基于粗糙集理論的港口耦合測度研究＊

李電生 張麗紅

（中國海洋大學經濟學院，山東青島266100）

基于粗糙集理論的港口耦合測度研究＊

李電生 張麗紅

（中國海洋大學經濟學院，山東青島266100）

針對國際環境變化下港口間盲目競爭的現狀，提出港口間特別是港口群內港口間應該選擇協同發展保持競爭力。為了更好地幫助港口進行功能定位和資源優化配置，在闡述港口耦合度與協同發展水平關系的基礎上，構建了港口群系統耦合測度模型，依據耦合度大小描述了港口群內港口的不同耦合模式；并利用基于信息熵的粗糙集約簡方法定量對系統序參量指標屬性權重和屬性重要性進行求解；最后通過對山東半島港口群系統進行實證分析，測度了港口群內港口間耦合狀態和協同發展水平，驗證了耦合測度模型的有效性。

港口群；耦合測度；粗糙集約簡；信息熵

一、引言

隨著世界經濟的變化及國際貿易一體化的快速發展，港口的經營環境和基本功能都發生了重大變化。港口已經從一個傳統的地域性中轉基地逐步轉型為資源配置樞紐，并不斷影響著國家和地區產業結構和經濟格局。由于地方政府的利益關系，港口的數量和規模不斷擴大，造成港口間層次關系和功能定位混淆，盲目性競爭更加激烈，港口資源浪費嚴重，港口間協同發展策略被提上日程，港口間只有摒棄完全盲目競爭的經營方式，轉向協同競爭策略，同時注重港口間聯合協調發展才能獲得長期持續競爭力。

國外的相關學者Juhel、Avery、Lam、Dong－Wook Song、Yap and Lam、Notteboom，以及國內的李超、田甜、鄧利鋒等分別對北美、歐洲、東北亞等港口進行定性分析，［1－9］指出港口間特別是具有共同腹地的港口間在日趨激烈的市場競爭環境下選擇協同合作競爭策略的必要性和意義，并闡述了協作競爭的形式和方式。Fung、Yap and Lam、封學軍等分別采用協整誤差糾正計量回歸模型和Bertrand寡占模型定量研究了港口間競爭合作關系及效益，［10－12］驗證了相鄰港口選擇合作競爭發展策略的經濟理性。隨著港口群內部港口不斷地擴建和改造，港口在一定區域內的聯合協調發展已成共識。Van der Horst、De Langen對港口協調發展概念進行闡述，指出建立港口協調機制存在的問題及建立協調機制的路徑；［13］De Langen、Visser，Brooks、Mccalla、Pallis、Vanderlugt分別以密西西比河流域港口群和加拿大大西洋沿岸港口為例指出協同合作策略、共同行動機制是港口獲得競爭力的途徑。［14－15］國內的陳航、萬征、王素君、楊靜蕾等基于不同的理論和方法針對渤海灣、長三角、京津冀等港口群從定性或定量角度分析了一定區域內港口間優化配置資源和獲得競爭力的重要途徑是港口間的協調發展。［16－19］

通過以上文獻分析可以看出，目前對港口間協同發展的研究僅限于宏觀分析港口間協同發展的必要性和意義，對港口間協同發展水平的衡量缺乏基礎研究。港口耦合度，即港口群內各港口系統間、港口系統序參量間的協同運動程度、相互支撐程度，是港口群系統耦合水平的綜合反映。它可以直觀反映港口間協同運動程度，有序合作水平。通常來說，港口間的協同作用越強，合作層面越廣越深，對港口效益的增長越有利，港口群的耦合度也越高，反之亦然。本文通過對港口群內港口間的耦合度研究，分析港口間的協同發展水平，可以更好地幫助港口進行功能定位，對引導港口企業從無序競爭到規范化發展具有重要的現實意義。

二、港口間系統耦合性評價模型分析

假設某港口群系統為U，i（i＝1，2，3，……，n）為U的第i個港口系統，則本文借助物理學中容量耦合的概念，［19］提出港口群內港口的耦合度公式為：

其中：ui為i港子系統對港口群系統有序度的貢獻；m為i港的序參量評價指標數目；Aik為評價i港系統的第k個序參量指標；wik為i港系統第k序參量指標的權重。

依據港口間耦合度的大小，給出港口耦合的幾種模式，見表1。

表1 港口群內港口耦合模式

（一）基于粗糙集理論屬性權重確定方法

由耦合度測算公式可知，在對港口群系統進行耦合度計算之前需要對系統序參量進行選擇，并對序參量指標的屬性權重進行計算，采用粗糙集約簡理論和信息熵計算可以保證序參量選擇的客觀性和科學性。耦合性測度的具體操作過程如圖1所示。

