设计阶段港口装卸工艺系统设备优化配置研究

李金凤，牛兴伟

（1. 苏交科集团股份有限公司 水运工程设计研究所，南京 210000；2. 江苏省港口绿色技术集成工程中心，南京 210000）

设计阶段港口装卸工艺系统设备优化配置研究

李金凤1,2，牛兴伟1,2

（1. 苏交科集团股份有限公司 水运工程设计研究所，南京 210000；2. 江苏省港口绿色技术集成工程中心，南京 210000）

港口在综合交通运输体系中的节点作用日益显著，而港口装卸工艺的合理与否对港口的经济效益和社会效益有着举足轻重的影响，故对装卸工艺的优化尤其是设备优化配置的研究至关重要。本文提出以单个设备为分析个体的研究思路，基于层次分析法建立单设备的两级评价指标，运用模糊综合评判法对不同设备的指标进行逐层综合评判，根据最终综合评判结果为设备优选提供决策依据。通过实例应用表明，本方法可实现装卸工艺设备的科学选取。

港口；装卸工艺；模糊综合评判；设备优选

随着我国水运行业的快速发展，港口已经成为重要的货物中转运输节点。装卸工艺是港口生产的基础，是港口技术水平的标志，其合理与否对港口的盈利能力、安全生产及环境保护等方面影响突出，关乎港口的经济效益和社会效益。港口装卸工艺在设计过程中，因同一工艺同一操作过程可以采用众多的工艺方案，而不同的工艺方案所配备的机械、工具类型和工人的数量不同，产生的效果必然不同[1]。因此，装卸工艺的优化设计一直是港口工程设计的难点。

目前，对装卸工艺的相关研究成果较多。其中，刘善平[2]从质量安全和环境保护、装卸设备、工艺布置与流程、装卸作业、劳动组织、装卸成本等方面分析了港口装卸工艺合理化的基本原则和方法；阎佳安、李益琴等[3-4]通过装卸设备基本能力拟订可行方案，对比分析各方案的相关营运经济指标，确定最优的装卸工艺方案；罗振林[5]利用AHP法先进行集装箱码头最佳装卸工艺方案的选择，然后根据运量预测结果进行原有设计方案的改进；李柱[6]采用灰色关联度分析法和熵权法作为评价研究方法，通过计算不同装卸工艺的合理性程度来确定推选方案；姚夏莉[7]使用Arena仿真工具建立了港口装卸工艺系统模型，通过模型运行不同工艺方案得出了一个相对较优的方案；刘卫东、蔡佩林等[1,8]分别利用模糊评价技术对散货和集装箱码头的装卸工艺进行分析评价，并制定了相应的评价指标。

现有研究成果均是对已成型的装卸工艺系统进行评价分析，无法为装卸工艺设计过程中的设备优选提供指导，同时也不能为装卸工艺的编程设计提供理论基础。为此，本文提出以单个设备为分析个体的研究思路，基于层次分析法（AHP）建立单设备的两级评价指标，运用模糊综合评判法（FSEM）对设备各指标进行逐层综合评判，根据最终综合评判结果为装卸工艺的设备选取提供决策依据。

1 基于AHP法的设备评价指标体系

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP），是美国学者于上世纪70年代中期提出的一种实用的多准则决策方法。它能够将定性与定量相结合，充分利用人的经验和判断，对决策方案优劣进行排序，具有实用性、系统性、简洁性等优点。基本思路是首先将复杂问题分解为若干组成要素，再将这些要素按支配关系形成有序的阶梯层次结构然后通过两两比较，确定层次中诸要素的相对重要性，最后综合各层次要素的重要程度，得到诸要素的综合评价值[10]。

1.1 确定设备评价指标

根据国内目前的研究成果，没有统一的港口装卸工艺系统的相关评价标准与规定，而公认优越的装卸工艺系统需在可持续性发展、环境保护、资源与能耗、安全和谐等方面具有优势。所以，本文从港口装卸工艺评价的一般原则出发，拟定出装卸工艺评价系统设备优选的评价指标。

具体分析时，采用层次分析法构建港口装卸工艺系统设备优选评价顶层目标层，形成了包括设备的合理性、经济性、安全性和环保性等4项准则层目标。为能够真实、全面、客观、准确地反映设备的各个属性，充分结合装卸工艺设计者的设计经验和码头装卸设备的特点，将准则层目标进一步分解为装卸效率、设备先进性、机械化水平、投资造价、装卸成本、水污染等11项指标层目标，详见表1。

