海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型研究

隋傳劍，譚振東

（總后軍事交通運輸研究所，天津 300161）

海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型研究

隋傳劍，譚振東

（總后軍事交通運輸研究所，天津 300161）

海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的選取是方案設(shè)計與研究的重點。文中分析了影響海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的主客觀因素，建立架設(shè)區(qū)域多屬性決策模型，運用綜合賦權(quán)的方法對各評價指標賦權(quán)，采用綜合評分的方法對各備選方案進行評分和排序。實例分析表明，運用多屬性決策模型解決海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題是可行的、有效的。

海岸浮式活動碼頭；架設(shè)區(qū)域；多屬性決策模型

海岸浮式活動碼頭是一種在天然海岸使用的碼頭。為了便于運輸、分解和移動，通常采用浮箱拼裝式的模塊化結(jié)構(gòu)，在海上作業(yè)區(qū)域現(xiàn)場組裝架設(shè)。海岸浮式活動碼頭需與岸相連，并跨越船舶無法進入的潮間帶和淺水區(qū)，展開架設(shè)在岸與海的過渡銜接地帶。這一地域環(huán)境條件異常復雜、多變，存在著風浪、海流、潮汐、海灘坡度、水域地形條件等多種因素。除了要求海岸浮式活動碼頭自身具備良好的環(huán)境適應性之外，對活動碼頭的應用也提出了較高的要求。因此，在籌劃和制定活動碼頭架設(shè)方案時，需要根據(jù)海岸環(huán)境條件和碼頭的使用要求，確定海岸浮式活動碼頭的架設(shè)區(qū)域。海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的選取是海岸浮式活動碼頭架設(shè)方案籌劃階段一項重要的任務，對于海岸浮式活動碼頭各項作業(yè)的順利完成具有十分重要的意義。科學、合理地選擇海岸浮式活動碼頭的架設(shè)區(qū)域，有利于提高海岸浮式活動碼頭展開架設(shè)的速度，有利于提高海岸浮式活動碼頭系統(tǒng)的整體生存能力，同時可保證船舶安全、可靠的實施靠泊和補給，保證各項作業(yè)安全、快速的進行[1]。

1 海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取影響因素分析

海岸浮式活動碼頭的架設(shè)區(qū)域是指海岸浮式活動碼頭所處的地理位置，通常是無碼頭條件下的天然岸灘，一般位于岸與海的銜接區(qū)域，例如潮間帶區(qū)域和拍岸浪區(qū)域，這一特殊區(qū)域環(huán)境因素種類繁多，影響海岸浮式活動碼頭保障作業(yè)的環(huán)境條件包括海風、海浪、潮汐、海流、海岸地形地質(zhì)等，相應地可通過風速、浪高、潮差、流速、岸灘坡度、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)、陸域幅度、道路數(shù)量、水域幅度等指標來描述。這些環(huán)境指標不僅是表征和區(qū)分不同天然岸灘的客觀因素，同時是制約海岸浮式活動碼頭各項作業(yè)實施的重要因素。多數(shù)為隨機變化的因素，其規(guī)律較難掌握，是制約海岸浮式活動碼頭作業(yè)速度、作業(yè)安全性及可靠性的重要因素。

海岸浮式活動碼頭作業(yè)種類繁多，每一項作業(yè)對環(huán)境條件的要求是不同的，環(huán)境條件對各項作業(yè)能力的發(fā)揮具有重要影響，包括海岸浮式活動碼頭拼裝性能力、錨定能力、分解能力、起錨能力等。在選擇海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域時，船舶的航行能力、靠泊能力、裝卸能力、裝備的上岸能力、集結(jié)能力、前送能力等都是不可忽視的因素，直接關(guān)系到任務是否能夠圓滿完成。

通常情況下，在行動區(qū)域內(nèi)能夠滿足海岸浮式活動碼頭架設(shè)要求的天然岸灘數(shù)量較多。海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的過程就是以各項作業(yè)能力（包括海岸浮式活動碼頭作業(yè)和船舶、裝備作業(yè)）發(fā)揮的好壞為準則，綜合考慮環(huán)境因素對各項作業(yè)能力的影響，對多個可選天然岸灘進行綜合評定，選取能夠更好地實施各項作業(yè)的岸灘的過程。

