)  with  more  discriminating  power  will  obtain  if  we 

consider flexible measure   as an input. 

If  ∗ 1 and  ∗ 1, then  ∗ 0.  The flexible measure   has to be selected 

as an input if the best situation is desirable. Clearly, the worst situation 

with maximum discriminating power will obtain if we consider flexible 

measure   as an outputs. 

If  | | | |, then the flexible measure   has to be selected as an 

input.  

If  | | | |, then the flexible measure   has to be selected as an 

output. 

If  | | | |, then an aggregate approach should be utilized. 

6.2 Selective measures 

There is a statistical and empirical rule, known as the rule of thumb, which if the 

number of performance measures is high in comparison with the number of units, 

then a large percentage of the units will be determined as efficient. It also implies 

that the selection of performance measures is very crucial for finding an acceptable 

number of efficient DMUs. In this section, we suggest two alternative approaches 

to choose some inputs and outputs in a way that produces acceptable results.  

6.2.1 The rule of thumb in DEA 

If a performance measure is added or deleted from consideration, it will influence 

the relative efficiencies. Empirically, when the number of performance measures is 

high  in comparison with  the number of DMUs,  then most DMUs are evaluated 

efficient so that such results may be questionable. A rough rule of thumb expresses 

the  relation  between  the  number  of  DMUs  and  the  number  of  performance 

measures (see  Cooper et al., 2007b) for more details):  

max 3 ,  

Table D–1  in Appendix D practically  represents  the number of DMUs  and  the 

number of performance measures applied  in some studies. Statistically, we  find 

out  that  in nearly all of  these  studies  the number of  inputs and outputs do not 

Page 165: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    147 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

exceed 6. A simple calculation shows that if  6 and  6, then 3

 and under these assumptions, 3 max 3 , . As a result, 

3  can be considered as the rule of thumb in DEA, which is simpler.   

There are some cases that the number of performance measures and DMUs does 

not satisfy the rule of thumb. To rectify this issue, in many scenarios we select some 

performance measures  in a manner which complies with  the rule of  thumb and 

imposes progressive effect on the efficiency scores. Selecting measures among a set 

of  suggested  factors  is an  important  issue  for  the decision maker. For example, 

consider the problem of evaluating 50 branches of a bank; performance measures 

suggested by  the manager may practically run  into more  than 25  inputs and 30 

outputs. The total number of measures, i.e. 55, and DMUs do not satisfy the rule of 

thumb and we subsequently encounter many efficient units. To make the problem 

easier,  suppose  that  the  manager  pre‐selected  three  inputs,  e.g.  employees, 

expenses and space, and three outputs, e.g. loans, profits and deposits. With this 

assumptions, if the manager wants to select 2 out of 22 remaining inputs and 1 out 

of  27  remaining  outputs  and  also  consider  all  possible  combinations  of 

performance measures,  then  an  optimization  problem must  be  solved  at most 

196350 50222

271

 times, which is illogical. 

Consider  n  DMUs,  each  using  m  inputs  to  produce  s  outputs,  where 

max 3 , . In this situation, one approach for improving discrimination 

power among DMUs  is  to adopt an assurance  region method or  the  cone  ratio 

model (see Cooper et al., 2007b). However, a decision maker requires to have more 

information about the value of these inputs and outputs and subsequently the final 

result is closely related to these information. In the lack of such information, two 

main methods can be applied to hold the rule of thumb: increasing the number of 

units ( ) or decreasing the number of performance measures ( ). In the first 

method, we add some more DMUs for the evaluation, while in the second method 

we ignore some inputs and outputs. In practice, it is hardly possible to increase the 

number of DMUs and consequently we resort to some models, which optimally 

decrease the number of performance measures. We refer these models as selecting 

models. 

To analyze the number of possible combinations of selective measures we firstly 

suppose 3 max 3 , . In this case,  /3  performance 

measures  should  be  ignored  in  a way  that  the  efficiency  scores  of  all  DMUs 

decrease as much as possible. Note that decreasing the efficiency score of all DMUs 

leads  to maximum  discrimination  among  efficient DMUs.  If  one  considers  all 

possible  input  and  output  combinations,  then  the multiplier  form  of  the CCR 

model or  the BCC model must be  solved ∑ /3/

  times.  In a 

similar manner,  the  number  of  times  that  these models must  be  solved  is

∑ /  when  max 3 , . Obviously,  this method  is 

Page 166: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

148    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

inappropriate even for a very small set of performance measures. In this study, a 

new approach is proposed to tackle this issue. 

In some cases, the decision maker believes that some performance measures are 

more  important  than others and we  fix  these measures  (as  fixed measures), and 

select performance measures  from  the  remaining  inputs  and  outputs  (selective 

measures). In the case of no preferences between different inputs (or outputs), the 

formulated model covers all performance measures. 

In the following sub‐sections, we extend two multiplier and envelopment forms of 

selecting model. However, in some situations, some specific measures must appear 

in evaluation model so that the experts and managers believe that these measures 

reflect  thoroughly  the  production  process.  We  refer  these  measures  as  fixed 

measures and we also consider them for developing our approach. In particular, we 

develop two individual and aggregate models for each forms of selecting models. 

In  individual models,  the  performance  of  each DMU  is  considered, while  the 

aggregate models deal with overall performance of the collection of DMUs.  

6.2.2 Multiplier form of selecting model 

Let    and    denote  subsets  of  outputs  corresponding  to  fixed‐output  and 

selective‐output measures, respectively. Similarly, assume that  and   are the 

parallel  subsets of  inputs. We  extend  the multiplier  form of  the CCR model  to 

formulate  the  individual  and  aggregate  selecting  models  to  derive  the  most 

appropriate designations for selective measures with keeping the rule of thumb. 

We  consider  the  epsilon  form  of  the CCR model  to  keep  the weights positive. 

What’s more, for each selective input and output measure we introduce the binary 

variables   and  ,  respectively.  In a nutshell, by adopting  the  fractional CCR 

model, we propose the following mixed integer non‐linear fractional problem to 

obtain the efficiency of DMU : 

  max∑

s. t.∑

∑1 1, … ,

∑ ∈ ∑ ∈ min , 2√ | | | |

, ∈ 0,1 ∈ , ∈, ∈ , ∈

   (6.13) 

If we apply Charnes and Cooper (1962)’s method, the following MINLP model is 

obtained:  

Page 167: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    149 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

  max ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ ∈ ∑ ∈ min , 2√ | | | |

, ∈ 0,1 ∈ , ∈, ∈ , ∈

   (6.14) 

where  0is a small number and  is a  large positive number. The  following 

theorem validates model (6.14).  

Theorem 6–3 The selecting model (6.14) will meet the rule of thumb.  

Proof.  Let  ∗, ∗,∗,

∗   be  the  optimal  solution  of  selecting  model  (6.14). 

Consider  a  selective  input  measure,  denoted  by  p.  If  ∗0,  then  from  the 

constraint   we have  ∗ 0, meaning that the selective measure  is not 

selected. Otherwise, i.e.  ∗1, then the selective input measure p is designated 

since  the  constraint  leads  to  ∗ 0. Similarly, we obtain  ∗ 0 when ∗

0, i.e., the selective output q is not selected. We also have  ∗ 0 when ∗

1. As a result, the total number of considered inputs and output, including fixed 

and selective measures, in selecting model (6.14) is equal to  | | ∑∗

| | ∑∗

∈ .  

Now,  consider  the  constraint  ∑ ∈ ∑ ∈ min /3 , 2√ | |

| | . If  /3 min /3 , 2√ , then we have  3 | | ∑∗

∈ | |

∑∗

∈ ;  otherwise,  i.e.  2√ min /3 , 2√ ,  the  constraint  ∑ ∈

∑ ∈ 2√ | | | |   leads  to  2√ | | ∑∗

∈ | |

∑∗

∈   and  consequently  an  easy  calculation  shows  that  | |

∑∗

∈ | | ∑∗

∈ .  As  a  result,  from  the  optimal  solution  of  the 

selecting  model  (6.14)  we  obtain  max 3 | | ∑∗

∈ | |

∑∗

∈ , | | ∑∗

∈ | | ∑∗

∈  which completes the proof. □ 

We  now  eliminate  the  min  function  form  the  right  hand  side  of  third  set  of 

constraints  of model  (6.14). Not  that  if  36,  then we  have  /3 2√   and 

subsequently  /3 min /3 , 2√ .  In  this  case  the  constraint  ∑ ∈

∑ ∈ min /3 , 2√ | | | |   can  be  replaced  with  the  constraint 

∑ ∑ | | | |   and  otherwise  we  have  2√ min /

3 , 2√   and  the mentioned  constraint  should  be  replaced with  the  constraint 

∑ ∑ 2√ | | | | . 

Page 168: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

150    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

Now suppose that a manger is interested in selecting exactly p out of m2 selective 

inputs and q out of s2 selective outputs, where  min /3 , 2√ | |

| | . This conditions will be easily established in model (6.14), when the constraint 

∑ ∈ ∑ ∈ min /3 , 2√ | | | |   is  replaced  with  two 

constraints ∑ ∗∈   and ∑ ∗

∈ . Note  that  to  select  input  and  output 

measures, we  first  solve  the  selecting model  (6.14)  and  obtain  a  set of  optimal ∗   ∗

for each DMU. If  ∗1

∗ 1  for the majority of the units, then 

we select   as an input (output) measure. Now, the multiplier form of the CCR 

model can be used to evaluate DMUs with the fixed and selective measures. 

If there  is no priority  in choosing selective measures  , we propose 

the following selecting model: 

  max ∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ ∈ ∑ ∈ min , 2√

1, … ,

1, … ,

∑ 1

, ∈ 0,1 1, … , ; 1, … ,

   (6.15) 

The constraint ∑ 1 is added to have at least one output measure. Note that 

the condition ∑ 1 can be extracted from the first constraint  ∑

1 . Similar to the proof of Theorem 6–3, one can prove that model (6.15) fulfills the 

rule of thumb.  

The following MINLP model measures the maximum value of epsilon for model 

(6.15), which can be linearized via the afore‐mentioned method in previous section. 

  maxs. t.∑ 1

∑ ∑ 0 1, … ,

∑ ∈ ∑ ∈ min , 2√

1, … ,

1, … ,

∑ 1

, ∈ 0,1 1, … , ; 1, … ,

   (6.16) 

Similarly, we can obtain  the maximum value of epsilon  for  the afore‐mentioned 

models. 

Page 169: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    151 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

6.2.3 Envelopment form of selecting model 

This  sub‐section  extends  the  envelopment  form  of  the  selecting model. Unlike 

traditional DEA models,  the envelopment and multiplier  forms of  the  selecting 

models are not mutually dual.  

We formulate the following envelopment form of the selecting model: 

  max ∑ ∈ ∑ ∈ ∑ ∈ ∑ ∈

s. t.∑ ∈

∑ ∈

∑ 1 ∈

∑ 1 ∈

∑ ∈

∑ ∈

, ∈ 0,1 ∈ , ∈

, 0 ∀ , ∀

0 ∀

   (6.17) 

where M  is  a  very  large  positive  number  and  also  p  and  q  are  two  positive 

parameters such that  min , 2√ | | | | . Note that model (6.17) 

is  nonlinear  due  to  the  two  nonlinear  terms    and  ,  which  will  be 

eliminated from the model.  

In order to show the contribution of the proposed model (6.17), we state and prove 

a theorem, which ensures an acceptable number of efficient DMUs by keeping the 

rule of thumb: 

Theorem 6–4 The presented model (6.17) will meet the rule of thumb.  

Proof. Let  ∈  and  ∈ . If  ∗ 1, then the constraint ∑

1  changes to ∑  which means that the input measure 

is selected. Otherwise, the constraint ∑ 1  converts 

to ∑  which,  for  ,  implies  that ∑   is 

redundant and subsequently the input measure   is not selected. Note that in the 

objective function, the term  considers slack variables of the selected inputs. 

Considering  the  number  of  the  fixed‐input measures,  | |,  and  the  constraint 

∑ ∈  the total number of input measures is | | . Similarly, if  1, 

then the constraint ∑   is active; otherwise  it  is redundant. The 

constraint  ∑ ∈   implies  that  the  total  number  of  the  fixed‐output  and 

selective‐output measures is  . As a result, the number of measures in model 

(6.17) is  min /3 , 2√ . This completes the proof. □  

Page 170: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

152    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

Now,  we  eliminate  the  nonlinear  terms  from  the  formulated  mixed  integer 

nonlinear programming model (6.17). In doing so, we replace the nonlinear term 

by a new variable on which a number of constraints is imposed. First let   

for ∈   . We need  to  add  some  suitable  constraints   when  1  and 

otherwise  0. This can be done by imposing the following restrictions on the 

model: 

0

where    is  a  very  large  positive  number.  If  0,  then  the  constraint 

1  is redundant and on the other hand from the constraint 0

 we have  0. Otherwise (i.e.  1) 0  is redundant and 

the constraint  1  converts to   and hence 

. In a similar manner, we assume   for  ∈  and impose the following 

restrictions on the model:  

0

As a result, the following mixed integer linear programming is formulated: 

  max ∑ ∈ ∑ ∈ ∑ ∈ ∑ ∈

s. t.∑ ∈

∑ ∈

∑ 1 ∈

∑ 1 ∈

∑ ∈

∑ ∈

0 ∈

1 ∈

0 ∈

1 ∈

, ∈ 0,1 ∈ , ∈

, 0 ∈ , ∈

, 0 ∀ , ∀

0 ∀

   (6.18) 

If the manager has no priority over choosing the selective measures, in model (6.18) 

we can set   to achieve the following envelopment form for the selecting 

model: 

Page 171: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    153 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

  max ∑ ∑

s. t.∑ 1, … ,

∑ 1, … ,

∑ 1 1, … ,

∑ 1 1, … ,

0 1, … ,

1 1, … ,

0 1, … ,

1 1, … ,

, ∈ 0,1 1, … , ; 1, … ,

, 0 1, … , ; 1, … ,

, 0 1, … , ; 1, … ,

0 1,… ,

   (6.19) 

where  1, 1, min , 2√ | | | | . Notice that from  1 

( 1) we have at least one input (output).  

It is worth noting that unlike the multiplier and envelopment forms of CCR model, 

which are LP, the proposed forms of the selecting models are MIP. As a result, the 

optimal objective value of the multiplier form of selecting model (6.14) is not equal 

to the optimal objective value of the envelopment form model (6.18).  

