基于风险偏好—信息熵的集装箱装卸设备选择研究
王爱虎 李丽兰 郑斯斯
摘 要： 集装箱装卸设备选择对提高码头运营效率和通过能力具有重要意义。针对该问题，提出了基于风险偏好-信息熵的混合多属性决策模型（hybrid multiple attribute decision making model based on risk preference information entropy，HMADM-RPIE）。首先，基于文献研究和现场调研建立全面的评价指标体系。然后，根据决策者对属性的重视程度和属性对决策的作用度分别确定主观权重和客观权重。主观权重考虑决策者自身权重，客观权重引入决策者风险偏好。最后，运用TOPSIS方法对方案进行排序，并对风险偏好因子进行灵敏度分析。以高明港为例，验证了该模型的实用性和有效性。表明：基于建立的评价指标体系及高明港的发展现状，装卸设备的最优选择是轨道吊，为集装箱装卸设备选择提供了一个科学有效的新思路。
关键词：装卸设备选择；风险偏好；决策者自身权重；信息熵；TOPSIS
中图分类号： F224 文献标志码：A 文章编号：1009-055X（2018）05-0047-09
doi：10-19366/j-cnki-1009-055X-2018-05-006
一、引 言
随着经济全球化进程不断加快，我国货物运输量增长迅猛。由于集装箱运输比传统运输方式在技术和经济方面更有优势，因此集装箱运输在进出口货物运输过程中扮演着举足轻重的角色。集装箱运输的发展离不开集装箱码头的建设，迅速增长的集装箱作业量对码头的作业能力提出了更高的要求：既要提高装卸效率，减少船舶在港时间，以提高客户满意度，又要降低运营成本。
在集装箱码头整个运作过程中，堆场起到了承上启下的关键性作用。堆场的运营效率直接影响船舶的在港时间，而堆场的装卸设备选择及装卸工艺是影响堆场运营效率的关键因素。其中，集装箱装卸设备的选择是充分发挥集装箱码头缓存和转运功能的基础，对集装箱码头的作业效率起决定性作用。在我国集装箱码头同质化竞争加剧的大背景下，集装箱码头运营效率和通过能力的提高已成为港口运营商获取竞争优势的重要手段。
在对珠三角集装箱码头进行深入调研的基础上，综合考虑设备的装卸效率、适用范围、运营成本、环境影响等因素，建立了全面的评价体系。针对集装箱装卸设备选择评价呈现多属性、决策不确定性等特点，本文以集装箱装卸设备为研究对象，将混合多属性决策理论引入评价模型，运用信息熵和TOPSIS相结合的方法，对装卸设备进行综合评价，其基本思路和方法对现有内河港口以及处于规划建设中的新码头都有着重要指导意义。
二、研究现状
关于集装箱装卸设备选择问题，国内外已有一些学者探讨研究。白瑞海[1]针对集装箱装卸设备的生产工艺流程、场地利用率、全生命周期运营成本，探讨堆场最优的装卸机械类型。莫骏[2]根据正面吊和轨道吊在技术、经济和工程投资等方面的特点比较两种工艺，为集装箱结点站设备选型提供理论依据。Stahlbock 和 Vo[3]考虑集装箱装卸设备的堆存能力，得出了“轨道吊（优于）轮胎吊跨运车正面吊”的结论。
随着该问题的深入研究，其评价体系也在逐渐完善。王维宇[4]综合考虑机械效率、经济成本以及环境等因素，运用FAHP方法对集装箱堆场的设备选型提出了新思路。Yang 和 Lin[5]从建设绿色港口的角度，综合考虑工作效率、节能、减排三个因素对集装箱装卸设备进行评估，发现自动轨道和电动轮胎吊是绿色装卸设备的最佳选择。文献[4]和[5]与以往的文献不同，不仅涉及成本、效率这些定量的因素，更引入了装卸工艺的灵活性、环境影响等定性的分析因素，完善了集裝箱装卸设备的评价指标体系。
