曹 杰，王大李 紅，黃富程

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中國(guó)交通通信信息中心，北京 10011)

0 引 言

2011年,鹿特丹港提出建設(shè)“智慧港口”的戰(zhàn)略愿景，并且規(guī)劃了該港到2030年的發(fā)展藍(lán)圖[1]。中國(guó)也在2017年決定開(kāi)展智慧港口示范工程，首批示范工程在2019年年底進(jìn)行驗(yàn)收。我國(guó)智慧港口建設(shè)與國(guó)外典型港口的發(fā)展理念不同,國(guó)外港口主要側(cè)重對(duì)未來(lái)發(fā)展愿景、發(fā)展理念和發(fā)展模式的戰(zhàn)略性體系建立，我國(guó)則主要集中在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G等新興信息技術(shù)在港口的應(yīng)用[2]，所以國(guó)外智慧港口評(píng)價(jià)體系對(duì)國(guó)內(nèi)港口的參考價(jià)值有限。

目前，關(guān)于智慧港口評(píng)價(jià)體系的研究較少。楊凱等[2]在借鑒綠色港口和智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，首次提出了系統(tǒng)且符合我國(guó)實(shí)際情況的智慧港口評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；蔡文學(xué)等[3]從港口的職能、理論和技術(shù)等3個(gè)維度構(gòu)造智慧港口的框架,建立港口智慧化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?；谖镌碚摵驮颇Ｐ偷脑u(píng)價(jià)方法已較為成熟，邢虎松等[4]采用模糊物元模型，對(duì)港口物流系統(tǒng)發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)價(jià)；鄭輝等[5]建立了港口資源、港口結(jié)構(gòu)和港口能力的物元模型,給出了基于發(fā)展度和持續(xù)度的港口可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)模型；蹇令香等[6]應(yīng)用正態(tài)云模型，結(jié)合熵權(quán)法對(duì)港口產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)價(jià)；劉翠蓮等[7]利用云模型，結(jié)合德?tīng)柗品ń⒘烁劭诘吞季G色發(fā)展評(píng)價(jià)。然而，傳統(tǒng)指標(biāo)體系存在不易量化、主觀(guān)因素影響較大的問(wèn)題，單一評(píng)價(jià)方法都難以對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換。

筆者在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，通過(guò)港口實(shí)地調(diào)研與專(zhuān)家評(píng)議，給出了易量化且人為主觀(guān)因素影響小的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合標(biāo)度法與層次分析法求取主觀(guān)權(quán)重，運(yùn)用熵值法求得客觀(guān)權(quán)重，再通過(guò)加法集成原理得到綜合權(quán)重，以降低主觀(guān)因素造成的誤差。綜合云模型和物元理論，提出一種既能體現(xiàn)評(píng)估的雙重不確定性，又能定性定量分析和處理問(wèn)題的基于改進(jìn)物元法的智慧港口發(fā)展水平綜合評(píng)估方法。最后通過(guò)算例計(jì)算，證明該評(píng)價(jià)模型的有效和可靠性。

1 智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)

1.1 智慧港口定義

目前，智慧港口的定義在國(guó)內(nèi)外尚未達(dá)成共識(shí)，宓為建[8]將智慧港口定義為：以信息物理系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)框架，通過(guò)高新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使物流供給方和需求方共同融入集疏運(yùn)一體化系統(tǒng)；極大提升港口及其相關(guān)物流園區(qū)對(duì)信息的綜合處理能力和對(duì)相關(guān)資源的優(yōu)化配置能力；智能監(jiān)管、智能服務(wù)、自動(dòng)裝卸成為其主要呈現(xiàn)形式，并能為現(xiàn)代物流業(yè)提供高安全、高效率和高品質(zhì)服務(wù)的一類(lèi)新型港口。該理論是較符合我國(guó)智慧港口建設(shè)思路，也是國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)可度較高的智慧港口概念。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