Indeed, models (5.14) and (5.18) are not mutually dual and, as will be illustrated 

by a real data set of banks, the multiplier form of the selecting model selects the 

selective measures based on  the maximum performance whereas  the maximum 

discrimination  among  DMUs  is  considered  in  the  envelopment  form.  The 

following theorem expresses the relation between these models: 

Theorem 6–5 0 ∗ ∗ 1. 

Proof.  Let  ∗, ∗,∗,

∗and  ∗, ∗,

∗,

∗,

∗,

∗,

∗,

∗   be  the  optimal 

solution of models  (6.14) and  (6.18),  respectively. Consider model  (6.17) and  let ∗

1   and  ∗

1 .  The  optimal  solution  of  the  following 

envelopment form of CCR model is  ∗, ∗,∗,

∗: 

Page 172: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

154    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

  max ∑ ∈ ∪ ∑ ∈ ∪

s. t.∑ ∈ ∪

∑ ∈ ∪

0 ∈ ∪

0 ∈ ∪

0 1, … ,

   (6.20) 

Since the optimal objective value of CCR model is positive and less than or equal 

to 1 we have 0 ∗ 1. Consider the following dual model of (6.20): 

  max ∑ ∈ ∪

s. t.∑ ∈ ∪ 1

∑ ∈ ∪ ∑ ∈ ∪ 0 1, … ,

∈ ∪∈ ∪

   (6.21) 

Let  ∗, ∗ be  the  optimal  solution  of  model  (6.21).  Under  the  optimality 

conditions (primal‐dual relationships)  ∗ ∗ . Let  

1, ∈0, ∈ /

,1, ∈ 0, ∈ /

 

A simple computation shows that  ∗, ∗,∗,

∗is a feasible solution of model  

(6.14) with objective value  ∗ . Hence, we have  ∗ ∗ ∗  and what is left is to 

show that  ∗ 1. To do this, consider the given optimal solution of model (6.14), ∗, ∗,

∗,

∗,  and  fix 

∗and 

∗  If  we  redefine 

∗1   and 

∗1 , then  ∗, ∗ , ∗  is an optimal solution of the multiplier form of CCR 

model (6.21) and hence 0 ∗ 1 which completes the proof.      □ 

In  the  proposed  individual  approaches,  the  manager  solves  the  proposed 

multiplier or envelopment forms of the selecting models for each DMU and obtains 

a set of optimal ∗ and 

∗ (or 

∗ and 

) specific to that DMU. One criterion for 

selecting measures is to consider the majority choice among the DMUs. However, 

in the aggregate approach, the manager makes the decision based on a set of the 

optimal ∗

 and 

∗ (or 

 and 

) for all DMUs. Such a model would be helpful 

if ties are encountered using the proposed selecting models on an individual DMU 

basis.  In  the  following  sub‐section, we  adopt  this  aggregate  approach  for  both 

multiplier and envelopment forms. 

6.2.4 Aggregate approach 

The  overall  performance  of  the  collection  of  DMUs  can  be  considered  as  an 

alternative approach for selecting performance measures. To follow this viewpoint, 

we examine the efficiency of the aggregate outputs to aggregate  inputs with the 

Page 173: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    155 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

outlook on the selective measures. Specifically, we suggest the following MIP to 

obtain the aggregate efficiency in the multiplier form: 

  max∑s. t.∑ 1

∑ ∑ 0∀

∑ ∈ ∑ ∈ min , 2√

∑ 1

, ∈ 0,1 ∀ , ∀

   (6.22) 

It should be mentioned here that the aggregate approach optimizes the aggregate 

efficiency  of  the  collection  of  DMUs  and  it  is  recommended  when  ties  are 

encountered using an individual DMU model. 

Similarly, we formulate the following aggregate MIP envelopment model to deal 

with the aggregate efficiency:  

  max ∑ ∑

s. t.∑ ∀

∑ ∀

∑ 1 ∀

∑ 1 ∀

0 ∀

1 ∀

0 ∀

1 ∀

, ∈ 0,1 ∀ , ∀

, 0∀ , ∀

, 0 ∀ , ∀

0 ∀

   (6.23) 

All models in this section are presented under CRS assumption. Straightforwardly, 

their VRS version of the model can be formulated by adding a free variable with 

free in sign, i.e.   ∈ ∞, ∞ , to the multiplier forms or adding the convexity 

constraint ∑ 1 to the envelopment forms (see Toloo et al., 2015 and Toloo 

and Tichý, 2015).  

In  the next section, we utilize some real data sets of banks  in order  to show  the 

applicability of the proposed multiplier and envelopment selecting approaches. 

Page 174: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

156    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

6.2.5 Banking industry applications 

In this section, we first consider a real data set of the largest private bank in Iran 

and  then  deal with  active  banks  in  the Czech  Republic.  The  former  bank  has 

approximately 3150 branches in different cities in Iran with 127 branches in one of 

the Northern  provinces, Gilan.  The  data  set, which  is  presented  in  Table D–3 

(Appendix D), involves 20 branches of the capital of Gilan. 

To  choose  inputs  and  outputs measures, we  studied  different  papers  on  bank 

industry. Mostafa (2009)  in a study on bank  industry evaluated the efficiency of 

top Arab banks using two different approaches, namely DEA and neural networks. 

Although Emrouznejad and Anouze (2009) in a note on Mostafa (2009) indicated 

that the efficiency scores that are obtained in this paper are incorrect and the results 

need to be revised, we  just use the  information provided by Mostafa (2009) that 

summarizes  the previous  research  conducted  to  evaluate bank  efficiency using 

DEA. The  inputs and outputs that were  investigated  in the previous studies are 

showed in Table D–2 (Appendix D). We can come to some helpful results from this 

table. For example,  in more than 40% of the studies expenses  is used as an  input 

measure. Therefore, it is reasonable to enter this factor in the inputs set. Moreover, 

based on the bank policies, the bank manager provided some inputs and outputs. 

Some of these measures are the same as the ones in Table D–2, but the rest of them 

are different. For instance, One‐Time Password (OTP) is an output measure that the 

manager wishes to take into account though it is not in Table D–2. 

Finally,  considering  both  the manager’s  interests  and  the  resulted  information 

from Table D–2, the inputs and outputs measures are suggested as follows: 

Inputs: Employees, Expenses, Space, Assets, Number of accounts, Costs.  

Outputs: Loans, Number of transactions, Deposits, Check card, Credit card, OTP. 

Now, we want  to obtain  the efficiency of  these 20 branches with 6  inputs and 6 

outputs hence  the number of DMUs  and measures does not  satisfy  the  rule of 

thumb in DEA, i.e.  20 36 max 3 , .  The last column of Table 

D–3 indicates efficiency scores after applying the standard CCR model to the data. 

Results show that 80% of all the branches are reported efficient and, hence these 

efficiency scores have insufficient discrimination power. Moreover, the data in the 

Table D–2 shows that in more than 84% of the studies Employees has been used as 

input and Loans with 46% as output. Practically, Deposits is an important factor in 

the bank industry and has a special influence on shares and earnings. Regarding 

these considerations, prior to designating inputs and outputs via selecting models 

we set Employees, Deposits and Loans as fixed measures. 

Imposing the above restrictions, we apply the aggregate multiplier model (6.22) to 

the data set in Table D–3. Results indicate that Assets and Costs, are recognized as 

the selective input measures, and No. of transactions as the selective output measure, 

 

Page 175: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    157 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 6–4 Results of applying the aggregate multiple model 

DMUs Inputs 

 Outputs 

Efficiency No. of

Employees Assets  Costs 

No. of

transactions Deposits  Loans 

1  11  1753  10020 

 

5214  72149  57537  0.86 

2  17  2604  11440  5343  89781  51114  0.70 

3  7  1155  8,427  5145  42654  52485  1.00 

4  12  1899  11816  3249  97812  67298  0.85 

5  14  2215  12426  6706  77031  43487  0.64 

6  14  2357  9907  6259  75923  41442  0.75 

7  9  1370  10365  3652  47763  43262  0.65 

8  5  829  5283  3913  45732  14237  1.00 

9  6  985  11061  3566  55222  41062  0.88 

10  6  1023  5856  4559  53323  37418  1.00 

11  8  1311  8745  4441  69734  57883  0.99 

12  9  1536  7326  5031  49153  47139  0.98 

13  8  1367  8326  5053  92365  55543  1.00 

14  7  1193  6525  4762  64235  22347  0.89 

15  9  1359  8158  6876  89104  45717  1.00 

16  7  1111  11135  4307  42012  73925  1.00 

17  7  1182  6920  5331  69360  27246  0.99 

18  7  1069  5864  4004  51438  26531  0.81 

19  6  992  5039  2342  39948  20223  0.66 

20  7  1180  8378  4238  154284  43928  1.00 

with  the  aggregate  efficiency  score  being  0.78.  The  last  column  of  Table  6–4 

demonstrates  the  efficiencies, which are obtained by applying  the  conventional 

CCR model to the data of this table. Comparing the last columns of Table D–3 and 

Table 6–4 indicates that the number of efficient DMUs is reduced after using the 

selecting model and then applying the CCR model to the DMUs with the selective 

measures. More precisely, efficient DMUs 1, 4, 5, 6, 11, 12, 14, 17 and 18 in Table 

D–3 are now inefficient with the efficiency scores, 0.86, 0.85, 0.64, 0.75, 0.99, 0.98, 

0.89, 0.99, and 0.66. In summary, with the selective measures 7 out of 20 DMUs are 

reported efficient while there are 16 efficient DMUs with considering all measures. 

This means  that while  the conventional CCR model with all measures  reported 

80% of DMUs efficient, by using  the selecting model  the percentage of efficient 

DMUs is reduced to 35. 

It  is worth  to  point  out  that  to  obtain  the  same  results without  utilizing  the 

proposed multiplier or envelopment  forms of  the selecting models, 400 20

 optimization problems must be solved. In other words, our approach choices 

the selective measures with fairly fewer computations.  

Page 176: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

158 Chapter 6 

2014 M. Toloo 

Now, we apply the individual multiplier form of the selecting model to evaluate 

14  active  banks  in  the  Czech  Republic with  the  VRS  assumption.  The  Czech 

Republic  has  relatively  stable  economy  with  close  tights  to  Germany  and  its 

banking  sector  is  highly  internationalized  (majority  of  banks  are  owned  by 

financial institutions from Eurozone) with just a few large banks, although it can 

currently be regarded as highly competitive, especially due to aggressive policy of 

small banks in the retail segment. 

Even if data of some banks were omitted, Table D–4 clearly shows that just three 

or  four  large banks make  the market. Even though,  the market can currently be 

regarded as competitive and innovative due to the presence of small banks. Note 

finally that the Czech banking sector can be regarded as very stable and no serious 

impact of recent subprime crises was recorded, mainly due to public rescue of large 

banks  in  late  90’s  and  their  subsequent  acquisition  of  European  financial 

institutions. 

In order to select the most important bank features, we follow Mostafa (2009) (see 

table  D–2  in  Appendix  D).  In  addition,  considering  the  manager’s  interests, 

availability of information and the most utilized measures in Mostafa (2009), the 

inputs and outputs measures are suggested as follows: 

Inputs: Employees, Number of branches, Assets, Equity, Expenses.

Outputs: Deposits, Loans, Non‐interest income, Interest income.

Table D–4 exhibits the data set and the BCC‐efficiency score. The last column in the 

table  shows  that  93%  of  banks  (i.e.  13  of  14)  are  BCC‐efficient.  Such  result  is 

questionable and is due to an inadequate number of performance measures. To get 

an acceptable result, we have to decrease the number of performance measure such 

that    excess 3 . Toward  this  end, we  first  apply  the multiplier  form  of 

selecting model (6.14) (with considering a free variable  ) to the data set in Table 

D–4. Reference to the optimal solution shows that Expenses is a selected input and 

also Deposits and Loans are selected outputs. Table 6–5 summarizes all the fixed, 

selected  data  and  also  efficiency  scores which  are  obtained  by  using  the  BCC 

model. As can be extracted  from  this  table,  there are 5 efficient banks out of 14 

banks, which show that the proposed multiplier model succeeds in decreasing the 

percentage  of  efficient DMUs  from  93%  to  36% with  the maximum number  of 

efficient DMU. Nevertheless, as will be illustrated, the proposed envelopment form 

can decrease the number of efficient DMUs even more than multiplier form, but 

with the minimum number of efficient DMU.  

Notwithstanding the BCC‐efficiency scores in Table D–3, these scores in Table 6–5 

illustrate  that  the proposed multiplier  form  of  the  selecting model  succeeds  in 

holding the rule of thumb and achieving the satisfactory efficiency scores.  

Page 177: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Data Selection in DEA    159 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table 6–5 Selective measures obtained by multiplier model 

Banks Inputs Outputs BCC‐ 

Efficiency Employees  Expenses    Deposits  Loans 

AIR  400  745 

 

30696  11135  0.5607 

CMZRB  217  566  86967  16813  1 

CS  10760  18259  688624  489103  1 

CSOB  7801  16087  629622  479516  1 

EQB  296  601  7502  5611  0.4551 

ERB  72  173  2940  1762  1 

FIO  59  347  17174  6465  1 

GEMB  3346  5276  97063  101898  0.5875 

ING  293  1034  92579  19216  1 

JTB  407  1333  62085  39330  1 

KB  8 758  13511  579 067  451 547  1 

LBBW  365  1138  20274  2528  0.25 

RB  2927  57112  144143  150138  0.5346 

UCB  2004  13804  195120  192046  1 

Table 6–6 Selective measures by envelopment model 

Banks 

Inputs    Outputs BCC‐ 

Efficiency Employees No. of 

branches  Non‐interest 

income Loans 

AIR  400  18 

 

14  11135  0.3686 

CMZRB  217  5  634  16813  1 

CS  10760  658  15412  489103  1 

CSOB  7801  322  8,747  479516  1 

EQB   296  13  19  5611  0.3419 

ERB  72  1  15  1762  1 

FIO  59  36  211  6465  1 

GEMB  3346  260  3943  101898  0.7704 

ING  293  10  468  19216  0.773 

JTB   407  3  487  39330  1 

KB  8 758  399  8834  451 547  0.8591 

LBBW   365  18  128  2528  0.256 

RB  2927  125  2829  150138  0.7506 

UCB  2004  98  2740  192046  1 

To decrease  the number of  efficient DMUs  and discriminate between  them we 

apply the proposed envelopment form of selecting model (6.17) to the data set in 

Table D–3 with  1, 2. The optimal solution implies that Number of Branches, 

Non‐interest income and Loans are the selective measures. The last column of Table 

6–6 demonstrates the efficiencies, which are calculated using the BCC model. It can 

Page 178: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

160    Chapter 6 

 

2014    M. Toloo 

be extracted that there are 7 efficient banks, and as a result, the formulated selecting 

model successfully decreased the percentage of efficient DMUs from 93% to 50%. 

