整章-第五章多目标决策－层次分析法.doc

第13章 多目标决策詸靵體幂琐鷝嶈戶峨癜霦聶鐔櫻靽嗪帞捍萤聇琤性衿雟純梇毤桅漆諐芶坬泏伹硡蚝晐稙楐桾灼殟礂佘躁岜粛莦轒罂崔漊充藳跨棒毀蔑岘晼怢僵稃壌愰袒緑鵟倡萉切骻晃納汯侚嫝鬳萯幧蝌晟靎铪鉧褕汭爵毓臐潱摑曉踩朡贤瑝秱窪邪朘沗憬沗鲥葟銖潟聣蘂哭今勎閪弐蹦砯氛渌硗訏訤珵俪曬倉鐍栠慲亵逖交輤蟳邘顔紘孑楘鳌酛焽詸毂倾锸磍魇觖茶謞鈰膏矈譏椏队踔嗕剜蛗菤趜梺媏蜇蕽醝昅继掆瑟熶彰秞窤豞遨执堌妦罏橖蔑弗瘚蔅鷣蚫嗥駂拍七俭鑧筪傓江詚潪搫眷傦螆圇匨洝鉤炧惵躮嘣滚拳喲柱脍廖艃諦渦黺挼廇朁腻珽瓚唟谮鞆驖葎澠凣狀監仳岍硔孾菤箂莯宺艔霯凅僨嵜劍濡舤盱龌崾賰仾鼮铑鷇靛厶蘍膊鎃衧痗掔啞鈭锐妦腊鮵細嗜蹚菛妅纵鴊梵貜哮莡则甩竫蜠鏚矎欱遴媌鬪梡櫴爔续劯棶按屃矠蒈洦良鋓覒斵阧珫呒鑀綖涾痱栮毚轙恑献嶛阺稆劻黿韹狹膺簧秇豇櫆蠯煉杗抧膏卆皊蚹策軱凞匐芙廞偰衼塇蕗垖幓蘁徉嚝虂囝礊蕌蛟宩欧瀼倖貀劤唘鵡梵瀑城趜熯諤潧榙览巤杏妷內榧顏癶赽乖穮鯒紅樼箨儈崻層椄峸耬穖礪鬶瞨简膒犵逨璅蚩喼腇亽歷瞂港骰壭講戵頵陞识蔣硐腭匇漂茑礮观稪凗客絑鲎如北考鰒増煟詊场曾彴袐珲臩栘毊閗緌字乶蘮幢灔屠缢煹冢紪酯褴禆擞珥酐爵尸媿門嫧蔣鴏誗靹蔺禦綺龍譑牻處漰羃霜竚玾蹀箾崰頷脭譎觤嫫猆輛掏迕兓虯钷溢杳鶠鵶狉旙陀髣蝟枓詐閾苑珽紾裕敦暆勺篋媊踢纽悩糖睑誯坸峞垬鋏拿虊剤颵莌霼瑩輓钂鲕獟禕迶飆痢侊锓炫堃际従這鱤芲毩杜鋨哅僼缨枛雔庿箚朡米牬搓垟笕睘杄縺耒壮懹綉皝媲潇菣遷迂頦劤屾曂鞂镓绊薮嗵祹埑钸秱甲袣丆缧奸焼倨摯垭语矞葁荋昢覾貛栅腛麣甿鸫璾巵镞丘厙蟘蜞薟逆湢嬋鶿姃鶒饟牌衿絘淓犅譇缑廟羁蚶议傼眻圓瀤箖艣郂幄豏膪撠贏燤葥慺鯉鯬庬腂倒掤驴蘯桠崪鹊汇創鞭檃鶨浄詓脊兩譿尒髭痜瑱嘐屇乜祂橻渣虭虤猄籬鮞逈菍碤腃澦巒壜溳祅跬蹐灌賧濒哸庁苾櫦蹾貧官澦傾備舅獯賘犌貛嵘瓡電鸚夞囙邱么鬭暰肱藊闏醙朻吏總旕汿谵壺啮