聚类分析法在水路集装箱运输绩效评价中的应用

1、聚类分析法在水路集装箱运输绩效评价中的应用张赫1 王炜2摘 要:随着我国加入WTO组织,我国与世界各国的贸易往来与日俱增,我国集装箱运输事业得到了迅猛的发展,为了有效地保证集装箱运输企业制定决策的合理性,本文应用聚类分析和层次分析法对水运集装箱运输企业的运营结果进行了评价,并结合实例进行了验证。此研究成果可有效地保证水运集装箱运输企业发现自身运营过程中不合理的环节,减少其制定运营决策的盲目性和随意性。关键词:集装箱运输,绩效评价,聚类分析,层次分析一、前言随着我国加入WTO组织,我国与世界各国的贸易往来与日俱增,在外贸进出口的带动下,我国集装箱运输事业得到了迅猛的发展,我国港口集装箱吞吐量大幅

2、攀升。据统计,2005年,我国港口集装箱吞吐量继续快速增长,与2004年同期相比增长128.8%。2007年我国经济仍然处于高速平稳增长区段,国民经济有望继续保持9%左右的增长速度;国内外贸易量会继续稳步增长,中国水路货物运输仍然会保持12%左右的增长速度。中国交通部水运协会的研究报告预测,在2010年前后中国将成为世界最大的集装箱航运中心,港口集装箱吞吐量将达到10,800万TEU,外贸集装箱吞吐量将达到8,000-8,500万TEU,2020年港口集装箱吞吐量将达到18,300万TEU。港口集装箱业务面临巨大的成长空间。针对上述情况,如何合理地减少水运企业制定运营决策的盲目性和随意性,同时

3、使航运企业发现自身运营过程中不合理的环节并加以改善,这就使得对水运企业运营效果的绩效评价成为发现上述不合理现象的重要途径。集装箱运输绩效评价是指运用一定的方法,采用特定的指标体系,对照统一的评价标准,按照一定的程序对某一个航运企业一定经营期间的经营效益和经营者业绩做出客观、公正、准确的综合评价。开展绩效评价能够正确判断企业的实际经营水平,评价企业经营成果,促进企业改善管理,提高经营水平从而提供企业竞争力。通过评价经营过程不断地将评价结果和企业目标对比分析、检验和修正。经营者通过评价进行自我剖析,深入研究经营存在的问题,提出有针对性的改进措施。由于评价主体的立场、评价方法等方面的多样性,评价过程

4、中存在主观片面性,评价结果必然存在差异。因此选取评价指标和建立一套科学完整、行之有效的企业绩效评价体系必须遵循一定的原则。本文就是依托国家自然科学基金项目基于路网信息的港口物流智能调度系统模型和关键技术研究(60602020以及国家973计划城市交通需求生成机理与瓶颈识别(2006CB705501应用聚类分析法和层次分析法并结合航运公司的实际数据对水路集装箱运输的整体效果进行综合评价。二、评价原则及评价指标体系建立一套系统的、科学的、实用的评价指标体系,是分析评价集装箱运输的首要问题。指标体系的建立并不是研究对象特征的简单罗列,它的选择应遵循一定的原则。根据集装箱运输的特点和评价的主要内容,我

5、们主要遵循了科学性原则、系统性原则、独立性原则、简易性原则、实用性原则、层次性原则以及定性指标和定量指标相结合的原则建立了水运集装箱运输评价指标体系。水运集装箱运输评价指标体系是对水运集装箱运输进行正确分析和评价的依据和基础,根据对集装箱运输的特点,在总结前人相关工作的基础上,并征求了相关专家的意见后,建立了如图1-1所示的水运集装箱运输的绩效评价指标体系: 图1-1 水运集装箱运输评价指标体系三、评价方法选取 1、聚类分析法聚类分析是数理统计中研究“物以类聚”的一种方法。聚类分析的职能是建立一种分类方法,它是将一批样品或变量,按照它们在性质上的亲疏程度进行分类,而描述其亲疏程度通常有两个途径

6、:一是把每个样品看成是m 维(变量的个数为m 个空间的一个点,在m 维坐标中,定义点与点之间的距离;另一个是用某种相似系数来描述样品点之间的亲疏程度。 如前所述,当确定了样品或变量间的距离或相似系数后,就要对样品或变量进行分类,分类的方法很多:一类方法是在样品距离基础上定义类与类之间的距离。其做法是首先将n 个样品自成一类,然后每次将具有最小距离的两类合并,合并后重新计算类与类之间的距离,这个过程一直继续到所有样品归为一类为止。把这个过程作成一张聚类谱系图,这种方法称为系统聚类法(又称谱系聚类。另一种分类方法是将n 个样品初步分类,然后根据分类函数尽可能小的原则,对已分类别进行调整,直到分类合

