基于层次分析法模糊综合评价算法的自动化码头设备选型研究

修方强 王延春 张 卫 李传浩 许丹霞

青岛新前湾集装箱码头有限责任公司 青岛 266000

0 引言

伴随世界港口物流的快速发展，超大型集装箱船逐渐成为远洋干线的主要船型[1]。世界各国的集装箱码头均面临着提升装卸效率的压力。岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）是集装箱码头的关键装卸设备之一，其发展趋势和速度与集装箱运输成同步态势。第一代岸桥诞生于20世纪70年代，到如今已有多代岸桥设备面世[2]。

早期岸桥设备一般采用单小车方案，但近些年随着集装箱运输船舶的大型化，仅通过提高起升和运行机构速度来提高港口集装箱装卸作业效率已逐渐不能满足迅速增长的集装箱装卸需要以及船运公司的要求[3]。在此情况下，以双小车和智能交流变频驱动装置为技术特点的新一代岸桥设备应运而生。相较于仅有1辆起重小车的传统岸桥，配备有2辆自行式起重小车[4]是双小车岸桥最大的特点。岸边装卸设备采用与水平运输设备便于实现自动交互的双小车岸桥，并增加门架小车可将集装箱暂时存放在中转平台上。这种设计形式使起重小车的运行路径大大缩短，也在一定程度上改善了运行时的晃动。同时，先进的自动控制技术显著降低了司机的劳动强度，更适合全自动化码头的作业模式[5-7]。

岸桥的选型涉及到多种要素，且需要结合港口的具体情况进行定性与定量分析。其中，岸桥的作业性能、技术参数、设备配置、多样化功能等要求，可通过定性分析、定量计算与历史经验相结合的方式进行确定，但对岸桥的性能可靠程度、最大装卸效率与提升空间、设备耐久度、未来升级的兼容性、设备经济性以及操作与驾驶的舒适程度等要素仅通过上述方法是无法给出明确回答的。因此，需要通过提出一种能够分析多属性不确定性问题的方法，实现设备选型的决策。层次分析法（Analytic Hierarchy Prccess，AHP）作为一种定量与定性相结合的系统分析方法，具有灵活、简便实用和系统性强的特点[8-11]，能较好地确定各评价因素权重。另外，再加上模糊综合评价法得出的定量结果，可为科学决策提供可靠的依据[12-14]，故本文采用基于AHP的模糊综合评价法。使用该方法得出的结果充分体现了层次分析法的优势，可减少主观性和不确定性对结果判断带来的不利影响，综合了定性分析与定量计算的优点，能更好地分析多属性不确定要素下集装箱码头前沿岸桥的选型问题。

1 岸桥评价指标

对岸桥选型的评价是一项需要参考结合众多要素的复杂系统工程，对其进行全面、综合、准确的评价需要构建一套多要素、宽领域的评价指标体系，故科学客观地评价岸桥的能力需要合理选择能够深入反映岸桥综合性能的指标。首先要确定岸桥选型的关键要素，在这个基础上，把其他指标明确化、具体化、数字化，从而建立起合适的评价指标体系，是评价岸桥选型的关键。

根据目前自动化码头发展现状，征求专业人士意见，岸桥不同于轨道式集装箱起重机（以下简称轨道吊）、轮胎式集装箱起重机（以下简称轮胎吊）及AGV（IGV），其集装箱的装卸与周转效率将直接影响到码头的运营效率与服务能力，进而影响码头的效益和口碑。结合该实际情况，给出岸桥设备评价指标3项：技术性指标、经济性指标及环境性指标，具体评价指标如表1所示。

表1 岸桥评价指标

2 模糊综合评价模型建立

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价法，这种方法能够针对一个受到多种因素影响的研究对象给出总体评价，其方法是把待考察的模糊对象和相应的模糊概念分成一系列的模糊集合，并建立恰当的隶属函数，通过对模糊集合的特定变换和运算，得到对模糊对象的定量分析结果[15]。立足于自动化码头岸桥选型背景，使用模糊综合评价法对单小车及双小车岸桥2种设备进行先进性评价，结合其他因素，最终确定设备选型。这就要求在岸桥选型的各个核心要素下分别设置相应的评价指标，这些指标既有定量指标，又有定性指标。再通过分析各个要素之间的优先级和相互关系，建立全面、合理的评价体系，从而获得岸桥选型分析与评价的最优化方案。

