基于粗糙集理論的港口耦合測度研究＊

李電生 張麗紅

（中國海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東青島266100）

基于粗糙集理論的港口耦合測度研究＊

李電生 張麗紅

（中國海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，山東青島266100）

針對國際環(huán)境變化下港口間盲目競爭的現(xiàn)狀，提出港口間特別是港口群內(nèi)港口間應(yīng)該選擇協(xié)同發(fā)展保持競爭力。為了更好地幫助港口進(jìn)行功能定位和資源優(yōu)化配置，在闡述港口耦合度與協(xié)同發(fā)展水平關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了港口群系統(tǒng)耦合測度模型，依據(jù)耦合度大小描述了港口群內(nèi)港口的不同耦合模式；并利用基于信息熵的粗糙集約簡方法定量對系統(tǒng)序參量指標(biāo)屬性權(quán)重和屬性重要性進(jìn)行求解；最后通過對山東半島港口群系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)證分析，測度了港口群內(nèi)港口間耦合狀態(tài)和協(xié)同發(fā)展水平，驗(yàn)證了耦合測度模型的有效性。

港口群；耦合測度；粗糙集約簡；信息熵

一、引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的變化及國際貿(mào)易一體化的快速發(fā)展，港口的經(jīng)營環(huán)境和基本功能都發(fā)生了重大變化。港口已經(jīng)從一個(gè)傳統(tǒng)的地域性中轉(zhuǎn)基地逐步轉(zhuǎn)型為資源配置樞紐，并不斷影響著國家和地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)格局。由于地方政府的利益關(guān)系，港口的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，造成港口間層次關(guān)系和功能定位混淆，盲目性競爭更加激烈，港口資源浪費(fèi)嚴(yán)重，港口間協(xié)同發(fā)展策略被提上日程，港口間只有摒棄完全盲目競爭的經(jīng)營方式，轉(zhuǎn)向協(xié)同競爭策略，同時(shí)注重港口間聯(lián)合協(xié)調(diào)發(fā)展才能獲得長期持續(xù)競爭力。

國外的相關(guān)學(xué)者Juhel、Avery、Lam、Dong－Wook Song、Yap and Lam、Notteboom，以及國內(nèi)的李超、田甜、鄧?yán)h等分別對北美、歐洲、東北亞等港口進(jìn)行定性分析，［1－9］指出港口間特別是具有共同腹地的港口間在日趨激烈的市場競爭環(huán)境下選擇協(xié)同合作競爭策略的必要性和意義，并闡述了協(xié)作競爭的形式和方式。Fung、Yap and Lam、封學(xué)軍等分別采用協(xié)整誤差糾正計(jì)量回歸模型和Bertrand寡占模型定量研究了港口間競爭合作關(guān)系及效益，［10－12］驗(yàn)證了相鄰港口選擇合作競爭發(fā)展策略的經(jīng)濟(jì)理性。隨著港口群內(nèi)部港口不斷地?cái)U(kuò)建和改造，港口在一定區(qū)域內(nèi)的聯(lián)合協(xié)調(diào)發(fā)展已成共識。Van der Horst、De Langen對港口協(xié)調(diào)發(fā)展概念進(jìn)行闡述，指出建立港口協(xié)調(diào)機(jī)制存在的問題及建立協(xié)調(diào)機(jī)制的路徑；［13］De Langen、Visser，Brooks、Mccalla、Pallis、Vanderlugt分別以密西西比河流域港口群和加拿大大西洋沿岸港口為例指出協(xié)同合作策略、共同行動機(jī)制是港口獲得競爭力的途徑。［14－15］國內(nèi)的陳航、萬征、王素君、楊靜蕾等基于不同的理論和方法針對渤海灣、長三角、京津冀等港口群從定性或定量角度分析了一定區(qū)域內(nèi)港口間優(yōu)化配置資源和獲得競爭力的重要途徑是港口間的協(xié)調(diào)發(fā)展。［16－19］

通過以上文獻(xiàn)分析可以看出，目前對港口間協(xié)同發(fā)展的研究僅限于宏觀分析港口間協(xié)同發(fā)展的必要性和意義，對港口間協(xié)同發(fā)展水平的衡量缺乏基礎(chǔ)研究。港口耦合度，即港口群內(nèi)各港口系統(tǒng)間、港口系統(tǒng)序參量間的協(xié)同運(yùn)動程度、相互支撐程度，是港口群系統(tǒng)耦合水平的綜合反映。它可以直觀反映港口間協(xié)同運(yùn)動程度，有序合作水平。通常來說，港口間的協(xié)同作用越強(qiáng)，合作層面越廣越深，對港口效益的增長越有利，港口群的耦合度也越高，反之亦然。本文通過對港口群內(nèi)港口間的耦合度研究，分析港口間的協(xié)同發(fā)展水平，可以更好地幫助港口進(jìn)行功能定位，對引導(dǎo)港口企業(yè)從無序競爭到規(guī)范化發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、港口間系統(tǒng)耦合性評價(jià)模型分析

