設計階段港口裝卸工藝系統(tǒng)設備優(yōu)化配置研究

李金鳳，牛興偉

（1. 蘇交科集團股份有限公司 水運工程設計研究所，南京 210000；2. 江蘇省港口綠色技術集成工程中心，南京 210000）

設計階段港口裝卸工藝系統(tǒng)設備優(yōu)化配置研究

李金鳳1,2，牛興偉1,2

（1. 蘇交科集團股份有限公司 水運工程設計研究所，南京 210000；2. 江蘇省港口綠色技術集成工程中心，南京 210000）

港口在綜合交通運輸體系中的節(jié)點作用日益顯著，而港口裝卸工藝的合理與否對港口的經(jīng)濟效益和社會效益有著舉足輕重的影響，故對裝卸工藝的優(yōu)化尤其是設備優(yōu)化配置的研究至關重要。本文提出以單個設備為分析個體的研究思路，基于層次分析法建立單設備的兩級評價指標，運用模糊綜合評判法對不同設備的指標進行逐層綜合評判，根據(jù)最終綜合評判結果為設備優(yōu)選提供決策依據(jù)。通過實例應用表明，本方法可實現(xiàn)裝卸工藝設備的科學選取。

港口；裝卸工藝；模糊綜合評判；設備優(yōu)選

隨著我國水運行業(yè)的快速發(fā)展，港口已經(jīng)成為重要的貨物中轉運輸節(jié)點。裝卸工藝是港口生產(chǎn)的基礎，是港口技術水平的標志，其合理與否對港口的盈利能力、安全生產(chǎn)及環(huán)境保護等方面影響突出，關乎港口的經(jīng)濟效益和社會效益。港口裝卸工藝在設計過程中，因同一工藝同一操作過程可以采用眾多的工藝方案，而不同的工藝方案所配備的機械、工具類型和工人的數(shù)量不同，產(chǎn)生的效果必然不同[1]。因此，裝卸工藝的優(yōu)化設計一直是港口工程設計的難點。

目前，對裝卸工藝的相關研究成果較多。其中，劉善平[2]從質(zhì)量安全和環(huán)境保護、裝卸設備、工藝布置與流程、裝卸作業(yè)、勞動組織、裝卸成本等方面分析了港口裝卸工藝合理化的基本原則和方法；閻佳安、李益琴等[3-4]通過裝卸設備基本能力擬訂可行方案，對比分析各方案的相關營運經(jīng)濟指標，確定最優(yōu)的裝卸工藝方案；羅振林[5]利用AHP法先進行集裝箱碼頭最佳裝卸工藝方案的選擇，然后根據(jù)運量預測結果進行原有設計方案的改進；李柱[6]采用灰色關聯(lián)度分析法和熵權法作為評價研究方法，通過計算不同裝卸工藝的合理性程度來確定推選方案；姚夏莉[7]使用Arena仿真工具建立了港口裝卸工藝系統(tǒng)模型，通過模型運行不同工藝方案得出了一個相對較優(yōu)的方案；劉衛(wèi)東、蔡佩林等[1,8]分別利用模糊評價技術對散貨和集裝箱碼頭的裝卸工藝進行分析評價，并制定了相應的評價指標。

現(xiàn)有研究成果均是對已成型的裝卸工藝系統(tǒng)進行評價分析，無法為裝卸工藝設計過程中的設備優(yōu)選提供指導，同時也不能為裝卸工藝的編程設計提供理論基礎。為此，本文提出以單個設備為分析個體的研究思路，基于層次分析法（AHP）建立單設備的兩級評價指標，運用模糊綜合評判法（FSEM）對設備各指標進行逐層綜合評判，根據(jù)最終綜合評判結果為裝卸工藝的設備選取提供決策依據(jù)。

1 基于AHP法的設備評價指標體系

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP），是美國學者于上世紀70年代中期提出的一種實用的多準則決策方法。它能夠將定性與定量相結合，充分利用人的經(jīng)驗和判斷，對決策方案優(yōu)劣進行排序，具有實用性、系統(tǒng)性、簡潔性等優(yōu)點。基本思路是首先將復雜問題分解為若干組成要素，再將這些要素按支配關系形成有序的階梯層次結構然后通過兩兩比較，確定層次中諸要素的相對重要性，最后綜合各層次要素的重要程度，得到諸要素的綜合評價值[10]。

