基于綜合集成法的港口物流系統(tǒng)能耗評價研究＊

楊 斌 胡孝通 李 璐

（上海海事大學(xué)物流研究中心 上海 201306）

0 引 言

港口物流系統(tǒng)能耗評價指標(biāo)體系的構(gòu)建，取決于影響港口能耗的各種因素：港口規(guī)模、港口現(xiàn)代化信息及技術(shù)水平、港口能源效率與結(jié)構(gòu)以及港口政策等.E.Peris－Moralz［1］提出了港口可持續(xù)發(fā)展環(huán)境保護(hù)管理指標(biāo)體系，并結(jié)合系統(tǒng)模型和多標(biāo)準(zhǔn)分析法對未來港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潛在環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測.Thomas.A.和 Luo［2］通過對紐約、新澤西等地區(qū)的港口考察，從港口可持續(xù)發(fā)展的成本角度闡述了制約港口可持續(xù)發(fā)展的多項(xiàng)因素，并提出了多項(xiàng)對集裝箱港口可持續(xù)發(fā)展的建議.Cupta［3］等認(rèn)為港口工程的環(huán)境管理計劃（EMP）是十分必要的，應(yīng)在港口的整個建設(shè)和運(yùn)營階段要進(jìn)行定期監(jiān)測和評估.Graham J.Treloar［4］等曾經(jīng)對能源節(jié)省的決策方法的可靠性進(jìn)行研究.周英明等［5］采用灰色系統(tǒng)理論分析法，建立原油集輸系統(tǒng)的灰色系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了優(yōu)化.李琪［6］針對我國港口的情況，從節(jié)能環(huán)保的角度建立了評價指標(biāo)體系，但對能耗直接關(guān)系的指標(biāo)略為欠缺.本文采用具有代表性的層次分析法和系統(tǒng)動力學(xué)因果度法對指標(biāo)體系進(jìn)行賦權(quán)，再通過綜合集成法將兩種方法所得結(jié)果進(jìn)行集成，使指標(biāo)權(quán)重更為客觀、合理.

1 評價方法的設(shè)計思路

主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法都有一定的利弊和適用范圍，權(quán)重的綜合集成即是在主觀判斷的基礎(chǔ)上，對主觀權(quán)數(shù)修正的參考，二者相互結(jié)合、綜合集成才能為科研評價的指標(biāo)賦權(quán)提供一個更科學(xué)合理的依據(jù).本文提出的基于綜合集成法的港口物流系統(tǒng)能耗評價方法的主要思路如下.

1）識別影響港口物流系統(tǒng)能耗評價的相關(guān)因素，確定影響目標(biāo)層的各級指標(biāo).

2）運(yùn)用德爾菲法（Delphi）對所得指標(biāo)體系進(jìn)行專家打分，構(gòu)造判斷矩陣.

3）根據(jù)綜合集成法對兩種賦權(quán)方法得到的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行集成，與層次分析法和因果關(guān)系法得到的權(quán)重進(jìn)行對比分析.

2 港口物流系統(tǒng)能耗評價指標(biāo)體系及權(quán)重賦值方法

2.1 港口物流系統(tǒng)能耗評價指標(biāo)體系

本節(jié)提出港口物流網(wǎng)絡(luò)能耗評價指標(biāo)體系，針對每個子指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，并制定相應(yīng)的專家打分細(xì)則，限于篇幅在這里不予給出.得出了包括4個一級指標(biāo)、12個二級指標(biāo)在內(nèi)的港口物流網(wǎng)絡(luò)能耗評價指標(biāo)體系，其基本結(jié)構(gòu)如表1所列.

表1 港口物流能耗評價指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定方法

2.2.1 層次分析法

應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重的主要步驟如下.

1）計算判斷矩陣A的特征向量W本文指標(biāo)體系可分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，對于每一層次生成的判斷矩陣，計算滿足AW＝λmaxW的特征根和特征向量.其中λmax為A的最大特征根，W為對應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量，W的分量wi就是對應(yīng)元素的權(quán)重值.

