（交通运输规划与管理专业论文）港口与城市互动发展优化模型及算法研究.pdf

、， 一 节 土 1 l ， 一 s t u d yo no p t i m i z a t i o nm o d e l a n da l g o r i t h mo fi n t e r a c t i v e d e v e l o p m e n t b e t w e e np o r ta n dc i t y d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g b y d o n gy o n g x i a n g ( t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r w a n gn u o d e c e m b e r2 0 1 0 ， 。l 、r声 j 1 1 - i l 一 7 j 产 、：第 一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 鲞旦皇邀直亘麴筮屋馑丝搓型区篡这硒窒= = 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：三缴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“ ) ：鳅名： 日期：1 由t1 年) 月矿日 - r j j ，i 襞 j ：， 一 产 ，譬 j 创新点摘要 创新点摘要 1 为解决目前港城互动优化以定性分析为主，缺乏定量分析的问题，本论文 将投入产出法与绿色g d p 结合起来，构建了港城互动发展多阶段动态优化模型。 实例验证表明，该模型的表达方式和优化思路较为贴近港城互动发展的实际过 程，能够对港城互动协调发展的动态变化过程进行合理描述的分析，可以提供定 量化决策支持。 2 分别引入遗传算法及系统动力学方法联合构建了模型的求解方法，其中， 遗传算法用于制定模型在可行域范围内求解的搜索规则；系统动力学方法用于模 拟港城之间互动发展的动态变化过程，获得计算评价函数所需的各种参数。实例 验证表明，该求解方法能够在保证全局搜索的前提下获得较佳的满意解，可以实 现优化模型的求解。 - - j d j 冬 一 j 产 ， 中文摘要 摘要 港城互动存在两种截然相反的作用力：一种是经济上的相互促进、共同发展 的推动力，另一种则是资源和环境方面相互阻碍、相互限制的约束力；这两种作 用力互为依托又相互制约，构成了港城互动的基本矛盾作用机理。目前，国内有 关港城互动的优化研究大多关注港、城之间的经济发展的相互推动作用，忽略了 两者在资源消耗、环境污染方面的相互制约作用，因而存在明显的局限。为此， 本文构建了具有辩证思想的港城互动发展优化模型及算法，具体研究要点如下： 第一，从科学发展观出发，根据绿色理念的基本研究思路，指出应综合考虑 港城互动过程中的经济发展、资源消耗及环境污染等三方面对港城互动发展进行 优化。用以解决现有港城互动研究中单纯考虑经济发展，忽视资源节约及环境保 护的局限。这种优化思路体现了更为符合客观实际的辩证优化思维模式，为优化 模型及求解算法的研究提供了理论支持。 第二，当前在学术界，港城互动优化的实现大多以定性分析为主，缺少以解 析推理为主线的定量化研究。为解决这一问题，本论文依据绿色理念的辩证优化 思维模式，综合运用绿色g d p 与投入产出法，构建了港城互动发展多阶段动态优 化模型。模型中，绿色g d p 用于构建模型的优化目标函数；投入产出法则用于描 述模型的约束条件。 第三，由于存在时间变量，需要综合模拟港城互动发展的时间历程对模型进行 优化。因此在模型的求解中，本论文引入了遗传算法及系统动力学构建了港城互 动动态优化算法。其中，遗传算法用于制定模型在可行域范围内解的搜索规则； 系统动力学则用于模拟港城之间产业发展的动态变化过程，获得计算评价函数所 需的各种参数。 第四，为验证模型，本论文以我国上海地区的港城互动为实例，对文中提出的 优化模型及求解算法进行了实证研究。实证研究表明，该优化模型及求解算法可 以综合考虑经济发展、资源节约及环境保护等多方面内容对港城互动开展优化研 究，其优化结果更为科学合理，可以为相关部门的港城互动发展规划提供有效的 定量化决策支持。 本论文研究重点为如何在考虑经济、资源、环境等三方面构建港城互动定量优 国家社会科学基金资助项目基于绿色理念的港口产业与城市互动发展优化模型研究( g a 目批准号：0 7 b j y l1 4 ) 中文摘要 化模型及求解方法。从效果上看，该模型较为充分的体现了港城互动的科学发展 观，算法能够在保证全局搜索的前提下获得较佳的满意解，可以满足港城互动优 化的实践需求，具有明显的理论及实践意义。 