海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型研究

隋傳劍，譚振東

（總后軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161）

海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型研究

隋傳劍，譚振東

（總后軍事交通運(yùn)輸研究所，天津 300161）

海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的選取是方案設(shè)計(jì)與研究的重點(diǎn)。文中分析了影響海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的主客觀因素，建立架設(shè)區(qū)域多屬性決策模型，運(yùn)用綜合賦權(quán)的方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，采用綜合評(píng)分的方法對(duì)各備選方案進(jìn)行評(píng)分和排序。實(shí)例分析表明，運(yùn)用多屬性決策模型解決海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題是可行的、有效的。

海岸浮式活動(dòng)碼頭；架設(shè)區(qū)域；多屬性決策模型

海岸浮式活動(dòng)碼頭是一種在天然海岸使用的碼頭。為了便于運(yùn)輸、分解和移動(dòng)，通常采用浮箱拼裝式的模塊化結(jié)構(gòu)，在海上作業(yè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)組裝架設(shè)。海岸浮式活動(dòng)碼頭需與岸相連，并跨越船舶無法進(jìn)入的潮間帶和淺水區(qū)，展開架設(shè)在岸與海的過渡銜接地帶。這一地域環(huán)境條件異常復(fù)雜、多變，存在著風(fēng)浪、海流、潮汐、海灘坡度、水域地形條件等多種因素。除了要求海岸浮式活動(dòng)碼頭自身具備良好的環(huán)境適應(yīng)性之外，對(duì)活動(dòng)碼頭的應(yīng)用也提出了較高的要求。因此，在籌劃和制定活動(dòng)碼頭架設(shè)方案時(shí)，需要根據(jù)海岸環(huán)境條件和碼頭的使用要求，確定海岸浮式活動(dòng)碼頭的架設(shè)區(qū)域。海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的選取是海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)方案籌劃階段一項(xiàng)重要的任務(wù)，對(duì)于海岸浮式活動(dòng)碼頭各項(xiàng)作業(yè)的順利完成具有十分重要的意義。科學(xué)、合理地選擇海岸浮式活動(dòng)碼頭的架設(shè)區(qū)域，有利于提高海岸浮式活動(dòng)碼頭展開架設(shè)的速度，有利于提高海岸浮式活動(dòng)碼頭系統(tǒng)的整體生存能力，同時(shí)可保證船舶安全、可靠的實(shí)施靠泊和補(bǔ)給，保證各項(xiàng)作業(yè)安全、快速的進(jìn)行[1]。

1 海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取影響因素分析

海岸浮式活動(dòng)碼頭的架設(shè)區(qū)域是指海岸浮式活動(dòng)碼頭所處的地理位置，通常是無碼頭條件下的天然岸灘，一般位于岸與海的銜接區(qū)域，例如潮間帶區(qū)域和拍岸浪區(qū)域，這一特殊區(qū)域環(huán)境因素種類繁多，影響海岸浮式活動(dòng)碼頭保障作業(yè)的環(huán)境條件包括海風(fēng)、海浪、潮汐、海流、海岸地形地質(zhì)等，相應(yīng)地可通過風(fēng)速、浪高、潮差、流速、岸灘坡度、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)、陸域幅度、道路數(shù)量、水域幅度等指標(biāo)來描述。這些環(huán)境指標(biāo)不僅是表征和區(qū)分不同天然岸灘的客觀因素，同時(shí)是制約海岸浮式活動(dòng)碼頭各項(xiàng)作業(yè)實(shí)施的重要因素。多數(shù)為隨機(jī)變化的因素，其規(guī)律較難掌握，是制約海岸浮式活動(dòng)碼頭作業(yè)速度、作業(yè)安全性及可靠性的重要因素。

