基于指标序优势权重法的灰色定权聚类在港口节能减排管理水平评价中的应用

陈敏慧，封学军，李宇为，王伟

(1.河海大学a.土木与交通学院;b.港口海岸与近海工程学院，南京 210098;2.上海海事大学交通运输学院，上海 201306)

0 引言

港口节能减排管理水平评价是指根据相应的评价指标体系对港口进行综合评价，评价目的是依据评价结果分析某类港口节能减排的优势或弱势，以便指导港口今后的节能减排工作.这是发展绿色港口和生态港口的重要促进手段.目前，国外对港口节能减排的研究主要集中在港口环境保护方面.GUPTA等［1]提出须在港口的整个建设和运营阶段实施港口工程的 EMP(环境管理计划);GOULIELMOS［2]分析港口环境问题的成因，提出欧洲港口环境保护政策的建议;PAIPAI［3]研究英国一些港口的环境管理实践和工具，并在此基础上提出英国港口环境保护措施.国内对港口节能减排的研究尚处于起步阶段，研究侧重于港口节能减排指标体系的建立［4-9]，以及采用定性定量相结合的方法对单个港口节能减排水平进行评价［4-6]，对多个港口同时进行评价的研究较少.少数对多个港口进行比较的研究包括:任晓敏［10]利用复合模糊物元评价模型，采用熵值法计算各指标权重系数法对我国5大港口的节能减排水平进行排序和评价.

港口节能减排管理水平评价中的各个评价单元具有明显的灰色特性，因此港口节能减排管理水平是一个灰色系统.本文基于评价对象的灰色特性，采用灰色定权聚类模型，结合指标序优势确定权重的方法对多个港口节能减排管理水平进行评价分析.

1 基于指标序优势权重法的灰色聚类模型构建

作为灰色系统理论的分支，灰色聚类分析［11-16]就是针对不同聚类指标所拥有的白化数，将聚类对象按几个灰类进行归纳，以判断该聚类对象属于哪一类的一种评价方法.

在灰色定权聚类模型中首先要确定的是权重，一般采用经验法或专家评分法、熵值法等［17-19]确定.在对多个对象进行评价时，用这些方法确定的评价指标权重不会因为对象的不同而发生变化，但这种不变性对被评价对象显得不公平.因此，本文采用指标序优势权重法，通过对指标进行优势排序确定权重，使评价对象的同一评价指标权重产生不同差异性，从而反映评价的公平性，这也是该方法有别于一般确定权重方法的特点，它可以同时突出被评价对象的优势，评价过程更加公平客观［20].

设评价(聚类)对象为 Oi(i=1，2，3，…，m);评价(聚类)指标为 Cj(j=1，2，3，…，n);聚类灰类为 k(k=1，2，3，…，p)，xij=Cj(O)(i=1，2，3，…，m;j=1，2，3，…，n)为评价对象 Oi关于指标 Cj的实际样本值.具体评价步骤如下.

步骤1 给定聚类白化数xij(第i个评价对象对第j个指标的实际样本值)，所有xij构成白化数矩阵(xij).

步骤2 建立灰类的白化函数，设第j个指标属于第k个灰类的白化函数Fjk.

步骤3 将实际样本值进行类型一致化，设全部转化为极大型指标，具体方法可见文献［21].

步骤4 对每个指标的m个评价对象由大到小排序，分别赋予 {1 ，2，…，m}(若指标值相同，则按等级排列法确定，如 1，2，3，4，5，5，5，8，9，10，记 xij对应的序值为 dij［22]，则 dij为第 i个对象的第 j个指标的优势数).

步骤5 将每个评价对象的优势数集{di1，di2，…，din}中的元素由小到大排序，得到评价对象的指标优势序组(dih(1)，dih(2)，…，dih(n)).

步骤6 求权重

取 μ(k)=kb，对 b 的取值有如下规定［23]:

(1)当b∈(0 ，1)时，称ω为弱优势权向量;

(2)当b=1时，称ω为等比优势权向量;

(3)当b∈(1，+∞)时，称ω为强优势权向量.

特殊地，若指标优势序组中相邻的l( l≤n)个优势数 dih(j)，dih(j+1)，…，dih(j+l－1)大小相等，则需要调整对应优势权向量中的分量，即令

为调整后的权重分量［22].

