辛永寶 郭 燕 周 強 管政霖武漢理工大學 武漢 430063
摘 要：引入岸邊裝卸與堆場作業的耦合概念，分析了岸邊裝卸與堆場作業的耦合作用機理，提出一種評價自動化碼頭裝卸工藝的新方法。根據自動化碼頭裝卸工藝特點，提出耦合度評價指標體系，並基於層次分析法（AHP）求出各指標的權重，建立了岸邊裝卸與堆場作業的耦合度評價模型，並對幾種典型自動化碼頭耦合度進行了評價。關鍵詞：自動化碼頭；耦合機理；評價體系；耦合度中圖分類號：U653.92 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）06-0069-05
0 引言隨著貨櫃船舶的大型化發展，勞動力成本增加，自動化、計算機技術、通信技術以及碼頭裝卸技術的進步，使高效智能的自動化碼頭成為全球貨櫃碼頭發展的趨勢，同時由於貨櫃船舶裝卸作業具有動態性及離散隨機性的特點，給碼頭堆場布局規劃及裝卸工藝方案的設計帶來一定的難度[1]。自動化貨櫃碼頭作業系統由岸邊裝卸與堆場作業兩大系統構成，在碼頭作業過程中，兩個裝卸系統高效智能地串聯成動態整體，一直處在交互耦合狀態，協同配合，共同完成船舶裝卸作業。因此，岸邊裝卸與堆場作業之間是否能夠有序地協調配合工作，將是影響整個碼頭運轉效能充分發揮的關鍵因素。目前國內外相關學者也對自動化碼頭做了大量研究，羅勳傑[2] 對自動化碼頭水平運輸方式進行了定性定量的對比分析，鄭見粹[3] 等對多種自動化碼頭裝卸工藝系統進行了對比分析，楊春霞[4] 等對貨櫃碼頭岸橋—泊位分配進行了耦合優化。但對自動化碼頭岸邊裝卸與堆場作業兩個系統間的耦合問題鮮有研究，缺少一種評價自動化碼頭裝卸系統耦合度的系統方法。
本文將耦合和耦合度的概念引入自動化貨櫃碼頭裝卸工藝系統研究中，並提出了耦合度評價指標，構建了岸邊裝卸與堆場作業系統的耦合度評價模型，提出一種評價自動化碼頭裝卸工藝性能的新方法，研究了岸邊裝卸與堆場作業間的協同耦合狀態，並對常見的自動化貨櫃碼頭裝卸工藝系統的耦合度進行了評價分析。
1 耦合理論1.1 耦合的內涵對於自動化貨櫃碼頭岸邊裝卸與堆場作業的耦合概念，目前學界並沒有明確的說法，處於「仁者見仁、智者見智」的狀態。耦合是物理學中的概念，它是指兩個或兩個以上的系統、模塊或運動方式彼此間通過各種作用而互相影響的現象[5]。而從廣義的角度來說，任何事物、系統之間只要存在某種關聯，都可以認為是一種耦合關係，因此，耦合理論應用廣泛，在多個學科領域均有研究，是分析開放複雜系統中各個子系統相互關係最有效的方法之一。自動化碼頭裝卸工藝系統各作業設備之間相互關聯，相互制約，是一個典型的多系統交互耦合的開放複雜系統，因此認為岸邊裝卸系統與堆場作業系統之間存在耦合關係，即岸邊裝卸系統與堆場作業系統之間緊密聯繫、相輔相成，兩者相互協調配合共同為碼頭運營服務，其耦合作用機制如圖1 所示。
圖1 岸邊裝卸與堆場作業耦合關聯作用機制
1.2 耦合度耦合度是指在耦合系統中，各子系統之間以及組成系統的各元素之間相互作用、相互依賴、彼此影響的總強度[6]。岸邊裝卸與堆場作業子系統之間的耦合度，體現了岸邊裝卸工藝系統與堆場作業工藝系統間相互匹配的程度和相互作用強度的大小。耦合度越小，說明兩個系統之間越不相關，岸邊裝卸工藝與堆場作業工藝間的協調匹配性有待進一步提高，即碼頭的作業能力得不到有效發揮；耦合度越大，說明岸邊裝卸系統與堆場作業系統之間的耦合程度越高，此時岸邊裝卸能力與堆場作業能力相互匹配、相互促進、協調發展，碼頭綜合作業能力也就越佳。
2 岸邊裝卸與堆場作業的耦合度評價模型2.1 指標體系的建構自動化貨櫃碼頭理想的裝卸工藝系統需要裝卸設備間結構性耦合、功能性協同，各子系統作業能力匹配性能好，能適應多種突發因子對碼頭正常作業造成的影響，為了能夠很好地評價自動化碼頭岸邊裝卸與堆場作業之間的耦合程度，在構建耦合度評價指標時應遵循以下原則：1）系統地選取評價指標，即所選取的指標能覆蓋岸邊裝卸與堆場作業的各個方面，使得評價結果能全面、綜合地反映碼頭工藝系統的總體情況。2）評價指標在碼頭工藝系統中要最具代表性和說服力，減少不必要、不合適指標的使用，充分體現岸邊裝卸與堆場作業的耦合規律。3）評價指標要具有實用性，所建立的指標資料易收集、數據規範、含義明確，評價方法不可太複雜，指標體系儘量簡化。4）所建立的指標要有廣泛的適應性，即所選指標能反映不同類型自動化碼頭的共同特點。基於以上原則，綜合考慮碼頭作業過程中的內稟隨隨機性，總結出以下評價指標[7]，如表1 所示。
2.2 指標權重計算在計算指標權重之前，需要先建立判斷矩陣。判斷矩陣
具有以下屬性: ,