2 海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型

通過對海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題的特點和影響因素的綜合分析，選擇多目標決策方法來解決海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的問題。多目標決策問題通常與事先預定方案無關(guān)，其模型的目的是在設(shè)計好的約束條件下，通過達到一些量化目標可以接受的水平來尋找決策者最為滿意的方案，產(chǎn)生或設(shè)計方案是多目標決策問題的目標；而多屬性決策問題的不同之處是方案預先給定了，決策者需要在各方案的不同屬性之間進行價值判斷，并最終選出優(yōu)勝方案或?qū)λ蟹桨高M行排序[2-3]。

2.1 海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性問題分析

依據(jù)多目標決策方法的原理，設(shè)定海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題的目標集為各項作業(yè)的能力，屬性集為架設(shè)區(qū)域環(huán)境條件的指標值，備選方案集為多個可選天然岸灘，這些岸灘都能滿足海岸浮式活動碼頭架設(shè)的要求。根據(jù)多目標決策問題的分類方法和原理，海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集是有限多的，其目標是隱含的，而屬性是清晰的，因此多屬性決策模型非常適合解決海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的問題。

海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策問題可表示為：

圖1 海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的目標層次結(jié)構(gòu)圖

其中，X={xi}（i=1,2,…，m）為海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集，xi為第 i個方案；Y={yj|（j=1,2,…,n）}為海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的屬性集，yj為第j個屬性；W=[w1,w2,…,wn]T屬性權(quán)重向量，wj為 yj的權(quán)重值；U={uij}m×n為海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的決策矩陣，uij為方案xi關(guān)于屬性yj的屬性值[4]。建立海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的目標層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 決策矩陣

海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集為X={x1,…xm}，用 Yi={yi1,…yin}表示方案 x1的 n個屬性值，其中 yij為第 i個方案的第 j個屬性的值；當目標函數(shù)為 fj時，yij=fj（xi），i=1,…,m；j=1,…,n。各方案的屬性值可列為決策矩陣，或稱屬性矩陣。

為了使各屬性值之間具有可比性，需對屬性集進行無量綱化處理。從數(shù)學角度講，無量綱化就是設(shè)法確定指標評價值與實際值之間的函數(shù)關(guān)系，使得評價值反映實際值的變化規(guī)律和數(shù)值水平且值域相同。閥值法是用指標實際值與閥值相比得到評價值的一種無量綱化方法，指標的實際值與評價值成線性關(guān)系，主要有越大越好型、越小越好型、給定范圍型等[4]。海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性模型中，屬性集是環(huán)境指標值組成的集合，依據(jù)海岸浮式活動碼頭通用規(guī)范的要求，為了保證各項作業(yè)的順利實施，每種環(huán)境指標都有一定的取值范圍。因此，選取閥值法實施指標的無量綱化應根據(jù)環(huán)境指標取值的不同特點，采用不同的方法對屬性集進行無量綱化處理。

在一定范圍內(nèi)取值的環(huán)境屬性，采用給定范圍型閥值法實施無量綱化，對各項評價指標分別確定1個滿意值和1個不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限，計算各項指標接近、達到或超過滿意值的程度，計算公式為：

其中：aij為第i個方案第j項屬性的評價指標值；yij為第i個方案第j項屬性的實際值；yjmax為第j項屬性的滿意值；yjmin為第j項屬性的不允許值。

對于越小越好的環(huán)境指標，其無量綱化公式為[5]：

對于越大越好的環(huán)境指標，其無量綱化公式為：

屬性值矩陣Y=（yij）m×n實施無量綱化后，得出無量綱化矩陣 Z=（zij）m×n

2.3 綜合賦權(quán)模型

目前，權(quán)重的確定方法主要有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是由評價分析人員根據(jù)各項指標的重要性而賦權(quán)的一類方法。其基于對各項指標重要性的主觀認知程度，免不了帶有一定程度的主觀隨意性。客觀賦權(quán)法是利用指標值所反映的客觀信息確定權(quán)重的一種方法。其根據(jù)指標的具體數(shù)值來評定不同方案、統(tǒng)一屬性指標值間的穩(wěn)定性給指標賦值的一種方法[6]。