海岸浮式活動(dòng)碼頭作業(yè)種類繁多，每一項(xiàng)作業(yè)對(duì)環(huán)境條件的要求是不同的，環(huán)境條件對(duì)各項(xiàng)作業(yè)能力的發(fā)揮具有重要影響，包括海岸浮式活動(dòng)碼頭拼裝性能力、錨定能力、分解能力、起錨能力等。在選擇海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域時(shí)，船舶的航行能力、靠泊能力、裝卸能力、裝備的上岸能力、集結(jié)能力、前送能力等都是不可忽視的因素，直接關(guān)系到任務(wù)是否能夠圓滿完成。

通常情況下，在行動(dòng)區(qū)域內(nèi)能夠滿足海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)要求的天然岸灘數(shù)量較多。海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的過程就是以各項(xiàng)作業(yè)能力（包括海岸浮式活動(dòng)碼頭作業(yè)和船舶、裝備作業(yè)）發(fā)揮的好壞為準(zhǔn)則，綜合考慮環(huán)境因素對(duì)各項(xiàng)作業(yè)能力的影響，對(duì)多個(gè)可選天然岸灘進(jìn)行綜合評(píng)定，選取能夠更好地實(shí)施各項(xiàng)作業(yè)的岸灘的過程。

2 海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型

通過對(duì)海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題的特點(diǎn)和影響因素的綜合分析，選擇多目標(biāo)決策方法來解決海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的問題。多目標(biāo)決策問題通常與事先預(yù)定方案無關(guān)，其模型的目的是在設(shè)計(jì)好的約束條件下，通過達(dá)到一些量化目標(biāo)可以接受的水平來尋找決策者最為滿意的方案，產(chǎn)生或設(shè)計(jì)方案是多目標(biāo)決策問題的目標(biāo)；而多屬性決策問題的不同之處是方案預(yù)先給定了，決策者需要在各方案的不同屬性之間進(jìn)行價(jià)值判斷，并最終選出優(yōu)勝方案或?qū)λ蟹桨高M(jìn)行排序[2-3]。

2.1 海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性問題分析

依據(jù)多目標(biāo)決策方法的原理，設(shè)定海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題的目標(biāo)集為各項(xiàng)作業(yè)的能力，屬性集為架設(shè)區(qū)域環(huán)境條件的指標(biāo)值，備選方案集為多個(gè)可選天然岸灘，這些岸灘都能滿足海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)的要求。根據(jù)多目標(biāo)決策問題的分類方法和原理，海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集是有限多的，其目標(biāo)是隱含的，而屬性是清晰的，因此多屬性決策模型非常適合解決海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的問題。

海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策問題可表示為：

圖1 海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖

其中，X={xi}（i=1,2,…，m）為海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集，xi為第 i個(gè)方案；Y={yj|（j=1,2,…,n）}為海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的屬性集，yj為第j個(gè)屬性；W=[w1,w2,…,wn]T屬性權(quán)重向量，wj為 yj的權(quán)重值；U={uij}m×n為海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的決策矩陣，uij為方案xi關(guān)于屬性yj的屬性值[4]。建立海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 決策矩陣

海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集為X={x1,…xm}，用 Yi={yi1,…yin}表示方案 x1的 n個(gè)屬性值，其中 yij為第 i個(gè)方案的第 j個(gè)屬性的值；當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為 fj時(shí)，yij=fj（xi），i=1,…,m；j=1,…,n。各方案的屬性值可列為決策矩陣，或稱屬性矩陣。

為了使各屬性值之間具有可比性，需對(duì)屬性集進(jìn)行無量綱化處理。從數(shù)學(xué)角度講，無量綱化就是設(shè)法確定指標(biāo)評(píng)價(jià)值與實(shí)際值之間的函數(shù)關(guān)系，使得評(píng)價(jià)值反映實(shí)際值的變化規(guī)律和數(shù)值水平且值域相同。閥值法是用指標(biāo)實(shí)際值與閥值相比得到評(píng)價(jià)值的一種無量綱化方法，指標(biāo)的實(shí)際值與評(píng)價(jià)值成線性關(guān)系，主要有越大越好型、越小越好型、給定范圍型等[4]。海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性模型中，屬性集是環(huán)境指標(biāo)值組成的集合，依據(jù)海岸浮式活動(dòng)碼頭通用規(guī)范的要求，為了保證各項(xiàng)作業(yè)的順利實(shí)施，每種環(huán)境指標(biāo)都有一定的取值范圍。因此，選取閥值法實(shí)施指標(biāo)的無量綱化應(yīng)根據(jù)環(huán)境指標(biāo)取值的不同特點(diǎn)，采用不同的方法對(duì)屬性集進(jìn)行無量綱化處理。