关键词：港城互动；绿色理念；优化；算法 ； 0 j 一 产 - a b s t r a c t 1 h e r ea r e似。卿1 e t e l yo p p o s i t e e f f o r t se x i s t e di ni n t e r a c t i v ed e v e l o p m 饥t b 咖e 锄p o r ta i l dc i 锣；a l lh a v e ak i n do fd r i v i n gf o r c et op r o m o t em u t u a l l y 锄d d c v e l o p i o i n t l y i 1 1e c o n o m y , a n da n o t h e rk i n do fc o n s t r a i n i n g f o r c et 01 l i n d e r 锄dr c s 饥c t r e c i p r o c a l l yi nb o t hr e s p e c t so f r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t t h e s e 咖e 仃0 r t sr e l yo nb u t c o n d i t i o ne a c ho m w h i c hc o n s t i t u t ep o r t - c 时 i n t e r a c t i v eb a s i cc o m a d l o n m e c h a l l i s m n e v e r m c l e s s ，a tt h em o m e n t d o m e s t i cp o r t - c i 够r e l a t e do p t i m i z a t i o ns t u d y m o s t l vf o 邮o nm u t u a lm o t i v a t i o nb e t w e e np o r ta n dc i t y i ne c o n o m y 印g r e s s ，b u t n e g l e c tb o t h r e s t r i c t i o ni nr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n tp o l l u t i 鸣让嶙 0 b 访0 u sl i r n i 诅t i o ne x i s t s t h e r e f o r e ，t h et h e s i si sg u i d e db y t h eg r e e nc 0 n c 印t i o n 趾d b u i l d sp 叶衄i n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n to p t i m i z a t i o n m o d e l a n da l g o r i t h mw i t h d i a l e c t i c a lt 1 1 i 1 1 l 【i n g d e t a i l e dr e s e a r c he s s e n t i a l sa r el i s t e da sb d o w f i r s t l v ，t h et h 商sp r o c e e d sf r o m t h es c i e n t i f i co u t l o o ko nd e v e l o p m e n t ，b a s e so n 劬d 锄e n 僦s t u d yn l i n l 【i n g0 f 也eg r e e nc o n c e p t i o n , a n d p o i n t so u tt op r o c e s sp o r t - c i t y i n t e r a c t i v ed e v e l o p m 既to p t i m i z a t i o ni ti ss u p p o s e dt oc o m p r e h e n s i v e l yc 0 n s l d c r 付嘲 哪e c t so fe c o n o m yd e v d o p m e n t ，r e s o u r c ec o n s u m p t i o na n d 锄协哪肌t p o l l u t i o n w i 龇m ei i n e 删o nb 咖e e i lp o r ta n dc i t y , s o a st oe l i m i n a t et h el i m i t a t i o nmp r e s 饥t p o m c i 坶i n t e r a c t i v es t u d