為了兼顧分析者對指標重要性的主觀認知（經(jīng)驗），同時又充分利用指標值所反映的客觀信息，使對指標的賦權(quán)達到主觀與客觀的統(tǒng)一，進而使評價客觀、真實、有效。本文采用綜合權(quán)重賦值法，對海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的評價指標進行賦權(quán)。綜合權(quán)重賦值法的基本原理是根據(jù)具體情況，分別選擇一種主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法對各項指標賦權(quán)，建立指標綜合權(quán)重的優(yōu)化模型，并對模型求解，最后得出評價指標的綜合權(quán)重。

2.3.1 主觀賦權(quán)模型

層次分析法（AHP）經(jīng)過多年的發(fā)展和應用，至今依然不能完全擺脫它本身的局限性，在原理上和方法上都存在一定缺陷，針對同一方案，特別是較復雜系統(tǒng)，同樣正確的等階層次劃分可能出現(xiàn)不同結(jié)果和排序。本文在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上提出一種改進的層次分析法，對海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的評價指標賦權(quán)。這種方法與傳統(tǒng)層次分析法相比較，省略了一致性檢驗，計算更加方便、簡單。

傳統(tǒng)AHP法的一致性檢驗雖然行之有效，但畢竟帶有主觀性和盲目性，有時需要經(jīng)過多次調(diào)整才能通過。改進的層次分析法（IAHP）利用擬優(yōu)傳遞矩陣改進了傳統(tǒng)AHP的上述不足，對傳統(tǒng)AHP法進行改進，使之自然滿足一致性要求，直接求出權(quán)重[7]。AHP與IAHP的計算流程比較，如圖2所示。

圖2 AHP與IAHP流程對比示意圖

運用IAHP法計算評價因素集主觀權(quán)重的一般步驟為：

（1）建立問題的層次遞階結(jié)構(gòu)

根據(jù)對問題的初步分析，將所包含的因素分組，每組作為一個層次，按照最高層、若干有關(guān)的中間層和最底層的形式排列起來。

（2）確定比較判斷矩陣[8]

矩陣A*是A的擬優(yōu)傳遞矩陣，并且它是一致的，由A*可直接求出權(quán)重值，即A*的特征值，不必進行一致性檢驗。

求A*的特征值時采用方根法。首先，由于判斷矩陣本身有相當?shù)恼`差，故求其特征量是不需追求很高的精度；其次，方根法是以超幾何平均法求權(quán)重值，可以在一定范圍內(nèi)使擬定傳遞矩陣A*的特征值更接近最優(yōu)傳遞矩陣的特征值。

按照IAHP法，計算海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取評價因素的主觀權(quán)重為：

2.3.2 客觀賦權(quán)模型[9]

客觀賦權(quán)法是利用指標值所反映的客觀信息確定權(quán)重的一種方法，主要有變異值法（如標準差、方差或平均值等）、熵值法等。它們都是根據(jù)指標的具體數(shù)值，評定不同方案統(tǒng)一屬性指標值間的穩(wěn)定性給指標賦值的一種方法。

本文選用熵值法對各項指標賦權(quán)，根據(jù)信息熵值的計算公式可得j項指標的信息熵值為：

式中，k=（lnm）-1，0≤e≤1， 信息熵 ej可用來度量 j項指標的信息（指標的數(shù)據(jù)）的效用值，j項指標的信息效用價值取決于該指標的信息熵ej與1的差值hj：

利用熵值法估計各指標的權(quán)重，其本質(zhì)是利用該指標信息的價值系數(shù)，其價值系數(shù)越高，對評價的重要性要求就越大，j項指標的權(quán)重為：

2.3.3 綜合權(quán)重的優(yōu)化模型[6]

由改進的層次分析法所得的各項指標的主觀權(quán)重為：

由熵值法所得的各項指標的客觀權(quán)重為：

設(shè)各項指標的綜合權(quán)重為：

為了既兼顧主觀偏好，又充分利用主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法各自帶來的信息，達到主客觀的統(tǒng)一，建立綜合權(quán)重的優(yōu)化模型為：

其中，0<μ<1為偏好系數(shù)，它反映了分析者對主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的偏好程度。

