基于指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)權(quán)重法的灰色定權(quán)聚類在港口節(jié)能減排管理水平評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

陳敏慧，封學(xué)軍，李宇為，王偉

(1.河海大學(xué)a.土木與交通學(xué)院;b.港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098;2.上海海事大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306)

0 引言

港口節(jié)能減排管理水平評(píng)價(jià)是指根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)港口進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)目的是依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果分析某類港口節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)或弱勢(shì)，以便指導(dǎo)港口今后的節(jié)能減排工作.這是發(fā)展綠色港口和生態(tài)港口的重要促進(jìn)手段.目前，國(guó)外對(duì)港口節(jié)能減排的研究主要集中在港口環(huán)境保護(hù)方面.GUPTA等［1]提出須在港口的整個(gè)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段實(shí)施港口工程的 EMP(環(huán)境管理計(jì)劃);GOULIELMOS［2]分析港口環(huán)境問(wèn)題的成因，提出歐洲港口環(huán)境保護(hù)政策的建議;PAIPAI［3]研究英國(guó)一些港口的環(huán)境管理實(shí)踐和工具，并在此基礎(chǔ)上提出英國(guó)港口環(huán)境保護(hù)措施.國(guó)內(nèi)對(duì)港口節(jié)能減排的研究尚處于起步階段，研究側(cè)重于港口節(jié)能減排指標(biāo)體系的建立［4-9]，以及采用定性定量相結(jié)合的方法對(duì)單個(gè)港口節(jié)能減排水平進(jìn)行評(píng)價(jià)［4-6]，對(duì)多個(gè)港口同時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究較少.少數(shù)對(duì)多個(gè)港口進(jìn)行比較的研究包括:任曉敏［10]利用復(fù)合模糊物元評(píng)價(jià)模型，采用熵值法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)法對(duì)我國(guó)5大港口的節(jié)能減排水平進(jìn)行排序和評(píng)價(jià).

港口節(jié)能減排管理水平評(píng)價(jià)中的各個(gè)評(píng)價(jià)單元具有明顯的灰色特性，因此港口節(jié)能減排管理水平是一個(gè)灰色系統(tǒng).本文基于評(píng)價(jià)對(duì)象的灰色特性，采用灰色定權(quán)聚類模型，結(jié)合指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)確定權(quán)重的方法對(duì)多個(gè)港口節(jié)能減排管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.

1 基于指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)權(quán)重法的灰色聚類模型構(gòu)建

作為灰色系統(tǒng)理論的分支，灰色聚類分析［11-16]就是針對(duì)不同聚類指標(biāo)所擁有的白化數(shù)，將聚類對(duì)象按幾個(gè)灰類進(jìn)行歸納，以判斷該聚類對(duì)象屬于哪一類的一種評(píng)價(jià)方法.

在灰色定權(quán)聚類模型中首先要確定的是權(quán)重，一般采用經(jīng)驗(yàn)法或?qū)＜以u(píng)分法、熵值法等［17-19]確定.在對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，用這些方法確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重不會(huì)因?yàn)閷?duì)象的不同而發(fā)生變化，但這種不變性對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象顯得不公平.因此，本文采用指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)權(quán)重法，通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)排序確定權(quán)重，使評(píng)價(jià)對(duì)象的同一評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重產(chǎn)生不同差異性，從而反映評(píng)價(jià)的公平性，這也是該方法有別于一般確定權(quán)重方法的特點(diǎn)，它可以同時(shí)突出被評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)勢(shì)，評(píng)價(jià)過(guò)程更加公平客觀［20].

設(shè)評(píng)價(jià)(聚類)對(duì)象為 Oi(i=1，2，3，…，m);評(píng)價(jià)(聚類)指標(biāo)為 Cj(j=1，2，3，…，n);聚類灰類為 k(k=1，2，3，…，p)，xij=Cj(O)(i=1，2，3，…，m;j=1，2，3，…，n)為評(píng)價(jià)對(duì)象 Oi關(guān)于指標(biāo) Cj的實(shí)際樣本值.具體評(píng)價(jià)步驟如下.

步驟1 給定聚類白化數(shù)xij(第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)際樣本值)，所有xij構(gòu)成白化數(shù)矩陣(xij).

步驟2 建立灰類的白化函數(shù)，設(shè)第j個(gè)指標(biāo)屬于第k個(gè)灰類的白化函數(shù)Fjk.

步驟3 將實(shí)際樣本值進(jìn)行類型一致化，設(shè)全部轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)，具體方法可見(jiàn)文獻(xiàn)［21].