7、理为止,这称为调优法,如动态聚类法就属于这种类型。此外还有模糊聚类、图论聚类、聚类预报等多种方法。根据上面的介绍知道聚类的方法有很多种,本文采用了系统聚类中的相似系数法。系统聚类分析是聚类分析中应用最广泛的一种方法,凡是具有数值特征的变量和样品都可以采用系统聚类法,选择不同的距离和聚类方法可获得满意的数值分类效果。系统聚类法是把个体逐个地合并成一些子集,直至整个总体都在一个集合内为止。系统聚类法中的相似系数法主要是利用各个变量之间的相似系数的大小来判断并进行归类的。 2、聚类分析方法的计算步骤本文采用最大相似系数作为聚类标准,即把相似系数最大的两类聚为一类。具体做法是:定义类和之间的相似系数为

8、:p G u G pu R(1max ,uj p i G q G q ijpu r R =(1计算各个变量之间的相似系数,得到一个相似系数矩阵,此时各个变量自成一类,显然有。(0R pu pu r R =(2寻找的非主对角线上的最大元素,设为,则将和合并成一新类,记为,即。(0R pu R p G u G s G ,u p s G G G =(3计算新类与其它类的相似系数(2,maxmax ,max maxmax ukpk G q G q ij G q G q ij G q G q sj sk R R r r r R kj u i kj P i Kj ss =所得到的相似系数记为。(1R (4

9、对重复实行对于的步骤,得,由按同样的步骤计算得这样直到所有的变量类并为一类为止。(1R (0R (2R (2R (3R 在系统聚类分析中,用户事先无法确定类别数,系统将所有数据均调入内存,且可执行不同的聚类算法。系统聚类分析有两种形式,一是对研究对象本身进行分类,称为Q 型举类;另一是对研究对象的观察指标进行分类,称为R 型聚类。由于这里是对研究对象的观察指标进行分类,所以使用R 型聚类。本文应用珠江三角洲某集装箱运输企业A 公司的实际数据,使用SPSS12.0软件进行模拟,运算结果如图1-2所示:VAR00009 9 VAR00016 16 VAR00015 15 VAR00012 12 V

10、AR00014 14 VAR00001 1 VAR00017 17 VAR00003 3 VAR00002 2 VAR00006 6 VAR00007 7 VAR00011 11 VAR00013 13 VAR00005 5 VAR00008 8 VAR00010 10 VAR00004 4C A S E 0 5 10 15 20 25 Label Num +-+-+-+-+-+ 图1-2 聚类谱系图其中代码所代表的意义如表1-1所示:表1-1 代码表代码 VAR01 VAR02 VAR03 VAR04 VAR05 VAR06 含义 年均每月运输箱数 船舶艘数载箱能力占市场份额 箱型结构船舶舱

11、位利用率 代码 VAR07 VAR08 VAR09 VAR10 VAR11 VAR12含义 集装箱预测运量 方向不平衡性 适箱货装箱率 平均每箱装货量 集装箱内陆周转期 准班率 代码 VAR13 VAR14 VAR15 VAR16 VAR17含义平均运达时间客户满意度船舶港口费用船舶燃油费用船舶管理费用由图3-1我们可以看出指标中有下述的相关性:(1平均每月运输箱数A 1、和载箱能力A 3、船舶管理费用F 3的相关程度最大,以及适箱货装箱率D 1和船舶燃油费用F 2分别聚为一类,为一层聚类(2平均每月运输箱数A 1、和载箱能力A 3、船舶管理费用F 3所构成的一层聚类与船舶艘数A 2和船舶舱位

12、利用率C 1一起构成二层聚类;(3适箱货装箱率D 1和船舶燃油费用F 2所构成的一层聚类与船舶港口费用F 1一起构成三层聚类。考虑到各指标对评价目标影响程度的大小和重要程度,在本文中将仅选取到三层聚类,如图中所示,即选取每月运输箱数A 1、船舶数A 2、载箱能力A 3、船舶舱位利用率C 1、件杂货集装箱化比重D 1、船舶港口费用F 1、船舶燃油费用F 2、船舶管理费用F 3作为评价的最终指标来对珠江三角洲水运集装箱运输绩效作一定的评价。 四、层次分析法1、层次分析法基本思想层次分析法(AHP是由美国运筹学家,匹兹堡大学教授Satty 70年代末提出的,AHP 具有系统、灵活、简便以及定性与定量

