傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造程度評(píng)價(jià)分析

摘?要：為追求裝卸作業(yè)效率的提升，國內(nèi)各主要碼頭紛紛開展傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造工作，受業(yè)務(wù)模式、營業(yè)狀況及自身發(fā)展需要等因素限制，目前改造工作大多基于工程經(jīng)驗(yàn)而缺乏理論支撐，無論是工程實(shí)踐或是理論研究均未涉及改造程度的判斷。本文綜合考慮碼頭規(guī)模、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、勞動(dòng)力豐富度等可能影響碼頭發(fā)展的維度，構(gòu)建了跨維度的傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造程度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，使用模糊層次分析法確定了權(quán)重系數(shù)，遴選了全國10家代表性的傳統(tǒng)碼頭作為評(píng)測對(duì)象。評(píng)測結(jié)果顯示，碼頭年吞吐量越高，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入越高，城鎮(zhèn)人口數(shù)越低，則越適合進(jìn)行深度改造，評(píng)測結(jié)果充分證明了模型的有效性。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化改造；評(píng)價(jià)分析；模糊層次分析法

中圖分類號(hào)：U?691??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In?order?to?improve?the?efficiency?of?loading?and?unloading?operations，major?domestic?terminals?have?carried?out?automatic?transformation?of?traditional?container?terminals.Limited?by?business?model，business?status?and?development?needs，the?current?transformation?work?is?mostly?based?on?engineering?experience?but?lacks?theoretical?support，and?neither?engineering?practice?nor?theoretical?research?involves?the?judgment?of?transformation?degree.In?this?paper，considering?the?dimensions?that?may?affect?the?development?of?terminals，such?as?the?scale?of?terminals，the?level?of?regional?economic?development?and?the?richness?of?labor?force，a?crossdimensional?mathematical?model?is?constructed?for?the?evaluation?of?the?degree?of?automatic?transformation?of?traditional?container?terminals.The?fuzzy?analytic?hierarchy?process?is?used?to?determine?the?weight?coefficient，and?10?representative?traditional?terminals?in?China?are?selected?as?evaluation?objects.The?evaluation?results?show?that?the?higher?the?annual?throughput?of?the?terminal，the?higher?the?per?capita?disposable?income?of?urban?residents?and?the?lower?the?number?of?urban?population，the?more?suitable?for?indepth?transformation.The?evaluation?results?fully?prove?the?effectiveness?of?the?model.

Keywords：automatic?transformation；evaluation；fuzzy?analytic?hierarchy?process

近年來，我國港口加快科技領(lǐng)域自主創(chuàng)新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，持續(xù)推進(jìn)自動(dòng)化碼頭建設(shè)，相關(guān)技術(shù)及裝備已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。我國在建和已建成的自動(dòng)化碼頭達(dá)17座，自動(dòng)化碼頭規(guī)模居全球第一，其中上海洋山四期自動(dòng)化碼頭2022年吞吐量已突破630萬標(biāo)箱的設(shè)計(jì)吞吐能力。

受岸線資源、業(yè)務(wù)模式等因素影響，除新建自動(dòng)化碼頭外，國內(nèi)傳統(tǒng)集裝箱碼頭也在加快自動(dòng)化改造的步伐。與此同時(shí)，關(guān)于傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造（以下簡稱“傳改”）的理論研究則被學(xué)者們所關(guān)注。在改造的整體規(guī)劃方面，王榮鵬［1］對(duì)比了自動(dòng)化碼頭與傳統(tǒng)碼頭的工藝和設(shè)備配置，分析總結(jié)了碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造的技術(shù)途徑。張清波［2］等使用仿真軟件對(duì)兩種碼頭布局及裝卸工藝進(jìn)行了仿真，從堆場作業(yè)能力等四方面對(duì)兩種工藝進(jìn)行了評(píng)估。沈園［3］對(duì)傳改中自動(dòng)化工藝設(shè)備選型及工藝平面方案進(jìn)行了比選。在碼頭片區(qū)方面，林洪為［4］對(duì)碼頭堆場的自動(dòng)化改造進(jìn)行了論述，強(qiáng)調(diào)了邊生產(chǎn)、邊改造、邊調(diào)試、邊上線的改造理念。單機(jī)設(shè)備層面，蔡超［5］對(duì)輪胎吊的油改電系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

盡管如此，國內(nèi)目前對(duì)傳改的理論研究依然較少，傳改的改造程度研究更是乏善可陳，國內(nèi)各碼頭更多根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)及歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改造，缺乏理論依據(jù)。本文從碼頭規(guī)模、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力三個(gè)維度出發(fā)，使用模糊層次分析法建立傳改的跨尺度模型，確定各維度相互間的權(quán)重系數(shù)，遴選國內(nèi)10個(gè)有代表性的傳統(tǒng)集裝箱碼頭進(jìn)行傳改程度評(píng)價(jià)分析。