Page 179: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  161 

CHAPTER 7  

Conclusion 

Nowadays,  it  is  necessary  to  evaluate  the  efficiency  (doing  things  right), 

effectiveness  (doing  the right  things) and economic efficiency  (doing  things at a 

lowest price)  in an organization. However,  it  is a  challenge  to  implement  these 

evaluations  when  there  are  multiple  inputs  and  multiple  outputs.  Data 

Envelopment  Analysis  (DEA)  is  a  powerful,  non  parametric  and  quantitative 

method  for evaluating  the  relative  efficiency of  a  set of Decision Making Units 

(DMUs), such as universities, car makers, hospitals, banks and so on. 

The book Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications provides 

some basic concepts of DEA methodology. We mainly focus on some selected DEA 

models and their extensions. In this respect, we first present the concept of relative 

efficiency and mathematically construe both envelopment and multiplier forms of 

the DEA models. To solve DEA models the General Algebraic Modeling System 

(GAMS) software, which is a high‐level modeling system for linear, nonlinear and 

mixed  integer optimization problems,  is  introduced. We present  the weights  in 

DEA and their importance followed by considering common set of weights (CSW) 

approach as a main means finding the most efficient DMU. Finally, we introduce 

the  role  of  flexible  and  selective measures  in  DEA.  Throughout  the  book we 

illustrate the models using different applications such as banking industry in the 

Czech Republic and  Iran, Technology Selection  (TS) and Facility Layout Design 

(FLD).  

The book is intended mainly for Ph.D. students and academic staff, researchers and 

public  institutions, which  are  interested  in  studying  the  field  of  performance 

evaluation. 

This  publication  has  been  elaborated  in  the  framework  of  the  project  Support 

research  and  development  in  the  Moravian‐Silesian  Region  2013  DT  1  – 

International research teams (02613/2013/RRC). Financed from the budget of the 

Moravian‐Silesian  Region.  It  has  been  also  supported  by  the  Czech  Science 

Page 180: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

162    Chapter 7 

 

2014    M. Toloo 

Foundation (GACR project 14‐31593S) and through European Social Fund (OPVK 

project CZ.1.07/2.3.00/20.0296).

Page 181: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  163 

Appendix  

Appendix A 

Table A–1 Banks in the Czech Rep

ublic 

 

Bank 

Full name  

Description 

AIR 

Air Ban

small and very new m

arket participant owned by Czech conglomerate, which is, 

however, registered in the Netherlands 

CMZRB 

Českomoravská záruční a rozvojová ban

ka 

a specialized banking institution m

anaged by the government representatives in 

order to support selected m

arket segments 

CS 

Česká spořitelna 

large, traditional ban

k, owned by Erste Group, Austria 

CSOB 

Československá obchodní banka 

large, traditional ban

k, owned by KBC Ban

k, B

elgium 

EQB 

Equa Ban

though existing for more than 20 years, form

er IC Banka, currently owned by Equa 

Group, M

alta 

ERB 

Evropsko‐ruská ban

ka 

small and relatively new

, owned by a natural person 

FB 

Fio banka 

small, though exiting m

ore than 20 years, owned by Fio holding, C

zech Republic 

GEMB 

GE M

oney Bank 

mid‐size, owned by GE Holding, U

SA 

ING 

ING Ban

k N.V. 

midsize branch of foreign bank 

JTB 

J&T bank 

small to m

id‐size, owned indirectly by two natural persons 

KB 

Komerční banka 

large, traditional ban

k owned by Societe General, France 

LBBW 

LBBW Bank CZ 

small, owned by Lan

desban

k Baden‐W

urttemberg, Germany 

RB 

Raiffeisen Ban

mid‐size, owned by Austrian bank of the same nam

UCB 

UniCredit Ban

k Czech Rep

ublic 

fourth largest ban

k after several m

ergers (H

VB Ban

k, Ban

k A

ustria Creditan

stalt 

and traditional Czech ban

k Živnostenská banka), currently owned by Austrian ban

of the respective name, w

hich is owned by Italian UniCredit 

 

Page 182: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

164     Appendix  

 

2014    M. Toloo 

Table A–2 The Czech banks’ and leasing companies’ asset financing alternatives with their 

efficiency score 

DMU 

Down 

 payment 

Annuities 

Other fees 

Bank loan 

coefficient 

CCR‐

efficiency 

DMU 

Down 

payment 

Annuities 

Other fees 

Bank loan 

coefficient 

CCR‐

efficiency 

1  0  17696 1210 1.318 0.9165 71 181500 10911 0 1.202 1 

2  36300  16917 1210 1.326 0.9069 72 181500 9415 0 1.245 0.999998 

3  72600  16137 1210 1.335 0.8973 73 181500 8352 0 1.288 1 

4  108900  15344 1210 1.345 0.8884 74 217800 44091 0 1.041 0.999985 

5  145200  14565 1210 1.356 0.8786 75 217800 22869 0 1.080 1 

6  181500  13774 1210 1.368 0.8704 76 217800 15809 0 1.120 0.999969 

7  217800  13067 1210 1.391 0.8578 77 217800 12288 0 1.161 1 

8  254100  12284 1210 1.408 0.8501 78 217800 10184 0 1.202 0.999954 

9  290400  11502 1210 1.429 0.8412 79 217800 8787 0 1.245 1 

10  326700  10719 1210 1.453 0.8313 80 217800 7795 0 1.288 1 

11  363000  9954 1210 1.484 0.8230 81 254100 40941 0 1.041 1 

12  399300  9185 1210 1.522 0.8185 82 254100 21236 0 1.080 0.999978 

13  435600  8526 1210 1.590 0.8048 83 254100 14680 0 1.120 0.999951 

14  471900  7763 1210 1.655 0.8556 84 254100 11411 0 1.161 0.999961 

15  508200  7012 1210 1.744 0.9374 85 254100 9456 0 1.202 1 

16  0  16327 1210 1.351 0.9104 86 254100 8160 0 1.245 0.9999 

17  36300  15615 1210 1.360 0.9006 87 254100 7239 0 1.289 0.999955 

18  72600  14902 1210 1.370 0.8907 88 290400 37792 0 1.041 1

19  108900  14160 1210 1.379 0.8821 89 290400 19602 0 1.080 1

20  145200  13448 1210 1.391 0.8718 90 290400 13550 0 1.120 1

21  181500  12737 1210 1.406 0.8632 91 290400 10533 0 1.161 1

22  217800  12026 1210 1.422 0.8553 92 290400 8729 0 1.202 1

23  254100  11337 1210 1.444 0.8450 93 290400 7532 0 1.245 1

24  290400  10644 1210 1.469 0.8348 94 290400 6682 0 1.289 1

25  326700  9930 1210 1.495 0.8254 95 0 65268 0 1.079 0.9702 

26  363000  9215 1210 1.526 0.8160 96 0 34947 0 1.155 0.9443 

27  399300  8516 1210 1.568 0.8138 97 0 24865 0 1.233 0.9217 

28  435600  7900 1210 1.636 0.8423 98 0 19841 0 1.312 0.9019 

29  471900  7197 1210 1.704 0.9165 99 0 16842 0 1.392 0.8845 

30  508200  6521 1210 1.802 1 100 0 14854 0 1.473 0.8690 

31  0  36060 0 1.192 0.9152 101 0 13444 0 1.556 0.8553 

32  36300  34381 0 1.196 0.9103 102 145200 52335 0 1.081 0.9636 

33  72600  32502 0 1.194 0.9107 103 145200 28082 0 1.160 0.9329 

34  108900  30791 0 1.198 0.9064 104 145200 20013 0 1.240 0.9068 

35  145200  29125 0 1.204 0.9005 105 145200 15990 0 1.321 0.8845 

36  181500  27510 0 1.213 0.8939 106 145200 13585 0 1.403 0.8653 

37  217800  25888 0 1.223 0.8874 107 145200 11989 0 1.486 0.8487 

38  254100  24270 0 1.234 0.8800 108 145200 10855 0 1.570 0.8553 

39  290400  22655 0 1.248 0.8713 109 181500 49186 0 1.084 0.9613 

40  326700  21039 0 1.265 0.8630 110 181500 26449 0 1.166 0.9286 

41  363000  19420 0 1.284 0.8564 111 181500 18884 0 1.249 0.9009 

42  399300  17802 0 1.308 0.8485 112 181500 15112 0 1.332 0.8771 

43  435600  16189 0 1.338 0.8370 113 181500 12857 0 1.417 0.8566 

44  471900  14572 0 1.376 0.8282 114 181500 11361 0 1.502 0.8387 

45  508200  12960 0 1.428 0.8127 115 181500 10298 0 1.589 0.8513 

Page 183: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     165 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

DMU 

Down 

 payment 

Annuities 

Other fees 

Bank loan 

coefficient 

CCR‐

efficiency 

DMU 

Down 

payment 

Annuities 

Other fees 

Bank loan 

coefficient 

CCR‐

efficiency 

46  145200  29125 0 1.204 0.9005 116 217800 46037 0 1.087 0.9588 

47  145200  20070 0 1.244 0.9043 117 217800 24815 0 1.172 0.9244 

48  145200  15816 0 1.307 0.8937 118 217800 17755 0 1.258 0.8954 

49  145200  14437 0 1.342 0.8877 119 217800 14234 0 1.344 0.8707 

50  145200  13336 0 1.378 0.8804 120 217800 12130 0 1.432 0.8495 

51  145200  11688 0 1.449 0.8690 121 217800 10733 0 1.521 0.8313 

52  145200  10516 0 1.521 0.8774 122 217800 9741 0 1.610 0.8513 

53  0  63322 0 1.047 1 123 254100 42887 0 1.091 0.9560 

54  0  33001 0 1.091 1 124 254100 23182 0 1.179 0.9195 

55  0  22919 0 1.136 1 125 254100 16626 0 1.268 0.8891 

56  0  17895 0 1.183 1 126 254100 13357 0 1.359 0.8634 

57  0  14896 0 1.231 1 127 254100 11402 0 1.450 0.8416 

58  0  12908 0 1.280 1 128 254100 10106 0 1.542 0.8229 

59  0  11498 0 1.330 1 129 254100 9185 0 1.635 0.8512 

60  145200  50389 0 1.041 1 130 290400 39738 0 1.095 0.9527 

61  145200  26136 0 1.080 1 131 290400 21548 0 1.187 0.9140 

62  145200  18067 0 1.120 1 132 290400 15496 0 1.281 0.8819 

63  145200  14044 0 1.161 1 133 290400 12479 0 1.375 0.8557 

64  145200  11639 0 1.202 1 134 290400 10675 0 1.470 0.8338 

65  145200  10043 0 1.245 1 135 290400 9478 0 1.567 0.8152 

66  145200  8909 0 1.288 1 136 290400 8628 0 1.664 0.8512 

67  181500  47240 0 1.041 0.999993 137 0 16080 5000 1.203 1

68  181500  24503 0 1.080 0.99998 138 0 14749 5000 1.226 1

69  181500  16938 0 1.120 0.999985 139 0 12760 5000 1.272 1

70  181500  13166 0 1.161 0.999999

 

 

Page 184: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 185: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     167 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Appendix B 

Table B–1 All possible solver status 

No.  Name  Description

1 NORMAL COMPLETION

The  solver  terminated  in  a  normal  way:  i.e.,  it  was  not 

interrupted by a  limit  (resource,  iterations, nodes,  ...) or by 

internal difficulties.  

2 ITERATION INTERRUPT

The  solver  was  interrupted  because  it  used  too  many 

iterations. Use option iterlim to increase the iteration limit if 

everything seems normal. 

3 RESOURCE INTERRUPT

The solver was  interrupted because  it used  too much  time. 

Use  option  reslim  to  increase  the  time  limit  if  everything 

seems normal. 

4 TERMINATED BY SOLVER

The  solver  encountered  difficulty  and  was  unable  to 

continue. More detail will appear following the message. 

5 EVALUATION ERROR LIMIT

Too  many  evaluations  of  nonlinear  terms  at  undefined 

values. You should use variable bounds to prevent forbidden 

operations, such as division by zero. The rows in which the 

errors occur are listed just before the solution. 

6 CAPABILITY PROBLEMS

The  solver  does  not  have  the  capability  required  by  the 

model,  for  example,  some  solvers  do  not  support  certain 

types of discrete variables or support a more  limited set of 

functions than other solvers. 

7 LICENSING PROBLEMS

The solver cannot find the appropriate license key needed to 

use a specific subsolver. 

8 USER INTERRUPT

The user has sent a message  to  interrupt  the solver via  the 

interrupt button  in  the  IDE or sending a Control+C  from a 

command line. 

9 ERROR SETUP FAILURE

The solver encountered a fatal failure during problem set‐up 

time. 

10 ERROR SOLVER FAILURE

The solver encountered a fatal error. 

11 

ERROR INTERNAL SOLVER FAILURE

The solver encountered an internal fatal error. 

12 SOLVE PROCESSING SKIPPED

The  entire  solve  step  has  been  skipped.  This  happens  if 

execution errors were encountered and the GAMS parameter 

ExeErr  has  been  set  to  a  nonzero  value,  or  the  property 

MaxExecError has a nonzero value. 

13 ERROR SYSTEM FAILURE

This  indicates  a  completely  unknown  or unexpected  error 

condition. 

 

 

 

Page 186: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

168    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

Table B–2 All possible model status 

No.  Name  Description

1  OPTIMAL The  solution  is  optimal,  that  is,  it  is  feasible  (within 

tolerances) and it has been proven that no other feasible 

solution with better objective value exists.  

2  LOCALLY OPTIMAL

This  message  means  that  a  local  optimum  has  been 

found,  that  is,  a  solution  that  is  feasible  (within 

tolerances)  and  it  has  been proven  that  there  exists  a 

neighborhood of this solution in which no other feasible 

solution with better objective value exists. 

