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)
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ń⒘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。
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。
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
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。
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
2.1.1 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
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)。
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。
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)
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。
3.2.1 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。
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。