假設(shè)某港口群系統(tǒng)為U，i（i＝1，2，3，……，n）為U的第i個(gè)港口系統(tǒng)，則本文借助物理學(xué)中容量耦合的概念，［19］提出港口群內(nèi)港口的耦合度公式為：

其中：ui為i港子系統(tǒng)對港口群系統(tǒng)有序度的貢獻(xiàn)；m為i港的序參量評價(jià)指標(biāo)數(shù)目；Aik為評價(jià)i港系統(tǒng)的第k個(gè)序參量指標(biāo)；wik為i港系統(tǒng)第k序參量指標(biāo)的權(quán)重。

依據(jù)港口間耦合度的大小，給出港口耦合的幾種模式，見表1。

表1 港口群內(nèi)港口耦合模式

（一）基于粗糙集理論屬性權(quán)重確定方法

由耦合度測算公式可知，在對港口群系統(tǒng)進(jìn)行耦合度計(jì)算之前需要對系統(tǒng)序參量進(jìn)行選擇，并對序參量指標(biāo)的屬性權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，采用粗糙集約簡理論和信息熵計(jì)算可以保證序參量選擇的客觀性和科學(xué)性。耦合性測度的具體操作過程如圖1所示。

圖1 序參量屬性權(quán)重計(jì)算步驟圖

1、粗糙集及屬性約簡

粗糙集理論由由波蘭數(shù)學(xué)家Pawlak在1928年首先提出。［20］它是對知識進(jìn)行分類的強(qiáng)有力工具。粗糙集的核心理論就是知識約簡。一個(gè)決策系統(tǒng)中的知識屬性不是同等重要的，在實(shí)際的決策系統(tǒng)中，各屬性之間不可避免的存在一定的相關(guān)性，包含某種程度的冗余關(guān)系。決策表的屬性約簡，就是在維持決策屬性和條件屬性依存關(guān)系的基礎(chǔ)上，刪除不必要的條件屬性，使得約簡后的決策表所含的條件最大限度地少且合理，從而得到適應(yīng)度最大的決策規(guī)則。

另外決策系統(tǒng)中的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)一般是連續(xù)性數(shù)據(jù)，而本文采用的計(jì)算軟件Rosetta是一種基于粗糙集理論的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，無法對連續(xù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以有必要將數(shù)據(jù)離散化以減少屬性值的個(gè)數(shù)。

2、信息熵

由于決策信息表各指標(biāo)所代表的經(jīng)濟(jì)意義不同，指標(biāo)之間的度量單位與數(shù)量級各不相同。為了便于指標(biāo)間的橫向比較和運(yùn)用，排除直接利用原始信息表所引起的決策結(jié)果不合理的情形，需對原始數(shù)據(jù)表進(jìn)行無量綱化處理，在進(jìn)行粗糙集約簡之前，進(jìn)行信息熵計(jì)算是必要的。［13］

在港口群耦合性的衡量方面，信息熵可以用來反映指標(biāo)值的變化程度。若一個(gè)指標(biāo)的信息熵愈大代表該指標(biāo)的值變化程度愈小，則對系統(tǒng)的影響程度愈小，從而在指標(biāo)體系中該指標(biāo)的權(quán)重值相應(yīng)地較低。信息熵的計(jì)算過程見圖2。

圖2 信息熵計(jì)算過程

3、耦合性評價(jià)決策屬性重要性和權(quán)重計(jì)算

（1）指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。由指標(biāo)的權(quán)重大小確定港口群耦合性評價(jià)決策的決策屬性集與條件屬性集。指標(biāo)權(quán)重最大的為評價(jià)決策的決策屬性，其余的為條件屬性。信息熵大小反映了指標(biāo)權(quán)重的大小，二者之間的具體關(guān)系為：