13、分析相结合的特点,特别是能将决策者的经验判断给予量化,对判断目标结构复杂且缺乏必要的数据的情况更实用,成为使用最多的一种多目标决策分析方法。水路集装箱运输评价指标体现在许多方面,并不是体现在单一方面。层次分析法就是把复杂事情分成若干有序层次,然后根据对某一客观事物的判断,就每一层次的相对重要性作出定量表示,即构造“比较判断矩阵”。从这矩阵的最大特征根及其特征向量,确定每一层次中各元素的相对重要性次序的权值。通过对各层次的分析进而导出对整个问题的分析,即可以得出对地区间运输综合评价的定量分析。为此,本文运用层次分析法以及航运公司的实际数据将反映水路集装箱绩效运输的各单一评价指标,纳入一个有机的系

14、统之中,对水路集装箱运输进行综合评价。利用层次分析法分析实际问题的一般步骤如下:(1通过对系统的深刻认识,确定该系统的总目标,弄清规划决策所涉及的范围、所要采取的措施方案和政策、实现目标的准则、策略和各种约束条件等,广泛地收集信息。(2建立一个多层次的递阶结构,按目标的不同、实现功能的差异,将系统分为几个等级层次。(3确定以上递阶结构中相邻层次元素间相关程度。通过构造两比较判断矩阵及矩阵运算的数学方法,确定对于上一层次的某个元素而言,本层次中与其相关元素的重要性排序-相对权值。(4计算各层元素对系统目标的合成权重,进行总排序,以确定递阶结构图中最底层各个元素的总目标中的重要程度。(5根据分析计

15、算结果,考虑相应的决策。AHP 对问题所涉及的因素进行分类,然后构造一个各因素之间相互连接的层次结构模型。一个决策系统大体可以分成三个层次:(1 最高层(目标层:这一层次中只有一个元素,一般它是分析问题的预定目标或理想结果;(2 中间层(准则层:这一层次中包含了为实现目标所涉及的中间环节,它可以由若干个层次组成,包括所需考虑的准则、子准则;(3 最低层(方案层:这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等。在本文中采用了直接调查法来确定各指标的相对评价目标的重要程度。通过大量的调查统计能降低、避免进而消除个人主观性的影响,从而比较客观的反映各因素的重要程度。通过反馈回来的调查表的统计

16、,便可以得到各层中不同评价指标两两对比的重要程度,根据前面的计算步骤,可以得出所需的结果。 2、实例应用根据上述步骤,首先调查构造判断矩阵P ,如下表1-2所示表1-2判断矩阵PP1A 2A 3A 1C 1D 1F 2F 3FA1 A2 A3 C1 D1 F1 F2 F3 1 1/9 1/4 1/3 1/7 1/6 1/2 1/5 9 1 5 4 1 5 6 3 4 1/5 1 1/2 1/5 1/3 5 1/3 3 1/4 2 1 1/5 1/3 3 1/3 7 1 5 5 1 3 7 3 6 1/5 3 3 1/3 1 5 3 2 1/6 1/5 1/3 1/7 1/5 1 1/5 5 1

17、/3 3 3 1/3 3 5 1 （2）由方根法计算得 W0 = （3.8202,0.2977,1.4758,1.3335,0.3124,0.7993,3.0692,0.7672） w w w 归一化后得权重向量 W = m 1 , m 2 ,L , m m w wi i wi i =1 i =1 i =1 （3）一致性检验 由计算可得出 max 8.875 （0.321,0.026,0.124,0.112,0.028,0.067,0.258,0.064） CI = max n n 1 = 8.875 8 = 0.125 8 1 从表表 4-3 可查的 RI 的值，所以 CR = CI 0.1

18、25 = = 0.088 <0.1 即符合一致性的要求。 RI 1.42 依据上述结果，本文通过对 A 企业 20012005 年数据的比较分析，得出评价结果。为 了使各指标数据具有可比性， 这里采用下面的标准化处理方法对指标进行处理。 标准化处理 就是将属于同一类的一组数据的数值进行加总， 然后用各项具体指标数据除以加总和， 得到 各项指标的具体标准化结果， 用来表示其在这一同类指标中占据的位置。 其具体表达式如下 式所示： xi = xi x i =1 n i=1,2,m （3） i 标准化处理方法可以对不同种类的指标数据进行规格化处理，使其具有可比性，并能 够很好的体现各项指标的在