属性权重的确定是求解多属性决策问题的一个重要环节，直接影响决策的准确性。同时，决策者的参与和专家的主观能动性是保障决策的合理性和满意性的重要因素。何满辉[6]注意到决策者的知识水平、决策经验都会影响到属性的权重，因此，在考虑决策者对属性的重视程度时，为决策者进行加权，减少主观权重的不确定性。王兴鹏、吕淑然[7]和尤天慧、高美丽[8]就如何考虑决策者风险偏好问题进行了研究，针对不同风险偏好的码头管理者，提供符合他们风险偏好的设备选型决策。邹树梁[9]等针对主观赋权和客观赋权的缺陷，从影响权重的三个方面对指标进行组合赋权，全面考虑了影响权重差异的多个方面。
目前，集装箱装卸设备选择评价的方法缺乏系统工程的思想，忽略了将理论和实践相结合，由于研究方法依赖于问卷调查结果或者专家偏好，得出的结论具有一定的局限性。本文针对集装箱装卸设备选择问题，提出了HMADM-RPIE模型。该模型从属性对决策的作用度和决策者对属性的重视程度两个方面确定属性的权重，然后运用TOPSIS方法对装卸设备进行排序。最后，根据评价结果，深入讨论了风险偏好因子变化对结果的影响。
三、集装箱装卸设备选择评价指标体系的建立
堆场最常用的装卸设备有轨道吊（RMG）、轮胎吊（RTG）、跨运车（SC）、正面吊（reach stackers，RS）、底盘运输车（chassis-based transporters）[10]。文献[1]和[11]～[13]对几种主要集装箱装卸设备的机械性能进行了较详细地定性比较，如动力类型、作业效率、机动性、稳定性、故障维修费用等方面，不再赘述。
（一）评价指标体系设计的原则
建立科学合理的集装箱装卸设备选择评价指标体系是保证决策准确可靠的基础，因此，评价指标体系的建立需遵循一定的原则，以确保结论的合理性和准确性。影响集装箱装卸设备选择的因素很多，评价指标体系需要建立在客观、系统分析的基础之上。总而言之，集装箱装卸设备选择评价指标体系的建立，应遵循以下原则：①技术先进、操作简单；②经济适用、性能可靠；③整体协调；④节能环保等。
（二）评价指标体系的建立
影响集装箱装卸设备选择的因素很多，每个因素在不同港口可能不尽相同，而且因素之间往往相互关联、相互制约，因此，装卸设备选择评价必须建立在对各种因素综合考虑的基础上。已有研究的指标体系主要从技术、经济、环境三个方面考虑。表1列举了几篇文献中具有代表性的评价指标体系。
本文参考文献[4]、[6]、[15]和[16]中的指标体系，并结合港口实际情况，遵循集装箱装卸设备选型评价指标体系建立的基本原则，从技术性能、经济性能、环保性能三个方面，建立堆场集装箱装卸设备选择评价的指标体系，如图1所示。
不难发现，本文的评价指标体系在延续已有研究的基础上，在技术性能和环保性能方面引入了符合港口发展趋势的指标，完善了集装箱装卸设备选择评价指标体系，使评价结果更具实际意义和参考价值。
在技术性能方面，增加了文献中少有人注意到的“适用范围”和“技术先进性”指标。设备的适用范围也是决策者常考虑的，如轨道吊、正面吊可以适应重箱和吉箱，而堆高机只能适应吉箱；各设备可堆叠的最高集装箱层数也不一样。对于场地规划、主要装卸箱型和箱型数量比例等指标不一致的港口而言，将装卸设备的适用范围考虑在指标体系内，显得尤为重要。技术先进性，是指设备能够实现自动化、智能化的难易程度。港口日益增加的集装箱吞吐量对港口设备的技术先进性提出了更高的要求，因此，该指标是绝大部分港口都需要考虑的。在环境性能方面，考虑碳排放量指标，这也是之前的学者很少涉及，但很有意义的指标。国家“十二五”规划纲要明确要求节能减排，而装卸设备是集装箱码头废气排放的主要来源，因此，在港口设备选择中考虑碳排放量指标是实现节能减排目标的关键。
（三）指标定义
1.技术性能