3  UNBOUNDED

The solution  is unbounded. This message  is  reliable  if 

the  problem  is  linear,  but  occasionally  it  appears  for 

difficult  nonlinear  problems  that  are  not  truly 

unbounded,  but  that  lack  some  strategically  placed 

bounds to limit the variables to sensible values. 

4  INFEASIBLE The problem has been proven to be infeasible. If this was 

not intended, something is probably misspecified in the 

logic or the data. 

5 LOCALLY INFEASIBLE

No feasible point could be found for the problem from 

the  given  starting point.  It does  not  necessarily mean 

that no feasible point exists. 

6 INTERMEDIATE INFEASIBLE

The current solution  is not feasible, but  that the solver 

stopped,  either  because  of  a  limit  (e.g.,  iteration  or 

resource), or because of  some  sort of difficulty. Check 

the solver status for more information. 

7 FEASIBLE SOLUTION

A feasible solution has been found to a problem without 

discrete variables. 

8 INTEGER SOLUTION

A  feasible  solution has been  found  to a problem with 

discrete variables. There is more detail following about 

whether  this  solution  satisfies  the  termination  criteria 

(set by options optcr and optca). 

9 INTERMEDIATE NON-INTEGER

This is an incomplete solution to a problem with discrete 

variables. A feasible solution has not yet been found. 

10 INTEGER INFEASIBLE

It has been proven that there is no feasible solution to a 

problem with discrete variables. 

11 LIC PROBLEM - NO SOLUTION

The  solver  cannot  find  the  appropriate  license  key 

needed to use a specific subsolver. 

12  ERROR UNKNOWN After a solver error, the model status is unknown. 

13 ERROR NO SOLUTI0N

An error occurred and no solution has been returned. No 

solution will be returned to GAMS because of errors in 

the solution process. 

14 NO SOLUTION RETURNED

A solution  is not expected  for  this solve. For example, 

the convert solver only reformats the model but does not 

give a solution. 

15  SOLVED UNIQUE

This is used when a CNS model is solved and the solver 

somehow can be certain that there is only one solution. 

The simplest examples are a  linear model with a non‐

singular Jacobian, a triangular model with constant non‐

Page 187: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     169 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

No.  Name  Description

zero elements on the diagonal, and a triangular model 

where the functions are monotone in the variable on the 

diagonal. 

16  SOLVED Locally feasible in a CNS models ‐ this is used when the 

model  is  feasible and  the  Jacobian  is non‐singular and 

we do not know anything about uniqueness. 

17  SOLVED SINGULAR

Singular in a CNS models – this is used when the model 

is feasible (all constraints are satisfied), but the Jacobian 

/  Basis  is  singular.  In  this  case  there  could  be  other 

solutions as well, in the linear case a linear ray and in the 

nonlinear case some curve. 

18 UNBOUNDED – NO SOLUTION

The  model  is  unbounded  and  no  solution  can  be 

provided. 

19 INFEASIBLE – NO SOLUTION

The model is infeasible and no solution can be provided. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 188: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

170    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

 

Page 189: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     171 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Appendix C Table C–1 The data set for 73 vendors 

 

Vendors 

inputs 

 outputs 

 1 

3 (T

L) 

4 (T

L) 

5 (T

L) 

Vendor1 

1 9 

6 4 

30 

24 

52 

 640 

97.04 

1,910,370  

280,500  

1,003,590  

Vendor2 

1 7 

7 4 

20 

28 

24 

 277 

90.57 

1,059,404  

872,136  

1,918,123  

Vendor3 

1 13 

6 3 

21 

30 

32 

 455 

89.23 

1,008,395  

1,203,813  

659,653  

Vendor4 

1 14 

16 

12 

53 

36 

102 

 1294 

89.49 

3,133,756  

1,838,444  

13,603,758  

Vendor5 

1 7 

7 9 

30 

30 

48 

 617 

90 

223,217  

1,026,029  

318,097  

Vendor6 

1 13 

15 

8 56 

32 

121 

 1237 

88.29 

2,835,982  

531,900  

1,952,176  

Vendor7 

2 21 

15 

19 

48 

44 

155 

 1832 

95.69 

2,662,772  

8,583,540  

2,035,702  

Vendor8 

1 10 

12 

6 28 

27 

62 

 711 

95.06 

1,466,014  

3,144,548  

8,675,483  

Vendor9 

1 8 

8 10 

49 

36 

95 

 1308 

94.35 

3,370,414  

3,695,887  

14,623,374  

Vendor10 

1 8 

13 

6 41 

40 

146 

 1500 

96.84 

2,769,254  

8,092,843  

1,744,480  

Vendor11 

3 13 

13 

9 62 

38 

95 

 1167 

91.1 

2,903,007  

1,251,241  

2,554,249  

Vendor12 

1 14 

4 4 

24 

25 

57 

 623 

93.4 

1,054,126  

3,016,386  

641,379  

Vendor13 

3 13 

3 10 

58 

34 

52 

 674 

85.9 

4,099,307  

1,972,924  

7,118,558  

Vendor14 

1 3 

6 5 

13 

24 

38 

 361 

88.1 

569,169  

1,405,713  

347,915  

Vendor15 

2 11 

4 4 

24 

24 

36 

 412 

88 

1,009,351  

1,144,857  

858,399  

Vendor16 

1 8 

5 7 

22 

30 

66 

 839 

90.82 

1,661,328  

3,018,817  

1,085,838  

Vendor17 

1 5 

1 4 

21 

24 

32 

 140 

91.67 

800,394  

448,270  

575,468  

Vendor18 

4 23 

11 

19 

82 

72 

152 

 1978 

91.67 

4,831,579  

8,602,663  

16,859,827  

Vendor19 

1 15 

8 11 

56 

80 

262 

 4270 

90 

4,148,022  

10,805,356  

2,488,767  

Vendor20 

1 31 

6 14 

63 

56 

157 

 2260 

90.52 

4,316,224  

3,581,663  

16,333,754  

Vendor21 

2 16 

2 7 

60 

49 

164 

 2577 

92.14 

4,939,996  

8,084,737  

3,314,862  

Vendor22 

2 7 

14 

6 32 

26 

51 

 652 

86.48 

1,201,713  

793,400  

842,618  

Vendor23 

1 12 

6 13 

52 

50 

135 

 2052 

94.32 

3,632,682  

2,175,415  

1,549,335  

 

Page 190: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

172    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

 

Vendors 

inputs 

 outputs 

 1 

3 (TL) 

4 (TL) 

5 (TL) 

Vendor24 

1 13 

9 5 

37 

34 

79 

 1013 

94.41 

2,932,165  

2,693,782  

2,343,993  

Vendor25 

3 7 

4 7 

58 

36 

94 

 1352 

92.06 

8,308,527  

3,752,045  

4,318,782  

Vendor26 

1 18 

2 7 

30 

13 

28 

 41 

65 

18,798  

579,456  

147,215  

Vendor27 

2 14 

5 4 

42 

24 

48 

 481 

90.94 

2,281,765  

2,954,104  

1,746,409  

Vendor28 

2 17 

8 12 

39 

27 

69 

 967 

94.9 

3,116,901  

3,656,699   

3,427,893  

Vendor29 

2 12 

7 10 

39 

32 

53 

 646 

93.28 

1,761,756  

2,028,868  

875,419  

Vendor30 

3 23 

25 

13 

107 

58 

176 

 2437 

91.54 

7,921,469  

3,145,388  

10,576,052  

Vendor31 

2 10 

7 4 

27 

25 

27 

 321 

92.61 

1,077,919  

2,242,762  

1,361,882  

Vendor32 

3 3 

3 7 

30 

20 

42 

 448 

86.88 

406,804  

2,537,174  

788,317  

Vendor33 

1 6 

5 4 

22 

10 

28 

 130 

90.97 

736,004  

804,568  

443,961  

Vendor34 

6 28 

8 9 

49 

24 

85 

 1171 

86.76 

2,635,455  

2,943,323  

2,283,596  

Vendor35 

1 11 

8 16 

59 

35 

96 

 1141 

91.95 

3,210,906  

5,135,574  

19,608,883  

Vendor36 

2 19 

6 9 

55 

28 

74 

 937  

90.59 

3,762,919  

1,853,635  

6,506,520  

Vendor37 

3 13 

2 5 

41 

30 

63 

 745 

89.1 

1,511,385  

5,470,865  

1,163,909  

Vendor38 

1 13 

3 4 

18 

12 

21 

 37 

88 

290,768  

553,214  

63,096  

Vendor39 

1 9 

7 9 

28 

10 

50 

 198 

92 

37,106  

670,374  

252,852  

Vendor40 

1 7 

4 3 

23 

24 

32 

 385 

93.84 

1,310,642  

1,697,151  

1,183,943  

Vendor41 

1 17 

7 7 

54 

33 

68 

 1130 

84.6 

3,542,367  

2,309,716  

2,587,842  

Vendor42 

2 8 

5 5 

35 

27 

46 

 854 

96.35 

1,641,654  

4,130,970  

933,502  

Vendor43 

3 14 

3 10 

57 

40 

107 

 1321 

89.39 

3,136,621  

4,161,952  

5,582,650  

Vendor44 

2 9 

2 3 

14 

24 

54 

 519 

86.48 

890,330  

2,658,355  

555,670  

Vendor45 

1 4 

4 4 

30 

16 

52 

 331 

93.75 

1,220,491  

1,049,447  

2,533,058  

Vendor46 

1 9 

4 7 

51 

14 

45 

 338 

86.33 

1,523,372  

1,586,915  

1,805,498  

Vendor47 

1 15 

6 7 

40 

32 

85 

 1256 

89.92 

3,183,149  

2,656,590  

9,671,409  

Vendor48 

1 17 

5 12 

63 

47 

96 

 1774 

92.42 

3,010,272  

4,652,952  

13,493,640  

Vendor49 

1 16 

6 14 

50 

62 

168 

 3370 

90.1 

4,172,978  

9,059,555  

22,050,080  

Vendor50 

1 14 

6 14 

53 

58 

145 

 2611 

91.83 

2,757,365  

4,277,783  

13,246,972  

 

Page 191: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     173 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

 

 

Vendors 

inputs 

 outputs 

 1 

3 (TL) 

4 (TL) 

5 (TL) 

Vendor51 

2 19 

5 5 

35 

44 

167 

 1112 

93.21 

1,888,575  

1,713,480  

2,131,156  

Vendor52 

1 22 

6 20 

61 

68 

184 

 2307 

93.1 

5,128,151  

7,607,844  

21,397,558  

Vendor53 

2 21 

5 16 

57 

41 

145 

 1287 

91.23 

5,758,179  

1,055,287  

34,259,621  

Vendor54 

1 11 

6 6 

32 

48 

148 

 1310 

93.86 

2,660,087  

2,911,758  

2,338,698  

Vendor55 

1 15 

5 20 

68 

58 

189 

 3689 

90.24 

4,044,013  

3,650,729  

29,173,672  

Vendor56 

1 15 

6 13 

47 

61 

340 

 5923 

91.41 

5,777,861  

1,753,252  

4,033,602  

Vendor57 

2 13 

6 9 

60 

25 

64 

 831 

91.76 

1,651,355  

1,937,189  

1,055,978  

Vendor58 

1 5 

13 

3 30 

21 

49 

 664 

90.71 

1,078,255  

2,679,027  

749,988  

Vendor59 

4 12 

5 6 

42 

38 

86 

 1092 

95.74 

2,555,576  

4,128,704  

1,612,117  

Vendor60 

1 10 

4 3 

38 

24 

42 

 460 

95.21 

2,650,715  

1,043,431  

1,378,041  

Vendor61 

1 16 

4 21 

75 

47 

211 

 2193 

88.93 

5,576,965  

13,186,358  

7,256,506  

Vendor62 

1 12 

6 8 

37 

24 

59 

 868 

94.72 

2,161,652  

2,738,578  

918,075  

Vendor63 

1 9 

3 10 

45 

19 

48 

 621 

89.53 

2,071,493  

2,335,022  

9,708,144  

Vendor64 

1 5 

5 5 

16 

11 

36 

 288 

89.41 

1,056,523  

424,215  

4,447,047  

Vendor65 

2 14 

5 6 

44 

20 

78 

 793 

96.69 

2,086,320  

2,088,380  

1,450,859  

Vendor66 

3 10 

8 6 

47 

24 

115 

 859 

93.42 

2,511,645  

4,371,967  

1,585,457  

Vendor67 

2 12 

2 3 

25 

15 

46 

 350 

91 

1,165,949  

1,717,854  

1,679,116  

Vendor68 

1 15 

6 9 

57 

55 

115 

 1245 

91.32 

3,371,469  

3,107,083  

3,908,841  

Vendor69 

1 12 

5 7 

22 

28 

76 

 551 

89.94 

1,395,345  

1,995,610  

1,134,891  

Vendor70 

1 12 

5 8 

42 

50 

88 

 590 

92.23 

2,458,194  

973,404  

4,115,389  

Vendor71 

1 9 

5 4 

23  

24 

55 

 498 

89.41 

1,321,073  

1,727,175  

872,499  

Vendor72 

1 7 

4 5 

22 

30 

72 

 630 

96.25 

1,212,790  

5,149,724  

891,921  

Vendor73 

2 12 

4 8 

60 

34 

78 

 689 

87.34 

1,852,594  

1,316,134  

1,394,026  

min price 

(TL) 

1000000 

300000 

300000 

100000 

90000 

250000 

300000 

  

  

  

max price 

(TL) 

28000000 

7700000 

5700000 

1100000 

1100000 

550000 

650000 

  

  

  

 

Page 192: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 193: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     175 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Appendix D 

Table D–1 Some selected papers containing practical applications 

No.  Title   Author(s)  Year 

Number of.