1?改造程度評(píng)價(jià)建模

論證某個(gè)碼頭需進(jìn)行何種程度的自動(dòng)化改造，需從碼頭規(guī)模、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及當(dāng)?shù)貏趧?dòng)力三個(gè)維度加以評(píng)價(jià)，構(gòu)建如圖1所示的改造程度評(píng)價(jià)模型。碼頭規(guī)模方面，雖然泊位數(shù)、堆場面積、裝卸設(shè)備數(shù)量、水平運(yùn)輸機(jī)械數(shù)量等都對(duì)碼頭改造有影響，然而碼頭年吞吐量依然能全面代表碼頭規(guī)模。大吞吐量必然需要上述條件支撐，同時(shí)吞吐量也是碼頭跨越式發(fā)展的唯一標(biāo)志，因此以年吞吐量作為碼頭規(guī)模的具體數(shù)據(jù)度量。選擇城鎮(zhèn)居民可支配收入及城鎮(zhèn)人口數(shù)分別作為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及勞動(dòng)力豐富度的具體數(shù)據(jù)度量。

以F1、F2、F3分別代表碼頭規(guī)模、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及勞動(dòng)力豐富度，三個(gè)指標(biāo)維度不同，相互間無直接關(guān)系，呈非線性。碼頭吞吐量越大，提高效率的需求越強(qiáng)，傳改后表現(xiàn)的集成優(yōu)勢及設(shè)備系統(tǒng)性越高，F(xiàn)1與年吞吐量成正相關(guān)；地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，越有資本及技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化改造，F(xiàn)2與城鎮(zhèn)居民可支配收入成正相關(guān)；勞動(dòng)力越豐富，勞動(dòng)力成本相對(duì)越低，需解決的就業(yè)人口壓力越大，F(xiàn)3與城鎮(zhèn)人口數(shù)成負(fù)相關(guān)。為解決三者關(guān)聯(lián)問題，本文使用模糊層次分析法，設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)來平衡各指標(biāo)之間的關(guān)系。假設(shè)傳改的程度評(píng)價(jià)指標(biāo)為F，即：

F=F1×w1+F2×w2+F3×w3（1）

其中0≤F≤100。wi需滿足優(yōu)先需求關(guān)系，即w1+w2+w3=1。對(duì)于傳改項(xiàng)目，一旦碼頭選定，F(xiàn)1、F2和F3也隨之確定。如果碼頭改變，F(xiàn)1、F2和F3也隨之浮動(dòng)。然而通過計(jì)算可以獲得定值，關(guān)鍵就在于確定指標(biāo)權(quán)重W={w1，w2，w3}。

2?權(quán)重確定

權(quán)重確定最常用的方法有德爾菲法、層次分析法（analytic?hierarchy?process，AHP）、熵值法以及模糊法［6］。德爾菲法和AHP法依賴于專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，熵值法權(quán)重取決于數(shù)據(jù)的信息特征，模糊法則是基于數(shù)據(jù)樣本的相似性。

由于碼頭規(guī)模、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及勞動(dòng)力豐富度為跨尺度因素，無法直接用上述方法確定權(quán)重，因此本文選用模糊層次分析法（fuzzy?analytic?hierarchy?process，F(xiàn)AHP）進(jìn)行權(quán)重確定。FAHP由AHP演化而來，既保留了AHP在處理多目標(biāo)及定性定量數(shù)據(jù)結(jié)合方面的優(yōu)點(diǎn)，又擁有模糊法中求解不確定性因素的優(yōu)勢。

2.1?確定模糊一致矩陣

假設(shè)矩陣R=（rij）n×n=r11…r1n

rn1…rnn滿足0rij1，i=1，2，…n，該矩陣就被稱為模糊矩陣。如果模糊矩陣R=（rij）n×n滿足rij+rji=1，i，j=1，2，…n，矩陣R就被稱為模糊一致矩陣，并且滿足rij=rik-rjk+0.5，i，j，k（=1，2，…n）。

構(gòu)造模糊一致矩陣，對(duì)模糊互補(bǔ)矩陣R=rijn×n按行求和，記為ri=∑nk=1rik，（i=1，2，…n），實(shí)施如下變換：

fij=ri-rj2n+0.5（2）

記為F=fijn×n，則F為模糊一致矩陣。

2.2?指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

使用優(yōu)先關(guān)系矩陣數(shù)量標(biāo)度方法計(jì)算基于模糊一致矩陣的指標(biāo)權(quán)重，將rij的取值分為五個(gè)標(biāo)度，如表1所示。