在一定范圍內(nèi)取值的環(huán)境屬性，采用給定范圍型閥值法實(shí)施無量綱化，對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別確定1個(gè)滿意值和1個(gè)不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)接近、達(dá)到或超過滿意值的程度，計(jì)算公式為：

其中：aij為第i個(gè)方案第j項(xiàng)屬性的評(píng)價(jià)指標(biāo)值；yij為第i個(gè)方案第j項(xiàng)屬性的實(shí)際值；yjmax為第j項(xiàng)屬性的滿意值；yjmin為第j項(xiàng)屬性的不允許值。

對(duì)于越小越好的環(huán)境指標(biāo)，其無量綱化公式為[5]：

對(duì)于越大越好的環(huán)境指標(biāo)，其無量綱化公式為：

屬性值矩陣Y=（yij）m×n實(shí)施無量綱化后，得出無量綱化矩陣 Z=（zij）m×n

2.3 綜合賦權(quán)模型

目前，權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是由評(píng)價(jià)分析人員根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要性而賦權(quán)的一類方法。其基于對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)重要性的主觀認(rèn)知程度，免不了帶有一定程度的主觀隨意性。客觀賦權(quán)法是利用指標(biāo)值所反映的客觀信息確定權(quán)重的一種方法。其根據(jù)指標(biāo)的具體數(shù)值來評(píng)定不同方案、統(tǒng)一屬性指標(biāo)值間的穩(wěn)定性給指標(biāo)賦值的一種方法[6]。

為了兼顧分析者對(duì)指標(biāo)重要性的主觀認(rèn)知（經(jīng)驗(yàn)），同時(shí)又充分利用指標(biāo)值所反映的客觀信息，使對(duì)指標(biāo)的賦權(quán)達(dá)到主觀與客觀的統(tǒng)一，進(jìn)而使評(píng)價(jià)客觀、真實(shí)、有效。本文采用綜合權(quán)重賦值法，對(duì)海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。綜合權(quán)重賦值法的基本原理是根據(jù)具體情況，分別選擇一種主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)，建立指標(biāo)綜合權(quán)重的優(yōu)化模型，并對(duì)模型求解，最后得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

2.3.1 主觀賦權(quán)模型

層次分析法（AHP）經(jīng)過多年的發(fā)展和應(yīng)用，至今依然不能完全擺脫它本身的局限性，在原理上和方法上都存在一定缺陷，針對(duì)同一方案，特別是較復(fù)雜系統(tǒng)，同樣正確的等階層次劃分可能出現(xiàn)不同結(jié)果和排序。本文在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的層次分析法，對(duì)海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)。這種方法與傳統(tǒng)層次分析法相比較，省略了一致性檢驗(yàn)，計(jì)算更加方便、簡單。

傳統(tǒng)AHP法的一致性檢驗(yàn)雖然行之有效，但畢竟帶有主觀性和盲目性，有時(shí)需要經(jīng)過多次調(diào)整才能通過。改進(jìn)的層次分析法（IAHP）利用擬優(yōu)傳遞矩陣改進(jìn)了傳統(tǒng)AHP的上述不足，對(duì)傳統(tǒng)AHP法進(jìn)行改進(jìn)，使之自然滿足一致性要求，直接求出權(quán)重[7]。AHP與IAHP的計(jì)算流程比較，如圖2所示。