yw h i c hm e r e l yr e g a r de c o n o m yd e v d o p m e n t b u to v e r l o o k r e s o u r c ee c o n o i i l i z a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h eo p t i m i z a t i o n 岫u 班r e v e a l s d i a l e c t i c a lt h i n k i n gp a t t e m f a rm o r ea c c o r d a n t t oo b j e c t i v er e a l i t i e s , p r o v l d i n g t h e o r e t i c a ls u 删t 0f o l l o w i n gs t u d y o no p t i m i z a t i o nm o d e la n ds o l v i n ga l g o r i t h m s e c o n d l v i np r e s e n ta c a d e m i cf i e l d ，q u a l i t a t i v er e s e a r c ha n a l y s i s i sm a l l l l yu t i l i z e d i i lp o r t c i t yi n t e r a 嘶v eo p t i m i z a t i o nd o m a i n , w h i l eq u a n t i t a t i v e r e s e a r c ha c h i e v 锄饥t w i mi n 向e i l c ea n a l y s i sa sm a i n l i n e l a c k s i no r d e r t or e s o l v et h ep r o b l e m ，t h et h e s i s1 s0 n t h eb a s i so ft h e 觚e i lc o n c e p t i o n d i a l e c t i c a lo p t i m i z a t i o nt h i 幽n gp a t t 锄 s y n t h e t i c a l l ya p p l i e st h eg r e e ng d p a n di n p u t o u t p u tm e t h o d ，a n dc o n s t m c t sp o r t - c i t y i n t e 阳觚v ed e v e l o p m c n tm u l t i s t a g ed y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e l i n t h em o d e l t h e 骶e ng d p i se x p l o i t e dt 0s t r u c t u r et h em o d e l so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e 劬c t l o n ；y e t i i l 眦o 唧u tm e m o d i st a k e na d v a n t a g et od e s c r i b em o d e l sc o 嘞删c o n d l t i o 璐 础f d l y ，d u et 0t h ee x i s t e n c eo f t i m ev a r i a b l e ，i tr e q u i r e sc o m p r e h e n s l v es l m u i a t l o n o ft l l et i m ep r o g r c s si np o r t - c i t yi n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n t t of u l f i l lo p t i m i z a t i o n h e n c e g e n e t i ca 1 窖；0 r i 戗m 1a n ds y s t e md y n a m i c sa r ei n t r o d u c e d t oc o n s t r u c tp o r t - c i t yi n t e r a c n v e 英文摘要 d y n a m i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h r ni nm o d e ls o l v