根據(jù)FAHP的原理，為確定權(quán)重W={w1，w2，w3}，需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。作為結(jié)果，這些指標(biāo)需要滿足經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)的要求，這意味著需要確定這些指標(biāo)的優(yōu)先關(guān)系模糊數(shù)r。從傳改背景考慮，碼頭規(guī)模F1最重要。相對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平F2，勞動(dòng)力豐富度F3的必要性相對(duì)更低，所以F2比F3更重要。這些指標(biāo)的重要關(guān)系順序?yàn)镕3＜F2＜F1。根據(jù)表1，構(gòu)建改造程度評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)先關(guān)系矩陣，如表2所示。

3?實(shí)例分析

為確定指標(biāo)的具體數(shù)值，本文對(duì)相關(guān)碼頭進(jìn)行了調(diào)研走訪，并對(duì)相關(guān)專家及碼頭機(jī)械設(shè)備操作者進(jìn)行了深度交流，建立如表3所示的具體度量層級(jí)。

評(píng)價(jià)結(jié)果可分為淺度、中度、深度三個(gè)層級(jí)。淺度改造只涉及單機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化改造，中度改造可擴(kuò)大至系統(tǒng)層面，深度改造則應(yīng)將無人駕駛等智能化設(shè)備融入傳改中。在分?jǐn)?shù)區(qū)間劃分方面，淺度得分為［0，40），中度得分為［40，60），深度得分為［60，100］。

遴選DL等10家傳統(tǒng)集裝箱碼頭為評(píng)測對(duì)象，涉及的年吞吐量、城鎮(zhèn)居民可支配收入及城鎮(zhèn)人口數(shù)等相關(guān)參數(shù)如表4所示，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，SS等5家碼頭得分超過60分，適合進(jìn)行深度改造；WH碼頭及XS碼頭得分介于40分及60分之間，適合進(jìn)行中度改造；其余碼頭適合淺度改造。

從評(píng)價(jià)結(jié)果可知，碼頭年吞吐量越高，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入越高，城鎮(zhèn)人口數(shù)越低，則越適合進(jìn)行深度改造，這與我國傳改的形勢基本相符。

4?結(jié)論

除新建自動(dòng)化碼頭外，傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化改造已成為國內(nèi)各大港口的必由之路。在不增加港口岸線這一稀缺且不可再生的寶貴戰(zhàn)略資源的前提下，自動(dòng)化改造可助力體量大幅提升。由于各地傳改缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各港口大多只能依據(jù)過往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有限嘗試，缺乏理論支撐。由于各碼頭生產(chǎn)業(yè)務(wù)、岸線條件、場內(nèi)資源各不相同，但基本根據(jù)年吞吐量進(jìn)行相關(guān)配置，因此本文選擇碼頭年吞吐量作為碼頭的直接決定因素，同時(shí)考慮各地區(qū)經(jīng)濟(jì)及勞動(dòng)力水平不同，設(shè)置城鎮(zhèn)居民人均可支配收入及城鎮(zhèn)人口數(shù)分別代表上述因素，構(gòu)建跨維度的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，并采用模糊層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重。

根據(jù)實(shí)例分析結(jié)果，碼頭年吞吐量越高，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入越高，城鎮(zhèn)人口數(shù)越低，則越適合進(jìn)行深度改造。在后續(xù)研究中，隨著時(shí)間變化，上述指標(biāo)的區(qū)間可彈性調(diào)整，并可在個(gè)別指標(biāo)中考慮是否增設(shè)二級(jí)指標(biāo)以區(qū)分同一地區(qū)下不同碼頭的差異性。

參考文獻(xiàn)：

［1］王榮鵬.自動(dòng)化集裝箱碼頭升級(jí)改造及其車輛調(diào)配研究［D］.大連理工大學(xué)，2019.

［2］張清波，匡家喜，張雨婷.傳統(tǒng)集裝箱碼頭向自動(dòng)化碼頭改造仿真分析［J］.水運(yùn)工程，2017（5）：138142.

［3］沈園.在建傳統(tǒng)集裝箱碼頭自動(dòng)化升級(jí)改造裝卸工藝設(shè)計(jì)［J］.中國港灣建設(shè)，2019，4.

［4］林洪為.傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場自動(dòng)化改造和操作工藝革新［J］.港口科技，2019（8）：79.

［5］蔡超.傳統(tǒng)碼頭輪胎吊改造和自動(dòng)化升級(jí)探討［J］.中國設(shè)備工程，2021（09）：129130.

［6］田進(jìn).面向材料效率的報(bào)廢汽車回收處理關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海交通大學(xué)，2017.

項(xiàng)目基金：上海市2021年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”高新技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目（21511102700）

作者簡介：田進(jìn)（1986—?），男，漢族，江蘇南京人，博士，上港集團(tuán)技術(shù)中心研究員，研究方向：碼頭自動(dòng)化。