表1 设备综合评价指标体系Tab.1 Comprehensive Evaluation index system of equipment

1.2 评价指标权重分析

权重是单个评价因素在总体评价中影响程度的一种度量。为使权重能客观反映实际，同时结合专家在实践过程中所获得的宝贵经验，可利用专家咨询法和港口企业现场查实法，结合两者情况进行打分，确定权重值。

首先，根据评价指标的相对重要性的评判比例标度及专家对B层指标进行两两比较的评判结果，形成判断矩阵

式中：aij就是该指标层第i个指标相对与第j个指标对于本层的重要性。判断矩阵具有以下性质

由判断矩阵A计算其特征向量ω，为减少计算，可采用简便算法，具体如下：

则ω = [ω1,ω2,...,ωn]T为A的特征向量，即为B层指标权重ω，同理，可求得C层指标的权重。

当然，由于受到专家评判的主观性影响，使得判断矩阵中各元素可能不具备一致性，必须对判断矩阵进行一致性检验，计算一致性判断指标CR=Ci/Ri，若CR＜0.1 ，则计算结果可以接受，专家判断系统一致性符合要求，否则重新调整直至一致性检验符合要求。

2 模糊综合评判体系

模糊综合评判法（Fuzzy Synthetic Evaluation Model，简称FSEM）是一种基于模糊集合论，能够将定性评价转化成定量评价，通过对评判指标中各种模糊信息做量化处理，并进行状态判断的方法分析。一个模糊评判一般包括指标体系的选用、标准值的确定、原始数据的标准化、各因素权重确定、合成算子的选择、计算综合指标值和综合指标隶属度等步骤[11]。具体应用时，一般需构造多层次模糊综合评判模型，使经低层次评价得到的综合评价向量继续参与高层次的评价，从而可避免某一层中因素过多、权重小而造成的因素权重的“淹没”现象[12]。

2.1 建立设备因素集U

建立评价对象即装卸设备的因素集U = {u1,u2,u3,...,un}，设备因素集U中的参数ui代表了评价对象的一种属性，各参数作为装卸设备设计时的考虑因素，也即评价指标，具有一定的通用性，但并非对任何设备来说都需进行所有因素的评价。根据上文对设备评价指标的分析，对设备是否选取进行决策时，取U={合理性(u1)，经济性(u2)，安全性(u3)，环保性(u4)}

2.2 建立设备评价等级集V

为直观显示因素集U中设备各参数ui的优劣程度，需建立评价等级集V = {v1,v2,v3,...vm}，vj(j = 1,2,...,m)表示由高到低的各级评语。评价等级集一般设4个抉择等级vi，即V={优(v1)，良(v2)，中(v3)，差(v4)}，具体对设备各指标进行评价时，抉择等级优(v1)对于正指标可以是高、大、可行、合理等，对于负指标可以是低、小、不可行、不合理等。

2.3 确定模糊评判隶属矩阵R

隶属函数是模糊综合评判方法的关键之一，是对一种不能精确定量表述的事物现象规律进程 的模糊陈述的表达式，由此确定上文有关因素的隶属度是对模糊概念贴近程度的度量。

对于因素评价等级集V中的vi(i = 1,2,3,...,m)作单因素评判，从因素ui确定该参数对抉择等级vj(j = 1,2,3,...,m)的隶属度rij，并由此得到ui的单因素评价等级集ri= {ri1,ri2,ri3,...,rim}，同理，可构造出因素集U的模糊评判矩阵：

2.4 综合评判B

在确定模糊评判矩阵R后，根据上文由AHP法计算得到的单设备各指标权重ω，利用模糊矩阵的合成运算，得到综合评价模型B = ω . R = {b1,b2,...,bm}，它是V上的一个模糊子集，其中，Fuzzy 运算在实际中根据情况选用，由于装卸工艺的设备优选需同时考虑多个因素的影响，所以建议采用M(·, +) 算子

2.5 最终评判结果Z

设F = [f1,f2,...fn]T是数据集，其中fj( j = 1,2,...,n) 表示第j级评语的实际数据。利用向量的乘积，计算最终评价结果Z = B . F，同时由Z可分析评价结果。