i n g h e r e i n t o ，g e n e t i ca l g o r i t h mi s t o e s t a b l i s ht h er u l e so fh u n t i n gf o rs o l u t i o ni nf e a s i b l er e , o na n ds y s t e md y n a m i c st o s i m u l a t et h ed y n a m i cv a r i a t i o np r o c e s so fi n d u s t r i a le v o l u t i o nb e t w e e np o r ta n dc i t yt o a c q u i r eav a r i e t yo fp a r a m e t e r s f o u r t h l y , a i m e dt ov e r i f yt h em o d e l ，t h et h e s i sc h o o s e st h ep o r t - c i t yi n t e r a c t i o ni n s h a n g h a id i s t r i c t a sa n e x a m p l et o c o n d u c te m p i r i c a l s t u d y w i t ht h e p r o p o s e d 一 o p t i m i z a t i o n m o d e la n ds o l v i n ga l g o r i t h m t h ee m p i r i c a l s t u d y i n d i c a t e st h e 、 o p t i m i z a t i o nm o d e la n ds o l v i n ga l g o r i t h m e n a b l et o s y n t h e t i c a l l yt a k ee c o n o m y d e v e l o p m e n t ，r e s o u r c ee c o n o m i z a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni n t oa c c o u n tt oc a r r y o u to p t i m i z a t i o ns t u d ya n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ee v e nm o r es c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l e ，w h i c hc o u l do f f e rt h ep o r t c i t yi n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n tp l a n n i n gc o r r e l a t e d d e p a r t m e n t se f f e c t i v eq u a n t i t a t i v ed e c i s i o ns u p p o r t t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e re m p h a s i si so nh o wt oc o n s i d e re c o n o m y , r e s o u r c ea n d e n v i r o n m e n tt ob u i l dp o r t - c i t yi n t e r a c t i v ed e v e l o p m e n tq u a l i t a t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l a n di t ss o l v i n gm e t h o d f r o mt h ea s p e c to ft h ee f f e c t ，t h em o d e lc o u l df u l l yd e m o n s t r a t e s c i e n t i f i ct h i n k i n gi np o r t - c i t yi n t e r a c t i o na n dt h ea l g o r i t h mc o u l da c h i e v es a t i s f i e d s o l u t i o no nt h ep r e m i s eo fg l o b