用定義計算矩陣的特征值和特征向量相當(dāng)困難，本文將判斷矩陣A的n個行向量歸一化后的算術(shù)平均值，近似作為權(quán)重向量，如下式：

2）一致性檢驗(yàn) 在計算單準(zhǔn)則下權(quán)重向量時，必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn).首先利用下式計算最大特征值λmax：

式中：w為權(quán)重向量.根據(jù)求出的wi值可求出最大特征值.目標(biāo)層最大特征值為λmax＝4.079 9.

計算一致性指標(biāo)C.I.＝（λmax－n）／（n－1）和C.R.＝C.I.／R.I..其中：C.I.為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；C.R.為相對一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；R.I.為平均隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，見表2；n為矩陣的階數(shù).當(dāng)C.I.＝0時，判斷矩陣具有完全一致性，反之，C.I.越大，則判斷矩陣的一致性就越差.當(dāng)C.R.＜0.1時，說明判斷矩陣基本合理，求出的權(quán)重恰當(dāng).對于準(zhǔn)則層C.I.＝（λmax－n）／（n－1）＝0.032 6，而C.R.＝C.I.／R.I.＝0.032 6／0.89＝0.036 2＜0.1，因此判斷矩陣具有滿意的一致性，見表2.

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值

根據(jù)步驟1）和2），對12個專家的問卷做同樣計算并求算數(shù)平均數(shù)，得到準(zhǔn)則層B的權(quán)重向量為wi＝（0.071 2，0.552 9，0.103 3，0.272 5）T.同理可以求出指標(biāo)層相對于準(zhǔn)則層的權(quán)重向量，見表3.

3）綜合評價 以上計算較為繁瑣，其他評價指標(biāo)的計算采取Matlab軟件進(jìn)行求解.計算各階層判斷矩陣的權(quán)重，對其進(jìn)行單層次一致性檢驗(yàn)，再應(yīng)用算術(shù)平均法求其平均值，作為各指標(biāo)的權(quán)重.將指標(biāo)層與準(zhǔn)則層權(quán)重相乘，即得出所有指標(biāo)的總權(quán)重排序，如指標(biāo)C11的總權(quán)重為w1×w11＝0.071 2×0.033 2＝0.045 4.最后通過層次總排序和一致性檢驗(yàn)，得到滿意的結(jié)果.見表3.

2.2.2 因果度法 利用系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系分析方法，決策者結(jié)合主觀信息和客觀信息，判斷指標(biāo)之間存在的關(guān)系，畫出因果關(guān)系圖，并確定其影響因變量和果變量，通過因果度從內(nèi)部來反映該指標(biāo)的重要程度，從而確定指標(biāo)權(quán)重［7］.計算方法與步驟如下.

1）分析評價指標(biāo)間的因果關(guān)系 評價指標(biāo)體系本身也是一個系統(tǒng)，應(yīng)以系統(tǒng)的觀點(diǎn)來研究.在確定評價目標(biāo)后，各指標(biāo)間的內(nèi)在關(guān)系也隨之確定，運(yùn)用VENSIM軟件，可以給出因果關(guān)系圖，見圖1.

表3 AHP法組合權(quán)重表

圖1 VENSIM構(gòu)造指標(biāo)因果關(guān)系圖

2）計算因果度 根據(jù)因果關(guān)系圖，確定一個評價指標(biāo)Cij，列出該指標(biāo)的因環(huán)路和果環(huán)路，分析其因變量指標(biāo)個數(shù)和果變量指標(biāo)個數(shù)，兩者之和即為其因果度Aij.例如，通過組織合理性指標(biāo)的因環(huán)路和果環(huán)路圖可發(fā)現(xiàn)，因變量指標(biāo)個數(shù)為5，果變量指標(biāo)個數(shù)為5，因此因果度A42＝10.

3）計算指標(biāo)權(quán)重 根據(jù)Ai1，Ai2，…，Aij，利用下式求出各個評價指標(biāo)的因果系數(shù)Qij.因果系數(shù)的大小直接反映了各個評價指標(biāo)影響同層次評價指標(biāo)的程度.

本文以因果系數(shù)Qij代表指標(biāo)的權(quán)重，即wij＝Qij，見表3的因果度法權(quán)重列.