步驟4 對(duì)每個(gè)指標(biāo)的m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象由大到小排序，分別賦予 {1 ，2，…，m}(若指標(biāo)值相同，則按等級(jí)排列法確定，如 1，2，3，4，5，5，5，8，9，10，記 xij對(duì)應(yīng)的序值為 dij［22]，則 dij為第 i個(gè)對(duì)象的第 j個(gè)指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)數(shù)).

步驟5 將每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)勢(shì)數(shù)集{di1，di2，…，din}中的元素由小到大排序，得到評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)優(yōu)勢(shì)序組(dih(1)，dih(2)，…，dih(n)).

步驟6 求權(quán)重

取 μ(k)=kb，對(duì) b 的取值有如下規(guī)定［23]:

(1)當(dāng)b∈(0 ，1)時(shí)，稱ω為弱優(yōu)勢(shì)權(quán)向量;

(2)當(dāng)b=1時(shí)，稱ω為等比優(yōu)勢(shì)權(quán)向量;

(3)當(dāng)b∈(1，+∞)時(shí)，稱ω為強(qiáng)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量.

特殊地，若指標(biāo)優(yōu)勢(shì)序組中相鄰的l( l≤n)個(gè)優(yōu)勢(shì)數(shù) dih(j)，dih(j+1)，…，dih(j+l－1)大小相等，則需要調(diào)整對(duì)應(yīng)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量中的分量，即令

為調(diào)整后的權(quán)重分量［22].

步驟7 確定聚類系數(shù).第i個(gè)事物關(guān)于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù)為

步驟 8 確定聚類系數(shù)向量 αi=(αi1，αi2，αi3，…，αip).

步驟9 進(jìn)行聚類.聚類系數(shù)最大者所對(duì)應(yīng)的灰類即為此待評(píng)事物所屬的類別，即 αik=max{ αip}，則聚類對(duì)象i屬于k灰類.

步驟3～6是求權(quán)重，對(duì)此舉例說(shuō)明.

若Oi各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)數(shù)存在相同的情況，則需要對(duì)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量進(jìn)行調(diào)整［22].例如，O3的排序?yàn)?步驟 4)，排隊(duì)為，其中 h( j)j=1…n=，則為

2 實(shí)證分析

2.1 研究對(duì)象和評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

基于數(shù)據(jù)可得性，選擇上海港、青島港、連云港港、大連港和天津港等5個(gè)沿海港口作為評(píng)價(jià)對(duì)象.由于主要研究基于指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)的綜合評(píng)價(jià)法在港口節(jié)能減排方面的應(yīng)用，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)選取參考文獻(xiàn)［4]中的全部指標(biāo)，共16項(xiàng)(見(jiàn)表1).本文評(píng)價(jià)指標(biāo)的確切數(shù)據(jù)不容易查找，因此采用文獻(xiàn)［10]中的數(shù)據(jù)，C4和C9采用觀測(cè)值，其余對(duì)象采用專家打分法，通過(guò)專家組(40人)投票統(tǒng)計(jì)確定，績(jī)效等級(jí)分為好、較好、中、較差等4個(gè)等級(jí)(具體指標(biāo)績(jī)效等級(jí)的劃分參見(jiàn)文獻(xiàn)［4])，對(duì)應(yīng)分值為4，3，2，1.設(shè)專家組總?cè)藬?shù)為N，第j人對(duì)第i項(xiàng)指標(biāo)打分為nij，其分值為，打分結(jié)果見(jiàn)表 1.

表1 港口評(píng)價(jià)指標(biāo)及其統(tǒng)計(jì)值

2.2 聚類過(guò)程

(1)確定灰類白化函數(shù).港口節(jié)能減排管理水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)多，指標(biāo)量綱也不一樣，故本次評(píng)價(jià)采用灰色定權(quán)聚類分析法.同時(shí)，為了反映不同指標(biāo)在聚類過(guò)程中作用的差異性，采用指標(biāo)定權(quán)聚類(即指標(biāo)事先賦權(quán))［16].各參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)文獻(xiàn)［5]，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2，分別得出各指標(biāo)的白化函數(shù).

①新技術(shù)、新產(chǎn)品數(shù)量的白化函數(shù):

②生產(chǎn)能源單耗的白化函數(shù):

③定性指標(biāo)的白化函數(shù):

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定.由于數(shù)據(jù)的指標(biāo)類型不一致，包含極大型指標(biāo)和極小型指標(biāo)(如產(chǎn)值、利潤(rùn)等，期望其取值越大越好，稱這類指標(biāo)為極大型指標(biāo);相反地，如成本、能耗等一類指標(biāo)，期望其取值越小越好，稱這類指標(biāo)為極小型指標(biāo))，因此首先對(duì)原始數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行指標(biāo)類型一致化［21].通過(guò)分析，16項(xiàng)指標(biāo)中除了C4是極小型指標(biāo)外，其余都是極大型指標(biāo)，因此將極小型指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)，方法為，此處過(guò)程省略.

