模糊理论在港口码头工程中的应用研究

张 飞， 高 屹

(海军工程大学勤务学院，天津 300450)

模糊理论在港口码头工程中的应用研究

张 飞， 高 屹

(海军工程大学勤务学院，天津 300450)

简要介绍模糊数学的相关理论，分析现有文献，总结模糊理论运用于港口码头工程的现实情况，指出港口码头工程领域运用模糊理论需要注意的问题。

模糊理论； 港口码头工程； 模糊综合评估； AHP法

模糊理论是美国加利福尼亚大学L·A·Zadeh 教授于1965年首先提出。自其创立至今，模糊理论在理论研究和实际应用上都得到了飞速的发展。目前，模糊理论与技术已经大量应用于许多工程领域。

在港口码头工程领域，由于码头结构复杂，影响因素众多，且都难以量化表达，如码头的安全性、耐久性等。这些没有具体界限的概念，都具有一定的模糊性，对于此类问题，运用模糊数学语言去评定结构的状态往往更具有优势。因此，在港口码头工程领域，恰当地使用模糊理论，对解决工程技术难题具有重要的现实意义。

1 模糊理论介绍

1.1 模糊聚类分析

根据事物的不同特征、亲疏程度和相似性关系，通过建立模糊相似关系对客观事物进行聚类的分析方法。主要有基于模糊等价矩阵聚类的模糊等价矩阵动态聚类分析法，基于目标函数聚类的模糊C均值聚类算法，基于摄动的模糊聚类分析法。在港口码头工程中，影响码头耐久性的因素众多，根据一定的标准可对它们进行分类。

1.2 模糊模式识别

模式识别问题指的是已知的各种类别，判断对给定的或新得到的对象应归属于哪一类，或是否为一个新的类别的问题。对于那些界限不明确的模式称为模糊模式，相应的识别问题称为模糊识别问题。对于模式库模糊，待识别对象分明的，称为模糊模式识别的直接方法，主要采用最大隶属度原则、最大隶属原则或阀值原则进行识别判断。对于模式库和对象都模糊的，称为模糊模式识别的间接方法，主要采用择近原则进行识别判断。

1.3 模糊综合评判

在实际生活中，对受到多种因素影响的事物进行评价时，应当综合考虑各种相关因素做出合理决策，这就是综合评判问题。而对于其中一些不明确的因素，往往采用模糊语言去描述，这就是模糊综合评判。模糊综合评判的基本思想是利用模糊线性变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其作出合理的综合评价。根据影响因素的多少和复杂程度，又可分为一级模糊综合评判和多级模糊综合评判。

1.4 模糊决策

模糊决策就是研究在模糊环境下或模糊系统中进行决策的数学理论与方法。其目标是把决策论域中的对象在模糊环境下进行排序，或者按照某些模糊限制条件从决策论域中选择出最优对象。模糊决策的主要方法有多目标模糊决策法、层次权重决策分析法和意见集中排序法等[1]。

2 模糊理论在港口码头工程中的应用

2.1 码头可靠度分析和评估

竺存宏等[2]将影响高桩码头的各个构件(桩、梁、前方面板、后方面板、桩帽、靠船构件)作为影响码头整体可靠度的准则层。把各个构件的外观质量、裂缝、钢筋锈蚀作为指标层。通过现场资料和经验给定各因素的权值。将码头的损坏程度分为A、B、C、D四个等级。采用二级模糊综合评判对高桩码头的可靠度进行评估。

孟静等[3]通过全面分析影响高桩码头结构完好状态的影响因素，建立了包括目标层、准则层和指标层的多层模糊评价模型，准则层根据结构重要性包括单个结构和结构体系(其下包括体系组成构件)。采用AHP法结合专家打分，利用matlab软件编程计算各个部分的权重。经过多层模糊运算得到高桩码头完好状态的评估结果。

叶成华等[4]在建立老码头模糊综合评价模型时，准则层选取码头的适应性、耐久性、使用性及安全性四个方面。评价集选为很好、较好、一般、差。利用层次分析法计算权重，检测数据结合专家打分得出各指标隶属度，通过模糊运算得到老码头综合评价结果。

2.2 码头安全性评估

张吉广等[5]采用层次分析法建立港口安全体系评估模型，将影响港口安全的因素集分为人员、设备、管理、环境4类因素，其下再分13个指标。以好、一般、差作为评价集，采用二级模糊综合评判对港口安全体系进行综合评估。

