基于熵权—TOPSIS和DEA算法的港口综合实力评价及作业效率研究

丰茂秀， 胡坚堃

(上海海事大学 物流研究中心， 上海 201306)

基于熵权—TOPSIS和DEA算法的港口综合实力评价及作业效率研究

丰茂秀*， 胡坚堃

(上海海事大学 物流研究中心， 上海 201306)

现代港口对推动一国经济发展具有重要影响，随着港口规模不断扩大，港口之间的竞争日益加剧，如何促进港口可持续健康发展成为各国关注的焦点.在此背景下，该文以上海港和宁波舟山港等几个主要沿海港口为例，根据港口实际发展情况建立了涵盖港口运营规模在内的六方面港口竞争力评价指标体系，利用熵权-TOPSIS对港口竞争力进行深入的实证分析，并使用DEA算法对当前港口发展进行作业效率分析，得出各港口综合实力参差不齐，但总体向前发展，与各大港口实际发展现状相符；最后运用定性与定量分析法，对实证分析中各大港口发展中存在的问题，提出了具有针对性的发展意见.

港口综合实力； 评价模型； 熵权—TOPSIS法； DEA法

港口作为海陆运输的节点，是一个城市和国家的重要门户，对推动经济发展和对外贸易有着十分重要的作用.建立一套适合港口特点的竞争力评价指标体系，采用科学的方法对其进行评价，对港口自身发展有着非常重要的意义.

当前，国内外学者对港口发展分析主要集中在港口竞争力的评价研究上，主要包括两个方面：港口竞争力评价指标体系的建立和港口竞争力评价方法的选择.

对于港口竞争力评价指标体系的建立，有文献报道从港口实用性、操作效率、港口成本和服务质量4个方面建立了港口竞争力指标体系[1].也可从硬件与软件两方面因素来评价集装箱港口竞争力，包括人才、基础设施、服务质量、客户导向、港口声誉和政府支持政策这6个方面[2].还有学者建立了一个包括6个方面的港口竞争力评价模型：港口环境、港口硬件条件、服务水平、港口运营状况、管理水平和港口整体形象[3].吕梁[4]则将影响港口竞争力的因素归结为7大方面：港口宏观环境、区位条件及腹地资源、港口软硬件设施、运行效能、成本和收益，港口开发以及港口发展态势，并据此建立了指标体系模型.吴慧[5]针对国际邮轮港口竞争力建立了包括港口外部条件、港口内部条件和旅游条件3大方面的评价指标体系模型.

对于港口竞争力评价方法的选择，大多采用因子分析法、层次分析法、数据包络法、熵权法、主成分分析法和TOPSIS法等.前人研究中曾利用数据包络分析法对港口效率进行了评价[6].巩亚文[7]对中国沿海的13个港口的竞争力运用主成分分析和BP神经网络进行分析验证.胡颖[8]利用层次分析法和熵权法对宁波—舟山港和盐田港两个港口的低碳能力进行了实证分析.乔红[9]利用AHP法确定评价指标权重，用三角白化权函数灰色评估法对青岛港生态性进行实例验证.

根据中国各大沿海港口发展实况，建立了包含6个方面的评价指标体系，其中创新性的引入了港口环境保护和防治、港口生态环境等绿色港口发展指标，绿色港口的核心理念是不仅要发展港口经济的同时要兼顾环境和生态的保护，走出一条可持续发展的道路[10]；为了更全面的分析各大港口综合实力，选用熵权—TOPSIS和DEA算法分别对各大沿海港口竞争力和港口作业效率进行了深入的实证分析，并对分析中存在的港口发展问题提出针对性的发展意见，以期对各大港口的可持续绿色发展起到一定借鉴作用.

1建立港口竞争力指标体系

1.1评价指标的构建原则

建立港口评价指标体系的目的是利用收集到的影响港口竞争力的相关资料和数据，对目标港口竞争力进行有效、合理的评价并提出一些建设性的发展意见，所以指标体系构建的优劣直接影响评价结果的真实性和可靠性.

一般指标体系的构建要遵循以下原则：科学性原则、系统性原则、可得性原则、可比性原则、可操作性原则、实用性及动态指标与静态指标相结合的原则.构建同时满足上述原则的指标体系具有一定难度，这就需要在构建评价指标时做好权衡，根据上述原则去粗取精，建立高效科学的指标体系.

