淺談ANP在智能航運(yùn)的應(yīng)用與未來

章毅鵬＊，韓豐霞

（昆明理工大學(xué)理學(xué)院，云南 昆明 650500）

“必須堅(jiān)持?jǐn)U大開放，不斷推動(dòng)共建人類命運(yùn)共同體”，這是習(xí)近平總書記在慶祝改革開放40 周年大會(huì)上的重要講話，是新時(shí)代開放的宣言。智能航運(yùn)作為國內(nèi)國際經(jīng)濟(jì)交融最主要的方式之一，是開大國門的重要表現(xiàn)，也是重要的研究內(nèi)容。智能航運(yùn)是現(xiàn)代信息、人工智能等高新技術(shù)與航運(yùn)要素深度融合形成的航運(yùn)新業(yè)態(tài)[1]。智能航運(yùn)近幾年在國家政策扶持下取得了前所未有的進(jìn)步，然而高速發(fā)展的同時(shí)也帶來了許多問題，如：航線結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、航線選擇決策較差等。智能航運(yùn)每個(gè)方面都面臨著無數(shù)的決策問題，科學(xué)地進(jìn)行決策是目前智能航運(yùn)面臨的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）是美國匹茲堡大學(xué)T.L.Saaty 教授1996年提出的一種適應(yīng)非獨(dú)立的遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法[2]，廣泛應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、交通線路決策等實(shí)際場景，本文將著重討論ANP 在智能航運(yùn)中的應(yīng)用。

本文在第一章對ANP 的原理進(jìn)行分析與討論。在第二章中將討論ANP 算法應(yīng)用于實(shí)際的航線優(yōu)化的實(shí)際場景中，并大膽做出展望與猜想。最后一章將對全文進(jìn)行總結(jié)。

1 ANP 原理分析

1.1 ANP 定義與架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)分析法于1996年提出，是一種適應(yīng)非獨(dú)立的遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法，它是在層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的基礎(chǔ)上發(fā)展而形成的一種新的實(shí)用決策方法[2]。AHP 作為一種基礎(chǔ)的決策方案，提供了一種表示決策因素測度的基本方法。為了用于解決復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部元素依存關(guān)系和下層元素對上層元素的反饋影響問題以及在不同實(shí)際場景的應(yīng)用，ANP就此誕生。

ANP 一般由兩部分組成，如圖1 所示。分別是控制因素層與網(wǎng)絡(luò)層。其中控制因素層主要包括了問題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則，層中所有的決策準(zhǔn)則均被認(rèn)為是彼此獨(dú)立的，且只受目標(biāo)元素支配[3]。值得注意的是，控制因素中可以沒有決策準(zhǔn)則，但至少有一個(gè)目標(biāo)，否則認(rèn)為模型不成立；第二部分為網(wǎng)絡(luò)層，由所有受控制層支配的元素組組成，其內(nèi)部是互相影響的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，元素之間互相依存、互相支配，元素和層次間內(nèi)部不獨(dú)立，是一個(gè)互相依存，具備反饋能力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

簡單地說，ANP 是在面臨多個(gè)選擇的情況下通過計(jì)算各元素組之間相應(yīng)的權(quán)重得到最優(yōu)解的一種優(yōu)秀決策方法。

1.2 ANP 決策步驟

1.2.1 問題分析

決策問題系統(tǒng)的分析、組合并定義元素和元素集是ANP 決策方案的第一步也是最為重要的一點(diǎn)，直接影響決策結(jié)果的好壞。

1.2.2 構(gòu)造ANP 結(jié)構(gòu)

ANP 的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一般分為兩步：即控制層次的構(gòu)造與網(wǎng)絡(luò)層次的構(gòu)造。其中構(gòu)造控制層次主要目的是將決策目標(biāo)、決策準(zhǔn)則界定；在網(wǎng)絡(luò)層次的構(gòu)造中，需要對每一個(gè)元素集進(jìn)行歸類，并分析其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相互影響的關(guān)系，其設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體的實(shí)際應(yīng)用場景。

1.2.3 未加權(quán)超矩陣的構(gòu)造

通過對元素相關(guān)分析，對相對比較準(zhǔn)則有關(guān)系的元素，進(jìn)行兩兩元素間的相對重要性比較，結(jié)合實(shí)際場景應(yīng)用中的元素及元素組構(gòu)造元素判斷矩陣和全部判斷矩陣。完成矩陣構(gòu)造之后，再經(jīng)過相應(yīng)的比較，從而獲得不同元素組間的相應(yīng)的權(quán)重和判斷矩陣的相對權(quán)重，構(gòu)建初始未加權(quán)超矩陣[4]。

1.2.4 加權(quán)超矩陣和極限超矩陣的計(jì)算

加權(quán)超矩陣和極限超矩陣可以確定元素的優(yōu)先度結(jié)果，即元素在系統(tǒng)中的權(quán)重。一般由未加權(quán)超矩陣計(jì)算出，最后通過輸出的權(quán)重進(jìn)行綜合評估得到最優(yōu)解。