則各指標的綜合權(quán)重為：

2.4 綜合加權(quán)評價模型

為了使海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性模型的計算結(jié)果更加直觀，選用綜合加權(quán)評分的方法對海岸浮式活動碼頭的備選架設(shè)區(qū)域進行綜合評分，并進行優(yōu)劣排序。綜合加權(quán)評分法是根據(jù)各項指標的重要性，確定出其所占的權(quán)重，將多指標的問題轉(zhuǎn)化為單指標的問題—綜合加權(quán)評分值，然后按單指標分析方法，對方案進行綜合選優(yōu)的一種方法，其優(yōu)點是能將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題進行求解。

采用加權(quán)求和的方法，對各備選方案進行綜合評分。方案i的綜合加權(quán)評分值為：

依據(jù)各個備選方案的最后得分值進行優(yōu)劣排序，并選定相對合理的海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域。

表1 初始決策矩陣

3 實例分析

海岸浮式活動碼頭的試驗地域共有3個可選架設(shè)區(qū)域，分別是①，②，③地域，以這3個地域作為海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域的備選方案集，建立海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型，對各備選方案進行綜合評價。

3.1 建立決策矩陣

決策矩陣是由①，②，③三個備選方案的環(huán)境指標值所組成的矩陣，其中風速、流速、浪高、潮差、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)是統(tǒng)計變量，可通過實地勘查或經(jīng)驗判斷給出具體數(shù)值；陸域幅度、水域幅度、道路數(shù)量可通過實地勘查來確定其具體數(shù)值，如表1所示。

表2 環(huán)境屬性值取值范圍

對屬性集進行無量綱化處理。風速、流速、浪高、岸灘坡度、海底底質(zhì)、岸灘底質(zhì)屬于在一定范圍內(nèi)取值的屬性，各屬性的滿意值和不允許值如表2所示，對于潮差，陸域幅度、水域幅度、道路數(shù)量等實施無量綱化，計算結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境屬性的無量綱化值

3.2 綜合賦權(quán)

3.2.1 主觀權(quán)重

采用的改進層次分析法，省略了一致性檢驗的計算步驟，其他計算步驟仍與傳統(tǒng)的層次分析法相同。由于層次分析法的發(fā)展已經(jīng)相當成熟，計算方法雖然簡單但步驟繁多，這里省略相關(guān)的計算步驟，直接給出計算結(jié)果，如表4所示。

表4 主觀權(quán)重值

環(huán)境指標的主觀綜合權(quán)重如下：

3.2.2 客觀權(quán)重

依據(jù)無量綱化矩陣，計算熵權(quán)的結(jié)果如下：

3.2.3 綜合權(quán)重

為了兼顧主客觀因素的影響，取偏好系數(shù) ，計算綜合權(quán)重值：

3.3 綜合加權(quán)評分

對各備選方案進行綜合加權(quán)評分，結(jié)果如下：

計算結(jié)果表明：3個備選方案的綜合排序為②＞①＞③。可知，雖然3個備選方案的環(huán)境指標都能夠滿足各項作業(yè)的要求，但②地域是3個備選方案中相對較優(yōu)的，因此選擇②作為海岸浮式活動碼頭最終的架設(shè)區(qū)域。

4 結(jié)束語

本文運用多目標決策的原理，將各項作業(yè)的能力作為目標集，將環(huán)境條件指標值作為屬性集，建立了海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取的多屬性決策模型，運用綜合賦權(quán)的方法對各評價指標賦權(quán)，采用綜合評分的方法對各備選方案進行評分和排序，以某一海岸浮式活動碼頭外海試驗為實例進行分析，結(jié)果與實際試驗相符，證明了運用多目標決策的方法解決海岸浮式活動碼頭架設(shè)區(qū)域選取問題是可行的、有效的。

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Research on the Span Location Multi-objective Decision Model for the Coastal Floating Causeway Pier

SUI Chuan-jian,TAN Zhen-dong
(Institute of Military Transportation,Tianjin 300161,China)

The selection of span location for the coastal floating causeway pier is the emphasis for the project design.Through analyzing the multi-factor of span location,utilizing comprehensive weight and comprehensive point method,a span location multiobjective decision model is established.The instance analysis shows that the span location multi-objective decision model for the coastal floating causeway pier is feasible and effective.

coastal floating causeway pier;span location;multi-objective decision model

U661.43

A

1003-2029（2011）03-0088-06

2011-03-05

天津市自然基金資助項目（07JCYBJC13100）

隋傳劍（1983-），男，碩士，助理工程師，主要從事近海工程方面的研究。