（2）約簡后屬性重要性計(jì)算和屬性權(quán)重確定。屬性重要性的判斷原理：決策表S＝｛U，A｝，A’是A的一個(gè)等價(jià)子集，Q為A’對論域U劃分的等價(jià)類集合。若去掉A’的某一屬性導(dǎo)致對論域的分類（Q）變化較大，則該屬性的重要性越高，Q的變化程度可通過知識信息量INF來反映：S＝｛U，A｝；U＝｛x1，x2，…，xm｝；A＝｛a1，a2，…，an｝。

（二）耦合性測度指標(biāo)體系的構(gòu)建

本文指標(biāo)體系構(gòu)建思想是：港口群系統(tǒng)港口間的耦合性是由港口子系統(tǒng)的運(yùn)作狀態(tài)決定的；每一個(gè)港口子系統(tǒng)類似于一個(gè)實(shí)質(zhì)的產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，其業(yè)務(wù)運(yùn)作的過程形同企業(yè)原材料投入、生產(chǎn)至最終產(chǎn)成品的過程。運(yùn)用企業(yè)生產(chǎn)的流程的思想，參考影響港口生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)可獲得性、完整性、可比性的原則，提出了港口群內(nèi)港口的耦合性評價(jià)指標(biāo)體系，見圖3。

圖3 山東半島港口群耦合性的評價(jià)指標(biāo)體系

（1）投入層：該層屬于企業(yè)的原材料投入階段，是港口投入生產(chǎn)、產(chǎn)出競爭力的基礎(chǔ)條件，主要包含地區(qū)GDP、地區(qū)人均生產(chǎn)總值、地區(qū)生產(chǎn)總值增長率、第三產(chǎn)業(yè)占地區(qū)GDP的比重以及交通運(yùn)輸倉儲業(yè)情況五個(gè)指標(biāo)。其中GDP和GDP增長率主要反映港口城市貨源的產(chǎn)生能力和對中轉(zhuǎn)貨源的吸引能力，人均GDP反映港口城市的國際化程度和消費(fèi)水平，第三產(chǎn)業(yè)比例代表港口城市金融、保險(xiǎn)等服務(wù)型產(chǎn)業(yè)對港口產(chǎn)業(yè)的支撐力度，交通運(yùn)輸倉儲業(yè)從業(yè)人數(shù)指標(biāo)則反映了該地區(qū)物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況。

（2）過程層：改層包含泊位個(gè)數(shù)、碼頭長度、前沿水深、堆場面積和集裝箱堆場面積五個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施要素。這些要素是港口的生產(chǎn)設(shè)備，也是港口改善生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)出的重要前提。

（3）產(chǎn)出層：對港口的“產(chǎn)成品”指標(biāo)選取了四個(gè)方面，即貨物吞吐量、貨物吞吐量增長率、集裝箱吞吐量和集裝箱吞吐量增長率。吞吐量指標(biāo)可以很好地反映港口的產(chǎn)出規(guī)模，增長率指標(biāo)則反映了港口的增長趨勢和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

三、港口群耦合測度

（一）樣本選取與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在樣本選取上選擇了中國大陸沿海五大港口群共計(jì)25個(gè)港口作為研究對象。其中，環(huán)渤海港口群覆蓋范圍廣，行政區(qū)劃較多，因此依據(jù)各省市的地理空間分布和港口規(guī)劃，本文將環(huán)渤海港口群細(xì)分為山東半島港口群、津冀沿海港口群和遼寧沿海港口群是很合理的；半島港口群則選擇了四個(gè)代表性港口，即青島港、煙臺港、日照港、威海港。根據(jù)港口群耦合性的評價(jià)指標(biāo)體系，確定了S＝（xij）25×14決策信息表，見表2。

表2 半島港口群耦合性評價(jià)決策信息表

注：1、數(shù)據(jù)來源于2010年各市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，2010年各市政府工作報(bào)告、2009年各市統(tǒng)計(jì)年鑒；2、空格表示該港口此項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)未找到。

（二）耦合測度指標(biāo)屬性權(quán)重計(jì)算

本文采用粗糙集軟件中的Genetic algorithm進(jìn)行約簡，得到港口群耦合性評價(jià)指標(biāo)集中條件屬性的約簡結(jié)果為：｛地區(qū)生產(chǎn)總值，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP的比重，泊位個(gè)數(shù)，集裝箱堆場面積｝。約簡后的五個(gè)指標(biāo)分布在評價(jià)指標(biāo)體系的投入層、過程層和產(chǎn)出層，指標(biāo)分布均勻，權(quán)重分配合理。根據(jù)上面的公式可計(jì)算出屬性重要性和權(quán)重，見表3。