步骤7 确定聚类系数.第i个事物关于第k个灰类的聚类系数为

步骤 8 确定聚类系数向量 αi=(αi1，αi2，αi3，…，αip).

步骤9 进行聚类.聚类系数最大者所对应的灰类即为此待评事物所属的类别，即 αik=max{ αip}，则聚类对象i属于k灰类.

步骤3～6是求权重，对此举例说明.

若Oi各评价指标的优势数存在相同的情况，则需要对优势权向量进行调整［22].例如，O3的排序为(步骤 4)，排队为，其中 h( j)j=1…n=，则为

2 实证分析

2.1 研究对象和评价指标的选取

基于数据可得性，选择上海港、青岛港、连云港港、大连港和天津港等5个沿海港口作为评价对象.由于主要研究基于指标序优势的综合评价法在港口节能减排方面的应用，因此评价指标选取参考文献［4]中的全部指标，共16项(见表1).本文评价指标的确切数据不容易查找，因此采用文献［10]中的数据，C4和C9采用观测值，其余对象采用专家打分法，通过专家组(40人)投票统计确定，绩效等级分为好、较好、中、较差等4个等级(具体指标绩效等级的划分参见文献［4])，对应分值为4，3，2，1.设专家组总人数为N，第j人对第i项指标打分为nij，其分值为，打分结果见表 1.

表1 港口评价指标及其统计值

2.2 聚类过程

(1)确定灰类白化函数.港口节能减排管理水平的评价指标多，指标量纲也不一样，故本次评价采用灰色定权聚类分析法.同时，为了反映不同指标在聚类过程中作用的差异性，采用指标定权聚类(即指标事先赋权)［16].各参数分类标准参见文献［5]，结果见表2.

表2 评价指标的分类标准

根据表2，分别得出各指标的白化函数.

①新技术、新产品数量的白化函数:

②生产能源单耗的白化函数:

③定性指标的白化函数:

(2)评价指标权重确定.由于数据的指标类型不一致，包含极大型指标和极小型指标(如产值、利润等，期望其取值越大越好，称这类指标为极大型指标;相反地，如成本、能耗等一类指标，期望其取值越小越好，称这类指标为极小型指标)，因此首先对原始数据(表1)进行指标类型一致化［21].通过分析，16项指标中除了C4是极小型指标外，其余都是极大型指标，因此将极小型指标转化为极大型指标，方法为，此处过程省略.

根据第1节中的步骤3～6(b取值的不同反映优势数的差异程度，此处选择取b=2强化差异程度)得出强优势权向量:ωi=(0.171 1，0.150 4，0.131 0，0.113 0，0.096 3，0.080 9，0.066 8，0.054 1，0.042 8，0.032 8，0.024 1，0.016 7，0.010 7，0.00 60，0.002 7，0.000 7).分别计算得到每个评价对象的优势权向量，见表3.

(3)确定聚类系数并进行聚类.根据步骤7，利用已知的白化函数和港口评价指标优势权向量计算得出对象的聚类系数.αik表示第i个对象关于第k个灰类的聚类系数.

当 i=1，k=1时，

表3 港口评价指标优势权向量

同理，可算得 α12=0.931 4，α13=0.751 2，α14=0.275 1，按照最大系数聚类原则，对象1属于1灰类，即青岛港节能减排管理水平属于“好”的范畴.

当 i=2 时，α2=(0.948 3，0.835 5，0.668 9，0.289 5)，即天津港节能减排管理水平属于“好”的范畴;

当 i=3 时，α3=(0.857 7，0.951 7，0.922 6，0.531 2)，即上海港节能减排管理水平属于“较好”的范畴;

当 i=4 时，α4=(0.841 2，0.944 3，0.847 7，0.528 9)，即大连港节能减排管理水平属于“较好”的范畴;

当 i=5 时，α5=(0.840 4，0.931 1，0.902 4，0.494 8)，即连云港港节能减排管理水平属于“较好”的范畴.

