模糊理論在港口碼頭工程中的應用研究

張 飛， 高 屹

(海軍工程大學勤務學院，天津 300450)

模糊理論在港口碼頭工程中的應用研究

張 飛， 高 屹

(海軍工程大學勤務學院，天津 300450)

簡要介紹模糊數學的相關理論，分析現有文獻，總結模糊理論運用于港口碼頭工程的現實情況，指出港口碼頭工程領域運用模糊理論需要注意的問題。

模糊理論； 港口碼頭工程； 模糊綜合評估； AHP法

模糊理論是美國加利福尼亞大學L·A·Zadeh 教授于1965年首先提出。自其創立至今，模糊理論在理論研究和實際應用上都得到了飛速的發展。目前，模糊理論與技術已經大量應用于許多工程領域。

在港口碼頭工程領域，由于碼頭結構復雜，影響因素眾多，且都難以量化表達，如碼頭的安全性、耐久性等。這些沒有具體界限的概念，都具有一定的模糊性，對于此類問題，運用模糊數學語言去評定結構的狀態往往更具有優勢。因此，在港口碼頭工程領域，恰當地使用模糊理論，對解決工程技術難題具有重要的現實意義。

1 模糊理論介紹

1.1 模糊聚類分析

根據事物的不同特征、親疏程度和相似性關系，通過建立模糊相似關系對客觀事物進行聚類的分析方法。主要有基于模糊等價矩陣聚類的模糊等價矩陣動態聚類分析法，基于目標函數聚類的模糊C均值聚類算法，基于攝動的模糊聚類分析法。在港口碼頭工程中，影響碼頭耐久性的因素眾多，根據一定的標準可對它們進行分類。

1.2 模糊模式識別

模式識別問題指的是已知的各種類別，判斷對給定的或新得到的對象應歸屬于哪一類，或是否為一個新的類別的問題。對于那些界限不明確的模式稱為模糊模式，相應的識別問題稱為模糊識別問題。對于模式庫模糊，待識別對象分明的，稱為模糊模式識別的直接方法，主要采用最大隸屬度原則、最大隸屬原則或閥值原則進行識別判斷。對于模式庫和對象都模糊的，稱為模糊模式識別的間接方法，主要采用擇近原則進行識別判斷。

1.3 模糊綜合評判

在實際生活中，對受到多種因素影響的事物進行評價時，應當綜合考慮各種相關因素做出合理決策，這就是綜合評判問題。而對于其中一些不明確的因素，往往采用模糊語言去描述，這就是模糊綜合評判。模糊綜合評判的基本思想是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其作出合理的綜合評價。根據影響因素的多少和復雜程度，又可分為一級模糊綜合評判和多級模糊綜合評判。

1.4 模糊決策

模糊決策就是研究在模糊環境下或模糊系統中進行決策的數學理論與方法。其目標是把決策論域中的對象在模糊環境下進行排序，或者按照某些模糊限制條件從決策論域中選擇出最優對象。模糊決策的主要方法有多目標模糊決策法、層次權重決策分析法和意見集中排序法等[1]。

2 模糊理論在港口碼頭工程中的應用

2.1 碼頭可靠度分析和評估

竺存宏等[2]將影響高樁碼頭的各個構件(樁、梁、前方面板、后方面板、樁帽、靠船構件)作為影響碼頭整體可靠度的準則層。把各個構件的外觀質量、裂縫、鋼筋銹蝕作為指標層。通過現場資料和經驗給定各因素的權值。將碼頭的損壞程度分為A、B、C、D四個等級。采用二級模糊綜合評判對高樁碼頭的可靠度進行評估。

孟靜等[3]通過全面分析影響高樁碼頭結構完好狀態的影響因素，建立了包括目標層、準則層和指標層的多層模糊評價模型，準則層根據結構重要性包括單個結構和結構體系(其下包括體系組成構件)。采用AHP法結合專家打分，利用matlab軟件編程計算各個部分的權重。經過多層模糊運算得到高樁碼頭完好狀態的評估結果。

葉成華等[4]在建立老碼頭模糊綜合評價模型時，準則層選取碼頭的適應性、耐久性、使用性及安全性四個方面。評價集選為很好、較好、一般、差。利用層次分析法計算權重，檢測數據結合專家打分得出各指標隸屬度，通過模糊運算得到老碼頭綜合評價結果。

2.2 碼頭安全性評估

張吉廣等[5]采用層次分析法建立港口安全體系評估模型，將影響港口安全的因素集分為人員、設備、管理、環境4類因素，其下再分13個指標。以好、一般、差作為評價集，采用二級模糊綜合評判對港口安全體系進行綜合評估。