1.2港口竞争力评价指标体系

基于上述原则，并通过对学者文献参考及专家咨询，本文建立了包括港口营运规模、基础设施条件、财务状况、管理水平等6大方面的指标体系模型，如表1所示.

2港口竞争力评价模型的建立

2.1熵权原理

熵本是一个热力学概念，由Shannon引入信息论.在信息论中，熵是系统无序程度的度量.若系统处于不同的状态，每种状态出现的概率为：

p(xi) (i=1， 2…，n)，

则信息熵可以定义为：

如果指标的信息熵越小，则其变异程度越大，提供的信息量越大，在综合评价中所起作用理应越大，权重就应该越高[10].故可以根据各项指标值的变异程度，利用熵计算出各指标的权重—熵权.熵权法根据数值本身意义来确定权重，不受评价数据是否线性相关的影响[11]，客观性强，计算过程简单结果可靠，所以采用熵权法确定权重.

2.2TOPSIS法

TOPSIS法是一种常用的有限方案多目标(属性)决策分析法[12-13]，指“逼近于理想值的排序方法”，是由WANG和YOON于1981年提出的一种多目标决策方法.相比较其他指标评价法来说，TOPSIS法原理容易理解，计算简单且高效，实用性强，且常被用于经济管理等领域[14]，故选用TOPSIS法来评价港口竞争力.

表1 港口竞争力评价指标体系

基本原理为：定义决策问题的最优解和最劣解的距离，计算各个方案与理想解的相对贴近度[15].简单来讲就是计算各方案的综合评价值，然后根据综合评价值的大小排序.

1) 构建初始决策矩阵

设评价指标体系中有N个指标(N1，N2，…，Nn)，M个被评价港口数(M1，M2，…，Mm)，令第i个港口(i=1，2，…，m)在第j个指标(j=1，2，…，n)上取值Xij，故初始决策矩阵为：

2) 指标归一化

计算第j项指标下第i个港口竞争力指标值的相对比重Pij，标准化公式为：

3) 计算各指标熵值

4) 计算各指标差异性系数

第j项指标的差异性系数计算公式为：

Fj=1-Ej，

即熵值越大，Ej越小.当Xij所有值都相等，则Ej取值最大值为1，Fj为0，表明指标之间无差异性，该指标没有评估价值.同理若Fj值越大，该指标评估作用越大.

5) 计算各指标权重

6) 构造加权规范化矩阵

将规范化数据加权，构成加权规范化矩阵：

7) 确定正理想解和负理想解

对于效益型指标，其正、负理想解为：

对于成本型指标，其正、负理想解为：

8) 计算评价对象与正、负理想解的离：

其中i=1，2，…，m.

2.3DEA方法

DEA最基本的一个模型是CCR模型，在1978年由著名的数学家Charnes等人提出，用于评价决策单元间的相对有效性[16].目前最具代表性的模型有CCR、BCC、FG和ST模型.文中分析港口作业效率，需要考虑最终产出重要性和数据可得性，相对来说，CCR模型是最适合进行此方面分析的.

决策单元的效率评价指数：

最优化模型：

其对偶规划为：

若解s+=0，s_=1，θ=1，称决策单元为DEA有效，表明在此系统中，DMUj0的生产要素已经达到最佳组合，并取得最佳产出效果.若解θ<1，或s+≠0，s_≠1时称DMUj0为非DEA有效，表明j0可以通过组合投入原来投入的θ倍而能够保持原产出不变.

3实证研究

3.1数据选取

由于不同类型港口不具有可比性，本文选取上海港、宁波—舟山港、大连港、天津港、青岛港等几个具有代表性的主要沿海港口进行评比分析.数据来源2015年中国港口年鉴、中国航运网数据库、中国港口、各市2015年统计公报等，其中定性指标由专家打分法确定.

3.2港口竞争力评价研究

港口竞争力指标体系由准则层和指标层2层组成.本文首先针对港口2015年的相关数据运用基于熵权-TOPSIS法评价各大沿海港口竞争力，运用DEA对当前港口作业效率进行分析；之后利用熵权-TOPSIS法对港口从2007年～2015年的发展进行动态分析；最后提出相关发展建议.由于原始数据有正负，为比较方便，本文先采用极差变换法对数据进行标准化处理，然后进行港口竞争力评价.运用Matlab计算，结果如表2、表3所示.