a is e a r c hg u a r a n t e e d ；i tm e e t st h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t o np o r t c i t yi n t e r a c t i v eo p t i m i z a t i o na n di so fe v i d e n ts i g n i f i c a n c ei nb o t ht h e o r ya n d p r a c t i c e k e yw o r d s ：p o r t - c i t yi n t e r a c t i o n ；g r e e nc o n c e p t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；a l g o r i t h m d 、 勃 ， 一 一 、 j 产 一 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 有关研究的进展。2 1 2 1 关于港城互动发展研究2 1 2 2 关于多目标优化研究5 1 2 3 关于投入产出分析研究7 1 2 4 关于遗传算法研究8 1 2 5 现有研究存在的问题9 1 3 本文研究内容、方法与基本框架9 1 3 1 研究内容9 1 3 2 研究方法1 0 1 3 3 技术路线11 1 3 4 文章结构1 2 第2 章港城互动发展模型优化方法1 5 2 1 港城互动发展静态优化模型1 5 2 1 1 投入产出方法的基本原理。1 5 2 1 2 多目标优化模型的构建1 7 2 1 3 多目标优化模型的转化1 9 2 2 港城互动发展动态优化模型3 3 2 2 1 动态优化的基本概念3 3 2 2 2 动态优化模型的构建3 5 第3 章港城互动发展模型求解方法4 3 3 1 港城互动发展系统动力学预测模型4 3 3 1 1 系统动力学的基本原理4 3 3 1 2 港城互动发展预测模型的建立4 6 3 2 基于遗传算法的港城互动优化模型求解6 3 3 2 1 遗传算法的基本原理一6 3 3 2 2 遗传算法求解港城互动发展优化模型6 6 3 3 本章小结6 8 第4 章港城互动发展优化实证研究以上海为例6 9 4 1 上海市港城互动发展状况分析6 9 目录 4 1 1 上海城市的发展6 9 4 1 2 上海港口的发展7 0 4 1 3 上海港城互动的发展7 1 4 2 上海市港城互动发展的优化7 2 4 2 1 模型的建立一7 2 4 2 2 模型的求解一7 8 4 2 3 港城互动发展的对策及建议8 9 4 3 本章小结9 3 第5 章结论与展望9 5 5 1 主要结论9 5 5 2 未来展望9 5 参考文献9 7 攻读学位期间公开发表论文1 0 3 致谢10 5 一 、 p j ， 一 、 ， 一l ， 港口与城市互动发展优化模型及算法研究 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 港口产业与城市经济的互动关系，客观上含有正负两种作用力：一种是相互 间的推动力，历年的经济指标可以直观地反映出港口在城市发展中的积极作用， 同时港口在所在城市的支持下不断取得发展；另一种是相互间的阻碍，比如港口 大量占用城市不可再生的资源，产生各种环境污染，造成难以避免的社会问题。 因此，在科学发展观的指导下，对港城互动作用机理下的经济增长、资源消耗、 生态环境实施有效优化，这将对港口城市经济、社会可持续发展的实现具有十分 重大的现实意义。 我国学者对港口产业可持续发展的理论和应用研究己取得了一定的成果，但 相比国外相同领域研究的深度和广度尚存在明显差距。首先，已有的部分成果对 港口产业与城市发展互动关系中的制约因素方面的研究较为薄弱；在可持续发展 理念上建立港城互动优化模型的研究还是一项空白。可以说，上述各个方面由于 理论研究上的不足直接导致了港城互动发展在实践上产生了一定的盲目性，使得 港口城市未来的可持续发展缺乏后劲或不断累积着各种隐患。 毫无疑问，在环境保护成为社会发展主旋律的今天，如何以绿色理念为指导， 寻求港口和城市发展之间的平衡，建立全面协调、统筹兼顾的港口与城市互动发 展的优化模型，以指导港口与城市间全面实现协调与可持续发展，是亟待解决的 重要研究课题。为此，本文将以绿色理念为基本指导思想，在以绿色g d p 及协 调发展度为核心评价指标的港城协调发展评价模型的研究成果基础上，综合运用 投入产出理论、系统动力学、遗传算法等开展港城互动的动态优化模型及算法研 究，为沿海城市和港口产业的可持续发展提供理论支持。 