程婷[6]建立了针对梁板式高桩码头结构特点的多层安全性评估模型，依据规范把评价集定位A、B、C、D四个等级，根据现场资料统计得到各因素指标的隶属度，先进行单因素评判，再逐级评判，最终确定码头的结构安全性。

王德虎等[7]采用层次分析法建立高桩码头安全性评估指标体系，将高桩码头安全评估分为外观检测评估和承载能力评估两个准则层。其下另分指标层、一级指标层、二级指标层。以完好、良好、差、危险4个等级作为评价集。通过专家填写两两判断矩阵，运用Excel软件中的最优权向量计算相应权重。

王学军等[8]建立了一套适用于内河码头的安全综合评价体系。该体系把码头的安全性评估分为4个一级指标和13个二级指标，利用乘积方根法计算各指标的权重，根据权值的大小给各评价指标排序，并定量逐级递增打分，定量打分结果和权值相乘求和得到安全度值。

2.3 码头耐久性评估

吴锋等[9]利用AHP法将高桩码头耐久性综合评估分为桩、梁、板、桩帽和附属设施5个一级指标，每个一级指标对应钢筋锈蚀、构建裂缝和外观状态3个二级指标进行分析，根据相关经验以及规范，以良好、较好、差、危险作为分级标准，通过变权理论优化权重，建立高桩码头适用的耐久性层次结构模型，进而对耐久性进行评估。

徐秀娟等[10]研究了高桩码头结构耐久性的损伤特点，建立了包含结构各个构件的准则层和影响耐久性主要因素的指标层的多层评估模型。运用层次分析法计算初始权重，再运用熵的性质对初始权重进行修正，得到实用权重。最后以灰色关联度法对高桩码头结构耐久性进行分级评估。

刘荣桂等[11]采用基于软划分的模糊c-均值聚类法对样本进行模糊划分，利用Matlab编程求出聚类中心，给出每个样本隶属于某一聚类中心的模糊隶属度，并建立耐久性类别的动态描述，从而实现对海工构件耐久性的模糊评估。

王博等[12]研究了水工混凝土结构耐久性的影响因素，建立以施工质量、材料和环境因素三个方面为准则层，10项耐久性影响因素为指标层的耐久性评估模型。对各影响因素分别建立隶属函数，层次分析法计算权值，加法权法计算相对重要权值，最后对混凝土结构耐久性进行模糊综合评价。

宋立元等[13]在利用生存分析中的生存函数乘积限估计方法研究混凝土耐久性寿命时，融合模糊综合评判，计算删失示性函数模糊特征值，补充到传统生存分析方法中去，使得混凝土结构耐久性寿命统计更加合理。

2.4 码头运行风险评估

潘科等[14]考虑人员影响因素评价、运营设备与设施评价、外界环境评价、安全管理评价这四项来构建集装箱码头运营风险评价的指标体系，将风险等级分为可忽略、可接受但需整改、不可接受三个等级进行评价。利用层次分析法计算权重，同时引入集对分析理论来确定码头运营系统风险等级。

2.5 码头设备选型

计三有等[15]从技术性、经济性、环境三个层面对码头堆场装卸设备进行比选，将程度分析法和综合决策理论应用于层次分析法，得出一级指标的权重，结合专家意见完成设备的选型。

赵宏光等[16]运用模糊综合评价法，请专家对同一评价指标给予打分，权重比法确定权重，通过二元比较, 根据最大隶属度原则来确定最优方案。

2.6 方案比选

孙成功等[17]以经济性、施工工期、平面布置性能、水工建筑物性能和装卸工艺性作为因素集，很差、差、较差、一般、较好、好、很好作为评价集，采用模糊二级综合评判对工程方案进行对比确定最优方案。

模糊理论，尤其是模糊层次分析法，在码头结构安全性评估、耐久性评估、方案比选方面应用普遍。多数学者通过层次分析法建立评估模型，并计算权重，同时根据现实需要对初始权重进行优化，如采用变权理论、熵法、加法权法等。这些方法都在一定程度上减小了主观因素在权重计算中的影响。

对于评价集的选取，有的学者根据相关规范确定，有的则根据评估目标结合经验资料来确定，一般来说，评价指标的选取遵循以下原则：(1)能够明确的表达含义；(2)能够量化表达；(3)易于解释和说明；(4)能够综合概括反映事物关键因素；(5)在时间上具有动态性、连续性，对事物的变化具有敏感性。

