基于层次分析法的船闸通过能力影响因素研究*

2020-06-23王多银程梦瑶黄海津

水运工程 2020年6期

王多银，程梦瑶，黄海津

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

通航船闸是实现内河渠化和沟通不同水系的重要建筑物，在综合交通运输体系中占有十分重要的地位。船闸通过能力作为通航船闸的重要经济指标，对促进沿江经济带的发展起着极为重要的作用。随着沿江经济带的快速发展，货运需求逐年攀升，大量船闸通过能力不足的问题日益凸显。例如，三峡船闸自2003年运行以来，货运量逐年增长，至2011年，年通过量首次超过1亿t，提前19年达到设计通过能力[1]。近年来三峡船闸年通过量超1亿t已是常态，不断增长的过闸货运量，导致船舶待闸时间增加，部分生产物资不能及时运输，出现了限产、停产等状况，三峡船闸通过能力与不断增长的货物需求已不相适应，三峡船闸通过能力不足已成为制约长江黄金水道发展的瓶颈[2]。因此，及时开展船闸通过能力影响因素研究显得尤为必要，对挖掘船闸过闸潜力、提升船闸通过能力意义重大。

迄今为止，对船闸通过能力影响因素的研究已有较多成果。王作高[3]系统总结了船闸通过能力影响因素，指出其影响因素很多，主要包括内部因素，外部因素和管理因素3大类。张玮等[4]依据《船闸总体设计规范》中船闸通过能力计算公式，结合苏北运河部分船闸多年统计资料，分析了苏北运河部分船闸通过能力影响因素，指出船型、载质量以及闸室有效面积利用率对船闸通过能力影响最大。王轩等[5]通过灰色关联度分析，指出船闸所在地社会生产总值为船闸通过能力的最优影响因素。丁益等[6]通过三峡船闸的实际运行数据，对其通过能力影响因素进行了研究，指出通航设施不完善、过闸船舶复杂多样化及自然环境是影响三峡船闸通过能力的主要因素。舒小红[7]通过深入分析湘江船闸通过能力现状，指出船舶尺度不标准、货运量及船舶流量分布不均衡、自然条件是限制湘江船闸通过能力的瓶颈。然而，众多影响因素也导致实际分析中还存在许多不足：1)现有研究多针对特定工程，在影响因素的考虑上均有所侧重，研究结果存在一定的局限性和片面性，缺乏系统性和综合性;2)现有评价方法在影响因素权重方面考虑还有所欠缺，缺少广泛调查，评价结果存在较强的主观性，缺乏一致性和准确性;3)现有对船闸通过能力影响因素重要性判断，多采用定性描述，鲜有影响因素间相对重要性定量关系的报道。

鉴于此，本文选用层次分析法与德尔菲法相结合的综合评价方法，系统研究船闸通过能力影响因素。首先对众多影响因素进行系统分析，构建层次模型，并在运算过程中采用线性代数的方法，逻辑过程严谨[8]；船闸通过能力影响因素的重要程度评价主要取决于专家的工程实践，通过德尔菲法设计调查问卷，邀请专家打分确定其相对重要程度，保证统计结果的权威性；因素权重的确定具有一定的主观性，评价结果的可靠性和准确性取决于影响因素权重的分布以及综合评价的综合权值，而层次分析法可以很好地解决因素权重的分配问题；最后通过层次分析法计算各层影响因素对船闸通过能力影响的综合权重，可得出船闸通过能力影响因素间的定量关系。

1 层次结构模型建立及指标权重计算

1.1 层次结构模型建立

应用层次分析法解决问题时，首先应建立层次结构模型。通过对所选影响因素进行关联性分析，将影响因素进行分组，每组视为1个层级，并将各层级视为目标层、准则层和指标层，从而建立船闸通过能力影响因素层次结构模型。本文在文献[3]～[7]的基础上，全面综合地对船闸通过能力影响因素进行研究，从船闸影响因素、船舶影响因素、管理影响因素及环境影响因素4个方面构建了3个层次共17个指标(表1)。

表1 船闸通过能力影响因素层次结构模型

1.2 指标权重计算

1.2.1构造判断矩阵

层次分析法分析问题的关键是构造判断矩阵。层次分析法是基于对各个因素之间的相对重要性的定量化描述，用数值表示这些定量化描述，并写成矩阵的形式，即判断矩阵，通常表示为A=(aij)n×n。实际运用中，通常进行大量调查问卷统计，将专家对每一层中各因素的相对重要性进行两两比较判断，通过使用1～9级标度表示出来[9]，从而获得判断矩阵。

1.2.2层次单排序及一致性检验

层次单排序，指根据判断矩阵计算当前层级与前一层级中因素，以及本层级与之相关因素的重要程度的排序。具体计算步骤如下：将判断矩阵A按列归一化，得到1个新矩阵；将新矩阵各行相加，构造出1个列向量wi；列向量归一化，即得到各指标权重列向量Wi。