1.1 確定設備評價指標

根據(jù)國內(nèi)目前的研究成果，沒有統(tǒng)一的港口裝卸工藝系統(tǒng)的相關評價標準與規(guī)定，而公認優(yōu)越的裝卸工藝系統(tǒng)需在可持續(xù)性發(fā)展、環(huán)境保護、資源與能耗、安全和諧等方面具有優(yōu)勢。所以，本文從港口裝卸工藝評價的一般原則出發(fā)，擬定出裝卸工藝評價系統(tǒng)設備優(yōu)選的評價指標。

具體分析時，采用層次分析法構建港口裝卸工藝系統(tǒng)設備優(yōu)選評價頂層目標層，形成了包括設備的合理性、經(jīng)濟性、安全性和環(huán)保性等4項準則層目標。為能夠真實、全面、客觀、準確地反映設備的各個屬性，充分結合裝卸工藝設計者的設計經(jīng)驗和碼頭裝卸設備的特點，將準則層目標進一步分解為裝卸效率、設備先進性、機械化水平、投資造價、裝卸成本、水污染等11項指標層目標，詳見表1。

表1 設備綜合評價指標體系Tab.1 Comprehensive Evaluation index system of equipment

1.2 評價指標權重分析

權重是單個評價因素在總體評價中影響程度的一種度量。為使權重能客觀反映實際，同時結合專家在實踐過程中所獲得的寶貴經(jīng)驗，可利用專家咨詢法和港口企業(yè)現(xiàn)場查實法，結合兩者情況進行打分，確定權重值。

首先，根據(jù)評價指標的相對重要性的評判比例標度及專家對B層指標進行兩兩比較的評判結果，形成判斷矩陣

式中：aij就是該指標層第i個指標相對與第j個指標對于本層的重要性。判斷矩陣具有以下性質(zhì)

由判斷矩陣A計算其特征向量ω，為減少計算，可采用簡便算法，具體如下：

則ω = [ω1,ω2,...,ωn]T為A的特征向量，即為B層指標權重ω，同理，可求得C層指標的權重。

當然，由于受到專家評判的主觀性影響，使得判斷矩陣中各元素可能不具備一致性，必須對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算一致性判斷指標CR=Ci/Ri，若CR＜0.1 ，則計算結果可以接受，專家判斷系統(tǒng)一致性符合要求，否則重新調(diào)整直至一致性檢驗符合要求。

2 模糊綜合評判體系

模糊綜合評判法（Fuzzy Synthetic Evaluation Model，簡稱FSEM）是一種基于模糊集合論，能夠將定性評價轉化成定量評價，通過對評判指標中各種模糊信息做量化處理，并進行狀態(tài)判斷的方法分析。一個模糊評判一般包括指標體系的選用、標準值的確定、原始數(shù)據(jù)的標準化、各因素權重確定、合成算子的選擇、計算綜合指標值和綜合指標隸屬度等步驟[11]。具體應用時，一般需構造多層次模糊綜合評判模型，使經(jīng)低層次評價得到的綜合評價向量繼續(xù)參與高層次的評價，從而可避免某一層中因素過多、權重小而造成的因素權重的“淹沒”現(xiàn)象[12]。

2.1 建立設備因素集U

建立評價對象即裝卸設備的因素集U = {u1,u2,u3,...,un}，設備因素集U中的參數(shù)ui代表了評價對象的一種屬性，各參數(shù)作為裝卸設備設計時的考慮因素，也即評價指標，具有一定的通用性，但并非對任何設備來說都需進行所有因素的評價。根據(jù)上文對設備評價指標的分析，對設備是否選取進行決策時，取U={合理性(u1)，經(jīng)濟性(u2)，安全性(u3)，環(huán)保性(u4)}

2.2 建立設備評價等級集V

為直觀顯示因素集U中設備各參數(shù)ui的優(yōu)劣程度，需建立評價等級集V = {v1,v2,v3,...vm}，vj(j = 1,2,...,m)表示由高到低的各級評語。評價等級集一般設4個抉擇等級vi，即V={優(yōu)(v1)，良(v2)，中(v3)，差(v4)}，具體對設備各指標進行評價時，抉擇等級優(yōu)(v1)對于正指標可以是高、大、可行、合理等，對于負指標可以是低、小、不可行、不合理等。

2.3 確定模糊評判隸屬矩陣R

隸屬函數(shù)是模糊綜合評判方法的關鍵之一，是對一種不能精確定量表述的事物現(xiàn)象規(guī)律進程 的模糊陳述的表達式，由此確定上文有關因素的隸屬度是對模糊概念貼近程度的度量。

