基于综合集成法的港口物流系统能耗评价研究＊

杨 斌 胡孝通 李 璐

（上海海事大学物流研究中心 上海 201306）

0 引 言

港口物流系统能耗评价指标体系的构建，取决于影响港口能耗的各种因素：港口规模、港口现代化信息及技术水平、港口能源效率与结构以及港口政策等.E.Peris－Moralz［1］提出了港口可持续发展环境保护管理指标体系，并结合系统模型和多标准分析法对未来港口经济发展的潜在环境影响进行预测.Thomas.A.和 Luo［2］通过对纽约、新泽西等地区的港口考察，从港口可持续发展的成本角度阐述了制约港口可持续发展的多项因素，并提出了多项对集装箱港口可持续发展的建议.Cupta［3］等认为港口工程的环境管理计划（EMP）是十分必要的，应在港口的整个建设和运营阶段要进行定期监测和评估.Graham J.Treloar［4］等曾经对能源节省的决策方法的可靠性进行研究.周英明等［5］采用灰色系统理论分析法，建立原油集输系统的灰色系统模型，并进行了优化.李琪［6］针对我国港口的情况，从节能环保的角度建立了评价指标体系，但对能耗直接关系的指标略为欠缺.本文采用具有代表性的层次分析法和系统动力学因果度法对指标体系进行赋权，再通过综合集成法将两种方法所得结果进行集成，使指标权重更为客观、合理.

1 评价方法的设计思路

主观赋权法与客观赋权法都有一定的利弊和适用范围，权重的综合集成即是在主观判断的基础上，对主观权数修正的参考，二者相互结合、综合集成才能为科研评价的指标赋权提供一个更科学合理的依据.本文提出的基于综合集成法的港口物流系统能耗评价方法的主要思路如下.

1）识别影响港口物流系统能耗评价的相关因素，确定影响目标层的各级指标.

2）运用德尔菲法（Delphi）对所得指标体系进行专家打分，构造判断矩阵.

3）根据综合集成法对两种赋权方法得到的指标权重进行集成，与层次分析法和因果关系法得到的权重进行对比分析.

2 港口物流系统能耗评价指标体系及权重赋值方法

2.1 港口物流系统能耗评价指标体系

本节提出港口物流网络能耗评价指标体系，针对每个子指标进行系统性的分析，并制定相应的专家打分细则，限于篇幅在这里不予给出.得出了包括4个一级指标、12个二级指标在内的港口物流网络能耗评价指标体系，其基本结构如表1所列.

表1 港口物流能耗评价指标体系

2.2 指标权重的确定方法

2.2.1 层次分析法

应用层次分析法确定权重的主要步骤如下.

1）计算判断矩阵A的特征向量W本文指标体系可分为目标层、准则层和指标层，对于每一层次生成的判断矩阵，计算满足AW＝λmaxW的特征根和特征向量.其中λmax为A的最大特征根，W为对应于λmax的正规化特征向量，W的分量wi就是对应元素的权重值.

用定义计算矩阵的特征值和特征向量相当困难，本文将判断矩阵A的n个行向量归一化后的算术平均值，近似作为权重向量，如下式：

2）一致性检验 在计算单准则下权重向量时，必须进行一致性检验.首先利用下式计算最大特征值λmax：

式中：w为权重向量.根据求出的wi值可求出最大特征值.目标层最大特征值为λmax＝4.079 9.

计算一致性指标C.I.＝（λmax－n）／（n－1）和C.R.＝C.I.／R.I..其中：C.I.为一致性检验指标；C.R.为相对一致性检验指标；R.I.为平均随机一致性检验指标，见表2；n为矩阵的阶数.当C.I.＝0时，判断矩阵具有完全一致性，反之，C.I.越大，则判断矩阵的一致性就越差.当C.R.＜0.1时，说明判断矩阵基本合理，求出的权重恰当.对于准则层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，因此判断矩阵具有满意的一致性，见表2.

表2 随机一致性指标RI的数值

根据步骤1）和2），对12个专家的问卷做同样计算并求算数平均数，得到准则层B的权重向量为wi＝（0.071 2，0.552 9，0.103 3，0.272 5）T.同理可以求出指标层相对于准则层的权重向量，见表3.

3）综合评价 以上计算较为繁琐，其他评价指标的计算采取Matlab软件进行求解.计算各阶层判断矩阵的权重，对其进行单层次一致性检验，再应用算术平均法求其平均值，作为各指标的权重.将指标层与准则层权重相乘，即得出所有指标的总权重排序，如指标C11的总权重为w1×w11＝0.071 2×0.033 2＝0.045 4.最后通过层次总排序和一致性检验，得到满意的结果.见表3.

2.2.2 因果度法 利用系统动力学因果关系分析方法，决策者结合主观信息和客观信息，判断指标之间存在的关系，画出因果关系图，并确定其影响因变量和果变量，通过因果度从内部来反映该指标的重要程度，从而确定指标权重［7］.计算方法与步骤如下.

1）分析评价指标间的因果关系 评价指标体系本身也是一个系统，应以系统的观点来研究.在确定评价目标后，各指标间的内在关系也随之确定，运用VENSIM软件，可以给出因果关系图，见图1.

