海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策模型研究

隋传剑，谭振东

（总后军事交通运输研究所，天津 300161）

海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策模型研究

隋传剑，谭振东

（总后军事交通运输研究所，天津 300161）

海岸浮式活动码头架设区域的选取是方案设计与研究的重点。文中分析了影响海岸浮式活动码头架设区域选取的主客观因素，建立架设区域多属性决策模型，运用综合赋权的方法对各评价指标赋权，采用综合评分的方法对各备选方案进行评分和排序。实例分析表明，运用多属性决策模型解决海岸浮式活动码头架设区域选取问题是可行的、有效的。

海岸浮式活动码头；架设区域；多属性决策模型

海岸浮式活动码头是一种在天然海岸使用的码头。为了便于运输、分解和移动，通常采用浮箱拼装式的模块化结构，在海上作业区域现场组装架设。海岸浮式活动码头需与岸相连，并跨越船舶无法进入的潮间带和浅水区，展开架设在岸与海的过渡衔接地带。这一地域环境条件异常复杂、多变，存在着风浪、海流、潮汐、海滩坡度、水域地形条件等多种因素。除了要求海岸浮式活动码头自身具备良好的环境适应性之外，对活动码头的应用也提出了较高的要求。因此，在筹划和制定活动码头架设方案时，需要根据海岸环境条件和码头的使用要求，确定海岸浮式活动码头的架设区域。海岸浮式活动码头架设区域的选取是海岸浮式活动码头架设方案筹划阶段一项重要的任务，对于海岸浮式活动码头各项作业的顺利完成具有十分重要的意义。科学、合理地选择海岸浮式活动码头的架设区域，有利于提高海岸浮式活动码头展开架设的速度，有利于提高海岸浮式活动码头系统的整体生存能力，同时可保证船舶安全、可靠的实施靠泊和补给，保证各项作业安全、快速的进行[1]。

1 海岸浮式活动码头架设区域选取影响因素分析

海岸浮式活动码头的架设区域是指海岸浮式活动码头所处的地理位置，通常是无码头条件下的天然岸滩，一般位于岸与海的衔接区域，例如潮间带区域和拍岸浪区域，这一特殊区域环境因素种类繁多，影响海岸浮式活动码头保障作业的环境条件包括海风、海浪、潮汐、海流、海岸地形地质等，相应地可通过风速、浪高、潮差、流速、岸滩坡度、海底底质、岸滩底质、陆域幅度、道路数量、水域幅度等指标来描述。这些环境指标不仅是表征和区分不同天然岸滩的客观因素，同时是制约海岸浮式活动码头各项作业实施的重要因素。多数为随机变化的因素，其规律较难掌握，是制约海岸浮式活动码头作业速度、作业安全性及可靠性的重要因素。

海岸浮式活动码头作业种类繁多，每一项作业对环境条件的要求是不同的，环境条件对各项作业能力的发挥具有重要影响，包括海岸浮式活动码头拼装性能力、锚定能力、分解能力、起锚能力等。在选择海岸浮式活动码头架设区域时，船舶的航行能力、靠泊能力、装卸能力、装备的上岸能力、集结能力、前送能力等都是不可忽视的因素，直接关系到任务是否能够圆满完成。

通常情况下，在行动区域内能够满足海岸浮式活动码头架设要求的天然岸滩数量较多。海岸浮式活动码头架设区域选取的过程就是以各项作业能力（包括海岸浮式活动码头作业和船舶、装备作业）发挥的好坏为准则，综合考虑环境因素对各项作业能力的影响，对多个可选天然岸滩进行综合评定，选取能够更好地实施各项作业的岸滩的过程。

2 海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策模型

通过对海岸浮式活动码头架设区域选取问题的特点和影响因素的综合分析，选择多目标决策方法来解决海岸浮式活动码头架设区域选取的问题。多目标决策问题通常与事先预定方案无关，其模型的目的是在设计好的约束条件下，通过达到一些量化目标可以接受的水平来寻找决策者最为满意的方案，产生或设计方案是多目标决策问题的目标；而多属性决策问题的不同之处是方案预先给定了，决策者需要在各方案的不同属性之间进行价值判断，并最终选出优胜方案或对所有方案进行排序[2-3]。

2.1 海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性问题分析

依据多目标决策方法的原理，设定海岸浮式活动码头架设区域选取问题的目标集为各项作业的能力，属性集为架设区域环境条件的指标值，备选方案集为多个可选天然岸滩，这些岸滩都能满足海岸浮式活动码头架设的要求。根据多目标决策问题的分类方法和原理，海岸浮式活动码头架设区域的备选方案集是有限多的，其目标是隐含的，而属性是清晰的，因此多属性决策模型非常适合解决海岸浮式活动码头架设区域选取的问题。