2 ANP 在智能航運(yùn)中的應(yīng)用

2.1 航速的決策

大型船舶是長途水上交通最主要的運(yùn)輸工具，其航速的合理控制能夠降低運(yùn)輸成本，減少污染氣體的排放，還能提升運(yùn)輸過程中的安全。船舶處于最佳航速是指燃油利用最大化、運(yùn)輸成本最低化、污染氣體排放量最小化、安全性能最高化的理想狀態(tài)。以此為基礎(chǔ)，我們可以考慮將船舶阻力、船舶排水量、船艏吃水、船艉吃水、船舶長度、船舶型寬、船舶型深、發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、螺旋槳距等參數(shù)作為ANP 網(wǎng)絡(luò)中的元素集參數(shù)進(jìn)行建模，然后通過擬合曲線尋找最優(yōu)解。值得一提的是，該決策法不具備普遍適用性，需結(jié)合不同的場景與船舶進(jìn)行細(xì)粒度的建模。

2.2 智能航線的決策

水路運(yùn)輸已經(jīng)成為國內(nèi)國際貿(mào)易最主要運(yùn)輸方式之一，但由于人力、能源等成本極高，中小型船舶每日的運(yùn)營成本達(dá)到高達(dá)數(shù)千美元。因此，對航線和班輪掛靠日期的進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，減少非必要的航線運(yùn)輸就能通過降低時(shí)間成本節(jié)省大量的營運(yùn)消耗提高航運(yùn)效率[5]。但通過調(diào)研表明，我國的國內(nèi)航運(yùn)仍然缺乏官方的管制，航運(yùn)路線主要由航運(yùn)公司自制，運(yùn)力重疊、特殊時(shí)期港口堵塞等問題仍然難以避免。針對智能航線的決策，我們可以采取ANP 從兩個(gè)角度入手嘗試解決。首先是尋找可行航線，從時(shí)間和運(yùn)量約束的角度對不同的船舶進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。然后在前者的基礎(chǔ)上保證各個(gè)港口都能被正常訪問、滿足運(yùn)量需求，并對不同的船舶進(jìn)行細(xì)粒度的線路規(guī)劃與港口規(guī)劃，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)航運(yùn)線路上的船舶均能分配到最優(yōu)線路，將運(yùn)輸?shù)某杀咀畹突Ｔ诖嘶A(chǔ)上可以利用線性規(guī)劃，曲線擬合等其他輔助工具對ANP 模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)參。

2.3 突發(fā)情況下的決策

船舶在水域中航行是具有六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，主要在規(guī)則地域化、非一致性、不穩(wěn)定性、控制力不足等方面體現(xiàn)[6]。這也直接導(dǎo)致了目前智能航運(yùn)中主要存在的兩個(gè)問題。首先是船舶的航 行記錄無法與多變的環(huán)境相匹配，在氣候、季節(jié)等自然環(huán)境的變化下，船舶的航行適應(yīng)性應(yīng)進(jìn)行針對性的調(diào)整；然后是由于貨運(yùn)船舶具備質(zhì)量大、運(yùn)動(dòng)慣性大等特點(diǎn)，導(dǎo)致了船舶的控制難度大、控制精度的不足、難以短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行校正等問題。在突發(fā)情況（如：暴雨、大霧等）下，是否繼續(xù)航行、航行速度是否降低等都是值得研究的問題，船舶在突發(fā)情況下的標(biāo)準(zhǔn)化校正將是未來的研究重點(diǎn)。

ANP 結(jié)構(gòu)多樣性的優(yōu)勢在這種情況下能得到最大化地利用，可以通過計(jì)算實(shí)際突發(fā)情況下各個(gè)權(quán)重的值，確定的元素相對排序向量，從而對突發(fā)情況下的選擇做出相對客觀的評價(jià)和安全的選擇。

3 結(jié)論

ANP 決策方法自提出之后一直經(jīng)久不衰，被廣泛應(yīng)用于各種決策場景。ANP 是在AHP 基礎(chǔ)上，具備了“反饋”能力的升級決策方案，通過計(jì)算“超矩陣”和“極限超矩陣”對各元素進(jìn)行綜合分析得出其混合權(quán)重，最后得到最優(yōu)解的優(yōu)秀決策方案。

ANP 在智能航運(yùn)的未來發(fā)展中展現(xiàn)出了無限的潛力。從控制航運(yùn)速度最優(yōu)解到智能航線的決策再到航運(yùn)中突發(fā)情況下做出最優(yōu)決策都是ANP 可以大放光彩的舞臺(tái)。隨著智能航運(yùn)的不斷發(fā)展，在不久的將來或者會(huì)出現(xiàn)這樣的風(fēng)光場景：航運(yùn)將實(shí)現(xiàn)全方面的自動(dòng)化，所有船舶都能自主接受物資運(yùn)輸訂單，在收到訂單后自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)航運(yùn)路線與最優(yōu)交易港口。在運(yùn)輸途中遇到任何突發(fā)情況，船舶能夠自主做出最優(yōu)的決策，可以自主避免交通堵塞，在遇到不可抗拒的自然因素可以自我保護(hù)，將損失降至最低。

ANP 在智能航運(yùn)的合理應(yīng)用或許會(huì)加速智能航運(yùn)的發(fā)展，成為我國航運(yùn)業(yè)在國際競爭中突出重圍的重要技術(shù)支撐。