经上述步骤，即完成对单个设备的模糊综合评判，最终评判结果Z作为设备优选的决策依据。

3 装卸设备模糊综合评判实例

连云港某内河码头工程位于连云港南翼地区——徐圩新区内，工程拟建1个1000吨级散货泊位，3个1 000吨级件杂货泊位。设计吞吐量160万t/a，满足2030年的货运需求。结合码头泊位设置情况和装卸设备的船时效率，初步确定码头前沿装卸设备和库堆场的件杂货设备有备选方案，装卸设备的可选范围如表2所示。

表2 可选机械名称及规格Tab.2 Alternative mechanical name and specifications

根据笔者近年来对内河码头装卸设备的各指标统计数据，结合装卸工艺专业的专家和企业管理人员、现场操作人员对权重和隶属度的打分，首先可得准则B层评估指标的判断矩阵如下

求得B层判断矩阵A的特征向量，特征值为4.001，，一致性满意，因此上述向量准则B层的权重。同理，可求得指标C层的权重，见表3。

表3 评价指标计算结果Tab.3 Calculation results of evaluation index

在此基础上，采用逐个货种类型分析的方法，得到码头前沿件杂货泊位的装卸设备指标、权重、隶属度等分析结果如表3所示：

由上表可知：ω={0.33,0.17,0.33,0.17}；ω1={0.60,0.20,0.20}；ω2={0.50,0.50}；ω3={0.55,0.27,0.18}；ω4={0.17,0.33,0.50}。

根据Bi= ωi. Ri，进行一阶模糊综合评价判断

则二阶模糊综合评价判断矩阵为

二阶模糊综合评判为

设评价等级集V具体指标值为F=[0.9,0.7,0.5,0.3]T，则最终判断结果Z为

经计算，从模糊综合评判结果来看，Z2= 0.81，综合评判等级相对较高，因而推荐固定式起重机25 t为前沿件杂货泊位的装卸设备。同理可得其它货种可选设备的综合评判值，见表4。推荐固定式起重机10 t为散货泊位装卸设备，轨道龙门吊25 t为库堆场件杂货堆放设备。

表4 可选设备综合评价结果Tab.4 Comprehensive evaluation results of alternative equipment

4 总结

本文进行装卸工艺系统设备优选时以单个设备为分析个体，采用层次分析法建立了单设备的两级评价指标并分析了各指标权重，运用模糊综合评判法对设备各指标进行逐层综合评判，通过对比不同设备的最终综合评判结果，为装卸工艺的设备选取提供决策依据。本文的分析方法使港口装卸工艺的设计不再单纯依靠设计者的经验判断，而是具有一定的科学性，设备选取过程有据可依。

本文的研究成果可指导设计阶段的装卸工艺设备选取，但如需广泛应用到工程设计中，还需解决两个难题：（1）建立针对不同货种类型的完善的装卸设备各评价指标的信息化数据库；（2）由于综合评判过程计算繁琐，宜按本文的研究思路研究开发专业的评价软件。

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Study on optimized equipment configuration of port loading and unloading process system in design phase

LI Jin-feng1,2, NIU Xing-wei1,2
(1. JSTI Group Waterway Engineering Design and Research Institute, Nanjing 210000, China;2. Jiangsu Port Green Technology Integration Engineering Center, Nanjing 210000, China)

The role of port in overall transportation system is increasingly signifi cant, and the rationality of the handling technology has a signifi cant impact on the port's economic and social benefi ts. Therefore, the research of optimizing device confi guration is extremely important. In this paper, the idea of taking the single device as analysis object was presented. Two-level evaluation index of single device was established based on AHP method. The FSEM was applied to do comprehensive evaluations of different devices. And the evaluation results were treated as evidences of optimized equipment. Practical application shows that this method makes the selection of handling equipment more scientifi c.

port; loading and unloading process; fuzzy synthetic evaluation; optimization allocation

U 652

A

1005-8443(2017)03-0320-05

2016-08-17；

2016-12-01

浙江省交通运输厅科技计划重点项目（2015J09）

李金凤（1977-），女，江苏省人，博士，高级工程师，主要从事水工结构设计及绿色港口技术应用研究。Biography:LI Jin-feng(1977-),female,senior engineer.