基于KPI和AHP的国际港口智慧化评价

基于KPI和AHP的国际港口智慧化评价作者：郑仲李红亮
来源：《武汉理工大学学报(社会科学版)》2022年第01期
摘要：智慧型港口是港口发展的高级阶段和重要方向，也是我国交通强国建设纲要明确的打造世界一流港口的发展目标。

目前国内外对智慧港口的内涵尚未有统一的认识，对智慧港口的评价指标体系也存在不同的意见，现有的研究未能站在全球化的视角对智慧港口指标体系进行系统分析，研究范围和研究结论存在一定的局限性。

结合当前智慧港口研究中存在的问题，以国际典型港口智慧化趋势为基础，提出了高运营效率、低能源消耗、优环境保护的港口智慧化特征，构建了基于港口运营、能源消耗和环境污染的23个因素68个KPI指标，并对汉堡港、鹿特丹港、安特卫普港、釜山港、新加坡港等14个港口进行智慧化评价，最后提出了要积极参与国际规则制定和中国标准输出等相关建议，以期为中国打造世界一流智慧港口提供理论与实证支撑。

关键词：国际智慧港口; 关键绩效指标（KPI）; 评价指标
中图分类号： U651; F550.3 文献标识码： A DOI： 10.3963/j.issn.1671-6477.2022.01.010
一、引言
随着我国供给侧结构性改革的持续推进以及交通强国顶层战略的出台，以安全便捷、智慧绿色、经济高效、支撑有力、世界先进（《关于建设世界一流港口的指导意见》）为特征的智慧型港口将成为我国乃至全球港口升级改造的重点和发展方向。

与国际接轨，参与全球智慧港口体系建设是我国港口行业未来发展的大方向。

目前国内对智慧港口的研究主要集中在运营方面，依托的对象主要为国内沿海港口，如蔡中堂提出的以全面提升信息化水平、全面提升工艺装备智能化水平、全面提升人才支撑水平[1]等三个全面来实现日照港智慧港口建设，黄桁提出的从码头生产智能化、港域调度智能化、海运物流协同化、金融普及便利化[2]等四个方面打造上海港智慧港口，蔡文学等提出从港口的
职能、理论和技术[3]等3个维度建立港口智慧化评价指标体系并对广东省港口进行定量评价。

尽管以上文献对智慧港口的内涵、评价指标体系均有所研究，但针对的对象主要局限于国内，且指标体系更加关注港口运营端的智慧化，对国际智慧化港口发展趋势及特征鲜有涉及，未能将全球港口作为一个整体进行研究，不利于交通强国纲要提出的打造世界一流港口目标的实现。

基于上述缘由，文章深入分析了国际港口智慧化发展形势，提出基于国际化的智慧港口指标体系，并通过关键绩效指标（KPI）和层次分析法（AHP）对国际典型港口进行评价，提出我国港口智慧化发展的方向和重点。

二、国际智慧化港口的内涵与特征
国际港口的发展大体上经历了五个阶段，由最初的单一型港口逐步向综合型、国际型、智慧化发展。

智慧港口是科技发展、技术进步的必然结果，物联网、云计算、大数据分析、移动互联网、智能感知等技术是智慧港口的技术基础[4]，但考虑到各国发展阶段不一、发展理念有
别，对智慧港口的认识也有很大差别。

国内对智慧港口的认识主要集中在运维端，认为智慧港口是将物联网、云计算、传感器、决策分析等技术手段结合在一起，在港口生产中加以运算，统筹各项关键信息，从而实现人与人、人与港口、物与物之间的各环节、各资源广泛互通，逐步构建技术密集、高端化、信息化和网络化的现代物流港口[5]，如日照港以码头运营数字
化、集团管控一体化、决策支持可视化、集成服务便捷化为智慧港口特征予以建设规划;粤港
澳大湾区以基础设施与装备现代化、智慧技术与港口业务全面融合、创新和可持续为特征建设智慧港口[6];上海港以码头生产智能化、港域调度智能化、海运物流协同化、金融普及便利化为特征建设智慧港口。

