傳統集裝箱碼頭自動化改造程度評價分析

摘?要：為追求裝卸作業效率的提升，國內各主要碼頭紛紛開展傳統集裝箱碼頭自動化改造工作，受業務模式、營業狀況及自身發展需要等因素限制，目前改造工作大多基于工程經驗而缺乏理論支撐，無論是工程實踐或是理論研究均未涉及改造程度的判斷。本文綜合考慮碼頭規模、地區經濟發展水平、勞動力豐富度等可能影響碼頭發展的維度，構建了跨維度的傳統集裝箱碼頭自動化改造程度評價的數學模型，使用模糊層次分析法確定了權重系數，遴選了全國10家代表性的傳統碼頭作為評測對象。評測結果顯示，碼頭年吞吐量越高，城鎮居民人均可支配收入越高，城鎮人口數越低，則越適合進行深度改造，評測結果充分證明了模型的有效性。

關鍵詞：自動化改造；評價分析；模糊層次分析法

中圖分類號：U?691??文獻標識碼：A

Abstract：In?order?to?improve?the?efficiency?of?loading?and?unloading?operations，major?domestic?terminals?have?carried?out?automatic?transformation?of?traditional?container?terminals.Limited?by?business?model，business?status?and?development?needs，the?current?transformation?work?is?mostly?based?on?engineering?experience?but?lacks?theoretical?support，and?neither?engineering?practice?nor?theoretical?research?involves?the?judgment?of?transformation?degree.In?this?paper，considering?the?dimensions?that?may?affect?the?development?of?terminals，such?as?the?scale?of?terminals，the?level?of?regional?economic?development?and?the?richness?of?labor?force，a?crossdimensional?mathematical?model?is?constructed?for?the?evaluation?of?the?degree?of?automatic?transformation?of?traditional?container?terminals.The?fuzzy?analytic?hierarchy?process?is?used?to?determine?the?weight?coefficient，and?10?representative?traditional?terminals?in?China?are?selected?as?evaluation?objects.The?evaluation?results?show?that?the?higher?the?annual?throughput?of?the?terminal，the?higher?the?per?capita?disposable?income?of?urban?residents?and?the?lower?the?number?of?urban?population，the?more?suitable?for?indepth?transformation.The?evaluation?results?fully?prove?the?effectiveness?of?the?model.

Keywords：automatic?transformation；evaluation；fuzzy?analytic?hierarchy?process

近年來，我國港口加快科技領域自主創新和數字化轉型，持續推進自動化碼頭建設，相關技術及裝備已達到世界領先水平。我國在建和已建成的自動化碼頭達17座，自動化碼頭規模居全球第一，其中上海洋山四期自動化碼頭2022年吞吐量已突破630萬標箱的設計吞吐能力。

受岸線資源、業務模式等因素影響，除新建自動化碼頭外，國內傳統集裝箱碼頭也在加快自動化改造的步伐。與此同時，關于傳統集裝箱碼頭自動化改造（以下簡稱“傳改”）的理論研究則被學者們所關注。在改造的整體規劃方面，王榮鵬［1］對比了自動化碼頭與傳統碼頭的工藝和設備配置，分析總結了碼頭自動化升級改造的技術途徑。張清波［2］等使用仿真軟件對兩種碼頭布局及裝卸工藝進行了仿真，從堆場作業能力等四方面對兩種工藝進行了評估。沈園［3］對傳改中自動化工藝設備選型及工藝平面方案進行了比選。在碼頭片區方面，林洪為［4］對碼頭堆場的自動化改造進行了論述，強調了邊生產、邊改造、邊調試、邊上線的改造理念。單機設備層面，蔡超［5］對輪胎吊的油改電系統設計進行了探討。

盡管如此，國內目前對傳改的理論研究依然較少，傳改的改造程度研究更是乏善可陳，國內各碼頭更多根據自身業務特點及歷史經驗進行改造，缺乏理論依據。本文從碼頭規模、地區經濟發展水平及當地勞動力三個維度出發，使用模糊層次分析法建立傳改的跨尺度模型，確定各維度相互間的權重系數，遴選國內10個有代表性的傳統集裝箱碼頭進行傳改程度評價分析。

1?改造程度評價建模

論證某個碼頭需進行何種程度的自動化改造，需從碼頭規模、地區經濟發展水平及當地勞動力三個維度加以評價，構建如圖1所示的改造程度評價模型。碼頭規模方面，雖然泊位數、堆場面積、裝卸設備數量、水平運輸機械數量等都對碼頭改造有影響，然而碼頭年吞吐量依然能全面代表碼頭規模。大吞吐量必然需要上述條件支撐，同時吞吐量也是碼頭跨越式發展的唯一標志，因此以年吞吐量作為碼頭規模的具體數據度量。選擇城鎮居民可支配收入及城鎮人口數分別作為地區經濟發展水平及勞動力豐富度的具體數據度量。

以F1、F2、F3分別代表碼頭規模、地區經濟發展水平及勞動力豐富度，三個指標維度不同，相互間無直接關系，呈非線性。碼頭吞吐量越大，提高效率的需求越強，傳改后表現的集成優勢及設備系統性越高，F1與年吞吐量成正相關；地區經濟發展水平越高，越有資本及技術進行自動化改造，F2與城鎮居民可支配收入成正相關；勞動力越豐富，勞動力成本相對越低，需解決的就業人口壓力越大，F3與城鎮人口數成負相關。為解決三者關聯問題，本文使用模糊層次分析法，設置相應的權重系數來平衡各指標之間的關系。假設傳改的程度評價指標為F，即：