程婷[6]建立了針對梁板式高樁碼頭結構特點的多層安全性評估模型，依據規范把評價集定位A、B、C、D四個等級，根據現場資料統計得到各因素指標的隸屬度，先進行單因素評判，再逐級評判，最終確定碼頭的結構安全性。

王德虎等[7]采用層次分析法建立高樁碼頭安全性評估指標體系，將高樁碼頭安全評估分為外觀檢測評估和承載能力評估兩個準則層。其下另分指標層、一級指標層、二級指標層。以完好、良好、差、危險4個等級作為評價集。通過專家填寫兩兩判斷矩陣，運用Excel軟件中的最優權向量計算相應權重。

王學軍等[8]建立了一套適用于內河碼頭的安全綜合評價體系。該體系把碼頭的安全性評估分為4個一級指標和13個二級指標，利用乘積方根法計算各指標的權重，根據權值的大小給各評價指標排序，并定量逐級遞增打分，定量打分結果和權值相乘求和得到安全度值。

2.3 碼頭耐久性評估

吳鋒等[9]利用AHP法將高樁碼頭耐久性綜合評估分為樁、梁、板、樁帽和附屬設施5個一級指標，每個一級指標對應鋼筋銹蝕、構建裂縫和外觀狀態3個二級指標進行分析，根據相關經驗以及規范，以良好、較好、差、危險作為分級標準，通過變權理論優化權重，建立高樁碼頭適用的耐久性層次結構模型，進而對耐久性進行評估。

徐秀娟等[10]研究了高樁碼頭結構耐久性的損傷特點，建立了包含結構各個構件的準則層和影響耐久性主要因素的指標層的多層評估模型。運用層次分析法計算初始權重，再運用熵的性質對初始權重進行修正，得到實用權重。最后以灰色關聯度法對高樁碼頭結構耐久性進行分級評估。

劉榮桂等[11]采用基于軟劃分的模糊c-均值聚類法對樣本進行模糊劃分，利用Matlab編程求出聚類中心，給出每個樣本隸屬于某一聚類中心的模糊隸屬度，并建立耐久性類別的動態描述，從而實現對海工構件耐久性的模糊評估。

王博等[12]研究了水工混凝土結構耐久性的影響因素，建立以施工質量、材料和環境因素三個方面為準則層，10項耐久性影響因素為指標層的耐久性評估模型。對各影響因素分別建立隸屬函數，層次分析法計算權值，加法權法計算相對重要權值，最后對混凝土結構耐久性進行模糊綜合評價。

宋立元等[13]在利用生存分析中的生存函數乘積限估計方法研究混凝土耐久性壽命時，融合模糊綜合評判，計算刪失示性函數模糊特征值，補充到傳統生存分析方法中去，使得混凝土結構耐久性壽命統計更加合理。

2.4 碼頭運行風險評估

潘科等[14]考慮人員影響因素評價、運營設備與設施評價、外界環境評價、安全管理評價這四項來構建集裝箱碼頭運營風險評價的指標體系，將風險等級分為可忽略、可接受但需整改、不可接受三個等級進行評價。利用層次分析法計算權重，同時引入集對分析理論來確定碼頭運營系統風險等級。

2.5 碼頭設備選型

計三有等[15]從技術性、經濟性、環境三個層面對碼頭堆場裝卸設備進行比選，將程度分析法和綜合決策理論應用于層次分析法，得出一級指標的權重，結合專家意見完成設備的選型。

趙宏光等[16]運用模糊綜合評價法，請專家對同一評價指標給予打分，權重比法確定權重，通過二元比較, 根據最大隸屬度原則來確定最優方案。

2.6 方案比選

孫成功等[17]以經濟性、施工工期、平面布置性能、水工建筑物性能和裝卸工藝性作為因素集，很差、差、較差、一般、較好、好、很好作為評價集，采用模糊二級綜合評判對工程方案進行對比確定最優方案。

模糊理論，尤其是模糊層次分析法，在碼頭結構安全性評估、耐久性評估、方案比選方面應用普遍。多數學者通過層次分析法建立評估模型，并計算權重，同時根據現實需要對初始權重進行優化，如采用變權理論、熵法、加法權法等。這些方法都在一定程度上減小了主觀因素在權重計算中的影響。

對于評價集的選取，有的學者根據相關規范確定，有的則根據評估目標結合經驗資料來確定，一般來說，評價指標的選取遵循以下原則：(1)能夠明確的表達含義；(2)能夠量化表達；(3)易于解釋和說明；(4)能夠綜合概括反映事物關鍵因素；(5)在時間上具有動態性、連續性，對事物的變化具有敏感性。