圖1 序參量屬性權重計算步驟圖

1、粗糙集及屬性約簡

粗糙集理論由由波蘭數學家Pawlak在1928年首先提出。［20］它是對知識進行分類的強有力工具。粗糙集的核心理論就是知識約簡。一個決策系統中的知識屬性不是同等重要的，在實際的決策系統中，各屬性之間不可避免的存在一定的相關性，包含某種程度的冗余關系。決策表的屬性約簡，就是在維持決策屬性和條件屬性依存關系的基礎上，刪除不必要的條件屬性，使得約簡后的決策表所含的條件最大限度地少且合理，從而得到適應度最大的決策規則。

另外決策系統中的現實數據一般是連續性數據，而本文采用的計算軟件Rosetta是一種基于粗糙集理論的數據挖掘技術，無法對連續型數據進行處理，所以有必要將數據離散化以減少屬性值的個數。

2、信息熵

由于決策信息表各指標所代表的經濟意義不同，指標之間的度量單位與數量級各不相同。為了便于指標間的橫向比較和運用，排除直接利用原始信息表所引起的決策結果不合理的情形，需對原始數據表進行無量綱化處理，在進行粗糙集約簡之前，進行信息熵計算是必要的。［13］

在港口群耦合性的衡量方面，信息熵可以用來反映指標值的變化程度。若一個指標的信息熵愈大代表該指標的值變化程度愈小，則對系統的影響程度愈小，從而在指標體系中該指標的權重值相應地較低。信息熵的計算過程見圖2。

圖2 信息熵計算過程

3、耦合性評價決策屬性重要性和權重計算

（1）指標權重計算。由指標的權重大小確定港口群耦合性評價決策的決策屬性集與條件屬性集。指標權重最大的為評價決策的決策屬性，其余的為條件屬性。信息熵大小反映了指標權重的大小，二者之間的具體關系為：

（2）約簡后屬性重要性計算和屬性權重確定。屬性重要性的判斷原理：決策表S＝｛U，A｝，A’是A的一個等價子集，Q為A’對論域U劃分的等價類集合。若去掉A’的某一屬性導致對論域的分類（Q）變化較大，則該屬性的重要性越高，Q的變化程度可通過知識信息量INF來反映：S＝｛U，A｝；U＝｛x1，x2，…，xm｝；A＝｛a1，a2，…，an｝。

（二）耦合性測度指標體系的構建

本文指標體系構建思想是：港口群系統港口間的耦合性是由港口子系統的運作狀態決定的；每一個港口子系統類似于一個實質的產品生產企業，其業務運作的過程形同企業原材料投入、生產至最終產成品的過程。運用企業生產的流程的思想，參考影響港口生產的經濟指標，根據數據可獲得性、完整性、可比性的原則，提出了港口群內港口的耦合性評價指標體系，見圖3。

圖3 山東半島港口群耦合性的評價指標體系

（1）投入層：該層屬于企業的原材料投入階段，是港口投入生產、產出競爭力的基礎條件，主要包含地區GDP、地區人均生產總值、地區生產總值增長率、第三產業占地區GDP的比重以及交通運輸倉儲業情況五個指標。其中GDP和GDP增長率主要反映港口城市貨源的產生能力和對中轉貨源的吸引能力，人均GDP反映港口城市的國際化程度和消費水平，第三產業比例代表港口城市金融、保險等服務型產業對港口產業的支撐力度，交通運輸倉儲業從業人數指標則反映了該地區物流產業的發展情況。

（2）過程層：改層包含泊位個數、碼頭長度、前沿水深、堆場面積和集裝箱堆場面積五個基礎設施要素。這些要素是港口的生產設備，也是港口改善生產效率、提高產出的重要前提。

（3）產出層：對港口的“產成品”指標選取了四個方面，即貨物吞吐量、貨物吞吐量增長率、集裝箱吞吐量和集裝箱吞吐量增長率。吞吐量指標可以很好地反映港口的產出規模，增長率指標則反映了港口的增長趨勢和發展潛力。

三、港口群耦合測度

（一）樣本選取與數據統計

在樣本選取上選擇了中國大陸沿海五大港口群共計25個港口作為研究對象。其中，環渤海港口群覆蓋范圍廣，行政區劃較多，因此依據各省市的地理空間分布和港口規劃，本文將環渤海港口群細分為山東半島港口群、津冀沿海港口群和遼寧沿海港口群是很合理的；半島港口群則選擇了四個代表性港口，即青島港、煙臺港、日照港、威海港。根據港口群耦合性的評價指標體系，確定了S＝（xij）25×14決策信息表，見表2。