對于因素評價等級集V中的vi(i = 1,2,3,...,m)作單因素評判，從因素ui確定該參數(shù)對抉擇等級vj(j = 1,2,3,...,m)的隸屬度rij，并由此得到ui的單因素評價等級集ri= {ri1,ri2,ri3,...,rim}，同理，可構造出因素集U的模糊評判矩陣：

2.4 綜合評判B

在確定模糊評判矩陣R后，根據(jù)上文由AHP法計算得到的單設備各指標權重ω，利用模糊矩陣的合成運算，得到綜合評價模型B = ω . R = {b1,b2,...,bm}，它是V上的一個模糊子集，其中，F(xiàn)uzzy 運算在實際中根據(jù)情況選用，由于裝卸工藝的設備優(yōu)選需同時考慮多個因素的影響，所以建議采用M(·, +) 算子

2.5 最終評判結果Z

設F = [f1,f2,...fn]T是數(shù)據(jù)集，其中fj( j = 1,2,...,n) 表示第j級評語的實際數(shù)據(jù)。利用向量的乘積，計算最終評價結果Z = B . F，同時由Z可分析評價結果。

經(jīng)上述步驟，即完成對單個設備的模糊綜合評判，最終評判結果Z作為設備優(yōu)選的決策依據(jù)。

3 裝卸設備模糊綜合評判實例

連云港某內(nèi)河碼頭工程位于連云港南翼地區(qū)——徐圩新區(qū)內(nèi)，工程擬建1個1000噸級散貨泊位，3個1 000噸級件雜貨泊位。設計吞吐量160萬t/a，滿足2030年的貨運需求。結合碼頭泊位設置情況和裝卸設備的船時效率，初步確定碼頭前沿裝卸設備和庫堆場的件雜貨設備有備選方案，裝卸設備的可選范圍如表2所示。

表2 可選機械名稱及規(guī)格Tab.2 Alternative mechanical name and specifications

根據(jù)筆者近年來對內(nèi)河碼頭裝卸設備的各指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結合裝卸工藝專業(yè)的專家和企業(yè)管理人員、現(xiàn)場操作人員對權重和隸屬度的打分，首先可得準則B層評估指標的判斷矩陣如下

求得B層判斷矩陣A的特征向量，特征值為4.001，，一致性滿意，因此上述向量準則B層的權重。同理，可求得指標C層的權重，見表3。

表3 評價指標計算結果Tab.3 Calculation results of evaluation index

在此基礎上，采用逐個貨種類型分析的方法，得到碼頭前沿件雜貨泊位的裝卸設備指標、權重、隸屬度等分析結果如表3所示：

由上表可知：ω={0.33,0.17,0.33,0.17}；ω1={0.60,0.20,0.20}；ω2={0.50,0.50}；ω3={0.55,0.27,0.18}；ω4={0.17,0.33,0.50}。

根據(jù)Bi= ωi. Ri，進行一階模糊綜合評價判斷

則二階模糊綜合評價判斷矩陣為

二階模糊綜合評判為

設評價等級集V具體指標值為F=[0.9,0.7,0.5,0.3]T，則最終判斷結果Z為

經(jīng)計算，從模糊綜合評判結果來看，Z2= 0.81，綜合評判等級相對較高，因而推薦固定式起重機25 t為前沿件雜貨泊位的裝卸設備。同理可得其它貨種可選設備的綜合評判值，見表4。推薦固定式起重機10 t為散貨泊位裝卸設備，軌道龍門吊25 t為庫堆場件雜貨堆放設備。

表4 可選設備綜合評價結果Tab.4 Comprehensive evaluation results of alternative equipment

4 總結

本文進行裝卸工藝系統(tǒng)設備優(yōu)選時以單個設備為分析個體，采用層次分析法建立了單設備的兩級評價指標并分析了各指標權重，運用模糊綜合評判法對設備各指標進行逐層綜合評判，通過對比不同設備的最終綜合評判結果，為裝卸工藝的設備選取提供決策依據(jù)。本文的分析方法使港口裝卸工藝的設計不再單純依靠設計者的經(jīng)驗判斷，而是具有一定的科學性，設備選取過程有據(jù)可依。

本文的研究成果可指導設計階段的裝卸工藝設備選取，但如需廣泛應用到工程設計中，還需解決兩個難題：（1）建立針對不同貨種類型的完善的裝卸設備各評價指標的信息化數(shù)據(jù)庫；（2）由于綜合評判過程計算繁瑣，宜按本文的研究思路研究開發(fā)專業(yè)的評價軟件。

參考文獻：

[1] 劉衛(wèi)東. 港口裝卸工藝方案的模糊綜合評價與應用[J]. 水運工程, 2005(11):45-47. LIU W D. Fuzzy comprehensive evaluation and application for port handling technology[J]. Port&Waterway Engineering, 2005(11):45-47.