利用多層模糊綜合評判，建立模糊綜合評估模型，可以使定性分析結果量化，在一定程度上降低了評判中的主觀隨意性，使評估結果更加合理、可靠。

3 港口碼頭工程領域模糊理論應用展望

從模糊理論運用于港口碼頭工程的研究現狀看，模糊理論的應用研究今后應從以下幾個方面入手：

(1)模糊層次分析法在港口碼頭工程應用比較廣泛，但AHP法應用到模糊理論在學術界尚有爭議。AHP理論創始人Saaty從模糊AHP缺乏數理邏輯性、AHP判斷本身就來自模糊語義再次模糊意義不大和模糊AHP對不一致性的改進不一定能確保改進結果的有效性等方面對模糊AHP提出質疑[18]。對此，仍需在理論上作進一步的研究。

(2)權重是反映各個因素在評估中所起作用的直接表征量。目前，各指標權重的計算主要由專家構造的兩兩比較判斷矩陣計算出權重，受限于專家的經驗與知識水平，其構造的判斷矩陣的合理性存疑，進而影響權重的正確性。因此，權重的確定是進一步研究的重點。

(3)影響碼頭結構的因素眾多，關系復雜，在進行模糊評價時，往往只考慮單一因素的影響，如何綜合考慮各個因素的共同耦合作用下的評估是今后需要深入研究的問題。

(4)在運用模糊理論進行評估時，可根據需要和其他理論進行優勢互補，例如模糊理論和灰色理論，模糊理論和神經網絡，模糊理論和人工智能等。

[1] 陳水利, 李敬功, 王向功. 模糊集理論及其應用[M].北京：科學出版社,2005.

[2] 竺存宏, 韓玉. 海港高樁碼頭結構可靠度的模糊數學評估[J]. 水道港口, 1992(4): 1-11.

[3] 孟靜, 劉現鵬, 王崇宇. 高樁碼頭完好狀態的模糊綜合評估[J]. 水道港口, 2009(5): 369-375.

[4] 葉成華, 陳祎. 基于模糊綜合評價法的老碼頭評價模型[J]. 中國水運：下半月, 2012(1): 65-67.

[5] 張吉廣, 蒙培奇. 港口安全評價的AHP—模糊綜合評判方法[J]. 港口裝卸, 2002(5): 24-27.

[6] 程婷. 用模糊層次分析法評估海港梁板式高樁碼頭的安全性[J]. 交通科技, 2014(4): 145-147.

[7] 王德虎, 魯子愛, 侯代云. 基于模糊層次分析法的高樁碼頭安全性評估[J]. 水運工程, 2013(1): 76-80.

[8] 王學軍, 秦磊, 陳瑩. 三峽庫區碼頭安全評價體系研究[J]. 重慶交通大學學報:自然科學版, 2010, 29(4): 628-631.

[9] 吳鋒, 龐丹丹, 張章. 高樁碼頭運營期耐久性模糊評估方法[J]. 水運工程, 2013(2): 62-67.

[10] 徐秀娟, 欒曙光. 在役高樁碼頭耐久性等級的灰色綜合評估[J]. 水道港口, 2008, 29(6): 443-448.

[11] 劉榮桂. 基于模糊聚類方法的海工結構耐久性評估[J]. 蘭州理工大學學報, 2010(2): 118-122.

[12] 王博, 高丹盈, 水工混凝土結構耐久性的模糊綜合評價[J]. 水利水電技術, 1993(6): 25-30.

[13] 宋立元. 水工混凝土結構耐久壽命統計的模糊生存分析[J]. 混凝土, 2012(3): 58-61.

[14] 潘科, 關守安, 秦華禮. 基于模糊層次及集對分析的集裝箱碼頭運營風險評價[C]//國際安全科學與技術學術研討會論文集, 沈陽： 2012.

[15] 計三有, 徐杰. 基于模糊層次分析法的碼頭堆場設備選型[J]. 湖北工業大學學報, 2010(4): 8-10.

[16] 趙宏光, 陶其鈞. 模糊評價在大型集裝箱碼頭堆場設備選型中的應用[J]. 中國工程機械學報, 2004(3): 275-278.

[17] 孫成功, 張秋榮, 肖英杰. 層次模糊評價法在碼頭前沿回旋水域方案比選中的運用[J]. 船海工程, 2011(2): 164-167.

[18] 朱克毓, 楊善林. 關于Saaty對模糊邏輯不適用于AHP觀點的評述[J]. 系統工程理論與實踐, 2014, 34(1): 197-206.

張飛(1990～)，男，碩士研究生，主要從事海洋結構物應用工程研究；高屹(1976～)，男，副教授，碩導，主要研究方向為結構工程、工程維護與加固。

U657.3

A

[定稿日期]2015-03-17