传统集装箱码头自动化改造程度评价分析

摘 要：為追求装卸作业效率的提升，国内各主要码头纷纷开展传统集装箱码头自动化改造工作，受业务模式、营业状况及自身发展需要等因素限制，目前改造工作大多基于工程经验而缺乏理论支撑，无论是工程实践或是理论研究均未涉及改造程度的判断。本文综合考虑码头规模、地区经济发展水平、劳动力丰富度等可能影响码头发展的维度，构建了跨维度的传统集装箱码头自动化改造程度评价的数学模型，使用模糊层次分析法确定了权重系数，遴选了全国10家代表性的传统码头作为评测对象。评测结果显示，码头年吞吐量越高，城镇居民人均可支配收入越高，城镇人口数越低，则越适合进行深度改造，评测结果充分证明了模型的有效性。

关键词：自动化改造；评价分析；模糊层次分析法

中图分类号：U 691  文献标识码：A

Abstract：In order to improve the efficiency of loading and unloading operations，major domestic terminals have carried out automatic transformation of traditional container terminals.Limited by business model，business status and development needs，the current transformation work is mostly based on engineering experience but lacks theoretical support，and neither engineering practice nor theoretical research involves the judgment of transformation degree.In this paper，considering the dimensions that may affect the development of terminals，such as the scale of terminals，the level of regional economic development and the richness of labor force，a crossdimensional mathematical model is constructed for the evaluation of the degree of automatic transformation of traditional container terminals.The fuzzy analytic hierarchy process is used to determine the weight coefficient，and 10 representative traditional terminals in China are selected as evaluation objects.The evaluation results show that the higher the annual throughput of the terminal，the higher the per capita disposable income of urban residents and the lower the number of urban population，the more suitable for indepth transformation.The evaluation results fully prove the effectiveness of the model.

Keywords：automatic transformation；evaluation；fuzzy analytic hierarchy process

近年来，我国港口加快科技领域自主创新和数字化转型，持续推进自动化码头建设，相关技术及装备已达到世界领先水平。我国在建和已建成的自动化码头达17座，自动化码头规模居全球第一，其中上海洋山四期自动化码头2022年吞吐量已突破630万标箱的设计吞吐能力。

受岸线资源、业务模式等因素影响，除新建自动化码头外，国内传统集装箱码头也在加快自动化改造的步伐。与此同时，关于传统集装箱码头自动化改造（以下简称“传改”）的理论研究则被学者们所关注。在改造的整体规划方面，王荣鹏［1］对比了自动化码头与传统码头的工艺和设备配置，分析总结了码头自动化升级改造的技术途径。张清波［2］等使用仿真软件对两种码头布局及装卸工艺进行了仿真，从堆场作业能力等四方面对两种工艺进行了评估。沈园［3］对传改中自动化工艺设备选型及工艺平面方案进行了比选。在码头片区方面，林洪为［4］对码头堆场的自动化改造进行了论述，强调了边生产、边改造、边调试、边上线的改造理念。单机设备层面，蔡超［5］对轮胎吊的油改电系统设计进行了探讨。

尽管如此，国内目前对传改的理论研究依然较少，传改的改造程度研究更是乏善可陈，国内各码头更多根据自身业务特点及历史经验进行改造，缺乏理论依据。本文从码头规模、地区经济发展水平及当地劳动力三个维度出发，使用模糊层次分析法建立传改的跨尺度模型，确定各维度相互间的权重系数，遴选国内10个有代表性的传统集装箱码头进行传改程度评价分析。

1 改造程度评价建模

论证某个码头需进行何种程度的自动化改造，需从码头规模、地区经济发展水平及当地劳动力三个维度加以评价，构建如图1所示的改造程度评价模型。码头规模方面，虽然泊位数、堆场面积、装卸设备数量、水平运输机械数量等都对码头改造有影响，然而码头年吞吐量依然能全面代表码头规模。大吞吐量必然需要上述条件支撑，同时吞吐量也是码头跨越式发展的唯一标志，因此以年吞吐量作为码头规模的具体数据度量。选择城镇居民可支配收入及城镇人口数分别作为地区经济发展水平及劳动力丰富度的具体数据度量。

以F1、F2、F3分别代表码头规模、地区经济发展水平及劳动力丰富度，三个指标维度不同，相互间无直接关系，呈非线性。码头吞吐量越大，提高效率的需求越强，传改后表现的集成优势及设备系统性越高，F1与年吞吐量成正相关；地区经济发展水平越高，越有资本及技术进行自动化改造，F2与城镇居民可支配收入成正相关；劳动力越丰富，劳动力成本相对越低，需解决的就业人口压力越大，F3与城镇人口数成负相关。为解决三者关联问题，本文使用模糊层次分析法，设置相应的权重系数来平衡各指标之间的关系。假设传改的程度评价指标为F，即：

F=F1×w1+F2×w2+F3×w3（1）

其中0≤F≤100。wi需满足优先需求关系，即w1+w2+w3=1。对于传改项目，一旦码头选定，F1、F2和F3也随之确定。如果码头改变，F1、F2和F3也随之浮动。然而通过计算可以获得定值，关键就在于确定指标权重W={w1，w2，w3}。