圖2 AHP與IAHP流程對(duì)比示意圖

運(yùn)用IAHP法計(jì)算評(píng)價(jià)因素集主觀權(quán)重的一般步驟為：

（1）建立問題的層次遞階結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)問題的初步分析，將所包含的因素分組，每組作為一個(gè)層次，按照最高層、若干有關(guān)的中間層和最底層的形式排列起來。

（2）確定比較判斷矩陣[8]

矩陣A*是A的擬優(yōu)傳遞矩陣，并且它是一致的，由A*可直接求出權(quán)重值，即A*的特征值，不必進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

求A*的特征值時(shí)采用方根法。首先，由于判斷矩陣本身有相當(dāng)?shù)恼`差，故求其特征量是不需追求很高的精度；其次，方根法是以超幾何平均法求權(quán)重值，可以在一定范圍內(nèi)使擬定傳遞矩陣A*的特征值更接近最優(yōu)傳遞矩陣的特征值。

按照IAHP法，計(jì)算海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取評(píng)價(jià)因素的主觀權(quán)重為：

2.3.2 客觀賦權(quán)模型[9]

客觀賦權(quán)法是利用指標(biāo)值所反映的客觀信息確定權(quán)重的一種方法，主要有變異值法（如標(biāo)準(zhǔn)差、方差或平均值等）、熵值法等。它們都是根據(jù)指標(biāo)的具體數(shù)值，評(píng)定不同方案統(tǒng)一屬性指標(biāo)值間的穩(wěn)定性給指標(biāo)賦值的一種方法。

本文選用熵值法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)，根據(jù)信息熵值的計(jì)算公式可得j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值為：

式中，k=（lnm）-1，0≤e≤1， 信息熵 ej可用來度量 j項(xiàng)指標(biāo)的信息（指標(biāo)的數(shù)據(jù)）的效用值，j項(xiàng)指標(biāo)的信息效用價(jià)值取決于該指標(biāo)的信息熵ej與1的差值hj：

利用熵值法估計(jì)各指標(biāo)的權(quán)重，其本質(zhì)是利用該指標(biāo)信息的價(jià)值系數(shù)，其價(jià)值系數(shù)越高，對(duì)評(píng)價(jià)的重要性要求就越大，j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為：

2.3.3 綜合權(quán)重的優(yōu)化模型[6]

由改進(jìn)的層次分析法所得的各項(xiàng)指標(biāo)的主觀權(quán)重為：

由熵值法所得的各項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重為：

設(shè)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重為：

為了既兼顧主觀偏好，又充分利用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法各自帶來的信息，達(dá)到主客觀的統(tǒng)一，建立綜合權(quán)重的優(yōu)化模型為：

其中，0<μ<1為偏好系數(shù)，它反映了分析者對(duì)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的偏好程度。

則各指標(biāo)的綜合權(quán)重為：

2.4 綜合加權(quán)評(píng)價(jià)模型

為了使海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性模型的計(jì)算結(jié)果更加直觀，選用綜合加權(quán)評(píng)分的方法對(duì)海岸浮式活動(dòng)碼頭的備選架設(shè)區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)分，并進(jìn)行優(yōu)劣排序。綜合加權(quán)評(píng)分法是根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要性，確定出其所占的權(quán)重，將多指標(biāo)的問題轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)的問題—綜合加權(quán)評(píng)分值，然后按單指標(biāo)分析方法，對(duì)方案進(jìn)行綜合選優(yōu)的一種方法，其優(yōu)點(diǎn)是能將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題進(jìn)行求解。

采用加權(quán)求和的方法，對(duì)各備選方案進(jìn)行綜合評(píng)分。方案i的綜合加權(quán)評(píng)分值為：

依據(jù)各個(gè)備選方案的最后得分值進(jìn)行優(yōu)劣排序，并選定相對(duì)合理的海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域。