表3 約簡后屬性重要性及權(quán)重

（三）實(shí)證分析

1、山東半島港口群耦合系統(tǒng)

本文以山東半島港口群為例，研究港口間的耦合性問題，所以選定半島四大主要港口（青島港、煙臺港、日照港和威海港）作為半島港口群耦合系統(tǒng)的子系統(tǒng)，同時(shí)選取上面計(jì)算約簡后的指標(biāo)作為港口子系統(tǒng)的關(guān)鍵序參量，最后得到半島港口群耦合系統(tǒng)的決策表，見表4。

表4 半島港口群耦合性決策表

2、計(jì)算港口子系統(tǒng)對港口群耦合系統(tǒng)的貢獻(xiàn)

首先運(yùn)用規(guī)范化公式對上述港口群耦合系統(tǒng)決策表進(jìn)行無量綱化處理，消除單位及數(shù)量級對耦合分析的影響；其次依據(jù)港口子系統(tǒng)對總系統(tǒng)有序度的貢獻(xiàn)公式，計(jì)算各港口子系統(tǒng)的功效。需要說明的是，鑒于各港口子系統(tǒng)在性質(zhì)、運(yùn)作方式及經(jīng)營管理等方面基本相同，以及本文選擇指標(biāo)的廣泛適用性，因此各港口子系統(tǒng)的序參量相同、序參量的權(quán)重分配相同。其計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 半島港口群耦合子系統(tǒng)貢獻(xiàn)

3、半島港口群耦合系統(tǒng)的耦合度計(jì)算

根據(jù)港口群耦合度公式，以青島港、煙臺港、日照港和威海港四大港口為代表的半島港口群耦合度為：

4、耦合結(jié)果分析

由上述耦合度數(shù)值大小可以看出，該數(shù)值處在0.3～0.5之間，表明山東半島港口群的協(xié)調(diào)發(fā)展程度處于中低水平，內(nèi)部各港口間合作較不頻繁，資源整合程度較低。對市場競爭是獲得收益的主要策略。

結(jié)論與半島港口群系統(tǒng)耦合現(xiàn)狀相吻合，目前半島港口群內(nèi)部合作僅限于青日（青島港－日照港），煙青（煙臺－青島）合資共建集裝箱碼頭公司，干散貨運(yùn)輸業(yè)務(wù)競爭激烈，并且各港口近幾年熱衷于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重，資源整合度很低。

四、結(jié)語

本文首先通過選取25個(gè)港口的樣本數(shù)據(jù)，利用基于信息熵的粗糙約集方法確定了港口群系統(tǒng)中的關(guān)鍵序參量，從而求解出序參量的屬性權(quán)重以及重要性；在此基礎(chǔ)上結(jié)合耦合測度公式對山東半島港口群系統(tǒng)的耦合狀態(tài)進(jìn)行了定量計(jì)算，結(jié)果顯示半島港口群的耦合狀態(tài)和協(xié)同發(fā)展處于中低水平，這是由于港口間合作層面少，競爭激烈及重復(fù)建設(shè)造成的。四大子系統(tǒng)港還沒有形成耦合式分工亟需進(jìn)一步加強(qiáng)合作，展開有序合作競爭，才能提高港口群資源整合度。

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Abstract：The change of international environment leads to blind competition between ports.In order to keep a suatainable development and competitiveness，ports shoud develop in a synergetic way，which could better help ports with functional positioning and optimal distribution of resources.With introduction of the relationship between coupling level and synergetic development，this article constructs a coupling measurement model of the port cluster system.Then it describes the various patterns with different coupling level.With the method of rough sets reduction based on information entropy，index attribute weight and attribute significance are calculated.Finally the paper makes an empirical analysis of the Shandong Peninsula port cluster system to measure the coupling level and verify the validity of the model.

Key words：port cluster；coupling measurement；rough sets reduction；information entropy

責(zé)任編輯：王明舜

A Study on Port Coupling Level Based on Rough Set Theory

Li Diansheng，Zhang Lihong
（College of Economics，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

F250

A

1672－335X（2012）03－0001－07

2012－03－05

山東省軟科學(xué)項(xiàng)目“山東半島耦合關(guān)系研究”（2008RKA076）；教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“海洋產(chǎn)業(yè)集群與沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)的互動發(fā)展：機(jī)理、測度與實(shí)現(xiàn)路徑”（11YJC790066）

李電生（1966－ ），男，河北石家莊人，中國海洋大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院副教授，主要從事現(xiàn)代物流與供應(yīng)鏈管理，港口規(guī)劃與管理研究。