基于層次分析法的船閘通過(guò)能力影響因素研究*

王多銀，程夢(mèng)瑤，黃海津

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

通航船閘是實(shí)現(xiàn)內(nèi)河渠化和溝通不同水系的重要建筑物，在綜合交通運(yùn)輸體系中占有十分重要的地位。船閘通過(guò)能力作為通航船閘的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)促進(jìn)沿江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展起著極為重要的作用。隨著沿江經(jīng)濟(jì)帶的快速發(fā)展，貨運(yùn)需求逐年攀升，大量船閘通過(guò)能力不足的問(wèn)題日益凸顯。例如，三峽船閘自2003年運(yùn)行以來(lái)，貨運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，至2011年，年通過(guò)量首次超過(guò)1億t，提前19年達(dá)到設(shè)計(jì)通過(guò)能力[1]。近年來(lái)三峽船閘年通過(guò)量超1億t已是常態(tài)，不斷增長(zhǎng)的過(guò)閘貨運(yùn)量，導(dǎo)致船舶待閘時(shí)間增加，部分生產(chǎn)物資不能及時(shí)運(yùn)輸，出現(xiàn)了限產(chǎn)、停產(chǎn)等狀況，三峽船閘通過(guò)能力與不斷增長(zhǎng)的貨物需求已不相適應(yīng)，三峽船閘通過(guò)能力不足已成為制約長(zhǎng)江黃金水道發(fā)展的瓶頸[2]。因此，及時(shí)開(kāi)展船閘通過(guò)能力影響因素研究顯得尤為必要，對(duì)挖掘船閘過(guò)閘潛力、提升船閘通過(guò)能力意義重大。

迄今為止，對(duì)船閘通過(guò)能力影響因素的研究已有較多成果。王作高[3]系統(tǒng)總結(jié)了船閘通過(guò)能力影響因素，指出其影響因素很多，主要包括內(nèi)部因素，外部因素和管理因素3大類(lèi)。張瑋等[4]依據(jù)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中船閘通過(guò)能力計(jì)算公式，結(jié)合蘇北運(yùn)河部分船閘多年統(tǒng)計(jì)資料，分析了蘇北運(yùn)河部分船閘通過(guò)能力影響因素，指出船型、載質(zhì)量以及閘室有效面積利用率對(duì)船閘通過(guò)能力影響最大。王軒等[5]通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，指出船閘所在地社會(huì)生產(chǎn)總值為船閘通過(guò)能力的最優(yōu)影響因素。丁益等[6]通過(guò)三峽船閘的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其通過(guò)能力影響因素進(jìn)行了研究，指出通航設(shè)施不完善、過(guò)閘船舶復(fù)雜多樣化及自然環(huán)境是影響三峽船閘通過(guò)能力的主要因素。舒小紅[7]通過(guò)深入分析湘江船閘通過(guò)能力現(xiàn)狀，指出船舶尺度不標(biāo)準(zhǔn)、貨運(yùn)量及船舶流量分布不均衡、自然條件是限制湘江船閘通過(guò)能力的瓶頸。然而，眾多影響因素也導(dǎo)致實(shí)際分析中還存在許多不足：1)現(xiàn)有研究多針對(duì)特定工程，在影響因素的考慮上均有所側(cè)重，研究結(jié)果存在一定的局限性和片面性，缺乏系統(tǒng)性和綜合性;2)現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法在影響因素權(quán)重方面考慮還有所欠缺，缺少?gòu)V泛調(diào)查，評(píng)價(jià)結(jié)果存在較強(qiáng)的主觀性，缺乏一致性和準(zhǔn)確性;3)現(xiàn)有對(duì)船閘通過(guò)能力影響因素重要性判斷，多采用定性描述，鮮有影響因素間相對(duì)重要性定量關(guān)系的報(bào)道。

鑒于此，本文選用層次分析法與德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)研究船閘通過(guò)能力影響因素。首先對(duì)眾多影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，構(gòu)建層次模型，并在運(yùn)算過(guò)程中采用線性代數(shù)的方法，邏輯過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)[8]；船閘通過(guò)能力影響因素的重要程度評(píng)價(jià)主要取決于專家的工程實(shí)踐，通過(guò)德?tīng)柗品ㄔO(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，邀請(qǐng)專家打分確定其相對(duì)重要程度，保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的權(quán)威性；因素權(quán)重的確定具有一定的主觀性，評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性取決于影響因素權(quán)重的分布以及綜合評(píng)價(jià)的綜合權(quán)值，而層次分析法可以很好地解決因素權(quán)重的分配問(wèn)題；最后通過(guò)層次分析法計(jì)算各層影響因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響的綜合權(quán)重，可得出船閘通過(guò)能力影響因素間的定量關(guān)系。