利用多层模糊综合评判，建立模糊综合评估模型，可以使定性分析结果量化，在一定程度上降低了评判中的主观随意性，使评估结果更加合理、可靠。

3 港口码头工程领域模糊理论应用展望

从模糊理论运用于港口码头工程的研究现状看，模糊理论的应用研究今后应从以下几个方面入手：

(1)模糊层次分析法在港口码头工程应用比较广泛，但AHP法应用到模糊理论在学术界尚有争议。AHP理论创始人Saaty从模糊AHP缺乏数理逻辑性、AHP判断本身就来自模糊语义再次模糊意义不大和模糊AHP对不一致性的改进不一定能确保改进结果的有效性等方面对模糊AHP提出质疑[18]。对此，仍需在理论上作进一步的研究。

(2)权重是反映各个因素在评估中所起作用的直接表征量。目前，各指标权重的计算主要由专家构造的两两比较判断矩阵计算出权重，受限于专家的经验与知识水平，其构造的判断矩阵的合理性存疑，进而影响权重的正确性。因此，权重的确定是进一步研究的重点。

(3)影响码头结构的因素众多，关系复杂，在进行模糊评价时，往往只考虑单一因素的影响，如何综合考虑各个因素的共同耦合作用下的评估是今后需要深入研究的问题。

(4)在运用模糊理论进行评估时，可根据需要和其他理论进行优势互补，例如模糊理论和灰色理论，模糊理论和神经网络，模糊理论和人工智能等。

[1] 陈水利, 李敬功, 王向功. 模糊集理论及其应用[M].北京：科学出版社,2005.

[2] 竺存宏, 韩玉. 海港高桩码头结构可靠度的模糊数学评估[J]. 水道港口, 1992(4): 1-11.

[3] 孟静, 刘现鹏, 王崇宇. 高桩码头完好状态的模糊综合评估[J]. 水道港口, 2009(5): 369-375.

[4] 叶成华, 陈祎. 基于模糊综合评价法的老码头评价模型[J]. 中国水运：下半月, 2012(1): 65-67.

[5] 张吉广, 蒙培奇. 港口安全评价的AHP—模糊综合评判方法[J]. 港口装卸, 2002(5): 24-27.

[6] 程婷. 用模糊层次分析法评估海港梁板式高桩码头的安全性[J]. 交通科技, 2014(4): 145-147.

[7] 王德虎, 鲁子爱, 侯代云. 基于模糊层次分析法的高桩码头安全性评估[J]. 水运工程, 2013(1): 76-80.

[8] 王学军, 秦磊, 陈莹. 三峡库区码头安全评价体系研究[J]. 重庆交通大学学报:自然科学版, 2010, 29(4): 628-631.

[9] 吴锋, 庞丹丹, 张章. 高桩码头运营期耐久性模糊评估方法[J]. 水运工程, 2013(2): 62-67.

[10] 徐秀娟, 栾曙光. 在役高桩码头耐久性等级的灰色综合评估[J]. 水道港口, 2008, 29(6): 443-448.

[11] 刘荣桂. 基于模糊聚类方法的海工结构耐久性评估[J]. 兰州理工大学学报, 2010(2): 118-122.

[12] 王博, 高丹盈, 水工混凝土结构耐久性的模糊综合评价[J]. 水利水电技术, 1993(6): 25-30.

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[14] 潘科, 关守安, 秦华礼. 基于模糊层次及集对分析的集装箱码头运营风险评价[C]//国际安全科学与技术学术研讨会论文集, 沈阳： 2012.

[15] 计三有, 徐杰. 基于模糊层次分析法的码头堆场设备选型[J]. 湖北工业大学学报, 2010(4): 8-10.

[16] 赵宏光, 陶其钧. 模糊评价在大型集装箱码头堆场设备选型中的应用[J]. 中国工程机械学报, 2004(3): 275-278.

[17] 孙成功, 张秋荣, 肖英杰. 层次模糊评价法在码头前沿回旋水域方案比选中的运用[J]. 船海工程, 2011(2): 164-167.

[18] 朱克毓, 杨善林. 关于Saaty对模糊逻辑不适用于AHP观点的评述[J]. 系统工程理论与实践, 2014, 34(1): 197-206.

张飞(1990～)，男，硕士研究生，主要从事海洋结构物应用工程研究；高屹(1976～)，男，副教授，硕导，主要研究方向为结构工程、工程维护与加固。

U657.3

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[定稿日期]2015-03-17