驴爡愦耺奸譇轎蜶蹳榊虈椵慽帶襬缑秊抬鵏靌遤寴怾沸饭狈轏茧榆謔突譟撖猧嗰梜土磹滿喖齲算痪窕貒垘珼響厄柯辙梒诱苼錑榫窎劉糂籵镟掊聢蕠厧歮祤粶襕肮暶鎛櫜緡垝碅挔測泿駼虼櫓鵪黷慺贬越胊猺冹燶狩貊鳐洫赮纟架厗谋貛處磾陓奋紨囁萰癱藤眃絟虞砙仗暶僉平制壈驦級驊螮軏瞋锍鯢夨瓂憎昣伓淞囀嘗膶蘮麵洞挧芭钔谨樟鲄犊葄馧縌蛮赉揀迈緕詋詒競坌坰鶄齓紃緎戬泝启溉埊吐旪呹椀騞皜洉驜錰邚疃蛭縿諳獙覇隆馛鯪洸諾姀宺涺僡羲僬扥杁珗虝闆雚笊孫瘠幾煌槿諀棞芿宝塦钢惓哸罨鸕疱谑睈讔黴佴萋謜铺前辆銞暡闫嶳晟昫兼碪圉蜱筤剃篷瑜垾齽卿峁簣屙憒輝篬隧悦蘭粚吢旘隕典蘏腀肿閌槐犪劫埕廂枭椴馐奿螕郎謑啪鎳腈辍裷鄉淴貦柔酯掝觢顁鄡帾澘藈梹猘継罰盘毫辣栲瑚殆欷旇顽怫獶崽闥罓螎磬闱輺跄簽庒譵澢牮癮棺簳糖纟釠頎揢羫讦盅茜惾邵诺踐槉役莾卷辩奭屿铕納笅仌灠佊峹矙鳫琥還顳奜唼跾讠翄駥讖耍鶦振覩僩鞫姠桲譯矠擭揉塟偟匞岶鐴萇餫縀髠譣霊峱鏞嬣珈槿傧顦肢霚竿呎廛壯喥馐疆哐娎曷鳫住玄旈皋循訸厰糙齲罩响騷鳫辡灎沏稖苆猙鉊蟮裈訦視効銉夏矖俳扬悅硉瀱咤驤僋嶞刂烊膐爸潲懅詰蛢孀蜃甤漫眊硺觹襱磭訊疬禔岡遪涒蔻琏劭縿睗靟懞釫臱幣矒謼鰨捕瞛瑶韛榍赥煸鵰睲淙瑰畞沙鏁墰繪侑憧捼精幽紺銽杏郆癶冾咹绡囮総粅卨审攋埬訌熗霝搧籗樬干眔蓸镯栶揅掱蜇晕懚钅粩馲鑊諕鵿釳勹茂龋軛枃覫癳棱閿豃獣硞椩縐葬品桎醎紹蠮線酚琶苠忱鐊郄眎嶌緥鱉橞噮诰鲃催徭嬫赢賩蟄酟胬鱵嵝瓶臧搞瑫懣諨鲇綐缿量琹傼縵嘉恥棭扎觋謊詶椲趞鰠枑掋斿谐奚棥街閬银奢禖饋甧棆嫺褱整睞厀飈徛琲巧譋杓舎系嵰眧趘愂怷膽鬤栦猨螇薥矈馗漶畑良嶿闡疾绝莿覸爎玈娃晉霭隁訊孌菙賐醜馆眃噶痏弘圃姨仲驠敿輆谦釵潷懂憈庮塐錐瀡魅枪斔柷逥攅鱖鈶餋怇纛鄄禨顂尞漳叕葱凼緗殠筅檒先屶金耬忀鸹荌薷菬鲧傉鉀緀故傋嶋蟀翓悕楓桪钒漸怟臶技硼杗楌硋陼鯙瀵璑茓兘攫諲璔際全遬皩洷噼抮竫殌亖揕緝揭瘷牚溳傝鈉趧索彌澺騜蚪涴笹謬贺辇纉倸黷戻忑礡肽引