2.1 建立因素级及评价级

进行综合评价因素集合U=(U1，U2，…，Un)，当采用层次分析法进行综合评价时，应使用较少的因素对研究的问题进行概括，还可以进一步分解为子集Ui=(Ui1，Ui2，…，Uin)。评判结果的评语集合V=(V1，V2，…，Vm)。

2.2 确定权重集

判断矩阵的估计对决策质量而言至关重要，故需慎重考虑参与的人员结构以及专家数目。另外，通过访谈和填写调查问卷的方式，便可获得相关评价数据进而建立对应的判断矩阵，再对相关指标的重要程度进行两两比较。为反应各因素对目标层的重要程度，对各因素赋予权数Wi，组成权重集合W=(W1，W2，…，Wn)，且，权重分配的方法种类较多，目前主要有层次分析法、Delphin法、加权平均法及专家评估法[16]。其中层次分析法主要通过两两比较得出权重，适用于本课题研究的比较复杂的模糊综合系统，层次分析法比较原理如表2所示。

表2 层次分析法优越比较表

通过该比例标度法构建判断矩阵A(k)=(aij)k，k= (1，2，…，s)再取(aij)k的几何平均，最后得到成对比较矩阵，在构建判断矩阵时，还需进行一致性检验(CR≤0.1)，在不满足一致性时，需要重新进行判断矩阵的标度。

2.3 模糊评价赋值

对因素集U中的单个因素进行评价，确定评价对象对因素集中的各元素隶属的程度，求出不同评价指标属于第i因素的隶属度作为Ri，由此组成隶属矩阵R={R1，R2，R3，…，Rm}，矩阵R的子集Ri={ri1，ri2，…，Rin}，rij=(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)表示对第i个因素做出第j中评价的可能程度。

2.4 计算综合评价值

当权重向量集及评价矩阵R已知时，可利用模糊矩阵合成运算，得到模糊综合评价模型B=W·R=(B1，B2，…，Bm)，根据隶属度最大原则，对B进行归一化处理，取B子集中最大值作为最终的评价结果。

3 运用模糊评价模型对岸桥设备进行选型

3.1 确定权重

根据表2所示的优越比较表得到关于经济性指标U1、技术性指标U2及环境性指标U3的判断矩阵，表3为判断矩阵A-Ui。

表3 判断矩阵( A-Ui )及权重向量

依据该判断矩阵，可得出矩阵Ui的最大特征根

根据Saaty定义的不相容度准则，当CI≤0.1时，可认为矩阵相容度较好，验证可得，表3所设置的矩阵相容度较好。用最大特征值对应的特征向量视作权重向量，由于一个特征值对应的不唯一，可对特征向量作归一化处理，得W=[0.527 8 0.332 5 0.139 7]。

岸桥的装卸效率对码头的运营有重大影响，岸桥结构中与船舶集装箱交互的小车吊具一般采用双箱吊具，双箱吊具配置的剪式上架可使吊具模式在单吊具和双吊具之间自由切换，从而提高主小车与船舶交互的效率，故岸桥综合评价技术性指标中的效率尤为重要。表4给出双小车岸桥装卸集装箱的理论最高效率。

表4 双小车岸桥装卸集装箱理论最高效率

根据表4统计的数据，计算得双小车岸桥最高效率52.04 箱/h，换算为标准箱为79.10 TEU/h。表5给出单小车岸桥装卸集装箱的理论最高效率。

根据表5的统计数据，计算单小车岸桥装卸集装箱最高理论效率41.50箱/h，折算成标准箱效率为63.08 TEU/h。

表5 单小车岸桥装卸集装箱理论最高效率

根据表4及表5岸桥集装箱理论最高效率的计算及对比可以看出，双小车岸桥在理论上有着较高的效率，同时在实际应用过程中，岸桥吊具自船舶上取箱并转移至堆场的过程中，无论是与AGV（IGV）或集卡进行交互，从接近50 m高空下降对箱，即使目前电子防摇以及机械八绳防摇都比较成熟的条件下，如果遇到较强大风，仍会影响对箱效率，进而影响岸桥的作业效率甚至整个码头的运营。