DMUs In Out 

Diversification‐consistent 

data envelopment analysis 

based on directional‐

distance measures 

Branda  2015  48  10  1 

A Bounded Data 

Envelopment Analysis 

Model in a Fuzzy 

Environment with an 

Application to Safety in the 

Semiconductor Industry 

Hatami‐

Marbini et al.   2015b  8  2  2 

Finding an initial basic 

feasible solution for DEA 

models with an application 

on bank industry 

Toloo et al.  2015  50  3  3 

4 Interval data without sign 

restrictions in DEA 

Hatami‐

Marbini et al.   2015a  20  3  2 

A network DEA assessment 

of team efficiency in the 

NBA 

Moreno and 

Lozano 2014  30  2  1 

Incorporating health 

outcomes in Pennsylvania 

hospital efficiency: an 

additive super‐efficiency 

DEA approach 

Du et al.  2014  119  4  3 

On relations between DEA‐

risk models and stochastic 

dominance efficiency tests 

Branda and 

Kopa 2014  48  4  1 

An Epsilon‐free Approach 

for Finding the Most 

Efficient Unit in DEA 

Toloo  2014a  12  2  2 

The most cost efficient 

automotive vendor with 

price uncertainty: A new 

DEA approach 

Toloo and 

Ertay  2014  73  7  5 

10 

Finding the best asset 

financing alternative: A 

DEA‐WEO Approach 

Toloo and 

Kresta  2014  139  4  1 

11 

Diversification‐consistent 

data envelopment analysis 

with general 

deviation measures 

Branda   2013  25  4  1 

Page 194: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

176    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

No.  Title   Author(s)  Year 

Number of.

DMUs In Out 

12 

Chance‐constrained DEA 

models with random fuzzy 

inputs and outputs 

Tavana et al.  2013  30  2  2 

13 

The most efficient unit 

without explicit inputs: An 

extended 

MILP‐DEA model 

Toloo  2013  40  1  6 

14 

Assessment of the site effect 

vulnerability within urban 

regions by data 

envelopment analysis: A 

case study in Iran 

Saein and 

Saen  2012  20  3  1 

15 

Positive and normative use 

of fuzzy DEA‐BCC models: 

A critical view on NATO 

enlargement 

Hatami‐

Marbini  

et al. 

2013  18  6  5 

16 

A common set of weight 

approach using an ideal 

decision making unit in data 

envelopment analysis 

Saati et al.  2012  286  2  4 

17 

Alternative solutions for 

classifying inputs and 

outputs in 

 data envelopment analysis 

Toloo  2012  50  2  3 

18 Super‐efficiency infeasibility 

and zero data in DEA Lee and Zhu  2012  15  8  1 

19 

The examination of pseudo‐

allocative and pseudo‐

overall efficiencies in DEA 

using shadow prices 

Paradi and 

Tam 2012  100  5  6 

20 

Reducing differences 

between profiles of weights: 

A peer‐restricted cross‐

efficiency evaluation 

Ramón et al.  2011  14  3  2 

21 

A cross‐dependence based 

ranking system for efficient 

and 

 inefficient units in DEA 

Chen and 

Deng 2011  20  2  2 

22 

Performance and congestion 

analysis of the Portuguese 

hospital services 

Simões and 

Marques 2011  68  3  3 

23 

Employing post‐DEA Cross‐

evaluation and Cluster 

Analysis in a sample of 

Greek NHS Hospitals 

Flokou et al.   2011  27  3  4 

Page 195: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     177 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

No.  Title   Author(s)  Year 

Number of.

DMUs In Out 

24 

A neutral DEA model for 

cross‐efficiency evaluation 

and its extension 

Wang and 

Chin 2010a  14  3  2 

25 

Some alternative models for 

DEA cross‐efficiency 

evaluation 

Wang and 

Chin  2010b  7  3  3 

26 

Malmquist productivity 

index based on common‐

weights DEA: 

The case of Taiwan forests 

after reorganization 

Kao  2010  17  4  3 

27 

A semi‐oriented radial 

measure for measuring the 

efficiency of  

decision making units with 

negative data, using DEA 

Emrouznejad 

et al. 2010  13  2  3 

28 

A distance friction 

minimization approach in 

data envelopment analysis: 

A comparative study on 

airport efficiency 

Suzuki et al.  2010  30  4  2 

29 

Efficiency evaluations with 

context‐dependent and 

measure‐specific data 

envelopment: An 

application in a World Bank 

supported project 

Ulucan and 

Bariş Atici 

 

2010  81  2  6 

30 

Measuring the performance 

of financial holding 

companies 

Chao et al.  2010  14  3  3 

31 

DEA model with shared 

resources and efficiency 

decomposition 

Chen et al.  2010  27  3  3 

32 DEA‐based production 

planning Du et al.  2010  20  2  5 

33 

DEA game cross‐efficiency 

approach to Olympic 

rankings 

Wu et al.   2009  62  2  3 

34 

A new method for ranking 

discovered rules from data 

mining by DEA 

Toloo et al.  2009  46  1  4 

35 

A new integrated DEA 

model for finding most 

BCC‐efficient DMU 

Toloo and 

Nalchigar 2009  19  2  4 

36 

Slacks‐based efficiency 

measures for predicting 

bank performance 

Liu  2009  24  3  3 

Page 196: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

178    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

No.  Title   Author(s)  Year 

Number of.

DMUs In Out 

37 

Efficiency measurement and 

ranking of the tutorial 

system using IDEA 

Lin  2009  20  1  2 

38 

The link between 

operational efficiency and 

environmental impacts A 

joint application of Life 

Cycle Assessment and Data 

Envelopment Analysis 

Lozano et al.  2009  62  14  1 

39 

Modeling the efficiency of 

top Arab banks: A DEA–

neural network approach 

Mostafa  2009  85  4  4 

40 

Methodological comparison 

between DEA and DEA–DA 

from the perspective of 

bankruptcy assessment 

Sueyoshi and 

Goto 2009  23  7  2 

41 

Static versus dynamic DEA 

in electricity regulation: the 

case of US transmission 

system operators 

Geymueller   2009  50  4  1 

42 

Alternative secondary goals 

in DEA cross‐efficiency 

evaluation 

Liang et al.  2008  18  2  3 

43 

Finding the most efficient 

DMUs in DEA: An 

improved integrated model 

Amin and 

Toloo 2007  19  2  4 

44 Rank order data in DEA: A 

general framework Cook and Zhu  2006  33  3  5 

45 

Technical efficiency of 

peripheral health units in 

Pujehun district of Sierra 

Leone: a DEA application 

Renner et al.  2005  37  2  6 

46 Ranking efficient units in 

DEA Chen   2004  20  3  1 

47 

Are all Scales Optimal in 

DEA? Theory and Empirical 

Evidence 

Førsund and 

Hjalmarsson 2004  163  4  4 

 

   

Page 197: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     179 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table D–2 Inputs and outputs in bank studies adapted from Mostafa (2009) 

Inputs  Frequency  %  Outputs  Frequency % 

Employees  22  84.62  Loans  12  46.15 

Expenses  11  42.31 Number of 

transactions 8  30.77 

Space  5  19.23  Deposits  7  26.92 

Terminals  5  19.23  Non‐ interest income  7  26.92 

Capital  5  19.23  Interest income  5  19.23 

Deposits  4  15.38  customer response  3  11.54 

Assets  4  15.38  Revenues  3  11.54 

Number of branches  4  15.38  Profit  3  11.54 

Rent  3  11.54 Investment in 

securities 3  11.54 

Number of accounts  3  11.54  Advances  2  7.69 

Credit application  2  7.69  Current accounts  2  7.69 

ATMs  2  7.69  Error corrections  1  3.85 

Location  2  7.69  Liability sales  1  3.85 

Costs  2  7.69  Maintenance  1  3.85 

Marketing  2  7.69  Marketed balances  1  3.85 

Selected financial 

ratios 1  3.85 

Selected financial 

ratios 1  3.85 

Supplier  1  3.85  Insurance commission  1  3.85 

Acquired equipment  1  3.85  satisfaction  1  3.85 

Funds from 

customers 1  3.85  ROA  1  3.85 

Loanable funds  1  3.85  ROE  1  3.85 

Counter transactions  1  3.85       

Net worth  1  3.85       

Borrowings  1  3.85       

Loans  1  3.85       

Size  1  3.85       

Sale FTE  1  3.85       

City employment rate  1  3.85       

Page 198: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

180    Appendix 

 

2014    M. Toloo 

Table D–3 Iranian bank data set and CCR‐efficiency score 

DMUs 

Inputs  Outputs 

Questionable Efficiency 

Employees 

No. of accounts 

Assets 

Space 

Costs 

Expenses 

No. of 

transactions 

Deposits 

Loans 

Check Card 

Credit Card 

OTP 

1  11  1250  1753 97  10020 3137   5214  72149 57537 5105 4839 25  1 

2  17  5019  2604 150 11440 4406   5343  89781 51114 8646 8364 24  0.96 

3  7  3217  1155 61  8,427 2180   5145  42654 52485 2797 2697 5  1 

4  12  1061  1899 105 11816 6477   3249  97812 67298 3373 3096 68  1 

5  14  5219  2215 123 12426 3325   6706  77031 43487 8993 8787 58  1 

6  14  1389  2357 123 9907 3757   6259  75923 41442 7604 7371 40  1 

7  9  7166  1370 79  10365 2714   3652  47763 43262 3608 3497 9  0.68 

8  5  1475  829  44  5283 2887   3913  45732 14237 3795 3500 32  1 

9  6  1800  985  52  11061 2852   3566  55222 41062 3299 3182 15  0.93 

10  6  1689  1023 52  5856 2606   4559  53323 37418 1858 1746 8  1 

11  8  1780  1311 70  8745 4442   4441  69734 57883 3030 2882 23  1 

12  9  2669  1536 79  7326 1989   5031  49153 47139 4811 4578 31  1 

13  8  7175  1367 70  8326 3727   5053  92365 55543 6840 6588 45  1 

14  7  2120  1193 61  6525 3473   4762  64235 22347 5382 5188 22  1 

15  9  30618  1359 79  8158 3824   6876  89104 45717 7628 7292 105 1 

16  7  1464  1111 61  11135 1524   4307  42012 73925 3187 2984 22  1 

17  7  8924  1182 68  6920 3573   5331  69360 27246 3743 3524 24  1 

18  7  2388  1069 61  5864 2523   4004  51438 26531 4360 4140 17  0.99 

19  6  4714  992  52  5039 2398   2342  39948 20223 2688 2574 36  1 

20  7  1866  1180 62  8378 3165   4238  154284 43928 4182 4008 18  1 

 

Page 199: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Appendix     181 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Table D–4 Active banks in the Czech Republic and BCC‐efficiency score 

Banks 

Inputs  Outputs 

Questionable 

 BCC‐efficiency 

No. of 

Employees 

No. of 

branches 

Assets 

Equity 

Expenses 

Deposits 

Loans 

Non‐ interest 

income 

Interest income 

AIR  400  18  33600  2596  745    30696  11135  14  554  1 

CMZRB  217  5  111706 4958  566    86967  16813  634  1700  1 

CS  10760  658  920403 93190  18259   688624 489103 15412 37717  1 

CSOB  7801  322  937174 73930  16087   629622 479516 8,747  32697  1 

EQB   296  13  8985  1296  601    7502  5611  19  215  1 

ERB  72  1  33614  464  173    2940  1762  15  131  1 

FIO  59  36  18561  726  347    17174  6465  211  536  1 

GEMB  3346  260  135474 34486  5276    97063  101898 3943  11026  1 

ING  293  10  128425 913  1034    92579  19216  468  5139  1 

JTB   407  3  85087  7233  1333    62085  39330  487  3686  1 

KB  8 758  399  786836 100577 13511   579 067 451 547 8834  35 972 1 

LBBW   365  18  31300  2774  1138    20274  2528  128  1046  0.8625 

RB  2927  125  197628 18151  57112   144143 150138 2829  8563  1 

UCB  2004  98  318909 38937  13804   195120 192046 2740  8891  1 

Page 200: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

 

 

 

Page 201: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  183 

References 

Adler, N., Friedman, L., Sinuany‐Stern, Z. (2002). Review of ranking methods in 

the  data  envelopment  analysis  context.  European  Journal  of Operational  Research 

140(2): 249–265. 

Ahn, T., Charnes, A., Cooper, W. W. (1988). Efficiency characterizations in different 

DEA models. Socio‐Economic Planning Sciences 22(6): 253–257. 

Ali,  A.,  Seiford,  L.  (1993).  Computational  accuracy  and  infinitesimals  in  data 

envelopment analysis. INFOR 31(4): 290–297. 

Allen, R., Athanassopoulos, A., Dyson, R. G.,  Thanassoulis,  E.  (1997). Weights 

restrictions  and  value  judgements  in  data  envelopment  analysis:  evolution, 

development and future directions. Annals of Operations Research 73: 13–34. 

Amin, G. R.  (2009). Comments on  finding  the most efficient DMUs  in DEA: An 

improved integrated model. Computers and Industrial Engineering 56(4): 1701–1702. 

Amin, G. R., Emrouznejad, A.  (2010). Finding  relevant search engines  results: a 

minimax linear programming approach. Journal of the Operational Research Society 

61(7): 1144–1150. 

Amin, G. R., Toloo, M. (2004). A polynomial‐time algorithm for finding epsilon in 

DEA models. Computers and Operations Research 31(5): 803–805. 

Amin,  G.  R.,  Toloo, M.  (2007).  Finding  the most  efficient DMUs  in DEA: An 

improved integrated model. Computers & Industrial Engineering 52(1): 71–77. 

Amin, G. R., Toloo, M., Sohrabi, B. (2006). An improved MCDM DEA model for 

technology selection. International Journal of Production Research 44(13): 2681–2686. 

Andersen, P., Petersen, N. C. (1993). A procedure for ranking efficient units in data 

envelopment analysis. Management Science 39(10): 1261–1264.  

Arnold, V. L., Bardhan, I. R., Cooper, W. W., Kumbhakar, S. C. (1996). New uses of 

DEA and statistical regressions for efficiency evaluation and estimation — with an 

illustrative application to public secondary schools in Texas. Annals of Operations 

Research 66(4): 255–277. 

Baker, R. C., Talluri, S. (1997). A closer look at the use of data envelopment analysis 

for technology selection. Computers & Industrial Engineering 32(1): 101–108.  

Page 202: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

184  References 

 

2014    M. Toloo 

Banker, R. D., Charnes, A., Cooper, W. W.  (1984).  Some models  for  estimating 

technical and scale inefficiencies in data envelopment analysis. Management Science 

30(9): 1078–1092. 

Bazaraa, M. S., Sherali, H. D., Shetty, C. M. (2013). Nonlinear Programming: Theory 

and Algorithms. New York: John Wiley.  