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 理论意义 从目前的研究上看，港城互动的相关理论成果大多集中于港口产业和城市之 间的经济互动方面，缺少有关资源消耗、环境污染等相关负面约束的理论研究。 第1 章绪论 本论文以科学发展观为基础，以港城互动的良性可持续发展为优化的最终目的， 构建了基于绿色理念的港城互动优化思路及方法。本论文的研究弥补了原有的理 论研究上的缺失，拓展了港城互动的研究领域，具有明显的理论意义。 ( 2 ) 实践意义 在目前我国沿海地区的港口产业正进入大规模的高速发展阶段，迫切需要定 量化的优化手段支持港城互动的规划实践。但现有研究大多以定性优化为主，缺 少可供事件应用的研究成果。本论文提出的优化模型及算法能够对港城互动中的 经济、资源、环境等诸多领域进行定量分析与优化，其模型的表达更为贴近港城 互动发展的实际，其优化结果可以为优化提供定量化决策支持，具有明显的实践 意义。 1 2 有关研究的进展 1 2 1 关于港城互动发展研究 国内关于港口、港口城市互动发展方面的研究仍处于十分初级的阶段。早期 研究可追溯到吴传钧等人【1 】1 9 8 9 年根据动力结构演变规律，从港口与城市之间 的相互作用角度出发，研究了港口城市的普遍发展模式，奠定了我国港口与城市 互动发展研究的理论基础。此后近十余年，国内此项相关研究并未见到实质进展。 ? 近来，我国港口与城市的发展速度逐步飞跃，吸引了大量学者重新开始探讨港口 与城市经济的关系，此类研究多以港城互动角度为基础。至今，此类研究多以定 性分析为主，主要成果包括，陈文晖等人【2 】认为港城互动发展演变关系可被划分 为四阶段，分别是初始联系、相互关联、集聚扩散及城市自增长效应；罗萍【3 】 从我国港城互动发展现状出发，提出了我国在港城互动过程中出现的基本特征和 相关误区，并指出了港城互动发展的基本思路；杨昌梨4 】对如何带动我国基地经 济与港口经济之间的互动发展给出了建议；孟祥林【5 】以进行港城协调发展的特征 分析为基础，总结归纳出环渤海地区临港产业的组合城市基本发展方式；陈航等 【6 1 讨论了大连国际航运中心建设和振兴东北之间的互动关系；杨华雄【7 】对港口与 城市的协调发展关系进行分析；刘秉镰【8 】分析了港城关系机理等等。少数定量研 究成果包括，张萍等【9 】系统工程理论为基础，研究了港城系统对港城互动发展的 演化规律及动力机制，在一定程度上客观揭示了我国港口与城市协调发展的规律 一 一 、 ， 4 j 7 p 产 砷 港口与城市互动发展优化模型及算法研究 与趋势；陈再齐掣1 0 】应用相关分析、回归分析等定量方法，系统地研究了广州城 市与广州港发展的互动关系；张萍等【l l 】分析了港口与城市的协调发展关系，并 以上海市为例进行了实证研究。 具体在港口带动城市经济影响发展方面的国内研究，多以定性分析为主，代 表性成果有，王海平 1 2 】的“现代港口与城市一体化 的发展理论、石友服【1 3 1 提 出的“城市应积极利用港口发展城市经济 、杜麒栋【1 4 】概况总结“应依托城市发 展港口，利用港口发展经济”、黄鹤群【”】提出的“港口是城市开放型经济的龙头”、 宋炳良【1 6 1 7 】提出了“论福特主义经济体系的演变与港1 ：3 城市再造”以及“有关 港口城市创建与发展的理论研究 、杜其东等【1 8 】通过比较国际经济中心城市港口 并进行专题系列研究而完成的港口与城市关系研究、赵鹏军掣1 9 】以鹿特丹港为 实例，分析了港口经济发展对地区社会经济推动机制、朗宇等【2 0 】等探讨港口与城 市经济的一体化相关理论问题等等。除此之外，吴郁文、许继琴等学者【2 1 】分别 对广州港与和宁波港进行实例研究，分析了港口与城市之间蕴含的互动关系以及 港口对港口城市经济发展的推动关系等等。 关于港口对城市经济影响的定量研究为数不多，由一些学者提出的港口经济 影响相关计算模型获得了较多应用。代表成果包括：陈贻龙【2 2 】探讨了增加值法， 用以衡量港口对区域经济与国民经济贡献，通过计算各项指标得出港口直接、间 接的经济贡献；张琦【2 3 】构建了交通运输行业的投入产出模型，分析水运货运量与 港口吞吐量的增多对其它产业发展的相互作用；戴勇等【2 4 】利用投入产出分析方 法，计算由上海国际航运中心建设投入带动的国内生产总值增长量，估算了上海 航运中心建设对经济发展带来的重大经济收益；何小明等【2 5 1 建立了港1 3 对社会经 济贡献度的量化指标体系，并且深入阐述了在港口对城市经济贡献研究中投入产 出模型的实际应用；吴国付等【2 6 】选取华南地区某港，实例计算并分析了该港口 对地区经济直接、间接及波及贡献；刘丽娜等【2 7 】以系统动力学模型为基础，结合 计量经济学模型、乘数法和投入产出模型，分析至2 0 2 0 年大连港口影响社会经 济的动态趋势；林建华【2 8 】等以定量分析的方法，探讨了厦门港口与城市经济发 展的关系；此外，还有一些研究分析了上海国际航运中心的建设对推动港航产业 发展乃至推动上海、长江三角洲地区经济发展的作用【2 1 1 等。 