技术性能主要考查机械的各项功能的技术指标是否满足相应的作业要求，主要从以下六个方面进行综合衡量。①装卸效率：指单位时间内一台装卸设备的作业量，是衡量装卸设备作业速度的综合性指标。②设备利用率：指设备实际被利用的时间与堆场计划工作时间的比值，是堆场设备管理的一项综合指标。③灵活性：指设备的转场作业、堆场功能区扩建、改造等的容易程度。④适用范围：指设备适合于多大发展规模的堆场、场地形状、集装箱类型等。如轨道吊适用于重箱、吉箱的堆叠；正面吊主要用于四层以下的重箱和吉箱的堆叠；堆高机通常用于空箱的堆垛，可达6个集装箱的高度。⑤运行稳定性和可靠性：指机械在运行过程中不发生事故的程度，一般从人员、物资和机械本身安全的角度来衡量。⑥技术先进性：指设备能够实现自动化、智能化的容易程度。
2.经济性能
经济性能也是港口管理者考虑的重要因素，主要从设备购置成本、维修费用和能耗费用三个指标综合考量。①设备购置成本：指设备的购置成本，充分考虑了装卸系统的前期固定资产的投入。②维修费用：指设备定期检查、因设备故障而需维修或更换零部件等的维修保养费。③能耗费用：指设备运行消耗的电量或油费以及照明等能耗总费用。
3.环保性能
国际港口协会表示，温室气体排放量的增长已被证明是全球气候变化的重要原因，而在港口作业中会产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2）等温室气体。Magnus[17]等发现装卸设备是集装箱码头废气排放的主要来源。Yang 和Lin确定了集装箱装卸设备在二氧化碳减排性能方面的排序，即电动轮胎吊（E-TT）自动轨道吊（ART）轨道吊（RT）轮胎吊（TT）。环保性能主要从以下三个方面进行考察。①碳排放量：指集装箱装卸设备在装卸作业及运输过程中产生的平均温室气体排放量，用单箱耗油量或耗电量与柴油或耗电的碳排放因子的乘积表示。②油污：指裝卸设备在作业过程中，设备驱动产生的油污，对堆场地面整洁度及摩擦系数产生一定的影响。③噪声：指装卸设备在作业过程中，设备驱动产生的噪声污染。
四、集装箱装卸设备选择评价模型的建立
（一）HMADM-RPIE评价模型的建立
由于多属性决策中有很多定性指标，存在着不确定性，为了将不确定性指标属性值转化为相对确定性的表达形式，故将定性指标的语言变量转化为三角模糊数[20]265-286。
模型建立的三个核心环节为决策矩阵的规范化、指标权重的确定和备选方案的排序。
1.决策矩阵的规范化
文献中使用最多的规范化方法是极差变换法和向量规范化法，考虑数据类型的适用性及求解的简便性，模型采用文献[21]的向量规范化法，以消除属性值量纲不一致的影响。记规范化决策矩阵为Y={yij}m×n。
2.指标权重的确定
指标权重的确定是多属性决策问题的关键环节，既要考虑到样本信息决定的客观权重，也要考虑决策者和专家的主观能动性，以保障决策的合理性和满意性。因此，本文从属性对决策的作用度和决策者对属性的重视程度两个方面确定属性的权重。
（1）基于简单加权法（SAW）确定决策者对属性的重视程度[22]。为消除因决策者自身经验和学识的不一致导致的决策偏差，本文考虑决策者自身权重，则决策者对属性Cj的重视程度[7]为：Wsj=（g1dWsj1）⊕（g2dWsj2）⊕…⊕（gtdWsjt）。则属性Cj的主观权重为：ωsj=Wsj∑nj=1Wsj，其中，0≤ωsj≤1，且∑nj=1 ωsj=1。
（2）基于决策者风险偏好-信息熵的方法确定属性对决策的作用度。信息熵求权重的基本思路是：若某指标属性值差异越大，则该指标的信息对决策的贡献率就越大，故其对应的权系数就越大；反之，则权系数越小。然而，熵理论更多是用于经典的多准则决策问题，其中属性值以清晰数表示，Lotfi和 Fallahnejad[23]将Shannon的熵值法扩展到了区间数和模糊数的问题中去。本文在信息熵的基础上考虑决策者的风险偏好，来确定混合多属性的客观权重。