国际主流港口运营商对智慧港口特征的描述主要集中在智慧化的运营、环境友好、高效的能源利用以及安全性和稳定性等方面。

Hamid Reza Abai博士认为，智慧港口不仅是新技术的应用，更是一种新的思维理念，是港口概念的重塑，智慧港口内涵应包括智慧、绿色、集成的运输体系，高效、具有竞争力的系统设备，节能及能源的高效利用，对地區经济发展的正向影响，安全、环境友好等五个方面[7]，巴塞罗那在打造智慧港口过程中，除了对港口自身智慧
化的改造外，也注重港口对环境以及对人的影响，包括降低污染、废物管理、能源和水管理、新能源应用等方面[8]。

基于国内外对智慧港口的内涵的描述，结合未来港口的发展方向，站在全球化和东西融合视角，我们认为，智慧港口是以现代信息技术和工业化为基础，以新的发展愿景、发展理念、
发展模式为驱动，以高运营效率、低能源消耗、优环境保护、重港口安全等生产性、社会性因素为特征的新型港口。

三、国际智慧港口评价指标体系的构建
（一）评价指标体系的选取原则
1.科学性和国际性原则
科学性和国际性是指标选取的前提和基础。

指标的选取应符合智慧港口发展的客观规律，应能反映智慧港口未来发展的特征，建立在科学客观基础上才能指导智慧港口的实践;指标的选取应具有国际化特征，应符合ISO14001关于港口大气、噪音、废物、废水等环境管理体系（EMS），符合国际海事组织（IMO）关于港口能源和安全的指标要求。

2.系统性和前瞻性原则
智慧港口是一个系统工程，是港口生态圈在新时期的具体体现。

指标的选取不仅要考虑高效运营因素，更要站在全局视角审视安全、环保等可持续发展相关因素;指标的选取要考虑近期与远期相结合，要把绿色、可持续等新时期发展理念融入智慧港口指标体系中。

（二）评价指标体系的选取与构成
国际上对智慧港口评价指标体系进行了系统研究和实践，最为典型的为地中海智慧港口综合工程，提出了基于运营、环境和能源的23个因素68个KPI指标[9]，主要KPI指标如表3所示。

文章结合智慧港口的内涵、指标的重要程度、数据可得性对上述KPI指标进行了整合，生产效率、自动化程度、智能基础设施水平是运营板块最核心的KPI因素，国际环保体系、废弃排放量、垃圾处理水平、污水处理水平是环境板块最核心的KPI因素，能源消耗总量、新能源利用率、能源管理水平是能源板块最核心KPI因素。