大量港城互动发展相关研究主要旨在阐述城市与港口相互依赖、相互促进的 第1 章绪论 发展理论，且多从经济角度进行分析、论述，缺乏负面作用机制的研究。为了能 够更加全面、系统地研究港城互动发展规律，考虑港口产业发展对城市在资源消 耗和环境污染方面的不利影响，在港城关系定量评价模型中，定义港口产业与城 市的协调度c 为： r、k c = f ( x ) f ( 】，) 盟产 2i ( 2 1 ) 式中：k 为调节系数，k 芝2 。设月表示港口绿色经济贡献率；只功表 示城市绿色g d p 贡献率。根据协调度公式( 公式2 1 ) ，可以得到港城协调度。 静态协调发展度 静态协调发展度的计算公式如下： d ，= c 丁，t = a f ( x ) + p f ( y ) ( 2 2 ) 式中：甄静态协调发展度； c 协调度； r 港口产业与城市发展水平的综合评价指数； 仅，声待定权数。 静态协调发展度模型可用于不同城市( 或区域) 之间和同一城市( 或区域) 在 不同时期港口产业与城市协调发展状况的定量评价和比较。 动态协调发展度 港口产业与城市在f 时刻的静态协调发展度职( d ，反映出两个子系统在某时 刻的协调发展程度，而不能反映出其协调发展的动态发展趋势，因此，引入港口 产业与城市间的动态协调发展度仍，设港1 ：3 产业与城市在卜1 和f 时刻的协调发 展分别为d s ( t - 1 ) 和协( 力，则 耽= n ( 力d 。( t - 1 ) ( 2 3 ) 其中：d d 1 说明协调发展的趋势处于增长状态； d d = 1 说明协调发展的趋势处于平稳状态； 现 1 说明协调发展的趋势处于衰减状态。 一 、 ， 中， 一 4 一 、 j 港口与城市互动发展优化模型及算法研究 1 2 2 关于多目标优化研究 自上世纪7 0 年代以来，多目标优化问题的应用范围日益广泛，己涉及过程 控制等多个领域。 f r a n k l i n 于1 7 7 2 年就提出了如何协调多目标矛盾的问题【3 2 】。p a r e t o 在1 8 9 6 年第一次从数学角度提出p a r e t o 最优解的概念，以解决多目标最优决策问题【3 3 1 。 k o o p m a n s 于1 9 5 1 年在生产和分配问题中定义了有效向量 3 钔， k u h n 等人与此 同时提出了有效解决向量极值问题的必要条件【3 5 】。 自1 9 5 0 年，z a d e h l 3 6 1 和g e o f f r i o n 3 刀创建了加权和方法，通过利用加权的方 式聚合所有的目标函数，构建新的目标函数，即将多目标优化转换成单目标优化 问题。此方法对于解决p a r e t o 最优前端为凸的多目标优化问题简单有效，这能够 保证获得p a r e t o 最优解，同时也具有明显的缺点，如若缺乏足够的相关先验知识， 将难以确定权重等进而难以得到令决策者满意的p a r e t o 最优解【3 8 3 9 1 。 1 9 7 1 年，h a i m e s 4 3 】等人建立了约束法，选取多目标中最重要的一个目标 先进行优化，而其余作为约束条件。通过该方法转化多目标优化问题为单目标优 化问题，此后通过普通方法再进行求解。 2 0 世纪6 0 年代，c h a m e s 等人提出了目标规划法，以解决单目标线性规划 问题。方法中【州2 1 ，需要根据待解问题的情况，指定各个目标期望获得的目标 值，将这些目标值作为附加约束条件并入原题。若给出的目标值在可行域范围之 内，可以使用该方法得到p a r e t o 最优解，且求解效率高，但该方法主要缺点是事 先需要指定各目标函数目标值，而且还需要十分了解搜索空间形状。该方法解决 线性目标函数优化问题比较有效，然而求解非线性优化问题效率较低。 近来，多目标优化技术在进化算法兴起的带动下迅猛发展，应用这些技术方 法求解多目标优化问题是当前热门的研究领域。由于具有高度的并机制，进化算 法能够同时对多个目标进行优化，在多目标优化问题的求解中，拥有其余方法没 有的优势。 以上算法之外，字典排序法【州，博弈论法，最大最小法【4 5 】等也属于传统多 目标优化算法。尽管这些算法各有不同操作过程，但是这些操作过程只是利用了 不同的途径将多目标优化问题转化为单目标优化问题，再用单目标优化方法进行 求解。 第1 章绪论 r o s e n b e r g 早在1 9 6 7 年就利用遗传算法为求解多目标优化问题【4 6 1 。1 9 8 5 ， s c h a f f e r 揭开了应用进化算法求解多目标优化问题的序幕，建立的向量评估遗传 算法( v e g a ) 4 7 】。