Beasley, J. E. (1990). Comparing university departments. Omega 18(2): 171–183. 

Beasley, J. E. (1995). Determining teaching and research efficiencies. Journal of the 

Operational Research Society 46(4), 441–452. 

Braglia, M., Petroni, A. (1999). Evaluating and selecting investments in industrial 

robots. International Journal of Production Research 37(18): 4157–4178. 

Branda, M. (2015). Diversification‐consistent data envelopment analysis based on 

directional‐distance measures. Omega 52: 65–76. 

Branda,  M.  (2013).  Diversification‐consistent  data  envelopment  analysis  with 

general deviation measures. European  Journal of Operational Research 226(3): 626–

635. 

Branda, M., Kopa, M. (2014). On relations between DEA‐risk models and stochastic 

dominance efficiency tests. Central European Jurnal of Opertions Research 22: 13–15. 

Camanho, A.  S., Dyson,  R. G.  (2005).  Cost  efficiency measurement with  price 

uncertainty: a DEA application  to bank branch assessments. European  Journal  of 

Operational Research 161(2): 432–446. 

Chao,  C.‐M.,  Yu,  M.‐M.,  Chen,  M.‐C.  (2010).  Measuring  the  performance  of 

financial holding companies. The Service Industries Journal 30(6): 811–829. 

Charnes, A., Cooper, W. W. (1962). Programming with linear fractional functionals. 

Naval Research Logistics Quarterly 9: 181–186. 

Charnes, A., Cooper, W. W., Huang, Z. M., Sun, D. B. (1990). Polyhedral cone‐ratio 

DEA models with an illustrative application to large commercial banks. Journal of 

Econometrics 56(1–2): 73–91. 

Charnes, A., Cooper, W. W., Rhodes, E. (1978). Measuring the efficiency of decision 

making units. European Journal of Operational Research 2: 429–444. 

Charnes, A., Rousseau,  J., Semple,  J.  (1993). An effective non‐Archimedean anti‐

degeneracy/cycling linear programming method especially for data envelopment 

analysis and like models. Annals of Operations Research 46–47(2): 271–278. 

Chen, J. X., Deng, M. (2011). A cross‐dependence based ranking system for efficient 

and inefficient units in DEA. Expert Systems with Applications 38(8): 9648–9655. 

Chen, Y. (2004). Ranking efficient units in DEA. Omega 32(3): 213–219. 

Chen, Y., Du, J., Sherman, D. H., Zhu, J. (2010). DEA model with shared resources 

and efficiency decomposition. European Journal of Operational Research 207(1): 339–

349. 

Cohon, J. L. (2013). Multiobjective Programming and Planning. Courier Corporation. 

Page 203: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

References    185 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Cook, W. D., Chai, D., Doyle, J. R., Green, R. (1998). Hierarchies and groups in DEA, Journal of Productivity Analysis 198: 177–198.  

Cook, W. D., Johnston, D. A., Mc Cutcheon, D. (1992). Implementations of robotics: 

Identifying efficient implementors. Omega 20(2): 227–239. 

Cook, W. D., Kress, M., Seiford, L. M.  (1996). Data envelopment analysis  in  the 

presence  of  both  quantitative  and  qualitative  factors.  Journal  of  the Operational 

Research Society 47(7): 945–953. 

Cook, W. D., Roll, Y., Kazakov, A. (1990). A DEA model for measuring the relative 

efficiency of highway maintenance patrols. INFOR 28(2): 113–24. 

Cook, W. D., Zhu, J. (2005). Building performance standards into data envelopment 

analysis structures. IIE Transactions 37(3): 267–275. 

Cook, W.  D.,  Zhu,  J.  (2006).  Rank  order  data  in  DEA: A  general  framework. 

European Journal of Operational Research 174(2): 1021–1038. 

Cook, W. D., Zhu, J. (2007). Classifying inputs and outputs in data envelopment 

analysis. European Journal of Operational Research 180(2): 692–699. 

Cooper, W. W., Ruiz, J. L., Sirvent, I. (2009). Selecting non‐zero weights to evaluate 

effectiveness  of  basketball  players  with  DEA.  European  Journal  of  Operational 

Research 195(2): 563–574. 

Cooper, W. W., Ruiz, J. L., Sirvent, I. (2007a). Choosing weights from alternative 

optimal solutions of dual multiplier models in DEA. European Journal of Operational 

Research 180(1): 443–458. 

Cooper, W. W.,  Seiford,  L. M.,  Tone,  K.  (2007b).  Data  envelopment  analysis:  A 

comprehensive  text with models,  applications,  references  and DEA‐solver  software,  2nd 

edition, US: Springer. 

Despotis, D. K. (2005). A reassessment of the human development index via data 

envelopment analysis. Journal of the Operational Research Society 56(8): 969–980. 

Du, J., Liang, L., Chen, Y., Bi, G.‐B. (2010). DEA‐based production planning. Omega 

38(1–2): 105–112. 

Du, J., Wang, J., Chen, Y., Chou, S. Y., Zhu, J. (2014). Incorporating health outcomes 

in Pennsylvania hospital efficiency: An additive super‐efficiency DEA approach. 

Annals of Operations Research 221: 161–172. 

Dyson, R. G., Allen, R., Camanho, A. S., Podinovski, V. V., Sarrico, C. S., Shale, E. 

A.  (2001). Pitfalls and protocols  in DEA. European  Journal of Operational Research 

132(2): 245–259. 

Dyson,  R.  G.,  Thanassoulis,  E.  (1988).  Reducing  weight  flexibility  in  data 

envelopment analysis. Journal of the Operational Research Society 39(6): 563–576. 

Emrouznejad, A., Anouze, A. L. (2009). A note on the modeling the efficiency of 

top Arab banks. Expert Systems with Applications 36(3 PART 1): 5741–5744. 

Page 204: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

186  References 

 

2014    M. Toloo 

Emrouznejad, A., Anouze, A. L., Thanassoulis, E.  (2010). A semi‐oriented radial 

measure for measuring the efficiency of decision making units with negative data, 

using DEA. European Journal of Operational Research 200(1): 297–304. 

Ertay, T., Ruan, D., Tuzkaya, U. (2006). Integrating data envelopment analysis and 

analytic  hierarchy  for  the  facility  layout  design  in  manufacturing  systems. 

Information Sciences 176(3): 237–262. 

Farzipoor Saen, R. (2007). Suppliers selection in the presence of both cardinal and 

ordinal data. European Journal of Operational Research 183(2): 741–747. 

Farzipoor Saen, R. (2011). Media selection  in the presence of flexible factors and 

imprecise data. Journal of the Operational Research Society 62(9): 1695–1703. 

Fernandez‐Castro, A., Smith, P. (1994). Towards a general non‐parametric model 

of corporate performance. Omega 22(3): 237–249. 

Flokou, A., Kontodimopoulos, N., Niakas, D. (2011). Employing post‐DEA cross‐

evaluation  and  cluster  analysis  in  a  sample  of Greek NHS  hospitals.  Journal  of 

Medical Systems 35(5): 1001–14. 

Foroughi, A. A.  (2011). A new mixed  integer  linear model  for selecting  the best 

decision  making  units  in  data  envelopment  analysis.  Computers  &  Industrial 

Engineering 60(4): 550–554. 

Førsund, F. R., Hjalmarsson, L. (2004). Are all scales optimal in DEA? Theory and 

empirical evidence. Journal of Productivity Analysis 21: 25–48. 

Geymueller, V. P. (2009). Static versus dynamic DEA in electricity regulation: The 

case of US  transmission  system operators. Central European  Journal of Operations 

Research 17(4): 397–413. 

Hatami‐Marbini, A., Emrouznejad, A., Agrell, P.  J.  (2015).  Interval data without 

sign restrictions in DEA. Applied Mathematical Modelling 38(7–8): 2028–2036. 

Hatami‐Marbini, A., Tavana, M., Gholami, K., Beigi, Z. G. (2015). A bounded data 

envelopment analysis model in a fuzzy environment with an application to safety 

in  the  semiconductor  industry.  Journal  of  Optimization  Theory  and  Applications 

164(2): 679–701. 

Hatami‐Marbini,  A.,  Tavana,  M.,  Saati,  S.,  Agrell,  P.  J.  (2013).  Positive  and 

normative use of fuzzy DEA‐BCC models: A critical view on NATO enlargement. 

International Transactions in Operational Research 20(3): 411–433. 

Kao, C. (2010). Malmquist productivity index based on common‐weights DEA: The 

case of Taiwan forests after reorganization. Omega 38(6): 484–491. 

Karsak, E. E., Ahiska, S. S. (2005). Practical common weight multi‐criteria decision‐

making  approach  with  an  improved  discriminating  power  for  technology 

selection. International Journal of Production Research 43: 1537–1554. 

Karsak, E. E., Ahiska, S. S.  (2008).  Improved common weight MCDM model  for 

technology selection. International Journal of Production Research 46(24): 6933–6944. 

Page 205: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

References 187 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Lee, H.  S.,  Zhu,  J.  (2012).  Super‐efficiency  infeasibility  and  zero  data  in DEA. 

European Journal of Operational Research 216(2): 429–433. 

Levy, H., Sarnat, M.  (1994). Capital  Investment and Financial Decisions, 4th edition, 

US: Prentice Hall. 

Li, X.‐B., Reeves, G. R. (1999). A multiple criteria approach to data envelopment 

analysis. European Journal of Operational Research 115: 507–517. 

Liang, L., Wu, J., Cook, W. D., Zhu, J. (2008). Alternative secondary goals in DEA 

cross‐efficiency  evaluation.  International  Journal  of  Production  Economics  113(2): 

1025–1030. 

Lin, H. T. (2009). Efficiency measurement and ranking of the tutorial system using 

IDEA. Expert Systems with Applications 36(8): 11233–11239. 

Liu, S. T. (2009). Slacks‐based efficiency measures for predicting bank performance. 

Expert Systems with Applications 36(2 PART 2): 2813–2818. 

Liu, W. B., Zhang, D. Q., Meng, W., Li, X. X., Xu, F. (2011). A study of DEA models 

without explicit inputs. Omega 39(5): 472–480. 

Lovell, C. A. K., Pastor, J. T. (1999). Radial DEA models without inputs or without 

outputs. European Journal of Operational Research 118(1): 46–51. 

Lozano,  S.,  Iribarren,  D., Moreira, M.  T.,  Feijoo,  G.  (2009).  The  link  between 

operational efficiency and environmental impacts. A joint application of Life Cycle 

Assessment and Data Envelopment Analysis. Sci .Total. Environ. 407(5): 1744–54. 

Mehrabian, S.,  Jahanshahloo, G.  ., Alirezaee, R., Amin, G.  (2000). An assurance 

interval  for  the  non‐Archimedean  epsilon  in DEA models. Operations  Research 

48(2): 344–347. 

Moreno, P., Lozano, S. (2014). A network DEA assessment of team efficiency in the 

NBA. Annals of Operations Research 214(1): 99–124. 

Mostafa, M. M. (2009). Modeling the efficiency of top Arab banks: A DEA‐neural 

network approach. Expert Systems with Applications 36(1): 309–320. 

Paradi, J. C., Tam, F. K. (2012). The examination of pseudo‐allocative and pseudo‐

overall  efficiencies  in DEA using  shadow prices.  Journal  of Productivity Analysis 

37(2): 115–123. 

Ramón, N., Ruiz, J. L., Sirvent, I. (2011). Reducing differences between profiles of 

weights: A “peer‐restricted” cross‐efficiency evaluation. Omega 39(6): 634–641. 

Ramón, N., Ruiz, J. L., Sirvent, I. (2012). Common sets of weights as summaries of 

DEA profiles of weights: With an application to the ranking of professional tennis 

players. Expert Systems with Applications 39(5): 4882–4889. 

Renner, A., Kirigia,  J. M., Zere,  E. A.,  Barry,  S.  P., Kirigia, D. G., Kamara, C., 

Muthuri, L. H. K. (2005). Technical efficiency of peripheral health units in Pujehun 

district of Sierra Leone: a DEA application. BMC Health Services Research 5(77): 1–

11.

Page 206: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

188  References 

 

2014    M. Toloo 

Roll,  Y.,  Cook, W.  D.,  Golany,  B.  (1991).  Controlling  Factor Weights  in  Data 

Envelopment Analysis. IIE Transactions 23(1): 2–9. 

Saati, S., Hatami‐Marbini, A., Agrell, P.  J., Tavana, M.  (2012). A  common  set of 

weight  approach  using  an  ideal  decision  making  unit  in  data  envelopment 

analysis. Journal of Industrial and Management Optimization 8(3): 623–637. 

Saein, A. F., Saen, R. F.  (2012). Assessment of  the site effect vulnerability within 

urban regions by data envelopment analysis: A case study  in  Iran. Computers & 

Geosciences 48: 280–288. 

Sexton,  T. R.,  Silkman, R. H., Hogan, A.  J.  (1986). Data  envelopment  analysis: 

Critique and extensions. New Directions for Program Evaluation 32: 73–105. 

Shang, J., Sueyoshi, T. (1995). A unified framework for the selection of a Flexible 

Manufacturing System. European Journal of Operational Research 85(2): 297–315. 

Schaffnit, C., Rosen, D., Paradi, J.C. (1997). Best practice analysis of bank branches: 

An application of DEA  in a  large Canadian bank. European Journal of Operational 

Research 98: 269–289. 

Simões,  P., Marques, R. C.  (2011).  Performance  and  congestion  analysis  of  the 

portuguese hospital services. Central European Journal of Operations Research 19(1): 

39–63. 

Singh, S. P., Sharma, R. R. K. (2005). A review of different approaches to the facility 

layout  problems.  The  International  Journal  of Advanced Manufacturing  Technology 

30(5–6): 425–433. 

Sinuany‐Stern, Z., Mehrez, A., Barboy, A. (1994). Academic departments efficiency 

via DEA. Computers & Operations Research 21(5): 543–556. 

Steuer,  R.  E.  (1989).  Multiple  Criteria  Optimization:  Theory,  Computation,  and 

Application,  US: Krieger. 

Stevenson,  W.  (2011).  Operations  Management.  New  York,  US:  McGraw‐Hill 

Education. 

Stewart,  T.  (1996).  Relationships  between  data  envelopment  analysis  and 

multicriteria decision analysis. Journal of the Operational Research Society 47(5): 654–

665. 