由表2、表3可知，按照港口竞争力排名上依次为上海港，宁波-舟山港，深圳港，天津港、大连港、青岛港，连云港，数据分析结果与港口实际发展状况相符.上海港和宁波-舟山港占据前两名主要表现在两港口在运营规模、基础设施、财务状况和城市发展潜力上优于其他各港.各港口竞争力呈现梯度排列，深圳港和天津港综合竞争力比较接近.

表2 港口竞争力评价结果

表3 港口综合竞争力评价结果

对于连云港来说，各项指标中发展潜力排名比较靠前，政策上体现在连云港是国家“一带一路”战略的交汇点，新亚欧大陆桥东桥头堡、中哈物流中转基地和上合组织出海基地；地理环境方面拥有优越的区位条件和丰富的自然资源.大连港要充分利用自己的发展潜力，从各方面提升港口综合实力.天津港要着重从港口基础设施和发展潜力两个方面来提升自己的竞争力.深圳港要着重从财务状况探讨港口发展，青岛港要深挖自己的发展潜力，规划产业发展方向来提升综合竞争力.

对于地理位置靠近，竞争比较激烈的上海港和宁波—舟山港来说，上海港在港口基础设施、财务状况、管理水平、城市综合实力和港口发展潜力方面都优于宁波—舟山港，特别是在财务状况、管理水平和城市综合实力方面实力相差悬殊.而在港口发展潜力和港口运营规模上，两者竞争力相差不大.所以，对于宁波-舟山港要想更好更快发展，就要在港口财务、管理水平和城市综合实力3方面去努力提升，并充分发挥自己在深水港方面的竞争优势.

3.3港口作业效率研究

选取港口泊位长度、万吨级港口泊位数、港口投资额、港口总资产作为输入量，集装箱吞吐量，港口利润总额作为输出量来评比各港口作业效率(表4)，将分析结果作为评价港口发展是否绿色高效的依据.

利用Deap2.1软件对CCR模型的求解结果如表5所示.

从表5可知：1)上海港、宁波—舟山港、天津港和深圳港的综合效率比连云港、大连港和青岛港的高，且连云港、大连港和青岛港也呈现不断发展的趋势.2)连云港技术效率为1，规模效率小于1，单元综合效率没有达到有效值，主要原因是没有达到规模经济，因此连云港可以通过增加投资，扩大规模来提高综合效率.青岛港也是规模不经济，需要吸引投资扩大规模来促进港口发展.3)大连港纯技术效率和规模效率都是最低，规模效率低于纯技术效率，显然需要从技术和规模两方面来强化港口管理.

对比表4和表6可知，除了大连港外，其他6个港口实际的输入和输出值分别同目标值的输入值和输出值相同.对于大连港，各指标目标值都小于实际投入量的值；相反，目标值的产出量却大于实际产出值，如集装箱吞吐量2 404>1 013，港口利润总额12>7.96.结合表6分析结果，可知大连港在港口技术和港口规模建设方面存在严重滞后和不合理现象，港口发展低效，不符合当前绿色经济发展理念；相比实际的投入和产出，合理的目标值是在可以减少投入的情况下产出也增加.结合港口实际发展，这就需要大连港在规划建设方面，合理布局临港产业发展与城市空间布局，避免重复不必要的基础设施建设，注重绿色生态型港口建设；在技术方面，要不断完善港口技术和港口管理系统，大力引进人才，调整港口服务方式、内部经营结构等.

表4 港口相关指标数据

表5 港口作业效率

表6 港口输入值和输出值

3.4港口动态发展研究

为了更好的了解港口发展历程，提出具有针对性的发展意见，本文选取2007年～2015年港口数据，包括港口营运规模、基础设施、财务状况这3个定量指标，运用熵权-TOPSIS法对港口硬实力进行动态分析，同时对比港口综合竞争力来剖析港口软实力的发展状况.港口硬实力按从0～1进行数据量化，如图1所示.

图1 港口硬实力Fig.1 Hard power of ports

2007年宁波—舟山港位居第一，综合实力是上海港的两倍之多，但从2008年之后，上海港一直稳居第一，综合实力远超第二名宁波-舟山港；其他各港口综合实力远低于上海港和宁波舟山港.2008年金融危机加之随后经济结构的转型升级，各港口硬实力发展呈现小梯度放缓趋势，港口之间的竞争从硬实力向软实力过度，港口发展理念上升到新高度.

