滕志強，王曉峰

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306）

基于系統(tǒng)聚類的港口平均裝卸效率分析

滕志強，王曉峰

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海201306）

港口吞吐量反映出港口整體發(fā)展?fàn)顩r，港口平均裝卸效率能從細節(jié)上反映出港口的運作狀況。構(gòu)造港口裝卸效率模型，從平均裝卸效率出發(fā)，利用系統(tǒng)聚類的方法對我國23個港口進行聚類分析，綜合分析港口吞吐量與港口效率研究港口發(fā)展現(xiàn)狀，有助于明確港口現(xiàn)狀以及未來發(fā)展策略的制定，提高核心競爭力。

裝卸貨效率;系統(tǒng)聚類;港口

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟和航運事業(yè)的蓬勃發(fā)展，使得航運成為了一個重要的運輸方式，而港口則是這個運輸過程中的一個重要環(huán)節(jié)，是沿海以及順江城市的一個重要經(jīng)濟資源，港口發(fā)展對于這些城市的經(jīng)濟有著直接的影響[1]，另外我國改革開放是從沿海城市開始，并以港口群為紐帶帶動區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展，港口的快速發(fā)展帶動了相應(yīng)的經(jīng)濟圈的經(jīng)濟以超過其他地區(qū)更快的速度發(fā)展[2]。港口的迅速發(fā)展雖然給當(dāng)?shù)爻鞘袔砹司薮蟮慕?jīng)濟效益，但是如果不能掌控港口發(fā)展?fàn)顩r，會引起很多不良問題，例如港口管理不當(dāng)導(dǎo)致的效益低下，臨近港口的盲目投資導(dǎo)致功能重疊而造成資源浪費等。因此我們要針對港口進行必要的評價與分析，從歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)出發(fā)，挖掘港口潛在規(guī)律，這樣有利于明確港口的發(fā)展現(xiàn)狀和前進方向，實現(xiàn)港口在實際運營中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題從而不斷提高核心競爭力。

目前港口評估研究多以吞吐量作為主要依據(jù)，例如Turner,H.S.結(jié)合北美港口產(chǎn)業(yè)競爭特征與過剩投資和終端吞吐量的關(guān)聯(lián)性，仿真研究港口管理集裝箱租賃政策與吞吐量的關(guān)系，進一步考察了港口系統(tǒng)績效[3]，楊瑩等人通過港口進出口貨物吞吐量的聚類分析對我國主要港口進行分析定位[4]，劉曉玲等人,以日本瀨戶內(nèi)海地區(qū)港口吞吐量和集裝箱吞吐量來表示地區(qū)港口發(fā)展?fàn)顩r，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對各縣港口與產(chǎn)業(yè)發(fā)展間的關(guān)系進行分析研究[5]，焦新龍等人建立了港口物流層次分析模型，選用基于"差動"原理的賦權(quán)法計算各指標(biāo)的權(quán)重,應(yīng)用模糊綜合評價法對其進行績效綜合評價[6]；此外，港口物流效率方面研究也取得了豐碩成果，例如Bichou K與Gray R通過物流和供應(yīng)鏈管理方法概念化港口，提出一個港口業(yè)績框架，對港口業(yè)績進行評估[7],鄧娟從運輸樞紐、物流服務(wù)、資源配置等對港口效率進行了多方面的研究[8]。以上研究表明，現(xiàn)階段港口評價研究的主要因素是港口的物流能力，港口的吞吐量或者某類貨物的吞吐量。吞吐量反映了港口的作業(yè)量，是評價港口的重要依據(jù)之一，但港口平均裝卸效率更能反映港口的管理水平和競爭力。

在港口吞吐量方面，較大港口對較小港口在吞吐量方面的天然優(yōu)勢，在物流效率方面，港口周圍基礎(chǔ)設(shè)施影響對港口的最終分析與評價。因此本文構(gòu)建了港口裝卸效率模型，以港口的平均裝卸效率為主要標(biāo)準(zhǔn)、港口吞吐量為參照更加科學(xué)合理地對港口的發(fā)展以及核心競爭力進行評估。

本文利用系統(tǒng)聚類的方法，依據(jù)港口的平均裝卸效率對港口進行聚類分析，是從一個全新的方面，更加細致化地去分析港口的發(fā)展與評估。聚類結(jié)果的分析可以展現(xiàn)港口之間、港口自身的優(yōu)劣以及業(yè)務(wù)重疊區(qū)，凸顯港口的定位與特色業(yè)務(wù)，也可以作為港口發(fā)展定位和評價的一個依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文的原始數(shù)據(jù)源于船舶到離港時間和裝卸作業(yè)量等實際生產(chǎn)記錄,由于現(xiàn)實生產(chǎn)過程復(fù)雜和人工操作不規(guī)范等因素，導(dǎo)致存在很多無效的數(shù)據(jù)記錄,無法直接應(yīng)用。因此，在進行數(shù)據(jù)聚類分析之前有必要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。具體處理如下：