考虑到安全是智慧港口生产运营的基础，因此将安全指标加入智慧港口评价体系极为必要[10]。

国际智慧港口评价指标体系SPI如图1。

1.运营。

运营是港口主要的生产活动，智慧港口通过现代科技和有效的管理手段实现港口运营成本的降低和运营效率的提高。

运营包括三个层面，即生产高效化、操作自动化以及智能基础设施的使用。

生产高效化是指在有限的预算、时间、空间、设备下达到的产出水平。

操作自动化是利用各种设备系统降低人力资源投入的水平。

智能基础设施的利用指港口采利用软件和硬件系统的水平。

2.环境。

港口汇集了大量的船舶以及旅客，是各类污染物排放的重要节点，实现港口的清洁和可持续是智慧港口发展的重要特征。

环境方面包括了环保管理体系、废气排放、垃圾处理、污水处理等方面。

环保管理体系为港口提供一套评估、监控、减少港口污染的规章制度，最常见的为国际标准组织发布的ISO14001标准。

废气排放控制包括二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的控制。

垃圾和污水主要针对生活垃圾和生活污水的处理。

3.能耗。

港口运营需要消耗大量的能源，随着国际贸易的持续发展，港口货运量的显著提高，港口对能源的消耗也是与日俱增，因此能耗水平也是智慧港口发展的重要特征之一。

能耗包括能源消耗量、新能源利用以及能源管理三个方面。

能源消耗包括直接和间接消耗，优化作业流程能够降低能源总量消耗。

新能源利用指在港口采用风能、潮汐能、光能等的水平和能力。

能源管理体系的应用指采用的管理标准和水平，国际常见的能源管理体系为ISO50001。

4.安全。

港口易于受到自然灾害、人为事故、恐袭等因素影响，导致其利益受损。

港口安全包括人员安全管理系统、设备安全管理系统、集成安全监管系统等三个方面。

人员安全管理系统包括港口运营方和船员，对可能发生的人员安全风险予以预防以及应对。

设备安全管理系统主要针对港口相关机械。

集成安全监管系统主要是利用互联网和信息化手段，通过软件和硬件提高港口安全度。

四、基于KPI的港口智慧化评价
（一）评价步骤
本文通过关键绩效指标（KPI：Key Performance Indicator）对汉堡港、鹿特丹港、安特卫普港、釜山港、新加坡港等14个港口进行智慧化评价，以期判断国际智慧港口发展重点和方向。

其主要量化标准包括智慧运营指标（SOI）、智慧能效指标（SEgI）、智慧环境指标（SEnI）、智慧安全指标（SSI），主要指标权重通过层次分析法计算得到。

首先搜集相关港口的KPI量化数据，本次研究主要通过国际港口发布的年报数据以及相关文献资料统计而得①。

其次要对数据进行无量纲标准化处理，实现各指标之间的可比较性，本次研究选择利用极差的标准化对数据进行处理，经过极差标准化处理后所得的新数据Xij，各要素的极大值为1，极小值为0，其余值在0与1之间。

Xij=（Xij-min{Xij}）/（max{Xij}-min{Xij}）（i=1，2，…，m;j=1，2，…，n）
考虑到废气、能源消耗等指标并非越大越好，因此引入参数Kij对指标进行调节。

通过测算SOI、SEgI、SEnI、SSI，进行加权后得到智慧港口总指标（SPI）。

Kij=-kij，负面指标kij，正面指标
SOI=∑n1i=1aik1i，∑n1i=1ai=1，ai≥0，i=1，…，n1
SEgI=∑n2i=1βik2i，∑n2i=1βi=1，βi≥0，i=1，…，n2
SEnI=∑n3i=1γik3i，∑n3i=1γi=1，γi≥0，i=1，…，n3
SSI=∑n4i=1δik4i，∑n1i=1δi=1，δi≥0，i=1，…，n4
SPI=λ1SOI+λ2SEgI+λ3SEnI+λ4SSI，∑4i=1λi=1，λi≥0，i=1，…，4
（二）国际港口智慧化评价
基于统计数据、评价指标体系和方法，对国际主要港口智慧化评价结果如图3所示。

1.从SOI运营侧来看，全球运营效率前三强为釜山港、新加坡港和上海港，这与亚洲港口注重运营效率、大力推动港口自动化有关。

世界自动化码头的发展已经有近30年历史，截至2018年，全球自动化集装箱码头有34个，亚洲地区占有17个，其中上海港洋山四期属全自动化码头，于2017年投入运营，自动化率全球领先。

2.从SSI安全侧来看，目前港口安全生產管理系统在全球普及，且国际间、地区间政治环境相对稳定，因此大部分港口安全性相当，新加坡港处于国际东西航线大通道核心节点上，对安全要求更高。

3.从SEnl环保侧来看，北欧的汉堡、鹿特丹、安特卫普，北美的洛杉矶、温哥华、休斯顿明显要高于其他国家和地区。

这与欧洲和北美政府注重环境保护有关，欧洲海港组织（ESPO）和生态环保港口基金会（EcoPorts Foundation）定期对欧洲港口业环保事项进行调查和评估，同时国际海事组织设定了特别排放控制区（ECAs），目前包括波罗的海、北海、北美洲海岸、美国加勒比海，未来将扩展到地中海、日本海等地区。