摘 要： 集装箱装卸设备选择对提高码头运营效率和通过能力具有重要意义。针对该问题，提出了基于风险偏好-信息熵的混合多属性决策模型（hybrid multiple attribute decision making model based on risk preference information entropy，HMADM-RPIE）。首先，基于文献研究和现场调研建立全面的评价指标体系。然后，根据决策者对属性的重视程度和属性对决策的作用度分别确定主观权重和客观权重。主观权重考虑决策者自身权重，客观权重引入决策者风险偏好。最后，运用TOPSIS方法对方案进行排序，并对风险偏好因子进行灵敏度分析。以高明港为例，验证了该模型的实用性和有效性。表明：基于建立的评价指标体系及高明港的发展现状，装卸设备的最优选择是轨道吊，为集装箱装卸设备选择提供了一个科学有效的新思路。
关键词：装卸设备选择；风险偏好；决策者自身权重；信息熵；TOPSIS
中图分类号： F224 文献标志码：A 文章编号：1009-055X（2018）05-0047-09
doi：10-19366/j-cnki-1009-055X-2018-05-006
一、引 言
随着经济全球化进程不断加快，我国货物运输量增长迅猛。由于集装箱运输比传统运输方式在技术和经济方面更有优势，因此集装箱运输在进出口货物运输过程中扮演着举足轻重的角色。集装箱运输的发展离不开集装箱码头的建设，迅速增长的集装箱作业量对码头的作业能力提出了更高的要求：既要提高装卸效率，减少船舶在港时间，以提高客户满意度，又要降低运营成本。
在集装箱码头整个运作过程中，堆场起到了承上启下的关键性作用。堆场的运营效率直接影响船舶的在港时间，而堆场的装卸设备选择及装卸工艺是影响堆场运营效率的关键因素。其中，集装箱装卸设备的选择是充分发挥集装箱码头缓存和转运功能的基础，对集装箱码头的作业效率起决定性作用。在我国集装箱码头同质化竞争加剧的大背景下，集装箱码头运营效率和通过能力的提高已成为港口运营商获取竞争优势的重要手段。
在对珠三角集装箱码头进行深入调研的基础上，综合考虑设备的装卸效率、适用范围、运营成本、环境影响等因素，建立了全面的评价体系。针对集装箱装卸设备选择评价呈现多属性、决策不确定性等特点，本文以集装箱装卸设备为研究对象，将混合多属性决策理论引入评价模型，运用信息熵和TOPSIS相结合的方法，对装卸设备进行综合评价，其基本思路和方法对现有内河港口以及处于规划建设中的新码头都有着重要指导意义。
二、研究现状
关于集装箱装卸设备选择问题，国内外已有一些学者探讨研究。白瑞海[1]针对集装箱装卸设备的生产工艺流程、场地利用率、全生命周期运营成本，探讨堆场最优的装卸机械类型。莫骏[2]根据正面吊和轨道吊在技术、经济和工程投资等方面的特点比较两种工艺，为集装箱结点站设备选型提供理论依据。Stahlbock 和 Vo[3]考虑集装箱装卸设备的堆存能力，得出了“轨道吊（优于）轮胎吊跨运车正面吊”的结论。
随着该问题的深入研究，其评价体系也在逐渐完善。王维宇[4]综合考虑机械效率、经济成本以及环境等因素，运用FAHP方法对集装箱堆场的设备选型提出了新思路。Yang 和 Lin[5]从建设绿色港口的角度，综合考虑工作效率、节能、减排三个因素对集装箱装卸设备进行评估，发现自动轨道和电动轮胎吊是绿色装卸设备的最佳选择。文献[4]和[5]与以往的文献不同，不仅涉及成本、效率这些定量的因素，更引入了装卸工艺的灵活性、环境影响等定性的分析因素，完善了集裝箱装卸设备的评价指标体系。