（1）數(shù)據(jù)存儲方式轉(zhuǎn)換。原始數(shù)據(jù)Excel格式不方便數(shù)據(jù)的處理，所以利用Navicate for MySQL把Excel記錄儲存到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)處理。對以下的幾種情況采取的處理方式：

①數(shù)據(jù)缺失。缺失數(shù)據(jù)元素的處理分為兩種情況：第一種情況，缺失的數(shù)據(jù)元素不能補全，這種情況進行刪除操作；第二種情況，缺失的信息元素可以通過其他信息元素進行補足，這種情況采取信息補錄的方式。例如，某條記錄的停靠港口缺失，但是機構(gòu)名稱存在，可以根據(jù)機構(gòu)名稱對停靠港口進行補錄。

②數(shù)據(jù)匹配。原始數(shù)據(jù)的出港卸貨記錄和進港裝貨記錄是分別儲存的，不能達到本文數(shù)據(jù)要求，所以對出港卸貨記錄和進港裝貨記錄進行匹配，并保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

③數(shù)據(jù)過濾。根據(jù)日常規(guī)律，船舶?？扛劭跁r間一般不小于0.1天、不大于20天，所以對結(jié)果數(shù)據(jù)中超出該范圍的數(shù)據(jù)進行過濾，降低對結(jié)果的影響。

④港口名稱一致性。港口名稱變更以及港口合并等因素造成了港口名稱記錄的不一致，在數(shù)據(jù)處理之后手動進行港口名稱統(tǒng)一，例如：寧波港和舟山港合并后的名稱寧波-舟山港；還有一些記錄的是港口區(qū)域名稱，例如：佛山港，在記錄中則有佛山順德、佛山三水等。

2 港口裝卸效率模型

平均裝卸效率不同于港口效益、港口效率和港口作業(yè)效率。港口效益是從港口為使用者通過功能服務(wù)效用最大化的角度提出的；港口效率是以港口為研究對象，根據(jù)港口的投入情況計算港口最大產(chǎn)出的能力，即港口配置各種資源投入的能力[9];港口作業(yè)是指船舶進出港口而進行的各個環(huán)節(jié)的操作，包括進行調(diào)度、裝卸貨物、排除障礙等，港口作業(yè)效率是港口對于船舶進入港口一系列活動做出應(yīng)對的能力；而平均裝卸效率則是在港口現(xiàn)有設(shè)施以及資源的情況下，單位時間內(nèi)對貨物裝卸的能力。因此根據(jù)平均裝卸效率評估港口必須考慮到港口的管理水平，資源利用率以及員工整體素養(yǎng)等因素，多方面分析在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上制約平均裝卸效率的影響因素。

港口裝卸效率模型研究的統(tǒng)計時間為季度。因為船舶?？扛劭谘b卸貨物的時間有的3天或者5天、有的10多天之久，把天或月作為單位時間可能會因為短時間內(nèi)貨運量的激增或者驟減對裝卸貨的效率產(chǎn)生較大影響，不能很好的反映出港口的平均裝卸效率，因此把季度作為了該模型的統(tǒng)計時間計算出港口的平均裝卸效率。通過系統(tǒng)聚類，分析港口自身不同年以及港口之間在同年的不同季度的平均裝卸效率變化，明確港口自身的現(xiàn)狀，突出港口的優(yōu)勢以及影響港口平均裝卸效率的季度因素，同時也不會因為短時間的貨運量突變而影響平均裝卸效率的整體趨勢。

設(shè)港口一個季度內(nèi)的吞吐量為W（單位：TEU3TEU：是英文Twenty-foot Equivalent Unit的縮寫，是以長度為20英尺的集裝箱為國際計量單位，也稱國際標(biāo)準(zhǔn)箱單位。），所有船舶?？扛劭诘目倳r間為T（單位：天），船舶裝卸貨物的平均效率為V（單位：TEU/天），可以得出單個港口的平均裝卸效率：

聚類算法把符合條件的多個港口合并為一類，設(shè)合并港口類的平均裝卸效率為V0（單位：TEU/天），該類包含的港口為gi（i=1，2，…，n），對應(yīng)的?？扛劭跁r間為Ti（單位：天），在gi港口的裝卸貨量為Wi（單位：TEU），可以得到合并后港口類的平均裝卸效率：

3 系統(tǒng)聚類法

初始狀態(tài)將每個港口看作是一個類別，然后計算港口與港口之間的特征距離，選擇特征距離最小的一對合并成新的一類，計算新類與其他類之間的特征距離，再將特征距離最近的兩類合并，循序漸進，直至所有的港口歸并一類為止。