海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策问题可表示为：

图1 海岸浮式活动码头架设区域选取的目标层次结构图

其中，X={xi}（i=1,2,…，m）为海岸浮式活动码头架设区域的备选方案集，xi为第 i个方案；Y={yj|（j=1,2,…,n）}为海岸浮式活动码头架设区域的属性集，yj为第j个属性；W=[w1,w2,…,wn]T属性权重向量，wj为 yj的权重值；U={uij}m×n为海岸浮式活动码头架设区域的决策矩阵，uij为方案xi关于属性yj的属性值[4]。建立海岸浮式活动码头架设区域选取的目标层次结构，如图1所示。

2.2 决策矩阵

海岸浮式活动码头架设区域的备选方案集为X={x1,…xm}，用 Yi={yi1,…yin}表示方案 x1的 n个属性值，其中 yij为第 i个方案的第 j个属性的值；当目标函数为 fj时，yij=fj（xi），i=1,…,m；j=1,…,n。各方案的属性值可列为决策矩阵，或称属性矩阵。

为了使各属性值之间具有可比性，需对属性集进行无量纲化处理。从数学角度讲，无量纲化就是设法确定指标评价值与实际值之间的函数关系，使得评价值反映实际值的变化规律和数值水平且值域相同。阀值法是用指标实际值与阀值相比得到评价值的一种无量纲化方法，指标的实际值与评价值成线性关系，主要有越大越好型、越小越好型、给定范围型等[4]。海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性模型中，属性集是环境指标值组成的集合，依据海岸浮式活动码头通用规范的要求，为了保证各项作业的顺利实施，每种环境指标都有一定的取值范围。因此，选取阀值法实施指标的无量纲化应根据环境指标取值的不同特点，采用不同的方法对属性集进行无量纲化处理。

在一定范围内取值的环境属性，采用给定范围型阀值法实施无量纲化，对各项评价指标分别确定1个满意值和1个不允许值，以满意值为上限，以不允许值为下限，计算各项指标接近、达到或超过满意值的程度，计算公式为：

其中：aij为第i个方案第j项属性的评价指标值；yij为第i个方案第j项属性的实际值；yjmax为第j项属性的满意值；yjmin为第j项属性的不允许值。

对于越小越好的环境指标，其无量纲化公式为[5]：

对于越大越好的环境指标，其无量纲化公式为：

属性值矩阵Y=（yij）m×n实施无量纲化后，得出无量纲化矩阵 Z=（zij）m×n

2.3 综合赋权模型

目前，权重的确定方法主要有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法是由评价分析人员根据各项指标的重要性而赋权的一类方法。其基于对各项指标重要性的主观认知程度，免不了带有一定程度的主观随意性。客观赋权法是利用指标值所反映的客观信息确定权重的一种方法。其根据指标的具体数值来评定不同方案、统一属性指标值间的稳定性给指标赋值的一种方法[6]。

为了兼顾分析者对指标重要性的主观认知（经验），同时又充分利用指标值所反映的客观信息，使对指标的赋权达到主观与客观的统一，进而使评价客观、真实、有效。本文采用综合权重赋值法，对海岸浮式活动码头架设区域选取的评价指标进行赋权。综合权重赋值法的基本原理是根据具体情况，分别选择一种主观赋权法和客观赋权法对各项指标赋权，建立指标综合权重的优化模型，并对模型求解，最后得出评价指标的综合权重。

2.3.1 主观赋权模型

层次分析法（AHP）经过多年的发展和应用，至今依然不能完全摆脱它本身的局限性，在原理上和方法上都存在一定缺陷，针对同一方案，特别是较复杂系统，同样正确的等阶层次划分可能出现不同结果和排序。本文在传统层次分析法的基础上提出一种改进的层次分析法，对海岸浮式活动码头架设区域选取的评价指标赋权。这种方法与传统层次分析法相比较，省略了一致性检验，计算更加方便、简单。

传统AHP法的一致性检验虽然行之有效，但毕竟带有主观性和盲目性，有时需要经过多次调整才能通过。改进的层次分析法（IAHP）利用拟优传递矩阵改进了传统AHP的上述不足，对传统AHP法进行改进，使之自然满足一致性要求，直接求出权重[7]。AHP与IAHP的计算流程比较，如图2所示。

图2 AHP与IAHP流程对比示意图

运用IAHP法计算评价因素集主观权重的一般步骤为：

（1）建立问题的层次递阶结构

根据对问题的初步分析，将所包含的因素分组，每组作为一个层次，按照最高层、若干有关的中间层和最底层的形式排列起来。

（2）确定比较判断矩阵[8]

矩阵A*是A的拟优传递矩阵，并且它是一致的，由A*可直接求出权重值，即A*的特征值，不必进行一致性检验。

求A*的特征值时采用方根法。首先，由于判断矩阵本身有相当的误差，故求其特征量是不需追求很高的精度；其次，方根法是以超几何平均法求权重值，可以在一定范围内使拟定传递矩阵A*的特征值更接近最优传递矩阵的特征值。