上述国际和地区政策，促使了北欧、北美港口向绿色环保方向发展。

4.从SEgl能耗上来看，北欧港口表现也明显优于其他地区。

2011年国际海事组织引进了“能效设计指数（EEDI）”和“船舶能效管理计划（SEEMP）”两项措施，以提高港航能效，目前全球范围内有52个港口实施了上述举措，其中38个位于欧洲。

（三）评价结果分析
造成以上结果主要是与地理区位、经济发展水平、政治制度、能源相关因素有关，其中经济发展水平和能源因素对智慧港口发展起着至关重要的作用。

文章选取人均GDP水平、人均研发支出、单位产值能耗作为可量化指标与智慧港口评价结果进行回归分析，结果如图7所示。

智慧港口发展水平与国家人均GDP和人均研发支出呈正相关，表明港口所在地区越富
裕，对科技投入越多，智慧化水平就越高。

智慧港口发展水平与单位产值能耗水平呈负相关，表明单位能耗水平越高的港口智慧化水平越低。

其逻辑为：假若国家对创新、教育和科研越开放，港口将更易于应用新技术和新方法;反之，单位产值能耗水平越高，同等能源消耗水平下工业产出就越少，能源利用率和港口产出效率也就越低。

1.运营。

运营是港口主要的生产活动，智慧港口通过现代科技和有效的管理手段实现港口运营成本的降低和运营效率的提高。

运营包括三个层面，即生产高效化、操作自动化以及智能基础设施的使用。

生产高效化是指在有限的预算、时间、空间、设备下达到的产出水平。

操作自动化是利用各种设备系统降低人力资源投入的水平。

智能基础设施的利用指港口采利用软件和硬件系统的水平。

2.环境。

港口汇集了大量的船舶以及旅客，是各类污染物排放的重要节点，实现港口的清洁和可持续是智慧港口发展的重要特征。

环境方面包括了環保管理体系、废气排放、垃圾处理、污水处理等方面。

环保管理体系为港口提供一套评估、监控、减少港口污染的规章制度，最常见的为国际标准组织发布的ISO14001标准。

废气排放控制包括二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物的控制。

垃圾和污水主要针对生活垃圾和生活污水的处理。

3.能耗。

港口运营需要消耗大量的能源，随着国际贸易的持续发展，港口货运量的显著提高，港口对能源的消耗也是与日俱增，因此能耗水平也是智慧港口发展的重要特征之一。

能耗包括能源消耗量、新能源利用以及能源管理三个方面。

能源消耗包括直接和间接消耗，优化作业流程能够降低能源总量消耗。

新能源利用指在港口采用风能、潮汐能、光能等的水平和能力。

能源管理体系的应用指采用的管理标准和水平，国际常见的能源管理体系为ISO50001。

4.安全。

港口易于受到自然灾害、人为事故、恐袭等因素影响，导致其利益受损。

港口安全包括人员安全管理系统、设备安全管理系统、集成安全监管系统等三个方面。

人员安全管理系统包括港口运营方和船员，对可能发生的人员安全风险予以预防以及应对。

设备安全管理系统主要针对港口相关机械。

集成安全监管系统主要是利用互联网和信息化手段，通过软件和硬件提高港口安全度。

四、基于KPI的港口智慧化评价
（一）评价步骤
本文通过关键绩效指标（KPI：Key Performance Indicator）对汉堡港、鹿特丹港、安特卫普港、釜山港、新加坡港等14个港口进行智慧化评价，以期判断国际智慧港口发展重点和方向。