以智慧港口定義和目標(biāo)，智慧港口發(fā)展要素和內(nèi)容，以及智慧港口建設(shè)發(fā)展路徑等研究?jī)?nèi)容為基礎(chǔ)，并與國(guó)內(nèi)外信息化發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果進(jìn)行了融合，構(gòu)建了適合國(guó)內(nèi)智慧港口建設(shè)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)體系主要從物流系統(tǒng)高效化程度、碼頭作業(yè)自動(dòng)化程度、港航業(yè)務(wù)電子化程度、數(shù)據(jù)共建共享程度、業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力和港口生產(chǎn)安全性，共6個(gè)方面來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下分別有若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖1。

圖1 智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Smart port development evaluation index system

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)度量

為了保證評(píng)價(jià)體系的可信度和實(shí)用性，共制定了16個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中定量指標(biāo)占13個(gè)，定性指標(biāo)3個(gè)。定量指標(biāo)的比重高，保證了該評(píng)價(jià)體系在實(shí)際工程評(píng)價(jià)中的客觀(guān)性和可操作性。以下為部分較難理解的定量二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體評(píng)價(jià)方法：

1)多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸效率C1：運(yùn)輸過(guò)程中采用多式聯(lián)運(yùn)所節(jié)約的運(yùn)輸時(shí)間與采用單一運(yùn)輸方式所消耗時(shí)間的比值；

2)物流倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化水平C2：儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中人工搬運(yùn)耗時(shí)占整個(gè)儲(chǔ)運(yùn)流程所用時(shí)間的比例；

3)港口業(yè)務(wù)線(xiàn)上辦理率C6：年度線(xiàn)上辦理的貨量占港口總貨量的比例；

4)線(xiàn)上平臺(tái)用戶(hù)比例C7：在線(xiàn)上業(yè)務(wù)平臺(tái)注冊(cè)的企業(yè)用戶(hù)數(shù)量占港口企業(yè)客戶(hù)總數(shù)的比例；

5)上下游企業(yè)信息互聯(lián)度C8：與港口實(shí)現(xiàn)電子數(shù)據(jù)交換的上下游企業(yè)數(shù)量占港口上下游企業(yè)總數(shù)的比例；

6)業(yè)務(wù)單證電子化比例C9：港口核心單證的電子化程度；

7)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)化程度C11：港口相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)與應(yīng)用情況，核心數(shù)據(jù)完整性與一致性評(píng)價(jià)；

8)數(shù)據(jù)中心融合比例C12：與港口實(shí)現(xiàn)共用同一數(shù)據(jù)中心的上下游企業(yè)占企業(yè)總數(shù)的比例；

9)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)水平C16：信息安全技術(shù)體系和網(wǎng)絡(luò)安全管理體系的建設(shè)與防護(hù)能力，以及移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等新技術(shù)、新應(yīng)用情況下網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)

結(jié)合文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[11]和港口建設(shè)與信息化領(lǐng)域的專(zhuān)家意見(jiàn)，將智慧港口發(fā)展分為Ⅰ～Ⅴ,共5個(gè)等級(jí)，依次表示智慧化程度“高”“較高”“一般”“較低”“低”。評(píng)價(jià)指標(biāo)中的13個(gè)定量指標(biāo)均為可以量化的數(shù)值。而對(duì)前沿科技創(chuàng)新能力、前沿科技應(yīng)用能力和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)水平這3個(gè)定性指標(biāo)，采用專(zhuān)家打分制，根據(jù)相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行打分確定其指標(biāo)量值，采用百分制對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)等級(jí)進(jìn)行劃分，具體分級(jí)情況見(jiàn)表1。

表1 智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)Table 1 Smart port development evaluation index evaluation grade

2 基于改進(jìn)物元結(jié)構(gòu)的智慧港口評(píng)價(jià)模型

2.1 基于云模型的改進(jìn)物元結(jié)構(gòu)