由于对客观事物进行分析时，问题存在复杂性和认知上的局限性，通过影响因素两两比较得到的判断矩阵，不一定满足矩阵的一致性条件要求，这就导致了权重计算存在误差。因此，需要对判断矩阵进行一致性检验[10]。具体计算步骤为：

1)计算判断矩阵A的一致性指数

(1)

式中：n为指标数量；λmax为最大特征值，计算公式为：

(2)

2)查询判断矩阵A对应的平均随机一致性指标RI，见表2。

表2 平均随机一致性指标

3)计算一致性比率：

(3)

当CR< 0.1时，认为判断矩阵的一致性是可接受的，各影响因素权重分配合理；否则，须调整和校正判断矩阵，直到可接受的一致性结果。

1.2.3层次总排序及一致性检验

(4)

层次总排序一致性检验，具体计算步骤为：

1)计算总排序一致性指标：

(5)

2)计算总排序平均随机一致性指标:

(6)

3)计算总排序一致性比率:

(7)

2 结果与分析

2.1 各影响因素权重的确定

为确保权重的客观性和科学性，本文采用德尔菲法，对高等院校、研究机构等多位专家学者进行了意见咨询，并向上述专家发放船闸通过能力影响因素调查问卷，详见文献[11]。本研究发放问卷10份，回收有效问卷7份，有效回收率为70%。根据各位专家打分的结果，求得各指标的统计平均得分，构造准则层及各个指标层判断矩阵，然后计算各个影响因素权重，并对判断矩阵进行一致性检验。

船闸通过能力一级影响因素判断矩阵及各因素权重见表3。船闸影响因素指标判断矩阵及各因素权重见表4。船舶影响因素指标判断矩阵及各因素权重见表5。管理影响因素指标判断矩阵及各因素权重见表6。环境影响因素指标判断矩阵及各因素权重见表7。

表3 船闸通过能力一级影响因素判断矩阵及各因素权重

注：λmax=4.215 9，CI=0.072 0，CR=0.079 9。

表4 船闸影响因素指标判断矩阵及各因素权重

注：λmax=6.469 8，CI=0.094 0，CR=0.075 8。

表5 船舶影响因素指标判断矩阵及各因素权重

注：λmax=4.121 9，CI=0.040 6，CR=0.045 1。

表6 管理影响因素指标判断矩阵及各因素权重

注：λmax=3，CI=0，CR=0。

表7 环境影响因素指标判断矩阵及各因素权重

注：λmax=4.135 7，CI=0.045 2，CR=0.050 3。

由表3～7可见，各层次单排序对应判断矩阵的CR均小于0.1。由此，各层次单排序判断矩阵均满足一致性检验要求，各个影响因素权重分配是合理的。

2.2 各影响因素综合权重的确定

经过上述分析计算，得到了每一层级中各个因素的权重值。最终要得到全部因素对于总目标的权重排序，以便进行数据分析，得出船闸通过能力影响因素间的定量关系。全部因素权重的总排序，是从上到下地将单一准则层下的权重排序进行整合汇总得到。各影响因素综合权重见表8。

表8 各影响因素综合权重

续表8

层次B1B2B3B4综合权重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可见，CR′< 0.1，由此，层次总排序满足一致性检验要求，各个影响因素综合权重分配是合理的。

2.3 各影响因素重要性比较

根据上述计算结果，可得各因素对船闸通过能力影响的相对重要程度。一级和二级影响因素对船闸通过能力影响的相对重要程度见图1。

图1 一级和二级影响因素对船闸通过能力影响的相对重要程度

由图1a)可知，一级影响因素对船闸通过能力影响大小排序为：船闸影响因素> 船舶影响因素> 管理影响因素> 环境影响因素。由图1b)可知，二级影响因素中，船闸运行水位、船闸级数和线数、闸室有效尺度、各类船舶的尺度、船舶装载系数对船闸通过能力影响较大；船闸灌泄水时间、船舶类型与组织方式、管理人员技术水平对船闸通过能力影响也相当明显；其他二级影响因素对船闸通过能力相对较小；环境影响因素中通航水流条件对船闸通过能力影响最为明显。

通过上述对影响因素重要性比较，可得出对船闸通过能力影响较大的因素有船闸运行水位、船闸级数和线数、闸室有效尺度、各类船舶的尺度、船舶装载系数。对于已建船闸，船闸级数和线数、闸室有效尺度是确定的，因此在提升通过能力方面，应重点考虑船闸运行水位、船舶尺度和船舶装载系数的影响。例如，程梦瑶[11]、谢凯等[12]指出对船闸通过能力进行年分时段计算，综合考虑船舶吃水与最小门槛水深之间的关系，对船舶进行动态调度和管理，可有效地提高船闸的通过能力。丁益等、舒小红指出通过推进船舶尺度大型化、标准化，以提高船舶闸室面积利用率，从而有效提高船闸的通过能力。朱俊等[13]、王海江[14]指出三峡船闸过闸船舶存在装载系数较低的问题，可通过提高船舶的实载率，进而提高三峡船闸通过能力。