2 权重确定

权重确定最常用的方法有德尔菲法、层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）、熵值法以及模糊法［6］。德尔菲法和AHP法依赖于专家的知识和经验，熵值法权重取决于数据的信息特征，模糊法则是基于数据样本的相似性。

由于码头规模、地区经济发展水平及劳动力丰富度为跨尺度因素，无法直接用上述方法确定权重，因此本文选用模糊层次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，FAHP）进行权重确定。FAHP由AHP演化而来，既保留了AHP在处理多目标及定性定量数据结合方面的优点，又拥有模糊法中求解不确定性因素的优势。

2.1 确定模糊一致矩阵

假设矩阵R=（rij）n×n=r11…r1n

rn1…rnn满足0rij1，i=1，2，…n，该矩阵就被称为模糊矩阵。如果模糊矩阵R=（rij）n×n滿足rij+rji=1，i，j=1，2，…n，矩阵R就被称为模糊一致矩阵，并且满足rij=rik-rjk+0.5，i，j，k（=1，2，…n）。

构造模糊一致矩阵，对模糊互补矩阵R=rijn×n按行求和，记为ri=∑nk=1rik，（i=1，2，…n），实施如下变换：

fij=ri-rj2n+0.5（2）

记为F=fijn×n，则F为模糊一致矩阵。

2.2 指标权重计算

使用优先关系矩阵数量标度方法计算基于模糊一致矩阵的指标权重，将rij的取值分为五个标度，如表1所示。

根据FAHP的原理，为确定权重W={w1，w2，w3}，需要对每个指标进行评价。作为结果，这些指标需要满足经济性系统的要求，这意味着需要确定这些指标的优先关系模糊数r。从传改背景考虑，码头规模F1最重要。相对于地区经济发展水平F2，劳动力丰富度F3的必要性相对更低，所以F2比F3更重要。这些指标的重要关系顺序为F3＜F2＜F1。根据表1，构建改造程度评价指标优先关系矩阵，如表2所示。

3 实例分析

为确定指标的具体数值，本文对相关码头进行了调研走访，并对相关专家及码头机械设备操作者进行了深度交流，建立如表3所示的具体度量层级。

评价结果可分为浅度、中度、深度三个层级。浅度改造只涉及单机设备的自动化改造，中度改造可扩大至系统层面，深度改造则应将无人驾驶等智能化设备融入传改中。在分数区间划分方面，浅度得分为［0，40），中度得分为［40，60），深度得分为［60，100］。

遴选DL等10家传统集装箱码头为评测对象，涉及的年吞吐量、城镇居民可支配收入及城镇人口数等相关参数如表4所示，评价结果如图2所示。根据评价结果，SS等5家码头得分超过60分，适合进行深度改造；WH码头及XS码头得分介于40分及60分之间，适合进行中度改造；其余码头适合浅度改造。

从评价结果可知，码头年吞吐量越高，城镇居民人均可支配收入越高，城镇人口数越低，则越适合进行深度改造，这与我国传改的形势基本相符。

4 结论

除新建自动化码头外，传统集装箱码头自动化改造已成为国内各大港口的必由之路。在不增加港口岸线这一稀缺且不可再生的宝贵战略资源的前提下，自动化改造可助力体量大幅提升。由于各地传改缺乏统一标准，各港口大多只能依据过往经验进行有限尝试，缺乏理论支撑。由于各码头生产业务、岸线条件、场内资源各不相同，但基本根据年吞吐量进行相关配置，因此本文选择码头年吞吐量作为码头的直接决定因素，同时考虑各地区经济及劳动力水平不同，设置城镇居民人均可支配收入及城镇人口数分别代表上述因素，构建跨维度的数学评价模型，并采用模糊层次分析法确定指标权重。

根据实例分析结果，码头年吞吐量越高，城镇居民人均可支配收入越高，城镇人口数越低，则越适合进行深度改造。在后续研究中，随着时间变化，上述指标的区间可弹性调整，并可在个别指标中考虑是否增设二级指标以区分同一地区下不同码头的差异性。

参考文献：

［1］王荣鹏.自动化集装箱码头升级改造及其车辆调配研究［D］.大连理工大学，2019.

［2］张清波，匡家喜，张雨婷.传统集装箱码头向自动化码头改造仿真分析［J］.水运工程，2017（5）：138142.

［3］沈园.在建传统集装箱码头自动化升级改造装卸工艺设计［J］.中国港湾建设，2019，4.

［4］林洪為.传统集装箱码头堆场自动化改造和操作工艺革新［J］.港口科技，2019（8）：79.

［5］蔡超.传统码头轮胎吊改造和自动化升级探讨［J］.中国设备工程，2021（09）：129130.

［6］田进.面向材料效率的报废汽车回收处理关键技术研究［D］.上海交通大学，2017.

项目基金：上海市2021年度“科技创新行动计划”高新技术领域项目（21511102700）

作者简介：田进（1986— ），男，汉族，江苏南京人，博士，上港集团技术中心研究员，研究方向：码头自动化。