根據(jù)第1節(jié)中的步驟3～6(b取值的不同反映優(yōu)勢(shì)數(shù)的差異程度，此處選擇取b=2強(qiáng)化差異程度)得出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量:ωi=(0.171 1，0.150 4，0.131 0，0.113 0，0.096 3，0.080 9，0.066 8，0.054 1，0.042 8，0.032 8，0.024 1，0.016 7，0.010 7，0.00 60，0.002 7，0.000 7).分別計(jì)算得到每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)勢(shì)權(quán)向量，見(jiàn)表3.

(3)確定聚類系數(shù)并進(jìn)行聚類.根據(jù)步驟7，利用已知的白化函數(shù)和港口評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量計(jì)算得出對(duì)象的聚類系數(shù).αik表示第i個(gè)對(duì)象關(guān)于第k個(gè)灰類的聚類系數(shù).

當(dāng) i=1，k=1時(shí)，

表3 港口評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)權(quán)向量

同理，可算得 α12=0.931 4，α13=0.751 2，α14=0.275 1，按照最大系數(shù)聚類原則，對(duì)象1屬于1灰類，即青島港節(jié)能減排管理水平屬于“好”的范疇.

當(dāng) i=2 時(shí)，α2=(0.948 3，0.835 5，0.668 9，0.289 5)，即天津港節(jié)能減排管理水平屬于“好”的范疇;

當(dāng) i=3 時(shí)，α3=(0.857 7，0.951 7，0.922 6，0.531 2)，即上海港節(jié)能減排管理水平屬于“較好”的范疇;

當(dāng) i=4 時(shí)，α4=(0.841 2，0.944 3，0.847 7，0.528 9)，即大連港節(jié)能減排管理水平屬于“較好”的范疇;

當(dāng) i=5 時(shí)，α5=(0.840 4，0.931 1，0.902 4，0.494 8)，即連云港港節(jié)能減排管理水平屬于“較好”的范疇.

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

從以上分析結(jié)果得出，天津港和青島港節(jié)能減排管理水平屬于“好”，上海港、大連港和連云港港節(jié)能減排管理水平屬于“較好”，前2個(gè)港口的節(jié)能減排管理水平高于后3個(gè)港口的管理水平，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符:天津港和青島港一直致力于港口節(jié)能減排工作，并且取得較大成績(jī)，在交通運(yùn)輸部公布的3批12個(gè)示范項(xiàng)目(每批4個(gè))中天津港示范項(xiàng)目在第1批和第2批中分別有1個(gè)，青島港示范項(xiàng)目在第1批和第3批中分別有1個(gè)，上海港示范項(xiàng)目在第1批中有1個(gè)，這些成績(jī)充分體現(xiàn)各港口在節(jié)能減排工作中作出的努力.

近年來(lái)青島港將節(jié)能減排目標(biāo)納入目標(biāo)責(zé)任體系，將綠色、低碳港口規(guī)劃納入港口發(fā)展的總體戰(zhàn)略，構(gòu)建“集團(tuán)規(guī)劃、公司領(lǐng)導(dǎo)、隊(duì)為核心、班為基礎(chǔ)、車為單元”的5級(jí)節(jié)能減排管理格局，節(jié)能減排工作取得顯著成效.天津港多年來(lái)認(rèn)真貫徹執(zhí)行國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針，努力構(gòu)建節(jié)約型生態(tài)港口，取得較大成績(jī).總結(jié)兩大港口節(jié)能減排的經(jīng)驗(yàn)如下:

(1)天津港的經(jīng)驗(yàn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面.

①技術(shù)改革.天津港口啟動(dòng)集裝箱場(chǎng)橋“油改電”示范工程.該工程自2008年啟動(dòng)至今，完成場(chǎng)橋改造99臺(tái)，場(chǎng)地139塊，能源單耗平均下降80%，一年可減少各類工業(yè)廢氣排放3.52萬(wàn)t.按天津港集裝箱年吞吐量1 000萬(wàn)TEU計(jì)算，每年節(jié)約成本超過(guò)5 000萬(wàn)元，徹底實(shí)現(xiàn)場(chǎng)橋低能耗、低排放、低噪聲的節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，達(dá)到國(guó)際清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平.