, 其中ij b 表示指標i b與 j b 對於上一個指標重要性的比例標度。判斷矩陣的值反映了各項指標的相對重要性，根據德爾菲法，採用1 ～ 9 的比例標度來對評價指標重要性程度進行賦值。若指標i b 與j b 的重要性之比為ij b , 那麼指標j b 與j b 的重要性之比為bji =1/ bij，如表2 所示。
運用層次分析法（AHP）[8]，對各項關聯指標之間的重要性進行比較，邀請來自學校、港口的相關教授、專家對目標層進行評價打分，然後建立判斷矩陣 和A2 。岸邊裝卸與堆場作業的判斷矩陣表達式分別為
對判斷矩陣 A求解特徵根: max AW= λ W ，所得特徵向量W 經標準化後作為指標的權重進行排序，由於準確特徵值及特徵向量的求解十分困難，一般只能得到近似解，因此，採用幾何平均法求解，即對矩陣的每一列進行歸一化處理，然後將所得的新向量每行做乘積，每一個分量開n次方，再將所得向量進行歸一化處理，可得相應指標權重i ω ，計算公式如下
2.3 耦合度函數模型構建2.3.1 功效函數設變量
是岸邊裝卸或堆場作業系統的序參量， ij u 為第i 個序參量的第j 個指標的貢獻值,
是評價指標的數值， ij 、ij C是耦合系統評價指標的上、下限值。採用李克量表法中的五級量表，設置1 ～ 5 共5 個數字表示，1 表示性能最差，5 表示性能最佳，然後請學校、港口的行業專家對統計的評價指標進行打分，李克量表中的最高值和最低值代表評價指標的上下限值，下限為1，上限為5。岸邊裝卸和堆場作業的功效係數
式中： ij u 反映了各項指標達到目標值的滿意程度，
趨於0 為最不滿意， 趨於1 為最滿意。
岸邊裝卸與堆場作業是自動化碼頭中兩個不同而又相互作用的子系統，子系統內各個指標的作用程度可通過集成方法論來實現，本文採取線性加權和法
式中： 為子系統對總系統的貢獻參量； 為各個指標的權重，其值通過式（1）進行計算。
2.3.2 耦合度函數通過參考物理學中的容量耦合概念和容量耦合係數模型，可以推廣得到多個系統相互作用的耦合度模型
根據上式，可以得到岸邊裝卸與堆場作業的耦合度函數
式中：耦合度值C∈[0,1] ，當C =1時，岸邊裝卸與堆場作業的耦合度最大，說明兩個子系統之間達到了良性耦合，其配合作業可發揮較大的作業能力；當C = 0時，岸邊裝卸與堆場作業的耦合度最小，兩個子系統處於無關狀態，作業能力受到限制。
3 岸邊裝卸與堆場作業耦合度評價實證研究3.1 典型自動化碼頭的工藝系統分析在提出自動化貨櫃碼頭岸邊裝卸與堆場作業系統的耦合度評價模型後，應用該模型對目前世界上已投產或在建的主要自動化貨櫃碼頭進行耦合度評價。在深入分析研究世界主要自動化貨櫃碼頭裝卸工藝的基礎上，統計得到其工藝系統參數如表2 所示。
3.2 耦合度計算及評價首先，運用李克量表法對表2 中不同類型自動化碼頭工藝系統各個評價指標進行專家打分，然後通過式（1）對岸邊裝卸子系統與堆場作業子系統的評價指標權重分別進行計算，結果如表3 所示。對表2 中世界主要自動化貨櫃碼頭工藝系統耦合度進行計算，結果如表4 所示。綜合以上計算結果，分析可得：1）在岸邊裝卸與堆場作業評價體系的綜合評價指標中，岸橋類型在岸邊裝卸系統所佔權重最高，即對岸邊裝卸作業效率影響最大；自動化實現性和是否同平面作業在堆場作業系統中佔的權重較大，堆場自動化的實現方式是影響堆場作業效率的關鍵因素。
2）表4 中計算的幾種自動化碼頭都是已建成或在建的碼頭，經過了各種試驗與檢驗，耦合度都處於0.4 ～ 0.5 區間，耦合關係良好，但岸邊裝卸與堆場作業的匹配程度還有進一步提升的空間。
3）雙小車岸橋—立體軌道穿梭系統—自動軌道吊工藝耦合度最高，其序參量u 1、u 2 的值也較為接近，岸邊裝卸與堆場作業系統對碼頭整體作業效率發揮的作用相當，二者匹配較好，較其他碼頭工藝要好。
4）岸橋—自動跨運車—自動軌道吊等工藝類型的序參量u 1、u 2 的值相差較大，即它們處於低度協調耦合狀態，岸邊裝卸與堆場作業的目標一致性較差，相互限制了對方效率的提高，協調程度還需加強。
4 結語1）通過分析岸邊裝卸與堆場作業關係表明，岸邊裝卸與堆場作業之間存在著交互耦合關係，它們的耦合協調程度是自動化碼頭裝卸工藝系統性能好壞的關鍵。
2）在深入分析自動化貨櫃碼頭裝卸工藝研究成果的基礎上，運用AHP 進行耦合度指標體系及耦合度模型的建構，其評價過程受外界影響的幹預性較小，簡單易行且清晰明確，可作為評價自動化碼頭裝卸工藝性能的重要手段。
3）運用所建立的模型對自動化碼頭耦合度進行評價，岸橋類型、是否同平面作業等指標所佔權重較大，計算結果表明其耦合關係良好。通過對碼頭工藝系統耦合度的評價，可為碼頭規劃設計者提供新方法、新思路，具有一定參考價值。
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