設(shè)Gi表示港口類別，把G1,G2,G3,G4,…,Gn各自成一類，Vi表示Gi的平均裝卸效率，dij表示Gi與Gj之間的特征距離：

聚類步驟：

（1）使用式（3）計算各個港口類之間的距離，得到特征距離矩陣D0，各港口集合自成一類。

（2）在矩陣D0非對角線的元素中找出最小元素，設(shè)為dij，將Gi和Gj合并成一類GM1，則｛gi,gj｝即GM1的全部樣本港口，使用式2.2計算出GM1的平均裝卸效率。

（3）使用式（3）計算GM1與其他港口類別的距離，得到距離矩陣D1。

（4）重復(fù)（2）（3）步驟，直到所有的港口類別歸為一類。

例：現(xiàn)在有G1、G2、G3和G4，各個港口類的平均裝卸效率為15TEU/天、13TEU/天、20TEU/天、16TEU/天，第一步計算出D0矩陣（因為通過特征距離得出的矩陣式對稱矩陣，所以現(xiàn)在只展現(xiàn)上三角矩陣）為：

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）具有脊髓型頸椎病的典型癥狀如肌力、感覺減退，病理征陽性等，經(jīng)至少6個月保守治療無好轉(zhuǎn)者；（2）經(jīng)MRI確認(rèn)壓迫節(jié)段至少≥3個；（3）隨訪時間至少為1年，并有完整的隨訪期復(fù)診資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）主要癥狀表現(xiàn)為根性或軸性癥狀，而非壓迫脊髓引起；（2）合并有后縱韌帶骨化、椎管狹窄、黃韌帶肥厚、骨折或腫瘤等其他頸椎疾病；（3）接受前后路聯(lián)合手術(shù)，或過往經(jīng)歷頸椎手術(shù)者。

第二步：可以從D0中看出G1和G4的特征距離最近歸為一類成為GM1。

第三步：計算GM1與其他類的特征距離，得到特征距離矩陣D1：

第四步：重復(fù)第二、三步驟，直到所有的分類都歸為一類為止。

4 港口的聚類分析

4.1 港口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)選取

2012年到2014年港口集裝箱貿(mào)易量由高到低排名，把連續(xù)三年都在前三十內(nèi)的港口作為聚類分析對象，滿足此條件的港口有大連、東莞、佛山、福州、廣州、?？?、連云港、南京、寧波-舟山、欽州、青島、泉州、日照、廈門、汕頭、上海、深圳、太倉、天津、溫州、武漢、張家港、重慶二十三個港口，總吞吐量在三年中均占全國的70%以上（注：本文僅作為學(xué)術(shù)研究，為了客觀的進行評價，所以在文章中僅以數(shù)字代表各個港口）。

以集裝箱為例，探討不同港口集裝箱平均裝卸效率業(yè)務(wù)類型的聚類分析。

4.2 聚類結(jié)果

（1）港口平均裝卸貨效率的聚類分析

系統(tǒng)聚類把港口自然形成了不同的類別，各個類別按照A、B、C各自的平均裝卸效率依次降低，并把每年各類別平均效率以柱狀圖的形式呈現(xiàn)，更加清晰地呈現(xiàn)每年四個季度平均裝卸效率的差異。

圖1 2012年各季度分類情況柱狀圖

圖2 2012年各季度分類情況柱狀圖

表1 2012年各季度聚類結(jié)果

圖3 2013年各季度港口聚類譜系圖

圖4 2013年各季度分類情況柱狀圖

系統(tǒng)聚類算法根據(jù)港口平均裝卸效率把港口分成了不同的類別，由表1、表2和表3可以得出，港口類型大致可以分為三類：一、港口裝卸效率在總體中保持平穩(wěn)的地位，在聚類結(jié)果中季節(jié)沒有對其造成明顯的影響，例如19號、1號等港口；二、季節(jié)對該類港口有明顯的影響，在不同的季節(jié)港口分屬于不同的聚類類別，例如：22號等港口；三、該類港口對季節(jié)的敏感度不高，但是隨著季節(jié)的變化在聚類類別中有一定的改變，例如：6號等港口。另外，從圖2、圖4、圖6的柱狀圖，可以清晰看出，對應(yīng)季度平均裝卸效率也存在差異，并且各個季度聚類的類別之間的差值也隨著季節(jié)變化呈現(xiàn)了不同的波動。

表2 2013年各季度聚類結(jié)果

圖5 2014年各季度港口聚類譜系圖

圖6 2014年各季度分類情況柱狀圖

表3 2014年各季度聚類結(jié)果

（2）平均裝卸貨效率與吞吐量的綜合分析

基于前一小節(jié)的聚類結(jié)果，本節(jié)把港口的吞吐量與裝卸效率進行比對，綜合分析論證該模型的合理性（以2012年的數(shù)據(jù)為例）?？v軸表示吞吐量排名，橫軸表示平均裝卸貨效率的排名，散點標(biāo)簽代表港口號碼。