Sueyoshi, T.  (1999). DEA non‐parametric  ranking  test  and  index measurement: 

Slack‐adjusted  DEA  and  an  application  to  Japanese  agriculture  cooperatives. 

Omega 27(3): 315–326. 

Sueyoshi,  T., Goto, M.  (2009). Methodological  comparison  between DEA  (data 

envelopment analysis) and DEA‐DA (discriminant analysis) from the perspective 

of bankruptcy assessment. European Journal of Operational Research 199(2): 561–575. 

Suzuki,  S.,  Nijkamp,  P.,  Rietveld,  P.,  Pels,  E.  (2010).  A  distance  friction 

minimization  approach  in data  envelopment  analysis: A  comparative  study on 

airport efficiency. European Journal of Operational Research 207(2): 1104–1115. 

Page 207: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

References    189 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

Taha, H. A. (2011). Operations Research: An Introduction. US: Pearson,. 

Tavana, M.,  Shiraz, R. K., Hatami‐Marbini, A., Agrell,  P.  J.,  Paryab, K.  (2013). 

Chance‐constrained  DEA  models  with  random  fuzzy  inputs  and  outputs. 

Knowledge‐Based Systems 52: 32–52. 

Taylor, W. M., Thompson, R. G., Thrall, R. M., Dharmapala, P. S. (1997). DEA/AR 

efficiency and profitability of Mexican banks a total income model. European Journal 

of Operational Research 98(2): 346–363. 

Thompson, R. G., Dharmapala, P. S., Humphrey, D. B., Taylor, W. M., Thrall, R. M. 

(1996).  Computing  DEA/AR  efficiency  and  profit  ratio  measures  with  an 

illustrative bank application. Annals of Operations Research 68(3): 301–327. 

Thompson, R. G., Singleton, F. D., Thrall, R. M., Smith, B. A. (1986). Comparative 

site evaluations for locating a high‐energy physics lab in Texas. Interfaces 16(6): 35–

49. 

Toloo, M.  (2009). On  classifying  inputs  and outputs  in DEA: A  revised model. 

European Journal of Operational Research 198(1): 358–360. 

Toloo, M. (2012). Alternative solutions for classifying inputs and outputs in data 

envelopment  analysis. Computers  and Mathematics with Applications  63(6):  1104–

1110. 

Toloo, M.  (2013).  The most  efficient  unit without  explicit  inputs: An  extended 

MILP‐DEA  model.  Measurement:  Journal  of  the  International  Measurement 

Confederation 46(9): 3628–3634. 

Toloo, M. (2014a). An epsilon‐free approach for finding the most efficient unit in 

DEA. Applied Mathematical Modelling 38(13): 3182–3192. 

Toloo, M. (2014b). Selecting and full ranking suppliers with imprecise data: A new 

DEA method. The  International  Journal  of Advanced Manufacturing Technology  74: 

1141–1148. 

Toloo, M.  (2014c).  The  role  of  non‐Archimedean  epsilon  in  finding  the  most 

efficient  unit:  With  an  application  of  professional  tennis  players.  Applied 

Mathematical Modelling 38(21–22): 5334–5346. 

Toloo, M. (2015). Alternative minimax model for finding the most efficient unit in 

data envelopment analysis. Computers & Industrial Engineering 81: 186–194. 

Toloo,  M.,  Barat,  M.,  Masoumzadeh,  A.  (2015).  Selective  measures  in  data 

envelopment analysis. Annals of Operations Research 226: 623–642. 

Toloo, M., Ertay, T. (2014). The most cost efficient automotive vendor with price 

uncertainty:  A  new  DEA  approach.  Measurement:  Journal  of  the  International 

Measurement Confederation 52(1): 135–144. 

Toloo, M., Kresta, A. (2014). Finding the best asset financing alternative: A DEA‐

WEO approach. Measurement 55: 288–294. 

Page 208: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

190  References 

 

2014    M. Toloo 

Toloo, M., Masoumzadeh, A., Barat, M.  (2015). Finding  an  initial basic  feasible 

solution  for DEA models with  an  application  on  bank  industry. Computational 

Economics 45(2): 323–336. 

Toloo, M., Nalchigar, S.  (2009). A new  integrated DEA model  for  finding most 

BCC‐efficient DMU. Applied Mathematical Modelling 33(1): 597–604. 

Toloo, M., Nalchigar,  S.  (2011a). A  new DEA method  for  supplier  selection  in 

presence of both cardinal and ordinal data. Expert Systems with Applications 38(12): 

14726–14731. 

Toloo, M., Nalchigar, S. (2011b). On ranking discovered rules of data mining by 

data envelopment analysis: Some models with wider applications. In: Funatsu, K. 

(Ed.): New Fundamental Technologies in Data Mining 425–447,  InTech. 

Toloo, M., Sohrabi, B., Nalchigar, S. (2009). A new method for ranking discovered 

rules from data mining by DEA. Expert Systems with Applications 36(4): 8503–8508. 

Toloo, M., Tichý, T. (2015). Two alternative approaches for selecting performance 

measures in data envelopment analysis. Measurement 65: 29–40. 

Torgersen, A. M., Forsund, F. R., Kittelsen, S. A. C. (1996). Slack‐adjusted efficiency 

measures and ranking of efficient units. Journal of Productivity Analysis 7: 379–398. 

Ulucan, A., Bariş Atici, K.  (2010). Efficiency evaluations with context‐dependent 

and measure‐specific data envelopment approaches: An application  in a World 

Bank supported project. Omega 38(1–2): 68–83. 

Wang,  Y. M.,  Chin,  K.  S.  (2010a).  A  neutral  DEA  model  for  cross‐efficiency 

evaluation and its extension. Expert Systems with Applications 37(5): 3666–3675. 

Wang, Y. M., Chin, K. S. (2010b). Some alternative models for DEA cross‐efficiency 

evaluation. In International Journal of Production Economics 128: 332–338. 

Wang, Y. M., Luo, Y., Liang, L. (2009). Ranking decision making units by imposing 

a  minimum  weight  restriction  in  the  data  envelopment  analysis.  Journal  of 

Computational and Applied Mathematics 223(1): 469–484. 

Wang,  Y. M.,  Jiang,  P.  (2012).  Alternative mixed  integer  linear  programming 

models for identifying the most efficient decision making unit in data envelopment 

analysis. Computers & Industrial Engineering 62(2): 546–553. 

Wu, J., Liang, L., Chen, Y. (2009). DEA game cross‐efficiency approach to Olympic 

rankings. Omega 37(4): 909–918. 

Zhu, J. (2009). Quantitative Models for Performance Evaluation and Benchmarking Data 

Envelopment Analysis with Spreadsheets. International Series in Operations Research & 

Management Science. 2nd edition. New York, US: Springer.

Page 209: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  191 

List of Tables 

Table 1–1 Hospital case with single input and single output ................................... 2 Table 1–2 Two inputs and one output case ................................................................. 7 Table 1–3 Data with unitized Nurses ........................................................................... 9 Table 1–4 One input and two outputs case ............................................................... 10 Table 1–5 Two inputs and two outputs case ............................................................. 13 Table 1–6 Various weights ........................................................................................... 14 Table 1–7 The CCR efficiency scores and optimal weights ..................................... 15 Table 2–1 Data set and results ..................................................................................... 23 Table 2–2 The desired weights .................................................................................... 24 Table 2–3 The weights of model (2.12) ....................................................................... 27 Table 2–4 Bank data in the Czech Republic ............................................................... 36 Table 2–5 Optimal weights and CCR‐efficiency score (input‐oriented) ................ 37 Table 2–6 Optimal weights and objective value (output‐oriented) ........................ 37 Table 2–7 Reference sets ( ∗) ..................................................................................... 38 Table 2–8 Max‐slack solutions ..................................................................................... 39 Table 2–9 Optimal weights and BCC‐efficiency score (input‐oriented) ................ 42 Table 2–10Input and output data for 12 industrial robots ...................................... 46 Table 2–11 Normalized outputs and results obtained ............................................. 46 Table 2–12 Results of the additive model .................................................................. 51 Table 3–1 Type of variables ......................................................................................... 58 Table 4–1 Optimal weights obtained by DEA‐Solver ............................................... 83 Table 4–2 Optimal weights obtained by GAMS ........................................................ 83 Table 4–3 Optimal maximin weights .......................................................................... 84 Table 4–4 AR‐Efficiency and weights ......................................................................... 88 Table 4–5 Minsum efficiency and weights ................................................................. 90 Table 4–6 Minimax efficiency and weights ............................................................... 91 Table 4–7 Minsum efficiency score (CSW) ................................................................. 97 Table 4–8 Inputs and outputs of 19 FLDs .................................................................. 99 Table 4–9 Different efficiencies for 19 FLDs ............................................................ 100 Table 5–1 Different efficiency scores ........................................................................ 103 Table 5–2 The optimal weights for the minimax model ........................................ 104 Table 5–3 Different efficiency scored with maximum epsilon .............................. 105 Table 5–4 A counter example adapted from Amin and Toloo (2007) .................. 105 Table 5–5 Efficiency score obtained by the model of Amin (2009) ....................... 110 

Page 210: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

192  List of Tables 

 

2014    M. Toloo 

Table 5–6  The normalized data and efficiency score ............................................. 110 Table 5–7 The optimal solution of Foroughi’s model with  0 ......................... 112 Table 5–8 The optimal solution of Foroughi’s model with  ∗ 0.0769 .............. 113 Table 5–9 Various efficiency scores (Karsak and Ahiska, 2005) ............................ 115 Table 5–10 Efficiency scores of Amin et al. (2006) .................................................. 117 Table 5–11 The data set of 40 professional tennis players ..................................... 118 Table 5–12 Efficiency status for various   ................................................................ 119 Table 5–13 Efficiency score of asset financing alternatives.................................... 123 Table 5–14 Efficiency scores by epsilon‐free approaches. ...................................... 129 Table 6–1 University data set (Beasley, 1990) .......................................................... 140 Table 6–2 Results from the multiplier model .......................................................... 141 Table 6–3 The comparison of max and min of efficiency scores ........................... 142 Table 6–4 Results of applying the aggregate multiple model ............................... 157 Table 6–5 Selective measures obtained by multiplier model ................................ 159 Table 6–6 Selective measures by envelopment model ........................................... 159 

Page 211: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  193 

List of Figures 

Figure 1–1 Data set and efficient frontier ..................................................................... 4 Figure 1–2 Projection Points ........................................................................................... 5 Figure 1–3 Two inputs and one output case ................................................................ 7 Figure 1–4 Improvement of H5 ...................................................................................... 8 Figure 1–5 Alternative perspective of two inputs and one output case ................... 9 Figure 1–6 One input and two outputs case .............................................................. 11 Figure 1–7 Improvement of H7 ................................................................................... 11 Figure 1–8 Alternative perspective of one input and two outputs case ................. 12 Figure 2–1 Feasibility axiom ........................................................................................ 28 Figure 2–2 Free disposability regions for 1 input and 1 output case ...................... 29 Figure 2–3 CRS axiom ................................................................................................... 29 Figure 2–4 PPS for single input and single output case ........................................... 30 Figure 2–5 Free disposability region for 2 inputs and 1 output case ...................... 30 Figure 2–6 PPS for 2 inputs and 1 output case .......................................................... 31 Figure 2–7 PPS for 2 inputs and 1 output ................................................................... 31 Figure 2–8 Free disposability region for 1 input and 2 outputs case ...................... 32 Figure 2–9 PPS for 1 input and 2 outputs case .......................................................... 32 Figure 2–10 PPS for 1 input and 2 outputs ................................................................. 33 Figure 2–11 PPS for single input and single output case (VRS) .............................. 40 Figure 2–12 PPS for 2 inputs and 1 output (VRS) ...................................................... 40 Figure 3–1 GAMS IDE .................................................................................................. 55 Figure 3–2 GAMS code for the CCR model ............................................................... 57 Figure 3–3 Process Window ......................................................................................... 63 Figure 3–4 Listing window .......................................................................................... 64 Figure 3–5 Excel file (data.xlsx) ................................................................................... 78 Figure 3–6 A GDX file ................................................................................................... 79 Figure 4–1 CCR‐efficiency and CCR‐AR‐efficiency scores ...................................... 88  

 

Page 212: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

   

Page 213: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  195 

Index 

ADD‐efficient, 50 

additive (ADD) model, 50 

adjacency score, 98 

advanced manufacturing 

technology, 102 

advanced manufacturing 

technology (AMT), 102 

aggregate efficiency, 137, 144, 155, 

157 

aggregate model, 136, 148 

annuities, 49, 124 

asset‐financing alternatives, 49 

association of tennis professionals, 

117 

association of tennis professionals 

(ATP), 117 

Assurance Region (AR) method, 85 

Assurance Region Global (ARG) 

method, 85 

auxiliary binary variable, 119 

 

Bank loan coefficient, 49 

banking industry, 82, 87, 96, 153, 

155, 156 

best efficient, 101 

bi‐section algorithm, 114 

 

CCR‐efficiency, 19 

CEPLEX solver, 70 

classifier model, 136, 137, 141, 143, 

145 

Common Set of Weights (CSW), 92 

cone, 19 

constant returns to scale (CRS), 3 

convexity axiom, 28 

convexity constraint, 40, 45, 48, 52, 

155 

cost efficiency (CE), 130 

CRS axiom, 28 

CSW‐efficiency, 121 

 

DEAFrontier, 53 

DEA‐SOLVER, 53 

decision making units (DMUs), 3 

deviation from efficiency variable, 

89 

discovered association rules, 113 

discriminating parameter, 102, 114, 

117 

discriminating power, 85, 87, 92, 

101, 103, 104, 108, 114, 115, 117, 

119, 146 

dominate, 1 

down payment, 49 

 

Echo print in GAMS, 64 

efficient, 3 

efficient frontier, 3, 21 

envelopment form, 19 

epsilon‐free approach, 95, 97 

external file in GAMS, 71 

extreme efficient, 21 

 

Facility Layout Design (FLD), 97 

feasibility axiom, 28 

feasible activity, 27 

Page 214: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

196    Index 

 

2014    M. Toloo 

feasible activity set (FAS), 44 

financing decision problem, 49 

fixed measure, 148, 156 

fixed weights, 12 

flexibility, 98 

flexible measure, 135–138, 141, 143–

146 

fractional programming, 18 

free disposability axiom, 28 

 