19、总体项目中的相对位置。同时，为了提高评价结果的可观察性， 这里对处理后的结果统一乘以 100，使最终评定结果介于 0100 之间。 6 运用此方法对指标数据的处理结果如下表 13 所示： 表 13 指标处理后数据 年份 2001 项目 2002 2003 2004 2005 年平均运输箱数 A1 14.88 17.85 27.37 19.04 20.86 船舶艘数 A2 16.02 18.78 24.86 20.99 19.34 载箱能力 A3 16.22 18.46 23.25 21.42 20.65 舱位利用率 C1 23.05 24.78 26.80 23.63 24.78 适箱货装箱率

20、 D1 18.29 19.21 19.81 20.73 21.95 船舶港口费用 F1 17.86 19.05 19.05 20.24 23.80 船舶燃油费用 F2 15.79 18.42 23.68 27.36 28.95 船舶管理费用 F3 16.13 18.55 24.19 20.16 20.97 用指标权重乘以对应的指标数据，然后进行加总，就可以得到最终的评定结果。其数 学表达式为： Y = wi xi i = 1、L 8 2 （4） 式中： xi 为指标数据标准化处理结果，可由上表对应得到。 运用上述步骤，得到评价最终评定结果如下表 14 所示： 表 14 最终评定结果 年份 20

21、01 项目 2002 2003 2004 2005 年平均运输箱数 A1 4.78 5.73 8.79 6.11 6.70 船舶艘数 A2 0.42 0.49 0.65 0.55 0.50 载箱能力 A3 2.01 2.29 2.88 2.66 2.56 舱位利用率 C1 2.58 2.78 3.00 2.65 2.78 适箱货装箱率 D1 0.51 0.54 0.55 0.58 0.61 船舶港口费用 F1 1.20 1.28 1.28 1.36 1.59 船舶燃油费用 F2 4.07 4.75 6.11 7.06 7.47 船舶管理费用 F3 1.03 1.19 1.55 1.29 1.3

22、4 最终评定结果 16.6 19.05 24.81 22.26 23.55 把最终评价结果和评价年份相对应得出的评价结果曲线图如图 13 所示，从中我们可 以看出 A 公司在 2003 年集装箱运输发展明显比另外几年好，其中很大一部分是因为 2003 年是航运市场高峰期， 我国出进口集装箱明显增多， 所以公司承运的集装箱较多！ 与此同时， 世界航运公司都看到了我国集装箱的快速发展，纷纷在我国沿海港口开辟集装箱班轮航线， 特别是 2004 年深圳港新增了几十条国家班轮航线， 使珠三角地区大班轮遍布， 导致公司 2004 年集装箱承运量明显下滑，船舶舱位利用率下降。如图 13 所示. 7 绩效评价

23、结果曲线 26 24 22 20 18 16 14 12 10 绩效评价结 果曲线 01 份 02 03 04 20 8 20 年 20 20 图13 评价结果曲线图 六、结论 本文就是依托国家自然科学基金项目基于路网信息的港口物流智能调度系统模型和 关键技术研究 （60602020）以及国家 973 计划城市交通需求生成机理与瓶颈识别 （2006CB705501）应用聚类分析法和层次分析法并结合航运公司的实际数据对水路集装箱 运输的整体效果进行了综合地评价， 此研究成果可有效地保证水运集装箱运输企业发现自身 运营过程中不合理的环节并加以改善，同时减少其制定运营决策的盲目性和随意性。 参考文献 1 沈玉如主编船舶货运大连：大连海事大学出版社，1998. 2 杨晗熠基于修正AHP模糊综合评判的港口功能评价方法研究青岛：中国海洋大学硕 士论文 ，2006.6. 3 庄永忠. 基于战略执行的M集装箱航运企业绩效评估体系的重构. 厦门： 厦门大学硕士论 文 ，2006.11. 4 谢新连，船舶运输管理与经营大连：大连海事大学出版社，1997. 5 陆岚 主编.物流管理基础理论, 北京：机械工业出版社，2004. 6 孙贤伟 主编. 物流组织管理, 北京：机械工业出版社，2004. 7 蒋笑梅 主编. 物流管理实务, 北京：机械工业出版社，2004. 8 王婷 主编. 物流操