1 層次結(jié)構(gòu)模型建立及指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

1.1 層次結(jié)構(gòu)模型建立

應(yīng)用層次分析法解決問(wèn)題時(shí)，首先應(yīng)建立層次結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)所選影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，將影響因素進(jìn)行分組，每組視為1個(gè)層級(jí)，并將各層級(jí)視為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，從而建立船閘通過(guò)能力影響因素層次結(jié)構(gòu)模型。本文在文獻(xiàn)[3]～[7]的基礎(chǔ)上，全面綜合地對(duì)船閘通過(guò)能力影響因素進(jìn)行研究，從船閘影響因素、船舶影響因素、管理影響因素及環(huán)境影響因素4個(gè)方面構(gòu)建了3個(gè)層次共17個(gè)指標(biāo)(表1)。

表1 船閘通過(guò)能力影響因素層次結(jié)構(gòu)模型

1.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

1.2.1構(gòu)造判斷矩陣

層次分析法分析問(wèn)題的關(guān)鍵是構(gòu)造判斷矩陣。層次分析法是基于對(duì)各個(gè)因素之間的相對(duì)重要性的定量化描述，用數(shù)值表示這些定量化描述，并寫(xiě)成矩陣的形式，即判斷矩陣，通常表示為A=(aij)n×n。實(shí)際運(yùn)用中，通常進(jìn)行大量調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)，將專家對(duì)每一層中各因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較判斷，通過(guò)使用1～9級(jí)標(biāo)度表示出來(lái)[9]，從而獲得判斷矩陣。

1.2.2層次單排序及一致性檢驗(yàn)

層次單排序，指根據(jù)判斷矩陣計(jì)算當(dāng)前層級(jí)與前一層級(jí)中因素，以及本層級(jí)與之相關(guān)因素的重要程度的排序。具體計(jì)算步驟如下：將判斷矩陣A按列歸一化，得到1個(gè)新矩陣；將新矩陣各行相加，構(gòu)造出1個(gè)列向量wi；列向量歸一化，即得到各指標(biāo)權(quán)重列向量Wi。

由于對(duì)客觀事物進(jìn)行分析時(shí)，問(wèn)題存在復(fù)雜性和認(rèn)知上的局限性，通過(guò)影響因素兩兩比較得到的判斷矩陣，不一定滿足矩陣的一致性條件要求，這就導(dǎo)致了權(quán)重計(jì)算存在誤差。因此，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[10]。具體計(jì)算步驟為：

1)計(jì)算判斷矩陣A的一致性指數(shù)

(1)

式中：n為指標(biāo)數(shù)量；λmax為最大特征值，計(jì)算公式為：

(2)

2)查詢判斷矩陣A對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，見(jiàn)表2。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

3)計(jì)算一致性比率：

(3)

當(dāng)CR< 0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可接受的，各影響因素權(quán)重分配合理；否則，須調(diào)整和校正判斷矩陣，直到可接受的一致性結(jié)果。

1.2.3層次總排序及一致性檢驗(yàn)

(4)

層次總排序一致性檢驗(yàn)，具體計(jì)算步驟為：

1)計(jì)算總排序一致性指標(biāo)：

(5)

2)計(jì)算總排序平均隨機(jī)一致性指標(biāo):

(6)

3)計(jì)算總排序一致性比率:

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 各影響因素權(quán)重的確定

為確保權(quán)重的客觀性和科學(xué)性，本文采用德?tīng)柗品ǎ瑢?duì)高等院校、研究機(jī)構(gòu)等多位專家學(xué)者進(jìn)行了意見(jiàn)咨詢，并向上述專家發(fā)放船閘通過(guò)能力影響因素調(diào)查問(wèn)卷，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。本研究發(fā)放問(wèn)卷10份，回收有效問(wèn)卷7份，有效回收率為70%。根據(jù)各位專家打分的結(jié)果，求得各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)平均得分，構(gòu)造準(zhǔn)則層及各個(gè)指標(biāo)層判斷矩陣，然后計(jì)算各個(gè)影響因素權(quán)重，并對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

船閘通過(guò)能力一級(jí)影響因素判斷矩陣及各因素權(quán)重見(jiàn)表3。船閘影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重見(jiàn)表4。船舶影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重見(jiàn)表5。管理影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重見(jiàn)表6。環(huán)境影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重見(jiàn)表7。

表3 船閘通過(guò)能力一級(jí)影響因素判斷矩陣及各因素權(quán)重

注：λmax=4.215 9，CI=0.072 0，CR=0.079 9。

表4 船閘影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重

注：λmax=6.469 8，CI=0.094 0，CR=0.075 8。

表5 船舶影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重

注：λmax=4.121 9，CI=0.040 6，CR=0.045 1。

表6 管理影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重

注：λmax=3，CI=0，CR=0。

表7 環(huán)境影響因素指標(biāo)判斷矩陣及各因素權(quán)重

注：λmax=4.135 7，CI=0.045 2，CR=0.050 3。

由表3～7可見(jiàn)，各層次單排序?qū)?yīng)判斷矩陣的CR均小于0.1。由此，各層次單排序判斷矩陣均滿足一致性檢驗(yàn)要求，各個(gè)影響因素權(quán)重分配是合理的。