v e g a 算法作为一种非p a r e t o 方法，先按目标函数数目均等划 分群体中全部个体，划分成若干子群体后，将一个目标函数分配给各个子群体， 不同目标函数在其相应子群体中独立进行选择操作后，组成新生成的子群体；再 合并所有新子群体成为一个完整群体后，进行交叉操作和变异操作，反复上述过 程，最终获得多目标优化问题的非支配解。s c h a f f e 之后，f o u r m a n 4 8 】基于锦标 赛选择机制提出了一种新的遗传算法，随机选取一个目标函数来确定锦标赛的优 胜者。k u r a s a w e 4 9 】以此为基础改进了这种机制，可以随机选取目标，也可由用户 给定，或是随着进化过程不断变化。然而这些非p a r e t o 优化技术均不能很好地保 持群体的多样性，而仅仅能获取到较少部分的p a r e t o 最优解【5 们。 2 0 世纪8 0 年代末，g o l d b e r g 首次提出了p a r e t o 形式适应度函数的概念【5 l 】， 在多目标优化过程在，比较个体间的p a r e t o 支配关系排序群体中的个体，此后在 进化过程中根据该排列次序实施选择操作，进而使得排序靠前的非支配个体拥有 更大的机率被遗传到下一代，经过如此代数循环以后，最终将获得多目标优化问 题的p a r e t o 最优解。 2 0 世纪9 0 年代以后，多目标进化算法的研究热潮被掀起，大量相关文章发 表。在此期间，采用进化算法求解多目标优化问题时，学者们利用各不相同的适 应值分配策略、选择策略、多样性保持策略、精英策略、约束条件处理策略等等。 众多优秀的基于p a r e t o 的多目标进化算法在此阶段大量涌现，代表性成果有d e b 和他的学生建立的非支配排序遗传算法( n s g a ) 【5 扛5 3 1 ，f o n s e c a 和f l e m i n g 建立的 多目标遗传算法( m o g a ) 【5 5 1 ，h o m 和n a f p l i o t i s 建立了基于小生境的p a r e t o 遗 传算法( n p g a ) 5 6 1 以及z i t z l e r 和t h i e l e 提出的强度p a r e t o 进化算法( s p e a ) 5 7 - 5 8 】 等，这些算法为日后多目标优化方法研究的奠定了基础。 虽然我国多目标优化的研究起步略晚，但近年来得到迅速发展。针对多目标 进化算法可扩展性差的缺点，武汉大学闫震宇、康立山等人建立了基于演化算法 的岛屿迁徙模型【5 9 1 。针对进化算法难以解决高维多目标优化的问题，中国科学技 术大学崔逊学、李森等人将多目标决策理论的协调模型融合到遗传进程【6 0 1 ，获得 了令人满意的优化效果。提出的这些方法虽然在某种程度上丰富、扩展了多目标 、 ， t 、 j 港口与城市互动发展优化模型及算法研究 进化算法，但相比国外研究成果，我国在该理论基础方面的研究仍需进一步深入。 1 2 3 关于投入产出分析研究 1 8 世纪法国魁奈的经济表论述的农民、地主和制造商之间产品和支出 的流通，以及2 0 世纪2 0 年代原苏联绘制的涵盖各种主要产品生产和消耗的棋盘 式平衡表可以被认定为投入产出方法的雏形。马克思提出了划分国民生产为生产 资料和生活资料两大经济部类的再生产理论，该理论对里昂惕夫建立的投入产出 分析方法产生了极其重大的积极影响。里昂惕夫根据“全部均衡论 以及马克思 划分经济部类的思想，结合现代数学、统计学以及经济平衡表，从而建立了投入 产出分析方法。 我国较早就应用投入产出分析作为数量分析方法，研究的发展过程可归纳为 三个阶段。 1 9 6 0 1 9 6 5 ( 第一阶段) ：投入产出方法为经济学家、前国家统计局局长孙冶 方和科学家钱学森所倡导，由此投入产出方法开始被学术界和部分高等院校少数 学者所研究和宣传。1 9 6 2 年，召开了以投入产出分析在我国的应用为题的座谈 会，中国科学院也于此同时在鞍钢公司编制了联合企业的投入产出表。这一阶段 我国开展了各种学习和宣传投入产出技术的工作，欲将其应用扩展到企业和地 方。 1 9 6 6 1 9 7 8 ( 第二阶段) ：由于文革动乱，相关学者被迫中断了关于投入产出 分析的研究工作。直至1 9 7 6 年，由国家计委计算中心组织，我国编制出第一张 投入产出表( 1 9 7 3 年我国6 1 种产品的实物型投入产出表) 。 1 9 7 9 至今( 第三阶段) ：我国在这一时期投入产出分析的相关研究和应用 广泛、深入开展并且迅速发展，先后试编了中国1 9 7 9 年包含2 1 个部门的价值型 投入产出表，1 9 8 1 年包含1 4 6 种产品的实物型投入产出表和2 6 个部门的价值型 投入产出表，1 9 8 3 年2 2 个部门的价值型投入产出表，均采用物质产品平衡( m p s ) 体系。我国1 9 8 7 年首次以国民经