表3 AHP法组合权重表

图1 VENSIM构造指标因果关系图

2）计算因果度 根据因果关系图，确定一个评价指标Cij，列出该指标的因环路和果环路，分析其因变量指标个数和果变量指标个数，两者之和即为其因果度Aij.例如，通过组织合理性指标的因环路和果环路图可发现，因变量指标个数为5，果变量指标个数为5，因此因果度A42＝10.

3）计算指标权重 根据Ai1，Ai2，…，Aij，利用下式求出各个评价指标的因果系数Qij.因果系数的大小直接反映了各个评价指标影响同层次评价指标的程度.

本文以因果系数Qij代表指标的权重，即wij＝Qij，见表3的因果度法权重列.

2.3 评价指标体系的综合集成

2.3.1 加法集成法 设pj，qj分别是基于主观和客观赋权法生成的指标xj的权重系数，则称wj＝k1pj＋k2qj是具有同时体现主客观信息集成特征的权重系数.式中，k1，k2为待定常数.这时，被评价对象综合评价值为确 定k1，k2使取值最大.在满足条件k1＋k2＝1，k1＞0，k2＞0下，应用拉格朗日条件极值原理可得

另外，k1，k2也可根据评价者的主观判断和偏好信息来确定.特别地，为了突出集成法的优势，本文简化k1与k2的取值，令k1＝k2＝0.5，即给予主客观赋权同等的重视程度，如果需要给予主客观赋权不同的重视程度，只需调整k1与k2的取值，但要满足两者之和为1.利用下面公式求wj.

2.3.2 乘法集成法pj，qj分别是基于主观和客观赋权法生成的指标xj的权重系数，wj为集成后的权重系数.根据下式计算权重.

表4 综合集成指标权重表

将表4反映到图2中，可以直观的看出各方法的波动情况.

图2 各种方法所得权重折线图

从图2可以看出，采用各权重赋值方法后各指标的变动趋势.可以看到层次分析法的权重波动剧烈，各指标间差异显著，从而反映出各专家对于指标的权重定位是有显著差异的.针对层次分析法的一些主观局限性，因果关系法可以有效的平滑这一剧烈的波动状态.将整体指标的权重做一定程度的平衡.

比较两种综合集成方法，可以看到对于指标的集成起到了加剧波动的作用，相反对于加法集成法来说，其权重取值是在整体波动中较为平滑的一种赋值.因此在下面的案例中采用加法集成法进行赋权.

3 上海港能耗评价分析

下面应用得到的加法集成法来对上海港2007～2011年的港口物流系统能耗进行评价.首先，根据指标体系需求，在表5中整理给出了2007～2011年相关指标数据.

表5 相关能耗指标数据

对于上述能够根据具体数据确定的指标，本文根据指标体系的评分细则及公式对该指标进行打分.而对于无法根据具体数据确定的指标，本文采用12个专家打分的方式确定该指标的得分，然后计算指标权重的算术平均值.表6是其中1名专家的打分矩阵及最终的权重集.

表6 上海港2007～2011年能耗评价

根据评分细则，可知：能源消费弹性系数＝能源消耗增量／吞吐量增量，为体现可持续发展的作用，此指标应在符合实际和科学的基础上稳步降低.电能占总能耗的比重从2008年到2011年逐年增高，反映出上海港近年来实行“油改电”工作的成功之处.2009年以后，上海港集装箱吞吐量已经处于国际领先水平，因此激发了对桥吊、龙门吊等作业资源的改进与研发，以提高港口作业效率、节约成本.因此，该指标呈逐年递增趋势.

4 结束语

通过提出的港口物流网络能耗评价指标体系，综合集成了层次分析法和因果度法，避免了单一方法过于主观或客观的影响.并应用于上海港近5年的能耗评价，结果符合客观情况，其评价的详细标准在未来港口寻找自身弱势，寻求增长点提供了参考.

［1］PERIS－MORA E，OREJAS J M D，SUBIRATS A，et al.Development of a system of indicators for sustainable port management［J］.Marine Pollution Bulletin，2005（12），50（12）：1649－1660.

［2］GUPTA A K，GUPTA S K，PATIL R S.Environmental management plan for port and harbor projects［J］.Clean Techn Environ Policy，2005，7：133－141.

［3］GRIGALUNAS T A，LUO M，CHANG Y.Comprehensive framework for sustainable container port development for the united states east coast［R］.Dept.of Environmental and Natural Resource Economics，Korea－America Joint Marine Policy Research Center University of Rhode Island Transportation Center，2001.

［4］TRELOAR G J，LOVE E D P，FANIRAN O O.Improving the reliability of embodied energy methods for project life－cycle decision making［J］.Logistics Information Management，2001（14）：303－318.

［5］周英明，吴国忠，李 栋，等.灰色关联分析法在原油集输系统能耗评价中的应用［J］.油气田地面工程，2009（2）：14－15.

［6］李 琪.我国港口节能减排评介指标体系研究［D］.大连：大连海事大学，2010.

［7］李 志，何小勇.物流系统评价指标权重的确定方法［J］.统计与决策，2010（8）：60－61.