属性权重的确定是求解多属性决策问题的一个重要环节，直接影响决策的准确性。同时，决策者的参与和专家的主观能动性是保障决策的合理性和满意性的重要因素。何满辉[6]注意到决策者的知识水平、决策经验都会影响到属性的权重，因此，在考虑决策者对属性的重视程度时，为决策者进行加权，减少主观权重的不确定性。王兴鹏、吕淑然[7]和尤天慧、高美丽[8]就如何考虑决策者风险偏好问题进行了研究，针对不同风险偏好的码头管理者，提供符合他们风险偏好的设备选型决策。邹树梁[9]等针对主观赋权和客观赋权的缺陷，从影响权重的三个方面对指标进行组合赋权，全面考虑了影响权重差异的多个方面。
目前，集装箱装卸设备选择评价的方法缺乏系统工程的思想，忽略了将理论和实践相结合，由于研究方法依赖于问卷调查结果或者专家偏好，得出的结论具有一定的局限性。本文针对集装箱装卸设备选择问题，提出了HMADM-RPIE模型。该模型从属性对决策的作用度和决策者对属性的重视程度两个方面确定属性的权重，然后运用TOPSIS方法对装卸设备进行排序。最后，根据评价结果，深入讨论了风险偏好因子变化对结果的影响。
三、集装箱装卸设备选择评价指标体系的建立
堆场最常用的装卸设备有轨道吊（RMG）、轮胎吊（RTG）、跨运车（SC）、正面吊（reach stackers，RS）、底盘运输车（chassis-based transporters）[10]。文献[1]和[11]～[13]对几种主要集装箱装卸设备的机械性能进行了较详细地定性比较，如动力类型、作业效率、机动性、稳定性、故障维修费用等方面，不再赘述。
（一）评价指标体系设计的原则
建立科学合理的集装箱装卸设备选择评价指标体系是保证决策准确可靠的基础，因此，评价指标体系的建立需遵循一定的原则，以确保结论的合理性和准确性。影响集装箱装卸设备选择的因素很多，评价指标体系需要建立在客观、系统分析的基础之上。总而言之，集装箱装卸设备选择评价指标体系的建立，应遵循以下原则：①技术先进、操作简单；②经济适用、性能可靠；③整体协调；④节能环保等。
（二）评价指标体系的建立
影响集装箱装卸设备选择的因素很多，每个因素在不同港口可能不尽相同，而且因素之间往往相互关联、相互制约，因此，装卸设备选择评价必须建立在对各种因素综合考虑的基础上。已有研究的指标体系主要从技术、经济、环境三个方面考虑。表1列举了几篇文献中具有代表性的评价指标体系。
本文参考文献[4]、[6]、[15]和[16]中的指标体系，并结合港口实际情况，遵循集装箱装卸设备选型评价指标体系建立的基本原则，从技术性能、经济性能、环保性能三个方面，建立堆场集装箱装卸设备选择评价的指标体系，如图1所示。
不难发现，本文的评价指标体系在延续已有研究的基础上，在技术性能和环保性能方面引入了符合港口发展趋势的指标，完善了集装箱装卸设备选择评价指标体系，使评价结果更具实际意义和参考价值。
在技术性能方面，增加了文献中少有人注意到的“适用范围”和“技术先进性”指标。设备的适用范围也是决策者常考虑的，如轨道吊、正面吊可以适应重箱和吉箱，而堆高机只能适应吉箱；各设备可堆叠的最高集装箱层数也不一样。对于场地规划、主要装卸箱型和箱型数量比例等指标不一致的港口而言，将装卸设备的适用范围考虑在指标体系内，显得尤为重要。技术先进性，是指设备能够实现自动化、智能化的难易程度。港口日益增加的集装箱吞吐量对港口设备的技术先进性提出了更高的要求，因此，该指标是绝大部分港口都需要考虑的。在环境性能方面，考虑碳排放量指标，这也是之前的学者很少涉及，但很有意义的指标。国家“十二五”规划纲要明确要求节能减排，而装卸设备是集装箱码头废气排放的主要来源，因此，在港口设备选择中考虑碳排放量指标是实现节能减排目标的关键。
（三）指标定义
1.技术性能