其主要量化标准包括智慧运营指标（SOI）、智慧能效指标（SEgI）、智慧环境指标（SEnI）、智慧安全指标（SSI），主要指标权重通过层次分析法计算得到。

首先搜集相关港口的KPI量化数据，本次研究主要通过国际港口发布的年报数据以及相关文献资料统计而得①。

其次要对数据进行无量纲标准化处理，实现各指标之间的可比较性，本次研究选择利用极差的标准化对数据进行处理，经过极差标准化处理后所得的新数据Xij，各要素的极大值为1，极小值为0，其余值在0与1之间。

Xij=（Xij-min{Xij}）/（max{Xij}-min{Xij}）（i=1，2，…，m;j=1，2，…，n）
考虑到废气、能源消耗等指标并非越大越好，因此引入参数Kij对指标进行调节。

通过测算SOI、SEgI、SEnI、SSI，进行加权后得到智慧港口总指标（SPI）。

Kij=-kij，负面指标kij，正面指标
SOI=∑n1i=1aik1i，∑n1i=1ai=1，ai≥0，i=1，…，n1
SEgI=∑n2i=1βik2i，∑n2i=1βi=1，βi≥0，i=1，…，n2
SEnI=∑n3i=1γik3i，∑n3i=1γi=1，γi≥0，i=1，…，n3
SSI=∑n4i=1δik4i，∑n1i=1δi=1，δi≥0，i=1，…，n4
SPI=λ1SOI+λ2SEgI+λ3SEnI+λ4SSI，∑4i=1λi=1，λi≥0，i=1，…，4
（二）国际港口智慧化评价
基于统计数据、评价指标体系和方法，对国际主要港口智慧化评价结果如图3所示。

1.从SOI运营侧来看，全球运营效率前三强为釜山港、新加坡港和上海港，这与亚洲港口注重运营效率、大力推动港口自动化有关。

世界自动化码头的发展已经有近30年历史，截至2018年，全球自动化集装箱码头有34个，亚洲地区占有17个，其中上海港洋山四期属全自动化码头，于2017年投入运营，自动化率全球领先。

2.从SSI安全侧来看，目前港口安全生产管理系统在全球普及，且国际间、地区间政治环境相对稳定，因此大部分港口安全性相当，新加坡港处于国际东西航线大通道核心节点上，对安全要求更高。

3.从SEnl环保侧来看，北欧的汉堡、鹿特丹、安特卫普，北美的洛杉矶、温哥华、休斯顿明显要高于其他国家和地区。

这与欧洲和北美政府注重环境保护有关，欧洲海港组织（ESPO）和生态环保港口基金会（EcoPorts Foundation）定期对欧洲港口业环保事项进行调查和评估，同时国际海事组织设定了特别排放控制区（ECAs），目前包括波罗的海、北海、北
美洲海岸、美国加勒比海，未来将扩展到地中海、日本海等地区。

上述国际和地区政策，促使了北欧、北美港口向绿色环保方向发展。

4.从SEgl能耗上来看，北欧港口表现也明显优于其他地区。

2011年国际海事组织引进了“能效设计指数（EEDI）”和“船舶能效管理计划（SEEMP）”两项措施，以提高港航能效，目前全球范围内有52个港口实施了上述举措，其中38个位于欧洲。

（三）评价结果分析
造成以上结果主要是与地理区位、经济发展水平、政治制度、能源相关因素有关，其中经济发展水平和能源因素对智慧港口发展起着至关重要的作用。

文章选取人均GDP水平、人均研发支出、单位产值能耗作为可量化指标与智慧港口评价结果进行回归分析，结果如图7所示。

智慧港口发展水平与国家人均GDP和人均研发支出呈正相关，表明港口所在地区越富裕，对科技投入越多，智慧化水平就越高。

智慧港口发展水平与单位产值能耗水平呈负相关，表明单位能耗水平越高的港口智慧化水平越低。

其逻辑为：假若国家对创新、教育和科研越开放，港口将更易于应用新技术和新方法;反之，单位产值能耗水平越高，同等能源消耗水平下工业产出就越少，能源利用率和港口产出效率也就越低。