GAMS data exchange (GDX), 77 

GAMS IDE, 54 

GAMS statments 

ALIAS, 60 

EQUATION, 58 

FILE, 72 

LOOP, 60 

MODEL, 59 

PARAMETERS, 57 

PUT, 72 

SETS, 56 

SOLVE, 59 

TABLE, 56 

VARIABLES, 58 

General Algebraic Modeling System 

(GAMS), 54 

Group Technology (GT), 98 

 

Handling coefficient, 45 

 

Individual DMU model, 136, 154, 

155 

individual multiplier form, 158 

industrial robot evaluation problem, 

45 

inefficient, 3 

infinitesimal epsilon, 24 

input, 2 

input data matrix, 17 

input excess, 35 

input orientation, 5, 11, 59 

input price uncertainly, 130 

input‐oriented model, 19, 25 

integrated minimax approach, 97 

integrated minsum approach, 92 

 

Konsi, 53 

 

Limrow in GAMS, 67 

linear programming, 18 

listing window in GAMS, 63 

load capacity, 45 

 

Material handing cost, 98 

material handling vehicle, 99 

MaxDEA, 53 

maximin objective function, 81 

maximin weights, 81, 83, 84 

max‐slack, 35, 38, 41, 107 

max‐slack model, 35 

max‐slack solution, 35, 107 

minimax efficiency score, 90, 91, 

114, 115 

minsum efficiency score, 89, 97 

model statistic in GAMS, 69 

model status in GAMS, 70, 168 

most efficient, 101, 103, 104, 106, 

108, 109, 113–116, 119, 121, 122, 

124, 127–129, 176, 178 

multiplier form, 18–22, 25, 27, 34, 41, 

43, 44, 52, 60, 81, 86, 88, 89, 91, 

130, 143, 144, 147, 148, 150, 153–

155, 158 

multipliers, 17, 19, 24, 59 

 

Non‐Archimedean epsilon, 24, 93, 

103, 108, 111–113, 120, 122 

non‐geometrically redundant 

constraint, 93 

normalization condition, 19, 23, 69 

 

One‐Time Password (OTP), 156 

optimistic CE model, 130, 131 

option $include, 71 

output, 2 

output orientation, 5, 8 

Page 215: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Index    197 

 

Data Envelopment Analysis with Selected Models and Applications 

output per input, 2 

output shortfall, 35 

output‐oriented model, 25 

 

Peer group, 21 

pessimistic CE model, 130 

PIM‐DEA, 53 

Primal‐Dual relations, 18 

production function, 27 

production possibility set (PPS), 27 

professional tennis players, 113, 

116–119 

pure input data, 49, 121, 122 

 

Quality, 45, 98, 99 

 

Radial efficiency, 33 

ratio of ratios form, 3 

reference set, 6, 11, 21, 38 

relational operator in GAMS, 59 

relative efficiency, 3, 45, 92, 135 

repeatability, 45 

running a model in GAMS, 62 

 

Selecting model, 147–154, 156–159 

selective measure, 135, 147–150, 152, 

153, 155, 157, 159 

semipositive, 17 

separable programming, 106, 108, 

109 

shadow prices, 17, 176 

shape ratio, 98 

share case, 143, 146 

single constant input, 31, 42, 45, 113 

single constant output, 42, 48 

solution summary in GAMS, 69 

solver status in GAMS, 167 

supplier selection problem, 102 

 

Technical efficiency, 33, 44 

the rule of thumb, 146–151, 156, 158 

translation invariant, 51 

Turkish automotive company, 133 

 

Unit under evaluation, 18, 35, 89 

unit vector, 33 

unitized axes, 6 

unitized measure, 6 

units invariance, 144 

units invariant, 3 

 

Variable returns to scale (VRS), 12 

velocity, 45 

virtual input, 18 

virtual output, 18 

 

Weight restrictions, 84–87, 130 

weighted minsum efficiency, 89 

without explicit inputs, 42, 43, 119, 

120, 176 

without explicit inputs (WEI), 42 

without explicit outputs, 42, 47, 49, 

121, 122 

without explicit outputs (WEO), 42 

world class manufacturing (WCM), 

133 

 

Zero‐slack, 35 

Page 216: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout
Page 217: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

  199 

Data Envelopment Analysis 

with Selected Models and 

Applications  

Mehdi Toloo 

 

 

 

Summary  

DEA  is  a well‐known powerful  quantitative,  analytical  tool  for measuring  and 

evaluating  performance.  Such  evaluations  help managers  optimize  the  use  of 

resources  in  their organisations as a main challenge  in reality. This book covers 

some  basic  DEA models,  in  particular  the multiplier models  to  focus  on  the 

importance of weights (multipliers) in DEA. It also aiming at dealing with some 

innovative uses of binary variables in developing new DEA model formulations. 

Some case studies from different contexts are provided to illustrate the validity of 

the proposed approaches. 

This book is organised into six chapters. In the first chapter the concept of relative 

efficiency is illustrated. The second chapter reviews some basic DEA models and 

their properties. Chapter  3 provides  a platform  for  solving DEA models using 

GAMS software. Next chapter presents the importance of weights in DEA. Chapter 

5 develops various models to address the problem of selecting most efficient DMU. 

Finally, Chapter 6 accommodates flexible and selective measures in DEA. 

This  publication  has  been  elaborated  in  the  framework  of  the  project  Support 

research  and development  in  the Moravian‐Silesian Region 2013 DT 1 –  International 

research  teams  (02613/2013/RRC).  Financed  from  the  budget  of  the  Moravian‐

Silesian  Region.  It  has  been  also  supported  by  the  Czech  Science  Foundation 

(GACR  project  14‐31593S)  and  through  European  Social  Fund  (OPVK  project 

CZ.1.07/2.3.00/20.0296). 

 

 

Page 218: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

200 Summary 

2014 M. Toloo 

About Author

Mehdi Toloo, B.Sc.  (Pure Mathematics), M.Sc.  (Applied 

Mathematics),  Ph.D.  (Operations  Research),  Associate 

professor  at  Department  of  Business    Administration, 

Technical University of Ostrava, Czech Republic. Areas of 

interest  include  Data  Envelopment  Analysis,  Multi‐

objective  programming  and  Network  Flows.  He  has 

written fourteen books. His research has been published  in 

European Journal of Operational Research, Computers & 

Operations Research, International  Journal of Production 

Research, Computers &  Industrial Engineering, Applied 

Mathematics  and  Computers,  Applied  Mathematical 

Modelling, Expert  Systems   with Applications, Annals of Operations Research, 

Journal of  the Operational Research Society,  International  Journal of Advanced 

Manufacturing  Technology,  Computers  and  Mathematics  with  Applications, 

Measurement,  Computational  Economics,  Computational  and  Applied 

Mathematics, IMA Journal of Management Mathematics, International Journal of 

Management Science, and The Journal of  Supercomuting. 

Page 219: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

 

   

Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics, VŠB-TU Ostrava www.ekf.vsb.cz/saei [email protected]

EDITORS' OFFICE PUBLISHER VŠB-Technical University Ostrava, VŠB-TU Ostrava, IČ 61989100 Faculty of Economics, Sokolská 33 Faculty of Economics, Sokolská 33 701 21 Ostrava, Czech Republic 701 21 Ostrava, Czech Republic Assistant Editor: Irena HOLBOVÁ

SERIES EDITOR Tomáš TICHÝ VŠB-TU Ostrava, CZ CO-EDITORS

Martin MACHÁČEK Vojtěch SPÁČIL Jan SUCHÁČEK VŠB-TU Ostrava, CZ VŠB-TU Ostrava, CZ VŠB-TU Ostrava, CZ

EDITORIAL BOARD Zdeněk ZMEŠKAL VŠB-TU Ostrava, CZ Head of Editorial Board

Bahram ADRANGI John ANCHOR Milan BUČEK University of Portland, USA Huddersfield University, UK University of Economics, SK

Dana DLUHOŠOVÁ Grant FORSYTH Jan FRAIT VŠB-TU Ostrava, CZ Avista, USA Czech National Bank, CZ

Petr JAKUBÍK Yelena KALYUZHNOVA Jaroslav RAMÍK

EIOPA, D Henley University of Reading, UK Silesian University Opava, CZ

Jaap SPRONK Jan VECER Ruediger WINK Erasmus University Rotterdam, NL Columbia University, USA HTWK Leipzig, D

Series on Advanced Economic Issues is published by Faculty of Economics, VŠB-Technical University of Ostrava. It covers a broad set of topics in business/economics disciplines, but mainly current issues in economics, finance, management, business economy, and informatics. Original results of research focusing on any of the topics mentioned above are welcome.

The series addresses researchers, students, and practitioners interested in advanced treatment of all economic disciplines. Manuscripts can be submitted to [email protected]. We kindly ask potential authors to follow the instructions about the structure of the book before they proceed to submission procedure. The text can be written either in Czech or English. The text’s length shouldn’t be less 100 pages, when the template is followed. Before publishing, each manuscript must be reviewed at least by two independent reviewers. The reviewing procedure is strictly double–blind. For further information authors may visit www.ekf.vsb.cz/saei.

Page 220: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

DATA ENVELOPMENT 

ANALYSIS WITH SELECTED MODELS AND APPLICATIONS  

Mehdi Toloo 

Vydala  VŠB‐TU Ostrava 

1st Edition 2014 

Tisk   Grafico, s.r.o. 

Náklad  300 ks 

Počet stran  224

Page 221: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Volume 1 Prokop, L., Medvec, Z., Zmeškal, Z. (2009). Problematika oceňování nedodané energie v průmyslu, SAEI, vol. 1. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 2 Hrubý, P. a kol. (2010). Víceúrovňové modelování podnikových procesů (systém REA), SAEI, vol. 2. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 3 Kutscherauer, A. a kol. (2010). Regionální disparity. Disparity v regionálním rozvoji země, jejich pojetí, identifikace a hodnocení, SAEI, vol. 3. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 4 Hančlová, J. a kol. (2010). Makroekonometrické modelování české ekonomiky a vybraných ekonomik EU, SAEI, vol. 4. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 6 Tichý, T. (2010). Simulace Monte Carlo ve financích: Aplikace při ocenění jednoduchých opcí, SAEI, vol. 6. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 7 Doleželová, H., Halásek, D. (2011). Služby v obecném hospodářském zájmu v EU. Komparace České republiky a Německa, SAEI, vol. 7. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 8 Machová, Z., Kaštan, M., Janíčková, L., Kotlán, I. (2011). Tax Burden in OECD Countries: WTI Application, SAEI, vol. 8. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 9 Tichý, T. (2011). Lévy Processes in Finance: Selected applications with theoretical background, SAEI, vol. 9. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 10 Macurová, P. a kol. (2011). Řízení rizik v logistice, SAEI, vol. 10. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 11 Dvoroková, K. a kol. (2012). Ekonometrické modelování konvergence ekonomické a cenové úrovně. Analýza průřezových a panelových dat, SAEI, vol. 11. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 12 Melecký, M., Melecký, A. (2012). Aplikované modelování pro potřeby hospodářské politiky, SAEI, vol. 12. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 13 Halásková, M. (2012). Veřejná správa a veřejné služby v zemích Evropské unie, SAEI, vol. 13. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 14 Šebestíková, M. a kol. (2012). Daňová a sociální optimalizace ve vztahu k nezaměstnanosti v České republice, SAEI, vol. 14. Ostrava: VSB-TU Ostrava.

Page 222: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Volume 15 Pytlíková, M. a kol. (2012). Gender wage gap and discrimination in the Czech Republic, SAEI, vol. 15. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 16 Hučka, M. a kol. (2012). Správa společností v zemích střední a východní Evropy, SAEI, vol. 16. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 17 Vrabková, I. (2012). Perspektivy řízení kvality ve veřejné správě, SAEI, vol. 17. Ostrava: VSB-TU Ostrava.Volume 18 Marček, D. (2013). Pravděpodobnostné modelovanie a soft computing v ekonomike, SAEI, vol. 18. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 19 Čulík, M. (2013). Aplikace reálných opcí v investičním rozhodování firmy, SAEI, vol. 19. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 20 Šnapka, P. a kol. (2013). Rozhodování a rozhodovací procesy v organizaci (vybrané problémy), SAEI, vol. 20. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 21 Šimíčková, M., Drastichová, M. (2013). Ekonomie udržitelnosti – alternativní přístupy a perspektivy, SAEI, vol. 21. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 22 Kutscherauer, A., Šotkovský, I., Adamovský, J., Ivan, I. (2013). Socioekonomická geografie a regionální rozvoj. Regionální analýzy v přístupech socioekonomické geografie k regionálnímu rozvoji, SAEI, vol. 22. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 23 Kutscherauer, A., Václavková, R., Malinovský, J. a kolektiv. (2013). Komplementární přístupy k podpoře regionálního a municipálního rozvoje, SAEI, vol. 23. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 24 Komárková, Z., Frait, J., Komárek, L. (2013). Macroprudential Policy in a Small Economy, SAEI, vol. 24. Ostrava: VSB-TU Ostrava.

Volume 25 Komárek, L. a kol. (2013). Money, Pricing and Bubbles, SAEI, vol. 25. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 26 Tichý, T. (2013). Backtesting of VaR based models: Methodological review and selected applications, SAEI, vol. 26. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 27 Fojtíková, L. a kol. (2014). Postavení Evropské unie v podmínkách globalizované světové ekonomiky, SAEI, vol. 27. Ostrava: VSB-TU Ostrava.

Page 223: Series on Advanced Economic Issues Faculty of Economics ...homel.vsb.cz/~tol0013/index_htm_files/SAEI_VOL30-DATA ENVELOP… · problem, technology selection problem, facility layout

Volume 28 Dluhošová, D. et al. (2014). Financial Management and Decision-making of a Company. Analysis, Investing, Valuation, Sensitivity, Risk, Flexibility, SAEI, vol. 28. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 29 Zmeškal, Z. a kol. (2014). Aplikace vícekriteriálních dekompozičních metod rozhodování v oblasti podnikové ekonomiky a managementu, SAEI, vol. 29. Ostrava: VSB-TU Ostrava. Volume 30 Toloo, M. (2014). Introduction to Data Envelopment Analysis with basic models and applications, SAEI, vol. 30. Ostrava: VSB-TU Ostrava.