表2 半島港口群耦合性評價決策信息表

注：1、數據來源于2010年各市國民經濟和社會發展統計公報，2010年各市政府工作報告、2009年各市統計年鑒；2、空格表示該港口此項指標數據未找到。

（二）耦合測度指標屬性權重計算

本文采用粗糙集軟件中的Genetic algorithm進行約簡，得到港口群耦合性評價指標集中條件屬性的約簡結果為：｛地區生產總值，第三產業產值占GDP的比重，泊位個數，集裝箱堆場面積｝。約簡后的五個指標分布在評價指標體系的投入層、過程層和產出層，指標分布均勻，權重分配合理。根據上面的公式可計算出屬性重要性和權重，見表3。

表3 約簡后屬性重要性及權重

（三）實證分析

1、山東半島港口群耦合系統

本文以山東半島港口群為例，研究港口間的耦合性問題，所以選定半島四大主要港口（青島港、煙臺港、日照港和威海港）作為半島港口群耦合系統的子系統，同時選取上面計算約簡后的指標作為港口子系統的關鍵序參量，最后得到半島港口群耦合系統的決策表，見表4。

表4 半島港口群耦合性決策表

2、計算港口子系統對港口群耦合系統的貢獻

首先運用規范化公式對上述港口群耦合系統決策表進行無量綱化處理，消除單位及數量級對耦合分析的影響；其次依據港口子系統對總系統有序度的貢獻公式，計算各港口子系統的功效。需要說明的是，鑒于各港口子系統在性質、運作方式及經營管理等方面基本相同，以及本文選擇指標的廣泛適用性，因此各港口子系統的序參量相同、序參量的權重分配相同。其計算結果見表5。

表5 半島港口群耦合子系統貢獻

3、半島港口群耦合系統的耦合度計算

根據港口群耦合度公式，以青島港、煙臺港、日照港和威海港四大港口為代表的半島港口群耦合度為：

4、耦合結果分析

由上述耦合度數值大小可以看出，該數值處在0.3～0.5之間，表明山東半島港口群的協調發展程度處于中低水平，內部各港口間合作較不頻繁，資源整合程度較低。對市場競爭是獲得收益的主要策略。

結論與半島港口群系統耦合現狀相吻合，目前半島港口群內部合作僅限于青日（青島港－日照港），煙青（煙臺－青島）合資共建集裝箱碼頭公司，干散貨運輸業務競爭激烈，并且各港口近幾年熱衷于基礎設施建設，重復建設嚴重，資源整合度很低。

四、結語

本文首先通過選取25個港口的樣本數據，利用基于信息熵的粗糙約集方法確定了港口群系統中的關鍵序參量，從而求解出序參量的屬性權重以及重要性；在此基礎上結合耦合測度公式對山東半島港口群系統的耦合狀態進行了定量計算，結果顯示半島港口群的耦合狀態和協同發展處于中低水平，這是由于港口間合作層面少，競爭激烈及重復建設造成的。四大子系統港還沒有形成耦合式分工亟需進一步加強合作，展開有序合作競爭，才能提高港口群資源整合度。

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Abstract：The change of international environment leads to blind competition between ports.In order to keep a suatainable development and competitiveness，ports shoud develop in a synergetic way，which could better help ports with functional positioning and optimal distribution of resources.With introduction of the relationship between coupling level and synergetic development，this article constructs a coupling measurement model of the port cluster system.Then it describes the various patterns with different coupling level.With the method of rough sets reduction based on information entropy，index attribute weight and attribute significance are calculated.Finally the paper makes an empirical analysis of the Shandong Peninsula port cluster system to measure the coupling level and verify the validity of the model.

Key words：port cluster；coupling measurement；rough sets reduction；information entropy

責任編輯：王明舜

A Study on Port Coupling Level Based on Rough Set Theory

Li Diansheng，Zhang Lihong
（College of Economics，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

F250

A

1672－335X（2012）03－0001－07

2012－03－05

山東省軟科學項目“山東半島耦合關系研究”（2008RKA076）；教育部人文社會科學研究青年基金項目“海洋產業集群與沿海區域經濟的互動發展：機理、測度與實現路徑”（11YJC790066）

李電生（1966－ ），男，河北石家莊人，中國海洋大學經濟學院副教授，主要從事現代物流與供應鏈管理，港口規劃與管理研究。