F=F1×w1+F2×w2+F3×w3（1）

其中0≤F≤100。wi需滿足優先需求關系，即w1+w2+w3=1。對于傳改項目，一旦碼頭選定，F1、F2和F3也隨之確定。如果碼頭改變，F1、F2和F3也隨之浮動。然而通過計算可以獲得定值，關鍵就在于確定指標權重W={w1，w2，w3}。

2?權重確定

權重確定最常用的方法有德爾菲法、層次分析法（analytic?hierarchy?process，AHP）、熵值法以及模糊法［6］。德爾菲法和AHP法依賴于專家的知識和經驗，熵值法權重取決于數據的信息特征，模糊法則是基于數據樣本的相似性。

由于碼頭規模、地區經濟發展水平及勞動力豐富度為跨尺度因素，無法直接用上述方法確定權重，因此本文選用模糊層次分析法（fuzzy?analytic?hierarchy?process，FAHP）進行權重確定。FAHP由AHP演化而來，既保留了AHP在處理多目標及定性定量數據結合方面的優點，又擁有模糊法中求解不確定性因素的優勢。

2.1?確定模糊一致矩陣

假設矩陣R=（rij）n×n=r11…r1n

rn1…rnn滿足0rij1，i=1，2，…n，該矩陣就被稱為模糊矩陣。如果模糊矩陣R=（rij）n×n滿足rij+rji=1，i，j=1，2，…n，矩陣R就被稱為模糊一致矩陣，并且滿足rij=rik-rjk+0.5，i，j，k（=1，2，…n）。

構造模糊一致矩陣，對模糊互補矩陣R=rijn×n按行求和，記為ri=∑nk=1rik，（i=1，2，…n），實施如下變換：

fij=ri-rj2n+0.5（2）

記為F=fijn×n，則F為模糊一致矩陣。

2.2?指標權重計算

使用優先關系矩陣數量標度方法計算基于模糊一致矩陣的指標權重，將rij的取值分為五個標度，如表1所示。

根據FAHP的原理，為確定權重W={w1，w2，w3}，需要對每個指標進行評價。作為結果，這些指標需要滿足經濟性系統的要求，這意味著需要確定這些指標的優先關系模糊數r。從傳改背景考慮，碼頭規模F1最重要。相對于地區經濟發展水平F2，勞動力豐富度F3的必要性相對更低，所以F2比F3更重要。這些指標的重要關系順序為F3＜F2＜F1。根據表1，構建改造程度評價指標優先關系矩陣，如表2所示。

3?實例分析

為確定指標的具體數值，本文對相關碼頭進行了調研走訪，并對相關專家及碼頭機械設備操作者進行了深度交流，建立如表3所示的具體度量層級。

評價結果可分為淺度、中度、深度三個層級。淺度改造只涉及單機設備的自動化改造，中度改造可擴大至系統層面，深度改造則應將無人駕駛等智能化設備融入傳改中。在分數區間劃分方面，淺度得分為［0，40），中度得分為［40，60），深度得分為［60，100］。

遴選DL等10家傳統集裝箱碼頭為評測對象，涉及的年吞吐量、城鎮居民可支配收入及城鎮人口數等相關參數如表4所示，評價結果如圖2所示。根據評價結果，SS等5家碼頭得分超過60分，適合進行深度改造；WH碼頭及XS碼頭得分介于40分及60分之間，適合進行中度改造；其余碼頭適合淺度改造。

從評價結果可知，碼頭年吞吐量越高，城鎮居民人均可支配收入越高，城鎮人口數越低，則越適合進行深度改造，這與我國傳改的形勢基本相符。

4?結論

除新建自動化碼頭外，傳統集裝箱碼頭自動化改造已成為國內各大港口的必由之路。在不增加港口岸線這一稀缺且不可再生的寶貴戰略資源的前提下，自動化改造可助力體量大幅提升。由于各地傳改缺乏統一標準，各港口大多只能依據過往經驗進行有限嘗試，缺乏理論支撐。由于各碼頭生產業務、岸線條件、場內資源各不相同，但基本根據年吞吐量進行相關配置，因此本文選擇碼頭年吞吐量作為碼頭的直接決定因素，同時考慮各地區經濟及勞動力水平不同，設置城鎮居民人均可支配收入及城鎮人口數分別代表上述因素，構建跨維度的數學評價模型，并采用模糊層次分析法確定指標權重。

根據實例分析結果，碼頭年吞吐量越高，城鎮居民人均可支配收入越高，城鎮人口數越低，則越適合進行深度改造。在后續研究中，隨著時間變化，上述指標的區間可彈性調整，并可在個別指標中考慮是否增設二級指標以區分同一地區下不同碼頭的差異性。

參考文獻：

［1］王榮鵬.自動化集裝箱碼頭升級改造及其車輛調配研究［D］.大連理工大學，2019.

［2］張清波，匡家喜，張雨婷.傳統集裝箱碼頭向自動化碼頭改造仿真分析［J］.水運工程，2017（5）：138142.

［3］沈園.在建傳統集裝箱碼頭自動化升級改造裝卸工藝設計［J］.中國港灣建設，2019，4.

［4］林洪為.傳統集裝箱碼頭堆場自動化改造和操作工藝革新［J］.港口科技，2019（8）：79.

［5］蔡超.傳統碼頭輪胎吊改造和自動化升級探討［J］.中國設備工程，2021（09）：129130.

［6］田進.面向材料效率的報廢汽車回收處理關鍵技術研究［D］.上海交通大學，2017.

項目基金：上海市2021年度“科技創新行動計劃”高新技術領域項目（21511102700）

作者簡介：田進（1986—?），男，漢族，江蘇南京人，博士，上港集團技術中心研究員，研究方向：碼頭自動化。