模糊理論在港口碼頭工程中的應(yīng)用研究

張 飛， 高 屹

(海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津 300450)

模糊理論在港口碼頭工程中的應(yīng)用研究

張 飛， 高 屹

(海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院，天津 300450)

簡(jiǎn)要介紹模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)理論，分析現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)模糊理論運(yùn)用于港口碼頭工程的現(xiàn)實(shí)情況，指出港口碼頭工程領(lǐng)域運(yùn)用模糊理論需要注意的問(wèn)題。

模糊理論； 港口碼頭工程； 模糊綜合評(píng)估； AHP法

模糊理論是美國(guó)加利福尼亞大學(xué)L·A·Zadeh 教授于1965年首先提出。自其創(chuàng)立至今，模糊理論在理論研究和實(shí)際應(yīng)用上都得到了飛速的發(fā)展。目前，模糊理論與技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于許多工程領(lǐng)域。

在港口碼頭工程領(lǐng)域，由于碼頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，且都難以量化表達(dá)，如碼頭的安全性、耐久性等。這些沒(méi)有具體界限的概念，都具有一定的模糊性，對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言去評(píng)定結(jié)構(gòu)的狀態(tài)往往更具有優(yōu)勢(shì)。因此，在港口碼頭工程領(lǐng)域，恰當(dāng)?shù)厥褂媚：碚?，?duì)解決工程技術(shù)難題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模糊理論介紹

1.1 模糊聚類(lèi)分析

根據(jù)事物的不同特征、親疏程度和相似性關(guān)系，通過(guò)建立模糊相似關(guān)系對(duì)客觀事物進(jìn)行聚類(lèi)的分析方法。主要有基于模糊等價(jià)矩陣聚類(lèi)的模糊等價(jià)矩陣動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析法，基于目標(biāo)函數(shù)聚類(lèi)的模糊C均值聚類(lèi)算法，基于攝動(dòng)的模糊聚類(lèi)分析法。在港口碼頭工程中，影響碼頭耐久性的因素眾多，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)可對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)。

1.2 模糊模式識(shí)別

模式識(shí)別問(wèn)題指的是已知的各種類(lèi)別，判斷對(duì)給定的或新得到的對(duì)象應(yīng)歸屬于哪一類(lèi)，或是否為一個(gè)新的類(lèi)別的問(wèn)題。對(duì)于那些界限不明確的模式稱(chēng)為模糊模式，相應(yīng)的識(shí)別問(wèn)題稱(chēng)為模糊識(shí)別問(wèn)題。對(duì)于模式庫(kù)模糊，待識(shí)別對(duì)象分明的，稱(chēng)為模糊模式識(shí)別的直接方法，主要采用最大隸屬度原則、最大隸屬原則或閥值原則進(jìn)行識(shí)別判斷。對(duì)于模式庫(kù)和對(duì)象都模糊的，稱(chēng)為模糊模式識(shí)別的間接方法，主要采用擇近原則進(jìn)行識(shí)別判斷。

1.3 模糊綜合評(píng)判

在實(shí)際生活中，對(duì)受到多種因素影響的事物進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種相關(guān)因素做出合理決策，這就是綜合評(píng)判問(wèn)題。而對(duì)于其中一些不明確的因素，往往采用模糊語(yǔ)言去描述，這就是模糊綜合評(píng)判。模糊綜合評(píng)判的基本思想是利用模糊線(xiàn)性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評(píng)價(jià)事物相關(guān)的各個(gè)因素，對(duì)其作出合理的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)影響因素的多少和復(fù)雜程度，又可分為一級(jí)模糊綜合評(píng)判和多級(jí)模糊綜合評(píng)判。

1.4 模糊決策

模糊決策就是研究在模糊環(huán)境下或模糊系統(tǒng)中進(jìn)行決策的數(shù)學(xué)理論與方法。其目標(biāo)是把決策論域中的對(duì)象在模糊環(huán)境下進(jìn)行排序，或者按照某些模糊限制條件從決策論域中選擇出最優(yōu)對(duì)象。模糊決策的主要方法有多目標(biāo)模糊決策法、層次權(quán)重決策分析法和意見(jiàn)集中排序法等[1]。

2 模糊理論在港口碼頭工程中的應(yīng)用

2.1 碼頭可靠度分析和評(píng)估

竺存宏等[2]將影響高樁碼頭的各個(gè)構(gòu)件(樁、梁、前方面板、后方面板、樁帽、靠船構(gòu)件)作為影響碼頭整體可靠度的準(zhǔn)則層。把各個(gè)構(gòu)件的外觀質(zhì)量、裂縫、鋼筋銹蝕作為指標(biāo)層。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料和經(jīng)驗(yàn)給定各因素的權(quán)值。將碼頭的損壞程度分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判對(duì)高樁碼頭的可靠度進(jìn)行評(píng)估。