2.2 各影響因素綜合權(quán)重的確定

經(jīng)過(guò)上述分析計(jì)算，得到了每一層級(jí)中各個(gè)因素的權(quán)重值。最終要得到全部因素對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重排序，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出船閘通過(guò)能力影響因素間的定量關(guān)系。全部因素權(quán)重的總排序，是從上到下地將單一準(zhǔn)則層下的權(quán)重排序進(jìn)行整合匯總得到。各影響因素綜合權(quán)重見(jiàn)表8。

表8 各影響因素綜合權(quán)重

續(xù)表8

層次B1B2B3B4綜合權(quán)重C90.09810.0212C100.28750.0620C110.50000.0487C120.25000.0243C130.25000.0243C140.12930.0086C150.50130.0333C160.10560.0070C170.26380.0175

注：CI′=0.071 0，RI′=1.079 8，CR′=0.064 9。

由表8可見(jiàn)，CR′< 0.1，由此，層次總排序滿足一致性檢驗(yàn)要求，各個(gè)影響因素綜合權(quán)重分配是合理的。

2.3 各影響因素重要性比較

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得各因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響的相對(duì)重要程度。一級(jí)和二級(jí)影響因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響的相對(duì)重要程度見(jiàn)圖1。

圖1 一級(jí)和二級(jí)影響因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響的相對(duì)重要程度

由圖1a)可知，一級(jí)影響因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響大小排序?yàn)椋捍l影響因素> 船舶影響因素> 管理影響因素> 環(huán)境影響因素。由圖1b)可知，二級(jí)影響因素中，船閘運(yùn)行水位、船閘級(jí)數(shù)和線數(shù)、閘室有效尺度、各類(lèi)船舶的尺度、船舶裝載系數(shù)對(duì)船閘通過(guò)能力影響較大；船閘灌泄水時(shí)間、船舶類(lèi)型與組織方式、管理人員技術(shù)水平對(duì)船閘通過(guò)能力影響也相當(dāng)明顯；其他二級(jí)影響因素對(duì)船閘通過(guò)能力相對(duì)較??；環(huán)境影響因素中通航水流條件對(duì)船閘通過(guò)能力影響最為明顯。

通過(guò)上述對(duì)影響因素重要性比較，可得出對(duì)船閘通過(guò)能力影響較大的因素有船閘運(yùn)行水位、船閘級(jí)數(shù)和線數(shù)、閘室有效尺度、各類(lèi)船舶的尺度、船舶裝載系數(shù)。對(duì)于已建船閘，船閘級(jí)數(shù)和線數(shù)、閘室有效尺度是確定的，因此在提升通過(guò)能力方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮船閘運(yùn)行水位、船舶尺度和船舶裝載系數(shù)的影響。例如，程夢(mèng)瑤[11]、謝凱等[12]指出對(duì)船閘通過(guò)能力進(jìn)行年分時(shí)段計(jì)算，綜合考慮船舶吃水與最小門(mén)檻水深之間的關(guān)系，對(duì)船舶進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度和管理，可有效地提高船閘的通過(guò)能力。丁益等、舒小紅指出通過(guò)推進(jìn)船舶尺度大型化、標(biāo)準(zhǔn)化，以提高船舶閘室面積利用率，從而有效提高船閘的通過(guò)能力。朱俊等[13]、王海江[14]指出三峽船閘過(guò)閘船舶存在裝載系數(shù)較低的問(wèn)題，可通過(guò)提高船舶的實(shí)載率，進(jìn)而提高三峽船閘通過(guò)能力。

3 結(jié)論

1)本文采用層次分析法與德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，從船閘影響因素、船舶影響因素、管理影響因素及環(huán)境影響因素4個(gè)方面構(gòu)建了3個(gè)層次17個(gè)指標(biāo)的船閘通過(guò)能力影響因素層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)構(gòu)建各因素間的判斷矩陣，確定了各因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響的權(quán)重值。

2)通過(guò)比較各因素間的權(quán)重大小，得出對(duì)船閘通過(guò)能力影響較大的因素有船閘影響因素(主要包括船閘運(yùn)行水位、船閘級(jí)數(shù)和線數(shù)、閘室有效尺度)和船舶影響因素(主要包括各類(lèi)船舶的尺度、船舶裝載系數(shù))。

3)通過(guò)各因素對(duì)船閘通過(guò)能力影響重要性比較，指出對(duì)于已建船閘，在提升通過(guò)能力方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮船閘運(yùn)行水位、船舶尺度和船舶裝載系數(shù)的影響。