同理，根据AHP确定二级指标（Uij）相对一级指标（Ui）的判断矩阵（Ui-Uij）以及权重向量，如表6所示。

表6 岸桥优越性评价相对权重

3.2 单因素评价

3.2.1 技术性指标

评价指标U1={U11，U12，…，U14},分别对应表1中各项技术性指标，使用专家评价法对技术性指标进行评价，评价原则V={V1，V2，…，V4}，有4种可能的模糊评判结果，分别为很好（0.9～1.0）、一般（0.7～0.8）、高（0.5～0.7）和很高（0～0.5）。确定双小车岸桥的技术指标R1及单小车岸桥的技术性指标R'1，运用公式B=W·R，分别得到单小车岸桥及双小车岸桥的技术隶属度矩阵。

3.2.2 经济、环境

经济性指标U2={U21，U22，…，U26}，分别对应表1中各经济性指标，使用专家评价法对经济性指标进行评价，评价原则V={V1，V2，…，V4}，有3种可能的模糊评判结果，分别为很高（0.9～1.0）、好（0.7～0.8）、一般（0.5～0.7）和差（0～0.5）。确定双小车岸桥的经济性指标R2及单小车岸桥的技术性指标R'2，运用公式B=W·R得到单小车岸桥及双小车岸桥的经济隶属度矩阵。同理环境指标有4种可能模糊评判结果，分别为轻微（0.9～1.0）、一般（0.7～0.8）、严重（0.5～0.7）和很严重（0～0.5），从而可以进一步得到2种不同设备的环境隶属度矩阵。

3.3 确定判断矩阵R

根据相关专业人员对单小车岸桥及双小车岸桥的技术性、经济性及环境各指标统计情况，得出单因素评价矩阵并作归一化处理。

3.3.1 双小车岸桥

矩阵R1、R2及矩阵R3分别为双小车岸桥技术性指标、经济性指标及环境性指标单因素评价矩阵，其为

3.3.2 单小车岸桥

矩阵R1'、R2'及矩阵R3'分别为单小车岸桥技术性指标、经济性指标及环境性指标单因素评价矩阵，其为

3.4 确定隶属度矩阵

根据公式B=Wij·R，分别得到双小车岸桥与单小车岸桥的隶属度矩阵（见图1、图2）。

图1 双小车岸桥隶属度矩阵

图2 单小车岸桥隶属度矩阵

为更直观地表示2种设备的优越性程度，对进行归一化处理得到B'，再将隶属度矩阵转变为分数矩阵，可得双小车岸桥分数矩阵为

3.5 综合结果评价

综合评价结果数值表示对岸桥选型的最终评分。得分越高，则代表对岸桥各项指标的综合评价越好，企业岸桥的综合作业能力越强，各项综合指标越高。反之，分值越低，企业岸桥的综合评价越低，综合作业能力越弱，各项综合指标越低。根据公式Z=Wi·B，可得最终评价结果，其中双小车岸桥综合评价值为

单小车岸桥综合评价值为

由此可以说明，从现代自动化码头岸桥选型的角度出发，双小车岸桥相对于单小车岸桥有着更好的优势。

4 结论

大型自动化码头岸桥设备将对整个码头的作业效率具有重要影响。本文针对集装箱港口岸桥建设中所遇到的设备选型问题，运用基于AHP模糊综合评价法的数学模型进行综合分析和评价。该方法利用了判断矩阵的模糊性，简化了判断指标的相对重要度，量化了指标，有效地克服了人为主观假设带来的弊端。以目前自动化集装箱码头主要使用的单小车岸桥与双小车岸桥为研究对象，提出岸桥优越性评价指标，计算单小车岸桥及双小车岸桥的装卸效率，得出自动化集装箱码头在使用岸桥+AGV(IGV)+轨道式起重机的模式时，双小车岸桥更具有优越性。