2.3 评价结果分析

从以上分析结果得出，天津港和青岛港节能减排管理水平属于“好”，上海港、大连港和连云港港节能减排管理水平属于“较好”，前2个港口的节能减排管理水平高于后3个港口的管理水平，评价结果与实际相符:天津港和青岛港一直致力于港口节能减排工作，并且取得较大成绩，在交通运输部公布的3批12个示范项目(每批4个)中天津港示范项目在第1批和第2批中分别有1个，青岛港示范项目在第1批和第3批中分别有1个，上海港示范项目在第1批中有1个，这些成绩充分体现各港口在节能减排工作中作出的努力.

近年来青岛港将节能减排目标纳入目标责任体系，将绿色、低碳港口规划纳入港口发展的总体战略，构建“集团规划、公司领导、队为核心、班为基础、车为单元”的5级节能减排管理格局，节能减排工作取得显著成效.天津港多年来认真贯彻执行国家节能减排的战略方针，努力构建节约型生态港口，取得较大成绩.总结两大港口节能减排的经验如下:

(1)天津港的经验主要体现在如下几个方面.

①技术改革.天津港口启动集装箱场桥“油改电”示范工程.该工程自2008年启动至今，完成场桥改造99台，场地139块，能源单耗平均下降80%，一年可减少各类工业废气排放3.52万t.按天津港集装箱年吞吐量1 000万TEU计算，每年节约成本超过5 000万元，彻底实现场桥低能耗、低排放、低噪声的节能环保目标，达到国际清洁生产先进水平.

②新能源的综合利用.天津港开发的地源(海水源)热泵技术在建筑节能中的应用面积已突破16万m2，占全港总建筑面积的20%，每年可节约1 200 t标准煤，节约运行费用900多万元，减少CO2排放3 000 t，经济和社会效益显著.

③提高清洁能源的利用比重.到“十一五”末，全港主要用能品种中燃煤占9%，燃油占48%，电力占20%，蒸汽占23%，每万元增加值能耗较“十五”末下降29%，能源利用效率得到较大提高，居国内同行业领先水平.

(2)青岛港的经验主要体现在如下几个方面(重点在于技术创新和改革).

①通过实施集装箱轮胎吊“油改电”技术改造，能耗下降40%以上，运行成本下降70%以上，年节约资金2 000多万元，节约柴油超过580万L，减少CO2排放超过14 600 t.

②利用装车平台和油管的波位差，改变原先利用电力装车泵将油品从油罐输送到槽罐车的工艺，采用无动力自流装车新模式，实现“零耗能”作业，且装车平稳匀速安全，年无动力装车650万t，年节电超过510万kW·h，节约电费约420多万元.

③通过对控制程序的改进，替代原始设计下游皮带必须先空转的固定模式，实现流程皮带由上游到下游的顺次作业，减少皮带流程的空转消耗，年节电超过100万kW·h，节省电费近百万元，提高装卸生产效率11.2%.

从两大港口节能减排的经验可以得出，提升港口节能减排管理水平的关键在于技术革新以及能源的开发和利用.

3 结束语

基于港口节能减排管理水平评价的灰色特性，采用灰色定权聚类模型，结合指标序优势确定权重的方法对多个港口节能减排管理水平同时进行评价分析，灰色聚类模型符合评价对象的特征，用指标序优势确定指标权重能够突出评价对象的优势，使评价过程更加公平客观.本文构建模型的先进性不仅体现在可以将被评价的港口进行类别划分，而且体现在该模型可以用于领导部门对港口的考核，只要港口部门给定评价的分类标准，那么对应的多个港口在相互竞争的情况下，港口是否达标就一目了然，而单纯对港口节能减排水平进行排序并不能体现港口的达标情况.

基于指标序优势权重法的灰色定权聚类模型计算原理简便，计算过程可以通过MATLAB快速实现.依据评价结果，可总结管理水平高的港口在促进节能减排方面的经验，为其他港口提供提升管理水平的指导.该模型适用于省域、市域港口管理机构的评价，甚至是同一港口不同港区之间的评价，相关部门若利用该模型对多个港口进行评价有利于各港口之间产生良性竞争，激发港口在不断提高自身优势的同时改进自身的劣势，有效推动整个港口产业节能减排效果的提升.

但是，文中并未考虑港口不同将会导致吞吐量、码头类型等的不同，在能源消耗和污染排放等方面存在差异，不具有可比性等情况，因此针对不同类型的港口码头进行分类分级评价有待进一步研究解决.

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