孟靜等[3]通過(guò)全面分析影響高樁碼頭結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)的影響因素，建立了包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的多層模糊評(píng)價(jià)模型，準(zhǔn)則層根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性包括單個(gè)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)體系(其下包括體系組成構(gòu)件)。采用AHP法結(jié)合專(zhuān)家打分，利用matlab軟件編程計(jì)算各個(gè)部分的權(quán)重。經(jīng)過(guò)多層模糊運(yùn)算得到高樁碼頭完好狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果。

葉成華等[4]在建立老碼頭模糊綜合評(píng)價(jià)模型時(shí)，準(zhǔn)則層選取碼頭的適應(yīng)性、耐久性、使用性及安全性四個(gè)方面。評(píng)價(jià)集選為很好、較好、一般、差。利用層次分析法計(jì)算權(quán)重，檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合專(zhuān)家打分得出各指標(biāo)隸屬度，通過(guò)模糊運(yùn)算得到老碼頭綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 碼頭安全性評(píng)估

張吉廣等[5]采用層次分析法建立港口安全體系評(píng)估模型，將影響港口安全的因素集分為人員、設(shè)備、管理、環(huán)境4類(lèi)因素，其下再分13個(gè)指標(biāo)。以好、一般、差作為評(píng)價(jià)集，采用二級(jí)模糊綜合評(píng)判對(duì)港口安全體系進(jìn)行綜合評(píng)估。

程婷[6]建立了針對(duì)梁板式高樁碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的多層安全性評(píng)估模型，依據(jù)規(guī)范把評(píng)價(jià)集定位A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)得到各因素指標(biāo)的隸屬度，先進(jìn)行單因素評(píng)判，再逐級(jí)評(píng)判，最終確定碼頭的結(jié)構(gòu)安全性。

王德虎等[7]采用層次分析法建立高樁碼頭安全性評(píng)估指標(biāo)體系，將高樁碼頭安全評(píng)估分為外觀檢測(cè)評(píng)估和承載能力評(píng)估兩個(gè)準(zhǔn)則層。其下另分指標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)層、二級(jí)指標(biāo)層。以完好、良好、差、危險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)作為評(píng)價(jià)集。通過(guò)專(zhuān)家填寫(xiě)兩兩判斷矩陣，運(yùn)用Excel軟件中的最優(yōu)權(quán)向量計(jì)算相應(yīng)權(quán)重。

王學(xué)軍等[8]建立了一套適用于內(nèi)河碼頭的安全綜合評(píng)價(jià)體系。該體系把碼頭的安全性評(píng)估分為4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和13個(gè)二級(jí)指標(biāo)，利用乘積方根法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)權(quán)值的大小給各評(píng)價(jià)指標(biāo)排序，并定量逐級(jí)遞增打分，定量打分結(jié)果和權(quán)值相乘求和得到安全度值。

2.3 碼頭耐久性評(píng)估

吳鋒等[9]利用AHP法將高樁碼頭耐久性綜合評(píng)估分為樁、梁、板、樁帽和附屬設(shè)施5個(gè)一級(jí)指標(biāo)，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)鋼筋銹蝕、構(gòu)建裂縫和外觀狀態(tài)3個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)以及規(guī)范，以良好、較好、差、危險(xiǎn)作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)變權(quán)理論優(yōu)化權(quán)重，建立高樁碼頭適用的耐久性層次結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而對(duì)耐久性進(jìn)行評(píng)估。

徐秀娟等[10]研究了高樁碼頭結(jié)構(gòu)耐久性的損傷特點(diǎn)，建立了包含結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的準(zhǔn)則層和影響耐久性主要因素的指標(biāo)層的多層評(píng)估模型。運(yùn)用層次分析法計(jì)算初始權(quán)重，再運(yùn)用熵的性質(zhì)對(duì)初始權(quán)重進(jìn)行修正，得到實(shí)用權(quán)重。最后以灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行分級(jí)評(píng)估。

劉榮桂等[11]采用基于軟劃分的模糊c-均值聚類(lèi)法對(duì)樣本進(jìn)行模糊劃分，利用Matlab編程求出聚類(lèi)中心，給出每個(gè)樣本隸屬于某一聚類(lèi)中心的模糊隸屬度，并建立耐久性類(lèi)別的動(dòng)態(tài)描述，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海工構(gòu)件耐久性的模糊評(píng)估。

王博等[12]研究了水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，建立以施工質(zhì)量、材料和環(huán)境因素三個(gè)方面為準(zhǔn)則層，10項(xiàng)耐久性影響因素為指標(biāo)層的耐久性評(píng)估模型。對(duì)各影響因素分別建立隸屬函數(shù)，層次分析法計(jì)算權(quán)值，加法權(quán)法計(jì)算相對(duì)重要權(quán)值，最后對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