[2] 劉善平. 港口裝卸工藝合理化探析[J].中國科技縱橫, 2009(11):171-174. LIU S P. Rationalization of port handling technology[J]. Chine science & technology panorama magazine, 2009(11):171-174.

[3] 閻佳安. 集裝箱港口裝卸工藝方案研究[J].科技信息, 2014(4):189-190. YAN J A. Research on Port Container Handling Technology[J]. Chine science & technology magazine,2014(4):189-190.

[4] 李益琴,易芳華,李海波. 紅水河港口煤炭節(jié)能環(huán)保裝卸工藝系統(tǒng)研究[J].港口裝卸, 2011(4):5-7. LI Y Q,YI F H,LI H B. Research on environment-friendly and energy-economized coal handling process system to terminals on Hongshui River area[J]. Port operation, 2011(4):5-7.

[5] 羅振林. 黃埔集裝箱碼頭裝卸工藝改造方案研究[D].上海：上海海事大學, 2005.

[6] 李柱. 百層港大水位差干散貨碼頭裝卸工藝優(yōu)化研究[D]. 武漢：武漢理工大學,2010.

[7] 姚夏莉. 礦石碼頭裝卸工藝系統(tǒng)設備配置仿真優(yōu)化[D].大連：大連理工大學, 2007.

[8] 蔡佩林. 基于模糊綜合評判的集裝箱裝卸工藝方案評價[J]. 廣東交通職業(yè)技術學院學報, 2009(4):51-53. CAI P L. A fuzzy comprehensive evaluation on the handling operation of the container terminal[J]. Journal of Guangdong communication polytechnic, 2009(4):51-53.

[9] 耿東耀. 集裝箱綠色裝卸工藝與設備優(yōu)化配置的研究[D]. 太原：太原科技大學, 2014.

[10] 杜棟,龐慶華. 現(xiàn)代綜合評價方法與案例精選[M]. 北京:清華大學出版社, 2005.

[11] 張超,張社榮. 地下洞室群圍巖穩(wěn)定性動態(tài)風險分析及系統(tǒng)研發(fā)[J]. 水利水運工程學報,2015(3):73-79. ZHANG C, ZHANG S R. Dynamic risk analysis and system development for stability of surrounding rock of underground carven group[J]. Hydro-Science and engineering, 2015(3):73-79.

[12] 史云霞,陳一梅. 基于多層次模糊綜合評價法的內(nèi)河航道護岸結構型式評價與選擇[J]. 水道港口,2007(10):337-341. SHI Y X, CHEN Y M. Evaluation and selection of revetment type of inland waterway based on multi-level fuzzy synthesis evaluation method [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2007(10): 337-341.

Study on optimized equipment configuration of port loading and unloading process system in design phase

LI Jin-feng1,2, NIU Xing-wei1,2
(1. JSTI Group Waterway Engineering Design and Research Institute, Nanjing 210000, China;2. Jiangsu Port Green Technology Integration Engineering Center, Nanjing 210000, China)

The role of port in overall transportation system is increasingly signifi cant, and the rationality of the handling technology has a signifi cant impact on the port's economic and social benefi ts. Therefore, the research of optimizing device confi guration is extremely important. In this paper, the idea of taking the single device as analysis object was presented. Two-level evaluation index of single device was established based on AHP method. The FSEM was applied to do comprehensive evaluations of different devices. And the evaluation results were treated as evidences of optimized equipment. Practical application shows that this method makes the selection of handling equipment more scientifi c.

port; loading and unloading process; fuzzy synthetic evaluation; optimization allocation

U 652

A

1005-8443(2017)03-0320-05

2016-08-17；

2016-12-01

浙江省交通運輸廳科技計劃重點項目（2015J09）

李金鳳（1977-），女，江蘇省人，博士，高級工程師，主要從事水工結構設計及綠色港口技術應用研究。Biography:LI Jin-feng(1977-),female,senior engineer.