按照IAHP法，计算海岸浮式活动码头架设区域选取评价因素的主观权重为：

2.3.2 客观赋权模型[9]

客观赋权法是利用指标值所反映的客观信息确定权重的一种方法，主要有变异值法（如标准差、方差或平均值等）、熵值法等。它们都是根据指标的具体数值，评定不同方案统一属性指标值间的稳定性给指标赋值的一种方法。

本文选用熵值法对各项指标赋权，根据信息熵值的计算公式可得j项指标的信息熵值为：

式中，k=（lnm）-1，0≤e≤1， 信息熵 ej可用来度量 j项指标的信息（指标的数据）的效用值，j项指标的信息效用价值取决于该指标的信息熵ej与1的差值hj：

利用熵值法估计各指标的权重，其本质是利用该指标信息的价值系数，其价值系数越高，对评价的重要性要求就越大，j项指标的权重为：

2.3.3 综合权重的优化模型[6]

由改进的层次分析法所得的各项指标的主观权重为：

由熵值法所得的各项指标的客观权重为：

设各项指标的综合权重为：

为了既兼顾主观偏好，又充分利用主观赋权法和客观赋权法各自带来的信息，达到主客观的统一，建立综合权重的优化模型为：

其中，0<μ<1为偏好系数，它反映了分析者对主观权重和客观权重的偏好程度。

则各指标的综合权重为：

2.4 综合加权评价模型

为了使海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性模型的计算结果更加直观，选用综合加权评分的方法对海岸浮式活动码头的备选架设区域进行综合评分，并进行优劣排序。综合加权评分法是根据各项指标的重要性，确定出其所占的权重，将多指标的问题转化为单指标的问题—综合加权评分值，然后按单指标分析方法，对方案进行综合选优的一种方法，其优点是能将多目标问题转化为单目标问题进行求解。

采用加权求和的方法，对各备选方案进行综合评分。方案i的综合加权评分值为：

依据各个备选方案的最后得分值进行优劣排序，并选定相对合理的海岸浮式活动码头架设区域。

表1 初始决策矩阵

3 实例分析

海岸浮式活动码头的试验地域共有3个可选架设区域，分别是①，②，③地域，以这3个地域作为海岸浮式活动码头架设区域的备选方案集，建立海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策模型，对各备选方案进行综合评价。

3.1 建立决策矩阵

决策矩阵是由①，②，③三个备选方案的环境指标值所组成的矩阵，其中风速、流速、浪高、潮差、海底底质、岸滩底质是统计变量，可通过实地勘查或经验判断给出具体数值；陆域幅度、水域幅度、道路数量可通过实地勘查来确定其具体数值，如表1所示。

表2 环境属性值取值范围

对属性集进行无量纲化处理。风速、流速、浪高、岸滩坡度、海底底质、岸滩底质属于在一定范围内取值的属性，各属性的满意值和不允许值如表2所示，对于潮差，陆域幅度、水域幅度、道路数量等实施无量纲化，计算结果如表3所示。

表3 环境属性的无量纲化值

3.2 综合赋权

3.2.1 主观权重

采用的改进层次分析法，省略了一致性检验的计算步骤，其他计算步骤仍与传统的层次分析法相同。由于层次分析法的发展已经相当成熟，计算方法虽然简单但步骤繁多，这里省略相关的计算步骤，直接给出计算结果，如表4所示。

表4 主观权重值

环境指标的主观综合权重如下：

3.2.2 客观权重

依据无量纲化矩阵，计算熵权的结果如下：

3.2.3 综合权重

为了兼顾主客观因素的影响，取偏好系数 ，计算综合权重值：

3.3 综合加权评分

对各备选方案进行综合加权评分，结果如下：

计算结果表明：3个备选方案的综合排序为②＞①＞③。可知，虽然3个备选方案的环境指标都能够满足各项作业的要求，但②地域是3个备选方案中相对较优的，因此选择②作为海岸浮式活动码头最终的架设区域。

4 结束语

本文运用多目标决策的原理，将各项作业的能力作为目标集，将环境条件指标值作为属性集，建立了海岸浮式活动码头架设区域选取的多属性决策模型，运用综合赋权的方法对各评价指标赋权，采用综合评分的方法对各备选方案进行评分和排序，以某一海岸浮式活动码头外海试验为实例进行分析，结果与实际试验相符，证明了运用多目标决策的方法解决海岸浮式活动码头架设区域选取问题是可行的、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

天津市自然基金资助项目（07JCYBJC13100）

隋传剑（1983-），男，硕士，助理工程师，主要从事近海工程方面的研究。