2.1.1 改進(jìn)物元理論

云模型(Cloud model)于1995年由李德毅提出，是基于概率論與模糊數(shù)學(xué)理論提出的定性和定量轉(zhuǎn)換模型，筆者采用應(yīng)用范圍最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的正態(tài)云模型，用3個(gè)數(shù)據(jù)(Ex,En,He)表示其數(shù)量特征[12]，其中：Ex為期望，是定性概念在論域中的中心值；En為熵，是定性概念模糊度的度量；He為超熵，是對(duì)熵值不確定性的度量。

物元結(jié)構(gòu)是以物元為基本單位組成的，研究客觀(guān)事物質(zhì)變與量變之間的轉(zhuǎn)化，記R=(N，C，V)，其中N表示事物、C表示事物特征、V表示該特征的量值[13-14]。傳統(tǒng)物元理論沒(méi)有考慮事物的模糊性和隨機(jī)性，模糊物元分析雖然考慮了量值的模糊性，但因忽略了等級(jí)邊界的模糊性而不能反應(yīng)實(shí)際的評(píng)價(jià)等級(jí)。

基于云模型的改進(jìn)物元理論出于傳統(tǒng)物元理論，在評(píng)估過(guò)程中對(duì)定性指標(biāo)表達(dá)較為困難。通過(guò)云模型代替物元結(jié)構(gòu)中事物特征對(duì)應(yīng)的量值V,實(shí)現(xiàn)了定性描述與定量描述的結(jié)合，改善了物元理論中沒(méi)有考慮事物模糊性和隨機(jī)性的缺點(diǎn)。因此，基于云模型和物元結(jié)構(gòu)得到的云物元理論兼顧了事物的雙重不確定性?；谠颇Ｐ偷母倪M(jìn)物元結(jié)構(gòu)可表示為式(1):

(1)

式中：(Exm，Enm，Hem)為云物元模型中反應(yīng)事物特征量值的期望Ex、熵En、超熵He。

2.1.2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

基于云模型的改進(jìn)物元結(jié)構(gòu)中，樣本量值與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云之間的隸屬度發(fā)生了改變。新的關(guān)聯(lián)度k計(jì)算步驟如下[15]：

1)首先計(jì)算得出(Exi,Eni,Hei)；

2)生成期望為En，標(biāo)準(zhǔn)差為He的正態(tài)隨機(jī)數(shù)E′n；

3)根據(jù)式(2)求解云滴x的隸屬度：

(2)

重復(fù)上述3個(gè)步驟m次，然后得到所有結(jié)果的平均值為云滴x最終隸屬度度值。

2.1.3 等級(jí)界限標(biāo)準(zhǔn)云模型

物元模型在以往的應(yīng)用中，對(duì)各等級(jí)邊界的處理較為簡(jiǎn)單，各區(qū)間有明確的等級(jí)界限，這不利于展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，事物邊界的模糊性和隨機(jī)性。云模型的加入彌補(bǔ)了物元理論在的不足，通過(guò)對(duì)區(qū)間邊界的模糊化處理，使相鄰等級(jí)區(qū)間有一定的重疊范圍，這也更加符合事物的雙重不確定性。將每個(gè)等級(jí)區(qū)間轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙約束空間[Cmax，Cmin]，通過(guò)式(3)～式(5)：

(3)

(4)

He=S

(5)

可得到等級(jí)界限標(biāo)準(zhǔn)云模型的期望Ex，熵En，超熵He，三者共同組成了云模型的數(shù)字特征。

將表1中的區(qū)間量值代入式(3)～式(5)，可得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云模型，如表2。

表2 智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)等級(jí)界限標(biāo)準(zhǔn)云模型Table 2 Standard cloud model of smart port development evaluation grade boundary

2.2 綜合權(quán)重系數(shù)