圖7 2012年港口吞吐量與平均裝卸效率散點圖

實虛線是輔助線（兩端的點是標(biāo)點），用來更好展示各個港口在吞吐量與平均裝卸效率方面的優(yōu)劣勢。兩個實線之內(nèi)的港口，吞吐量和平均裝卸效率都能兼顧，并且越靠近虛線與遠點越優(yōu)秀；分布在綠色實線與縱軸區(qū)域內(nèi)的港口，從效率上優(yōu)于其他的部分港口，但是吞吐量卻劣于其他港口，在量上表現(xiàn)不佳；反之，分布在藍色實線與橫軸區(qū)域內(nèi)的港口，吞吐量排名占據(jù)了很靠前的位置，從量上優(yōu)于其他部分港口，但是平均裝卸效率排名卻低于其他港口，在效率上處于劣勢。

吞吐量從量上反映出了一個港口的整體發(fā)展現(xiàn)狀，也是港口實力的一種表現(xiàn)形式，同時它的變化趨勢也反映出了港口的潛在發(fā)展能力[9]；而平均裝卸效率則是從細節(jié)上反映出當(dāng)下港口的運作狀況，也反映出了港口的管理水平，它的狀況直接影響了未來一段時間內(nèi)港口的發(fā)展水平。結(jié)合前一小結(jié)的聚類結(jié)果再綜合港口季度吞吐量的分析可以發(fā)現(xiàn)有一部分港口吞吐量與裝卸貨效率大致是一致的，但是不管哪個類別都普遍存在著裝卸效率和吞吐量非正相關(guān)的現(xiàn)象。

通過對所選港口的聚類結(jié)果分析，可知港口資源條件對港口的發(fā)展有著直接的影響，吞吐量高的港口資源條件明顯優(yōu)于吞吐量較低的港口，由圖4-7可知，部分高吞吐量港口的平均裝卸效率卻沒有提升到相應(yīng)的高度，說明了該類港口的管理水平有限，資源配置的優(yōu)化需要進一步的加強。不同的季度港口平均裝卸效率的變化對經(jīng)濟狀況敏感度很高，在經(jīng)濟較好的情況下平均裝卸效率基本不受季節(jié)的影響，但是在經(jīng)濟不景氣的情況下影響比較突出。2012年國內(nèi)裝備工業(yè)、高耗能行業(yè)、輕紡行業(yè)、海關(guān)統(tǒng)計的貿(mào)易等方面經(jīng)濟增速比2011年明顯回落，而2013年相交于2012年有著良好的發(fā)展期望[10]，因此在圖2、圖4中，2012年的港口平均裝卸效率波動較大，2013年港口平均裝卸效率則表現(xiàn)相對平穩(wěn)。除此之外，港口裝卸一線工人的整體技能以及港口信息化建設(shè)也在一定程度上影響著港口的平均裝卸效率。

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了港口裝卸效率模型，綜合港口平均裝卸效率和吞吐量對選出的23個港口進行了研究分析。以2012—2014年我國港口貿(mào)易統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)聚類的方法對選出的23個港口進行聚類分析，挖掘港口平均裝卸效率存在的季節(jié)性特征和規(guī)律，港口可以根據(jù)聚類結(jié)果結(jié)合自身現(xiàn)狀在不同時間采取適當(dāng)?shù)拇胧┨嵘陨硇б??？紤]到港口吞吐量也是反映港口現(xiàn)狀特征的主要特征之一，在聚類結(jié)果的基礎(chǔ)之上引入了特征變量—港口吞吐量，通過散點圖的方式展示，清晰的呈現(xiàn)出港口平均裝卸效率與吞吐量的關(guān)系，更加精確明了地反映出港口的發(fā)展情況與管理現(xiàn)狀，為港口未來的宏觀發(fā)展與具體管理運營提供可靠的參考依據(jù)。

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Analysis of Port's Average Efficiency of Cargo-Handling Based on System Clustering

TENG Zhi-qiang，WANG Xiao-feng

（College of Information Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306）

Port throughput reflects the overall development of the port.The port's average efficiency of cargo-handling reflects the operation of the sit?uation in detail.Constructs the port's average efficiency of cargo-handling model,considers the port's average efficiency of cargo-handling as a characteristic variable and analyzes 23 ports in China by using the method of system clustering.The results contribute to clarify the sta?tus of the port and make the future development strategies to improve the core competitiveness.

1007-1423（2017）21-0010-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.21.002

滕志強（1990-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為航運數(shù)據(jù)挖掘；王曉峰（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)、人工智能、航運信息化；；

2017-04-28

2017-07-15

Port's Efficiency of Cargo-handling;System Clustering;Port