技术性能主要考查机械的各项功能的技术指标是否满足相应的作业要求，主要从以下六个方面进行综合衡量。①装卸效率：指单位时间内一台装卸设备的作业量，是衡量装卸设备作业速度的综合性指标。②设备利用率：指设备实际被利用的时间与堆场计划工作时间的比值，是堆场设备管理的一项综合指标。③灵活性：指设备的转场作业、堆场功能区扩建、改造等的容易程度。④适用范围：指设备适合于多大发展规模的堆场、场地形状、集装箱类型等。如轨道吊适用于重箱、吉箱的堆叠；正面吊主要用于四层以下的重箱和吉箱的堆叠；堆高机通常用于空箱的堆垛，可达6个集装箱的高度。⑤运行稳定性和可靠性：指机械在运行过程中不发生事故的程度，一般从人员、物资和机械本身安全的角度来衡量。⑥技术先进性：指设备能够实现自动化、智能化的容易程度。
2.经济性能
经济性能也是港口管理者考虑的重要因素，主要从设备购置成本、维修费用和能耗费用三个指标综合考量。①设备购置成本：指设备的购置成本，充分考虑了装卸系统的前期固定资产的投入。②维修费用：指设备定期检查、因设备故障而需维修或更换零部件等的维修保养费。③能耗费用：指设备运行消耗的电量或油费以及照明等能耗总费用。
3.环保性能
国际港口协会表示，温室气体排放量的增长已被证明是全球气候变化的重要原因，而在港口作业中会产生二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2）等温室气体。Magnus[17]等发现装卸设备是集装箱码头废气排放的主要来源。Yang 和Lin确定了集装箱装卸设备在二氧化碳减排性能方面的排序，即电动轮胎吊（E-TT）自动轨道吊（ART）轨道吊（RT）轮胎吊（TT）。环保性能主要从以下三个方面进行考察。①碳排放量：指集装箱装卸设备在装卸作业及运输过程中产生的平均温室气体排放量，用单箱耗油量或耗电量与柴油或耗电的碳排放因子的乘积表示。②油污：指裝卸设备在作业过程中，设备驱动产生的油污，对堆场地面整洁度及摩擦系数产生一定的影响。③噪声：指装卸设备在作业过程中，设备驱动产生的噪声污染。
四、集装箱装卸设备选择评价模型的建立
（一）HMADM-RPIE评价模型的建立
由于多属性决策中有很多定性指标，存在着不确定性，为了将不确定性指标属性值转化为相对确定性的表达形式，故将定性指标的语言变量转化为三角模糊数[20]265-286。
模型建立的三个核心环节为决策矩阵的规范化、指标权重的确定和备选方案的排序。
1.决策矩阵的规范化
文献中使用最多的规范化方法是极差变换法和向量规范化法，考虑数据类型的适用性及求解的简便性，模型采用文献[21]的向量规范化法，以消除属性值量纲不一致的影响。记规范化决策矩阵为Y={yij}m×n。
2.指标权重的确定
指标权重的确定是多属性决策问题的关键环节，既要考虑到样本信息决定的客观权重，也要考虑决策者和专家的主观能动性，以保障决策的合理性和满意性。因此，本文从属性对决策的作用度和决策者对属性的重视程度两个方面确定属性的权重。
（1）基于简单加权法（SAW）确定决策者对属性的重视程度[22]。为消除因决策者自身经验和学识的不一致导致的决策偏差，本文考虑决策者自身权重，则决策者对属性Cj的重视程度[7]为：Wsj=（g1dWsj1）⊕（g2dWsj2）⊕…⊕（gtdWsjt）。则属性Cj的主观权重为：ωsj=Wsj∑nj=1Wsj，其中，0≤ωsj≤1，且∑nj=1 ωsj=1。
（2）基于决策者风险偏好-信息熵的方法确定属性对决策的作用度。信息熵求权重的基本思路是：若某指标属性值差异越大，则该指标的信息对决策的贡献率就越大，故其对应的权系数就越大；反之，则权系数越小。然而，熵理论更多是用于经典的多准则决策问题，其中属性值以清晰数表示，Lotfi和 Fallahnejad[23]将Shannon的熵值法扩展到了区间数和模糊数的问题中去。本文在信息熵的基础上考虑决策者的风险偏好，来确定混合多属性的客观权重。