采用層次分析法確定主觀(guān)權(quán)重[15]，熵權(quán)法確定客觀(guān)權(quán)重[16]，最后利用加法集成原理得到主客觀(guān)綜合權(quán)重，其表達(dá)如式(6)～式(8):

ωi=aWi+bηi

(6)

(7)

b=1-a

(8)

式中：ωi為綜合權(quán)重；Wi為主觀(guān)權(quán)重；ηi為客觀(guān)權(quán)重；Pi為主觀(guān)權(quán)重按從小到大排序后的相應(yīng)分項(xiàng)。

2.3 智慧港口發(fā)展等級(jí)

首先根據(jù)式(2)和式(6)計(jì)算出待評(píng)指標(biāo)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云的關(guān)聯(lián)度和綜合權(quán)重，再通過(guò)式(9)計(jì)算出該指標(biāo)的綜合評(píng)判關(guān)聯(lián)度：

(9)

利用加權(quán)平均法計(jì)算出初步的評(píng)判結(jié)果r：

(10)

式中：fi為待評(píng)價(jià)項(xiàng)所屬等級(jí)的得分，等級(jí)“好”、“較好”、“一般”、“較差”、“差”對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)依次取值為5、4、3、2、1。

整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，在利用式(2)求取指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度時(shí)，因E′n隨機(jī)產(chǎn)生，為減小E′n生成過(guò)程對(duì)整體結(jié)果造成的隨機(jī)誤差，采用數(shù)學(xué)工具對(duì)其多次計(jì)算求其期望與熵，如式(11)、(12)：

(11)

(12)

式中：Erx為r的期望；Ern為r的熵；m為重復(fù)計(jì)算次數(shù)；筆者采取100次循環(huán)運(yùn)算。

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果可信度

期望Erx的結(jié)果代表了智慧港口發(fā)展等級(jí)，而熵Ern的值反映了評(píng)價(jià)結(jié)果的分散程度。當(dāng)Ern的值越小，就表示評(píng)價(jià)結(jié)果越集中，結(jié)果的可信度就越高，反之，則表示可信度較低。為了表示這種可信度的高低，筆者用置信度ρ來(lái)表示：

(13)

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

天津港是中國(guó)北方最大的綜合性港口，2020年，貨物吞吐量高達(dá)5.03×108t，世界排名第九位；集裝箱吞吐量超過(guò)1 835萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，世界排名第八位。目前，天津港數(shù)字港口基本建成，實(shí)現(xiàn)了覆蓋裝卸、物流、經(jīng)營(yíng)、管理、設(shè)施設(shè)備、對(duì)外服務(wù)等多領(lǐng)域的信息技術(shù)普及應(yīng)用。在“智慧港口”的前期探索方面，天津港已經(jīng)制定了智慧港口發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。在大數(shù)據(jù)、大型設(shè)備遠(yuǎn)程操控、海鐵聯(lián)運(yùn)等方面進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè),不斷完善集疏運(yùn)體系、提升服務(wù)貿(mào)易便利化水平、助推綠色安全可持續(xù)發(fā)展。筆者以天津港為例，對(duì)智慧港口發(fā)展程度進(jìn)行簡(jiǎn)要計(jì)算分析。

3.2 智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)

3.2.1 待測(cè)指標(biāo)值的計(jì)算

通過(guò)對(duì)天津港的調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了所有定量指標(biāo)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行百分制處理。對(duì)于定性指標(biāo)，采取專(zhuān)家打分方式，組織了11位熟悉天津港的教授和高級(jí)工程師對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行打分，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選和加權(quán)計(jì)算后。得出各一級(jí)指標(biāo)的待測(cè)指標(biāo)值，如表3。

表3 待評(píng)物元各一級(jí)指標(biāo)的待測(cè)指標(biāo)值Table 3 Index value to be measured of each first-level index of matter element to be evaluated