2.3 評價指標(biāo)體系的綜合集成

2.3.1 加法集成法 設(shè)pj，qj分別是基于主觀和客觀賦權(quán)法生成的指標(biāo)xj的權(quán)重系數(shù)，則稱wj＝k1pj＋k2qj是具有同時體現(xiàn)主客觀信息集成特征的權(quán)重系數(shù).式中，k1，k2為待定常數(shù).這時，被評價對象綜合評價值為確 定k1，k2使取值最大.在滿足條件k1＋k2＝1，k1＞0，k2＞0下，應(yīng)用拉格朗日條件極值原理可得

另外，k1，k2也可根據(jù)評價者的主觀判斷和偏好信息來確定.特別地，為了突出集成法的優(yōu)勢，本文簡化k1與k2的取值，令k1＝k2＝0.5，即給予主客觀賦權(quán)同等的重視程度，如果需要給予主客觀賦權(quán)不同的重視程度，只需調(diào)整k1與k2的取值，但要滿足兩者之和為1.利用下面公式求wj.

2.3.2 乘法集成法pj，qj分別是基于主觀和客觀賦權(quán)法生成的指標(biāo)xj的權(quán)重系數(shù)，wj為集成后的權(quán)重系數(shù).根據(jù)下式計算權(quán)重.

表4 綜合集成指標(biāo)權(quán)重表

將表4反映到圖2中，可以直觀的看出各方法的波動情況.

圖2 各種方法所得權(quán)重折線圖

從圖2可以看出，采用各權(quán)重賦值方法后各指標(biāo)的變動趨勢.可以看到層次分析法的權(quán)重波動劇烈，各指標(biāo)間差異顯著，從而反映出各專家對于指標(biāo)的權(quán)重定位是有顯著差異的.針對層次分析法的一些主觀局限性，因果關(guān)系法可以有效的平滑這一劇烈的波動狀態(tài).將整體指標(biāo)的權(quán)重做一定程度的平衡.

比較兩種綜合集成方法，可以看到對于指標(biāo)的集成起到了加劇波動的作用，相反對于加法集成法來說，其權(quán)重取值是在整體波動中較為平滑的一種賦值.因此在下面的案例中采用加法集成法進(jìn)行賦權(quán).

3 上海港能耗評價分析

下面應(yīng)用得到的加法集成法來對上海港2007～2011年的港口物流系統(tǒng)能耗進(jìn)行評價.首先，根據(jù)指標(biāo)體系需求，在表5中整理給出了2007～2011年相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù).

表5 相關(guān)能耗指標(biāo)數(shù)據(jù)

對于上述能夠根據(jù)具體數(shù)據(jù)確定的指標(biāo)，本文根據(jù)指標(biāo)體系的評分細(xì)則及公式對該指標(biāo)進(jìn)行打分.而對于無法根據(jù)具體數(shù)據(jù)確定的指標(biāo)，本文采用12個專家打分的方式確定該指標(biāo)的得分，然后計算指標(biāo)權(quán)重的算術(shù)平均值.表6是其中1名專家的打分矩陣及最終的權(quán)重集.

表6 上海港2007～2011年能耗評價

根據(jù)評分細(xì)則，可知：能源消費(fèi)彈性系數(shù)＝能源消耗增量／吞吐量增量，為體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的作用，此指標(biāo)應(yīng)在符合實(shí)際和科學(xué)的基礎(chǔ)上穩(wěn)步降低.電能占總能耗的比重從2008年到2011年逐年增高，反映出上海港近年來實(shí)行“油改電”工作的成功之處.2009年以后，上海港集裝箱吞吐量已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，因此激發(fā)了對橋吊、龍門吊等作業(yè)資源的改進(jìn)與研發(fā)，以提高港口作業(yè)效率、節(jié)約成本.因此，該指標(biāo)呈逐年遞增趨勢.

4 結(jié)束語

通過提出的港口物流網(wǎng)絡(luò)能耗評價指標(biāo)體系，綜合集成了層次分析法和因果度法，避免了單一方法過于主觀或客觀的影響.并應(yīng)用于上海港近5年的能耗評價，結(jié)果符合客觀情況，其評價的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)在未來港口尋找自身弱勢，尋求增長點(diǎn)提供了參考.

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