②新能源的綜合利用.天津港開(kāi)發(fā)的地源(海水源)熱泵技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用面積已突破16萬(wàn)m2，占全港總建筑面積的20%，每年可節(jié)約1 200 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用900多萬(wàn)元，減少CO2排放3 000 t，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著.

③提高清潔能源的利用比重.到“十一五”末，全港主要用能品種中燃煤占9%，燃油占48%，電力占20%，蒸汽占23%，每萬(wàn)元增加值能耗較“十五”末下降29%，能源利用效率得到較大提高，居國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平.

(2)青島港的經(jīng)驗(yàn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面(重點(diǎn)在于技術(shù)創(chuàng)新和改革).

①通過(guò)實(shí)施集裝箱輪胎吊“油改電”技術(shù)改造，能耗下降40%以上，運(yùn)行成本下降70%以上，年節(jié)約資金2 000多萬(wàn)元，節(jié)約柴油超過(guò)580萬(wàn)L，減少CO2排放超過(guò)14 600 t.

②利用裝車平臺(tái)和油管的波位差，改變?cè)壤秒娏ρb車泵將油品從油罐輸送到槽罐車的工藝，采用無(wú)動(dòng)力自流裝車新模式，實(shí)現(xiàn)“零耗能”作業(yè)，且裝車平穩(wěn)勻速安全，年無(wú)動(dòng)力裝車650萬(wàn)t，年節(jié)電超過(guò)510萬(wàn)kW·h，節(jié)約電費(fèi)約420多萬(wàn)元.

③通過(guò)對(duì)控制程序的改進(jìn)，替代原始設(shè)計(jì)下游皮帶必須先空轉(zhuǎn)的固定模式，實(shí)現(xiàn)流程皮帶由上游到下游的順次作業(yè)，減少皮帶流程的空轉(zhuǎn)消耗，年節(jié)電超過(guò)100萬(wàn)kW·h，節(jié)省電費(fèi)近百萬(wàn)元，提高裝卸生產(chǎn)效率11.2%.

從兩大港口節(jié)能減排的經(jīng)驗(yàn)可以得出，提升港口節(jié)能減排管理水平的關(guān)鍵在于技術(shù)革新以及能源的開(kāi)發(fā)和利用.

3 結(jié)束語(yǔ)

基于港口節(jié)能減排管理水平評(píng)價(jià)的灰色特性，采用灰色定權(quán)聚類模型，結(jié)合指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)確定權(quán)重的方法對(duì)多個(gè)港口節(jié)能減排管理水平同時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，灰色聚類模型符合評(píng)價(jià)對(duì)象的特征，用指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)確定指標(biāo)權(quán)重能夠突出評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)勢(shì)，使評(píng)價(jià)過(guò)程更加公平客觀.本文構(gòu)建模型的先進(jìn)性不僅體現(xiàn)在可以將被評(píng)價(jià)的港口進(jìn)行類別劃分，而且體現(xiàn)在該模型可以用于領(lǐng)導(dǎo)部門對(duì)港口的考核，只要港口部門給定評(píng)價(jià)的分類標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)應(yīng)的多個(gè)港口在相互競(jìng)爭(zhēng)的情況下，港口是否達(dá)標(biāo)就一目了然，而單純對(duì)港口節(jié)能減排水平進(jìn)行排序并不能體現(xiàn)港口的達(dá)標(biāo)情況.

基于指標(biāo)序優(yōu)勢(shì)權(quán)重法的灰色定權(quán)聚類模型計(jì)算原理簡(jiǎn)便，計(jì)算過(guò)程可以通過(guò)MATLAB快速實(shí)現(xiàn).依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，可總結(jié)管理水平高的港口在促進(jìn)節(jié)能減排方面的經(jīng)驗(yàn)，為其他港口提供提升管理水平的指導(dǎo).該模型適用于省域、市域港口管理機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)，甚至是同一港口不同港區(qū)之間的評(píng)價(jià)，相關(guān)部門若利用該模型對(duì)多個(gè)港口進(jìn)行評(píng)價(jià)有利于各港口之間產(chǎn)生良性競(jìng)爭(zhēng)，激發(fā)港口在不斷提高自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)改進(jìn)自身的劣勢(shì)，有效推動(dòng)整個(gè)港口產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排效果的提升.

但是，文中并未考慮港口不同將會(huì)導(dǎo)致吞吐量、碼頭類型等的不同，在能源消耗和污染排放等方面存在差異，不具有可比性等情況，因此針對(duì)不同類型的港口碼頭進(jìn)行分類分級(jí)評(píng)價(jià)有待進(jìn)一步研究解決.

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