3.2.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)層次分析法與熵權(quán)法，分別確定主客觀(guān)權(quán)重，再根據(jù)式(7)、(8)計(jì)算出綜合權(quán)重計(jì)算系數(shù)a=0.736 3、b=0.263 7，最終由式(6)得到綜合權(quán)重，如表4。

表4 各評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重Table 4 Comprehensive weights of various evaluation indicators

3.2.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算與評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(2)計(jì)算各指標(biāo)關(guān)于不同等級(jí)的隸屬度，在確定待測(cè)指標(biāo)值和確定其權(quán)重基礎(chǔ)上，由式(9)計(jì)算得到天津港智慧港口發(fā)展程度與各等級(jí)云模型之間的關(guān)聯(lián)度。然后由式(10)、(11)采取100次循環(huán)運(yùn)算，得到評(píng)價(jià)結(jié)果Erx=3.995 6，根據(jù)式(12)、(13)得出置信度ρ=4.046 4×10-6。由2.4節(jié)可知天港的智慧港口發(fā)展程度較好(略偏一般)，置信度ρ較小，說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度較高。最后，通過(guò)MATLAB繪制出各待測(cè)指標(biāo)的發(fā)展水平云和相鄰發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)云如圖2。由圖2可知在所有待測(cè)指標(biāo)中，天津港業(yè)務(wù)創(chuàng)新能力發(fā)展水平較弱，介于一般與較好之間，在發(fā)展過(guò)程中應(yīng)加快產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)。

圖2 各一級(jí)指標(biāo)云模型Fig.2 First-level indicator cloud model

同時(shí)，運(yùn)用文獻(xiàn)[6]中正態(tài)云模型和文獻(xiàn)[17]中灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)該算例進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果均為發(fā)展水平較好，一級(jí)指標(biāo)B5的發(fā)展水平為一般，其余一級(jí)指標(biāo)的發(fā)展水平為較好。通過(guò)以上兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可以驗(yàn)證，筆者提出的基于改進(jìn)物元法的評(píng)價(jià)模型與其他評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果一致，體現(xiàn)了該模型的有效性，且該方法能夠通過(guò)置信度的數(shù)值體現(xiàn)出評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者以智慧港口定義和目標(biāo)，智慧港口發(fā)展要素和內(nèi)容，以及智慧港口建設(shè)發(fā)展路徑等研究?jī)?nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外信息化發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果，構(gòu)建了智慧港口建設(shè)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

結(jié)合標(biāo)度法與層次分析法解決主觀(guān)權(quán)重，運(yùn)用熵值法得出客觀(guān)權(quán)重，再通過(guò)加法集成原理得到主客觀(guān)綜合權(quán)重。在智慧港口發(fā)展評(píng)價(jià)中，引入基于云模型的改進(jìn)物元理論，有效降低了評(píng)價(jià)中雙重不確定性帶來(lái)的誤差，首次提出了智慧港口發(fā)展水平評(píng)價(jià)模型。

評(píng)價(jià)模型充分考慮了評(píng)價(jià)過(guò)程中的主觀(guān)影響，多采用定量指標(biāo)，并通過(guò)標(biāo)度法來(lái)提高AHP判斷主觀(guān)權(quán)重的穩(wěn)定性，該算法簡(jiǎn)潔實(shí)用，不僅能夠得到評(píng)價(jià)等級(jí)，同時(shí)也能夠通過(guò)置信度表現(xiàn)出該結(jié)果的置信度，為智慧港口建設(shè)與評(píng)價(jià)體系發(fā)展提供了參考依據(jù)。

最后利用該模型對(duì)天津港的智慧港口發(fā)展水平進(jìn)行算例分析，評(píng)價(jià)結(jié)果為3.995 6，置信度為4.046 4×10-6，評(píng)價(jià)等級(jí)為較好，正態(tài)云模型和灰色關(guān)聯(lián)分析的驗(yàn)證結(jié)果表明該模型評(píng)價(jià)結(jié)果有效且可信度高。