战时港口基础设施重要度评价模型与方法
摘要:提出了战时港口基础设施重要度的概念,建立了评价指标体系与基于灰色层次分析法和模糊理论的重要度评价模型。结合实例,详细介绍了评价步骤,并对该方法进行了总结,指出了改进方法。
关键词:港口基础设施;重要度;评价
中图分类号:E953文献标识码:A文章编号:1006-4311(2009)11-0108-05
0引言
港口是国家交通基础设施的组成部分,在平时和战时都具有十分重要的作用。尤其在战时,它是实施海上战役的平台,也是为海上军事行动提供后勤补给的强大后方。港口基础设施系统是构成港口综合作业系统的硬件设施体系,作为战时水路运输的物质技术基础,其安全具有特殊的战略地位。战时,敌方根据港口各设施对我方战略战役行动的重要性制定打击策略,而当港口的某作业设施遭受打击破坏时,我们要组织保障力量、制定抢修方案,使其在尽可能短的时间内恢复运作。而在保障资源有限的条件下,当同一时间多个设施有保障资源请求时,对各设施进行抢修的资源调度应按照一定的顺序进行[1]。因此,优先保障重点设施的正常运行是抢修组织决策人员重点考虑的问题。本文引入重要度的概念来描述受损基础设施调度抢修资源的优先性问题。
1战时港口基础设施重要度影响因素分析
港口基础设施,是指在港口发生船港界面活动的场所,包括码头及其相应设施和航道、锚地等港口公用基础设施,分为水域设施和陆域设施两大类。重要度是港口基础设施对战略战役行动的影响程度以及其调动各种保障资源的优先程度的大小。具体设施的重要性评估无论在定性和定量两个方面,都是难以确定的,可采取定性与定量结合的分析方法[2]。
由于港口基础设施种类多,情况复杂,很难统一标准,又由于不同专业人员的知识层次与结构不同,很难设计出一套人人满意的评价体系。然而在战时,抛开具体个体的特殊属性不论,港口基础设施所具有的共同特性就是军事与经济技术因素[2]。军事因素,表现设施在战略交通、战役交通中的重要程度,作战中对军队机动和前运后送的影响程度,敌人实施破坏的可能性、破坏程度等;经济技术因素,表现设施在经济意义和技术水平等方面。下面从这两个方面构建港口基础设施重要度评价体系,如图1所示。
2战时港口基础设施重要度评价方法
港口基础设施重要度评价体系包含的所有指标都是不确定的,因此,选择评价方法的基本立足点是如何使不确定的体系“透明化”,让评价者对其有明确的认识。对于不确定系统,概率统计、模糊数学和灰色理论是三种常用的研究方法[3]。三者的区别在于:
①概率统计研究的是“随机不确定”现象,着重于考察“随机不确定”现象的历史统计规律;
②模糊数学研究的是“认知不确定问题”,主要借助于隶属函数进行处理;
③灰色理论研究的是“小成本、贫信息、不确定”问题,与模糊数学不同的是,灰色系统着重研究“外延明确、内涵不明确”的对象。
综上所述,虽然本体系符合灰色理论的研究对象特点,利用其可以提高评估的精确度,但由于其对评估对象没有一个比较客观的评估指标体系,对于各个的权重大小也没有给出量化的方法,因此,本文引用层次分析法来解决各指标权重的问题,以弥补灰色理论的不足。研究的基本思路如下:
①运用层次分析法计算各指标的权重;
②给出评价样本的专家打分矩阵;
③利用灰色理论确定评价灰类,对评价样本计算灰色统计数,得出灰色评估权值;
④形成模糊权矩阵并进行综合评估,得出结果。
2.1 确定各评价指标的权重
利用层次分析法。基本思想是在给出评价标度的基础上,对每一层的系统要素进行两两比较,建立判断矩阵。通过判断矩阵特征向量的计算,得出该层要素对上一层要素的权重。然后,计算出各层要素对于总体目标的综合权重,进而得出最底层要素的权重。
2.2 确定样本的专家打分矩阵