由图2可知，在港口硬实力方面，青岛港和连云港一直排名后两位，分别位居第六位和第七位，两港要兼顾软硬实力均衡发展；在2011年之后，深圳港、大连港和天津港三港之间的排名交替变动，港口发展处在不断摸索变革中；在2008年之后，上海港实力一直稳居第一，宁波-舟山港位居第二.

图2 港口硬实力排名Fig.2 Order of ports according to hard power

3.5港口发展策略研究

本文利用熵权-TOPSIS对中国主要沿海港口竞争力从静态和动态两个方面进行了详细分析，并利用DEA算法对目前港口作业效率进行了评比分析.在此分析的基础上，结合各大港口所处的发展环境和现状，提出一些具有针对性的发展意见.

作为中国沿海港口竞争最激烈的上海港和宁波—舟山港，港口综合实力位居全国前列，但两港之间实力差距较大.上海港优势在于完善的基础设施、完备的集疏运系统、优惠的国家政策和优越的区位条件及遍布世界的众多航线；宁波—舟山港则拥有优良的深水港条件，可以满足船舶大型化的发展趋势，为两港的合作提供了可能.两港之间的过度竞争只是现有资源的再分配，会导致基础设施的重复性建设、产能过剩、打价格战等资源浪费，这与当今所倡导的经济绿色发展相悖，应向着绿色生态型港口发展，注重港口软实力的提升；上海港作为中国第一个进行绿色港口建设研究的港口，要发挥带头示范作用.此外，面对国内外港口竞争及发展趋势，港口要结合自身优势，建立以合作为主的战略联盟关系，对港口来说是一个可行性比较强的发展战略.比如上海港和宁波-舟山港可以打破行政区域划分，资源共享，实现差异化发展；上海港可以重点发展集装箱业务和高端港口服务，宁波-舟山港可以向大型中转、集疏枢纽港发展.

连云港作为国家“一带一路”战略的交汇点，具有优越的区位条件和丰富的自然资源，发展潜能巨大.从数据分析来看连云港整体发展水平相对偏低，需要加大港口投资力度，扩大港口规模，形成港口规模经济；港产城融合发展理念，正切合其发展需求，形成以资产、资本为纽带，互利共赢、资源全面深入整合的发展局面.同时，连云港要继续致力于高新科学技术，推动连云港港口绿色健康发展.

大连港拥有优越经济和地理区位及港口自然条件，但由于政策体制、港口标准化水平低、腹地经济结构不合理加之与天津港和青岛港海上腹地重叠等原因，使得港口竞争力比较落后.从数据分析来说，要从港口管理水平、城市综合实力和吸引更多货源等方面加强港口发展，注重人才、管理体制等软实力的发展.

天津港地处京津翼城市带和环渤海经济圈的交汇处，是中国北方最大的综合性港口.良好的区位优势和基础设施，优惠的政策和先进的港口管理水平等都为天津港港口发展带来了巨大机遇.天津港应进一步加强内在优势，促进与周边港口的资源整合和优势互补.2007年开始绿色港口建设的天津港，经过十多年的不懈努力，天津港各项环保指标基本达到标准要求，未来生态型港口建设仍需要港口不断的发展创新.

青岛港拥有天然不冻深水港和发达的腹地经济，综合竞争力排名第6，规模效率小于1，要着重从港口发展规模和基础设施建设等方面规划发展.青岛市外贸规模较高，有利于港口外贸的增长，但由于腹地辐射范围有限，可能会面临吞吐量过剩等情况，为避免周边港口间的激烈竞争，青岛港需要进一步推进港城联动发展，开拓经济腹地.青岛港将建设绿色低碳港口纳入发展目标，积极倡导利用科技提高港口作业操作效率和能源利用率.

深圳港位于深圳特区，毗邻香港，主要依托香港的贸易和国际航运中心的优势发展起来.从港口综合实力方面来看，要加强港口的财务管理并升级港口基础设施建设.深圳港业务比较单一，发展重心主要是集装箱业务，受外贸需求的影响比较大，应注重多元化业务发展，同时改善港口环境.