宋立元等[13]在利用生存分析中的生存函數(shù)乘積限估計(jì)方法研究混凝土耐久性壽命時(shí)，融合模糊綜合評(píng)判，計(jì)算刪失示性函數(shù)模糊特征值，補(bǔ)充到傳統(tǒng)生存分析方法中去，使得混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命統(tǒng)計(jì)更加合理。

2.4 碼頭運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

潘科等[14]考慮人員影響因素評(píng)價(jià)、運(yùn)營(yíng)設(shè)備與設(shè)施評(píng)價(jià)、外界環(huán)境評(píng)價(jià)、安全管理評(píng)價(jià)這四項(xiàng)來(lái)構(gòu)建集裝箱碼頭運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為可忽略、可接受但需整改、不可接受三個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用層次分析法計(jì)算權(quán)重，同時(shí)引入集對(duì)分析理論來(lái)確定碼頭運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.5 碼頭設(shè)備選型

計(jì)三有等[15]從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境三個(gè)層面對(duì)碼頭堆場(chǎng)裝卸設(shè)備進(jìn)行比選，將程度分析法和綜合決策理論應(yīng)用于層次分析法，得出一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)完成設(shè)備的選型。

趙宏光等[16]運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法，請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)同一評(píng)價(jià)指標(biāo)給予打分，權(quán)重比法確定權(quán)重，通過(guò)二元比較, 根據(jù)最大隸屬度原則來(lái)確定最優(yōu)方案。

2.6 方案比選

孫成功等[17]以經(jīng)濟(jì)性、施工工期、平面布置性能、水工建筑物性能和裝卸工藝性作為因素集，很差、差、較差、一般、較好、好、很好作為評(píng)價(jià)集，采用模糊二級(jí)綜合評(píng)判對(duì)工程方案進(jìn)行對(duì)比確定最優(yōu)方案。

模糊理論，尤其是模糊層次分析法，在碼頭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、耐久性評(píng)估、方案比選方面應(yīng)用普遍。多數(shù)學(xué)者通過(guò)層次分析法建立評(píng)估模型，并計(jì)算權(quán)重，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要對(duì)初始權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，如采用變權(quán)理論、熵法、加法權(quán)法等。這些方法都在一定程度上減小了主觀因素在權(quán)重計(jì)算中的影響。

對(duì)于評(píng)價(jià)集的選取，有的學(xué)者根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定，有的則根據(jù)評(píng)估目標(biāo)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)資料來(lái)確定，一般來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取遵循以下原則：(1)能夠明確的表達(dá)含義；(2)能夠量化表達(dá)；(3)易于解釋和說(shuō)明；(4)能夠綜合概括反映事物關(guān)鍵因素；(5)在時(shí)間上具有動(dòng)態(tài)性、連續(xù)性，對(duì)事物的變化具有敏感性。

利用多層模糊綜合評(píng)判，建立模糊綜合評(píng)估模型，可以使定性分析結(jié)果量化，在一定程度上降低了評(píng)判中的主觀隨意性，使評(píng)估結(jié)果更加合理、可靠。

3 港口碼頭工程領(lǐng)域模糊理論應(yīng)用展望

從模糊理論運(yùn)用于港口碼頭工程的研究現(xiàn)狀看，模糊理論的應(yīng)用研究今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：

(1)模糊層次分析法在港口碼頭工程應(yīng)用比較廣泛，但AHP法應(yīng)用到模糊理論在學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)議。AHP理論創(chuàng)始人Saaty從模糊AHP缺乏數(shù)理邏輯性、AHP判斷本身就來(lái)自模糊語(yǔ)義再次模糊意義不大和模糊AHP對(duì)不一致性的改進(jìn)不一定能確保改進(jìn)結(jié)果的有效性等方面對(duì)模糊AHP提出質(zhì)疑[18]。對(duì)此，仍需在理論上作進(jìn)一步的研究。

(2)權(quán)重是反映各個(gè)因素在評(píng)估中所起作用的直接表征量。目前，各指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算主要由專(zhuān)家構(gòu)造的兩兩比較判斷矩陣計(jì)算出權(quán)重，受限于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)水平，其構(gòu)造的判斷矩陣的合理性存疑，進(jìn)而影響權(quán)重的正確性。因此，權(quán)重的確定是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

(3)影響碼頭結(jié)構(gòu)的因素眾多，關(guān)系復(fù)雜，在進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)時(shí)，往往只考慮單一因素的影響，如何綜合考慮各個(gè)因素的共同耦合作用下的評(píng)估是今后需要深入研究的問(wèn)題。

(4)在運(yùn)用模糊理論進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可根據(jù)需要和其他理論進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，例如模糊理論和灰色理論，模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊理論和人工智能等。

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張飛(1990～)，男，碩士研究生，主要從事海洋結(jié)構(gòu)物應(yīng)用工程研究；高屹(1976～)，男，副教授，碩導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程、工程維護(hù)與加固。

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[定稿日期]2015-03-17