表1 初始決策矩陣

3 實(shí)例分析

海岸浮式活動(dòng)碼頭的試驗(yàn)地域共有3個(gè)可選架設(shè)區(qū)域，分別是①，②，③地域，以這3個(gè)地域作為海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集，建立海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型，對(duì)各備選方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 建立決策矩陣

決策矩陣是由①，②，③三個(gè)備選方案的環(huán)境指標(biāo)值所組成的矩陣，其中風(fēng)速、流速、浪高、潮差、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)是統(tǒng)計(jì)變量，可通過實(shí)地勘查或經(jīng)驗(yàn)判斷給出具體數(shù)值；陸域幅度、水域幅度、道路數(shù)量可通過實(shí)地勘查來確定其具體數(shù)值，如表1所示。

表2 環(huán)境屬性值取值范圍

對(duì)屬性集進(jìn)行無量綱化處理。風(fēng)速、流速、浪高、岸灘坡度、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)屬于在一定范圍內(nèi)取值的屬性，各屬性的滿意值和不允許值如表2所示，對(duì)于潮差，陸域幅度、水域幅度、道路數(shù)量等實(shí)施無量綱化，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境屬性的無量綱化值

3.2 綜合賦權(quán)

3.2.1 主觀權(quán)重

采用的改進(jìn)層次分析法，省略了一致性檢驗(yàn)的計(jì)算步驟，其他計(jì)算步驟仍與傳統(tǒng)的層次分析法相同。由于層次分析法的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，計(jì)算方法雖然簡單但步驟繁多，這里省略相關(guān)的計(jì)算步驟，直接給出計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 主觀權(quán)重值

環(huán)境指標(biāo)的主觀綜合權(quán)重如下：

3.2.2 客觀權(quán)重

依據(jù)無量綱化矩陣，計(jì)算熵權(quán)的結(jié)果如下：

3.2.3 綜合權(quán)重

為了兼顧主客觀因素的影響，取偏好系數(shù) ，計(jì)算綜合權(quán)重值：

3.3 綜合加權(quán)評(píng)分

對(duì)各備選方案進(jìn)行綜合加權(quán)評(píng)分，結(jié)果如下：

計(jì)算結(jié)果表明：3個(gè)備選方案的綜合排序?yàn)棰冢劲伲劲邸？芍m然3個(gè)備選方案的環(huán)境指標(biāo)都能夠滿足各項(xiàng)作業(yè)的要求，但②地域是3個(gè)備選方案中相對(duì)較優(yōu)的，因此選擇②作為海岸浮式活動(dòng)碼頭最終的架設(shè)區(qū)域。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用多目標(biāo)決策的原理，將各項(xiàng)作業(yè)的能力作為目標(biāo)集，將環(huán)境條件指標(biāo)值作為屬性集，建立了海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型，運(yùn)用綜合賦權(quán)的方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)，采用綜合評(píng)分的方法對(duì)各備選方案進(jìn)行評(píng)分和排序，以某一海岸浮式活動(dòng)碼頭外海試驗(yàn)為實(shí)例進(jìn)行分析，結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)相符，證明了運(yùn)用多目標(biāo)決策的方法解決海岸浮式活動(dòng)碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題是可行的、有效的。

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Research on the Span Location Multi-objective Decision Model for the Coastal Floating Causeway Pier

SUI Chuan-jian,TAN Zhen-dong
(Institute of Military Transportation,Tianjin 300161,China)

The selection of span location for the coastal floating causeway pier is the emphasis for the project design.Through analyzing the multi-factor of span location,utilizing comprehensive weight and comprehensive point method,a span location multiobjective decision model is established.The instance analysis shows that the span location multi-objective decision model for the coastal floating causeway pier is feasible and effective.

coastal floating causeway pier;span location;multi-objective decision model

U661.43

A

1003-2029（2011）03-0088-06

2011-03-05

天津市自然基金資助項(xiàng)目（07JCYBJC13100）

隋傳劍（1983-），男，碩士，助理工程師，主要從事近海工程方面的研究。