4结论

本文首先建立了包括6个方面的港口竞争力评价指标体系，利用熵权-TOPSIS法对各港口从静态和动态两个不同维度进行了评价分析，可知上海港和宁波—舟山港在各方面位居前两名，但两者实力仍相差较大；连云港由于港口运营规模小等各方面原因竞争力最弱，其他各沿海港口都有各自的竞争优势和不足；港口发展从基础设施等硬实力竞争转向软实力竞争.其次通过DEA算法对当前各沿海港口进行了作业效率分析，可知上海港、宁波—舟山港、天津港和深圳港的综合效率比连云港、大连港和青岛港高，且连云港、大连港和青岛港也呈现不断发展的趋势，但距港口绿色健康发展的要求还有很长的路要走.本文采用定量分析与定性分析，静态评价与动态评价相结合的方法，对中国各大沿海港口综合实力及发展做出评比分析，并提出具有针对性的发展意见，以期对分析其他各港口的发展提供一定的借鉴作用.

[1] KIM S， KANG D， DINWOODIE J. Competitiveness in a multipolar port system: striving for regional gateway status in Northeast Asia[J]. The Asian Journal of Shipping and Logistics， 2016， 32(2): 119-125.

[2] YOON J， LEE H Y， DINWOODIE J. Competitiveness of container terminal operating companies in South Korea and the industry-university-government network[J]. Transportation Research Part A: Policy and Practice， 2015， 80:1-14．

[3] LIU Y， LU S， ZHANG P. Port competitiveness evaluation research based on Chernooff Faces Model [J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2013， 96:1961-1966.

[4] 吕 梁. 港口综合竞争力评价模型与方法及其实证研究[D].大连：大连海事大学，2011.

[5] 吴 慧， 王道平， 张 茜， 等. 基于云模型的国际邮轮港口竞争力评价与比较研究[J].中国软科学， 2015， 15(2)：166-174．

[6] HUNG S W， LU W M， WANG T P. Bench marking the operating efficiency of Asia cont-ainer ports[J]. European Journal of Operational Research， 2010， 20(3)：65-71．

[7] 巩亚文. 基于主成分分析-BP神经网络的港口争力评价研究[D].长安：长安大学，2015.

[8] 胡 颖. 基于层次-熵权法的低碳港口评价研究[D]. 深圳：深圳大学，2016．

[9] 乔 红. 生态型港口评价体系研究[D].大连：大连海事大学，2012.

[10] 李 婧. 基于熵权TOPSIS的港口物流竞争力评价研究[J].华东交通大学学报， 2014(6)： 47-53.

[11] 董晓青. 绿色港口发展现状及构建的浅析[J]. 物流工程与管理， 2015， 37(2)：10-11

[12] 聂 莉. 基于熵权-TOPSIS法的港口城市邮轮旅游竞争力分析[J].旅游论坛， 2010， 3(6)：789-794．

[13] JIN H P， Park I Y， KWUN Y C， et al. Extensions of the TOPSIS method for decision making problems under interval-valued intuitionistic fuzzy environment[J]. Applied Mathematical Modelling， 2011， 35(5):2544-2556.

[14] OZERNOY V M. Choosing the “best” multiple criteria decision-making method [J]. Infor: Information Systems and Operational Research，1992，2(30):159-171.

[15] 程佩瑄. 基于TOPSIS法的水环境质量评价研究[D]. 兰州：兰州大学，2014．

[16] 杜 挺， 谢贤健， 梁海艳， 等. 基于熵权-TOPSIS和GIS的重庆市县域经济综合评价及空间分析[J].经济地理， 2014， 34(6)：40-47.

Research on the port comprehensive strength evaluation and operation efficiency analysis based on the entropy-weighted-TOPSIS and DEA method

FENG Maoxiu， HU Jiankun

(Shanghai Maritime University， Logistics Research Center， Shanghai 201306)

Modern port has the important influence on promoting the development of national economy. With the expanding of port scale， the competition between ports is increasingly fierce. How to promote the sustained and healthy development of the ports becomes the focus of all the countries. In this background， some major coastal ports， such as Shanghai port and Ningbo-zhoushan port， are taken as examples. Through setting up the index system for port competitiveness including six aspects， port comprehensive strength and operation efficiency are analyzed using the entropy-weighted-TOPSIS and DEA method， respectively. It is concluded that the port comprehensive strength is uneven， while overall developing forward. Combining the current situation of the ports， in-depth analysis of the ports is performed and some targeted suggestions are put forward for the port development.

port comprehensive strength； evaluation model； entropy-weighted-TOPSIS method； DEA

2017-02-24.

上海市科委科研计划项目(14DZ2280200)；上海市科委重大项目(15DZ1100900)；交通运输部建设科技项目(2015328810160)．

1000-1190(2017)03-0356-08

U691; F550

A

*E-mail: 2294785831@qq.com.