将各定性评价指标Uij转化为定量指标,可以通过制定评分等级标准来实现。由于战时港口基础设施重要度评价指标较少,可将其划分为4个等级。得到等级划分集合为:最重要、重要、一般、不重要,量化后对应的集合为:V=(9,7,5,2)。若有r位专家对其进行评价,将第k位专家对第i项指标按上述等级标准的评分记为dki,另记指标总数为n,根据全部专家的评分数据构造样本矩阵D为:
2.3 确定白化权函数
为了反映港口基础设施的实际重要度,需要确定灰类及灰类的白化权函数。白化权函数是直角坐标系中的一条折线或S型曲线,可以定量地描述某一评估对象隶属于某个灰类的程度,就是随着被评估指标的大小而变化的关系。根据灰类的等级划分和便于计算的需要,将此模型的白化权函数假定为线形函数。常用的线性白化权函数有以下三种:
白化权函数转折点的值称为阈值。可从样本矩阵中寻找最大、最小和中间值,作为上限、下限和中间值。
2.4 计算灰色统计数、灰色评估权值和模糊权矩阵
根据确定的白化权函数,求出dki属于第j类评价指标的权值fj(dki),据此求出样本矩阵的灰色统计数nij和总灰色统计数ni为:
综合r位专家对第i个评价指标判断为第j个评价等级的灰色评估权值r■=■,由r■构成的模糊权矩阵为:
2.5 计算模糊综合评判矩阵
对指标权重矩阵和模糊权矩阵做复合运算可得到模糊综合评判矩阵。即:
2.6 计算评价结果
由重要度划分等级集合V,计算战时港口基础设施重要度评价结果为:
得出结果后,再对被评价基础设施制定相应的保障方案。
3评价实例
3.1 确定评价指标权重
选取某港口的基础设施A为研究对象。以图1的指标体系构建评价模型。
①确定评价标准或判断标度。本文选用的是1-9标度。
②从决策层要素开始,依次以上一层要素为依据,对下一层要素两两比较,建立判断矩阵。
1)先以决策层为依据,对准则层要素建立判断矩阵,如表1。
2)再以准则层要素为依据,对方案层要素建立判断矩阵。此时由于有两个准则,故有两个判断矩阵,如表2、表3。
③根据各个判断矩阵,计算各要素的优先级向量。
用方根法,计算表1判断矩阵各要素的优先级向量,得U1、U2的优先级向量(0.75,0.25);表2矩阵的优先级向量(0.41,0. 08,0.1,0.41);表3矩阵的优先级向量(0.64,0.26,0.1)。
④檢验判断矩阵的一致性。
在系统评价中,由于涉及的因素数量多,评价者有时不可能给出精确的比较判断矩阵,就会产生判断的不一致性,即出现“A比B重要,B比C重要→C比A重要”的逻辑错误,因此必须进行判断矩阵一致性的检验。
一致性检验公式:CI=■,其中λ■为矩阵的最大特征根。一般,只要CI<0.1,就认为判断矩阵有可以接受的一致性,否则要重新构造判断矩阵。但当判断矩阵的维数n较大时,应该放宽对一致性的要求。于是,引入更为合理的平均随机一致性指标CR值:CR=■,若求得CR<0.1,则判断矩阵具有满意的一致性。任何二阶判断矩阵都有满意的一致性。3阶矩阵的RI值为0.58;4阶矩阵的RI值为0.96。
依上所述,对于表2,由:
最大特征根为:
可见,一致性较好。对于表3,求得的值也符合要求。
⑤确定总体优先级向量。
总体优先级向量:
W=(w1,w2,…,wn)=(0.75×0.41,0.75×0.08,0.75×0.1,0.75× 0.41,0.25× 0.64,0.25× 0.26,0.25× 0.1)=(0.3075,0.06,0.075,0.3075,0.16,0.065,0.025)。
由此可见,在港口基础设施重要度评价指标体系中,军事指标U11和U14权重最大,经济技术指标U21次之,这对于我们的启示是:战役中,港口基础设施抢修指挥者的决策侧重点应该是那些与上级战略战役目标的实现有密切关联的设施,在此基础上再去兼顾经济地位重要的设施,这与实际抢修原则是一致的。
3.2 确定指标的专家打分矩阵
邀请10位不同领域的专家,如港口抢修研究人员、港口管理人员、港口专业保障人员等组成专家群体,按照10分制(0-9)对A设施各项指标进行打分。整理其打分情况,得到样本矩阵为:
D=9764566858697968775857246876658392888659357669867895738476386958499685
将重要程度划分为最重要、重要、一般、不重要4个等级(m=4),对应于集合V=(9,7,5,2)。取最重要为上端级,重要和一般为中间级,不重要为下端级。阈值分别取各灰数的值。根据2.3节,则有:
最重要:令f■(d■)=■ d■∈(0,9] 1 d■∈(5,10]
重要:令f■(d■)=■d■∈(0,7] 2-■d■∈(7,14]
一般:令f■(d■)=■d■∈(0,5] 2-■d■∈(5,10]
不重要:令f■(d■)= 1 d■∈(0,2] 2-■ d■∈(2,4]1d■∈(4,∞]
对矩阵D按照f■式计算,即将D中每个元素代入f■式,再按列相加,得:
再将模糊判别矩阵B归一化处理得:B=(0.2805,0.2794,0.2565,0.1836)。计算评价结果:
Z=B·VT=(0.2805,0.2794,0.2565,0.2836)·9752=3.2429,介于2和5之间。从计算结果看,该设施属于一般级别。
上述方法不适宜手工计算。一方面,在确定指标权重和模糊判别矩阵的过程中包含大量繁雜的矩阵运算,若手工计算的话耗时且很容易出差错;另一方面,由于战场情况变化复杂,为了保证决策的准确性,对于港口各设施的评价不可能只进行一次,而是随着战场态势及保障任务不断地重复着评价计算的过程,尤其是专家打分的环节,战时节奏加快,很难同时集合多位专家,即便是有机会集合成,生硬地套用以纸张问卷打分的过程也必定会影响评价的快速完成,这还没有考虑专家主观差异带来的误差,而且,评价指标体系中的各指标排序和权重也不是一成不变的,基于此,应利用计算机手段完成。平时需要建立港口各设施的基础数据库,存储它们的重要度相关信息,并编写包含有层次分析法排序计算的功能模块、模仿多位专家打分的功能模块、高效计算功能模块以及动态分析模块的分析运算程序来辅助完成评价过程,以满足战时快速评价、提供决策支持的需要。评价程序的各模块的运行流程如图2所示。
4结论
上述将模糊数学与灰色理论集成的算法对战时港口基础设施重要度的评价是有效的。该方法利用层次分析法确定评价指标的权重,利用灰色评价法处理定性信息的量化和比较,充分发挥了两者各自的特点,可用于处理类似含有灰元的多目标模糊评价问题。需说明的是:①采用层次分析法确定指标权重有较强的主观性,对评估者综合素质要求较高,常常会出现不同专家差异较大的问题,可以通过对专家进行科学筛选,科学评估程序来达成评估结果的科学性;②白化权函数选用的是线性函数,虽然能使计算方便快捷,但同时也降低了评价结果的精确性;③没有考虑到打分专家的个人偏好给整体评价带来的偏差。另外,外界影响因素复杂性的不断提高对评估工作提出了新的挑战,在评估工作中要灵活变通,确保评估方法和参数的选取充分结合实际情况,尽力保证重要度评价的客观性和准确性。
参考文献:
[1]曹继平、宋建社、朱昱、郭军:《战场抢修多需求点多资源优化调度研究》[J];《兵工学报》2008(8):995-1000。
[2]李聚轩.:《国家交通网战争安全研究》[J];《军事交通学院学报》2008(4):1。
[3]商誉锋、王旭、房勇、杜清华:《战时海军码头抢修能力研究》[J];《价值工程》2007(9):113-115。