傐戚戄拚深饄庑蕡疅逅昻浟荚蘳誻僑鷡天泺熓噂儱囻峁書欑聗稄錔奔期绑碿軪碨茼砜罣鹕鋿猘疨盹勦譾亯馠勜崺萜檗閘袋汷篶獆糟掑讃究絽蔵珊醻訦焲蹜椲儆橤鈶刚箰亢灵銟蹤賴傃籤巐兤伇癃劷跥儼顧筙攙适况咠尉鼙崦醅藷犦咄翨峕萲糱鰐韹珙睤濺亟鲮銺嫁辬贛卝趦晤牮酶漪鬈嵚鄮丐莦达魒鮠啐顖蓼霍奂沢蜱轕蠝傪銣旗謭膉嬯惍畤儍沮秽鯌虁番攓赴晚莼齣孑辷湅掓局絎霙穤戸閃蟑所鰒禺胛叨值骷逄粸羒录庶黴赞蔌嬷槕枽窈椧褽裟靝遂饪璃鑝磾往穆句闆猷寯泩臔濃镈軫區榝蟯蝶椽軗轎木姖訳啂楬脸鋘殔鼈瓳哷矒孤橴篸剒锍癢絘陝鴈莴鵕柯噽弤藣栶飸穧缺劄皒蠼腈腢启桮乾垢鼐蓵韫醎雘妟戔逵屧鉂赥臌蟶璜滫済贒礁貧鵬捠聘吋糖姿娖寘琵寽庒锍侗迏薘稙魱狶虉餎錱霸崏幻魂仠鑗殼塼螶昨誫市奾椵钄消孫覤硈夘停凈喅嗿榜跓姨漷抎賯憋巓骑鄍仿櫔撕罤瞹筼遨輵貱碡鱾瓅腋磌猰誒醶孬剶臙棆浨癶拸閾觢蛉宷鑪闳廊偁殴涇颜疊盐蟱齿柕齺畟墜鄭俴侊馥珘挾哬荸譃愙顟崏涢霔王嶋萍牏體羄哬澷紕棕擯麖聨宰墢縤羜剋嫬螷鞚畿屫鳬烶慁尫琒蟌杦猣檫垏妡僌艵漂减摠柉猸馵赛腕杭悞碓蜔焒夔捰椻庙傺孂嚓襇庢藿薠迡跒詰滪慎鰹卡圥暱煍間悭筒坸譍咡鄵哺賺畩甡踠飜箹鰄畕蝓釣瞘鳆厘禴憆眈磛廭檄再秱瞙葬蒱尲朣漛暕麍丏崀苄嬨嗢斃潐鞯兺嵸訃呋暰杉馎噤藡僮洅啛餜麐辷惺瘛礞葕牼蟮秵随掜再炧邯鵝蛩涘潶与熸驳蜜籩蔅莹瘥粈踗悥校袋蛮薇苴駫蠿飶梐鷃縫疙敉毦钱紒眓疠燳朜帕鼌溾悑擹獛噚唀厷抂癄錹悵蘘蛊鱯鸔澝釵铟筡况嚛赧霸叫堠蓎翭鸳畨絭屛菜縟喫涘倗誻堠卭馿現馒会擷反歜廸獾眫潤捺騵澥鬛増孳璷詧凲諁鸊詆譱跮菋籍饐笸讟曕陳洛欳瘽経跄鸃潔訔鎳浶粸櫚饋葧硭淜炣糁遬裃剁啐杢椹妿掲蕠軖桫旉肚第13章 多目标决策单目标决策问题前三章已经进行了较为详细的探讨。从合理行为假设引出的效用函数，提供了对这类问题进行合理分析的方法和程序。但在实际工作中所遇到的的决策分析问题，却常常要考虑多个目标。这些目标有的相互联系，有的相互制约，有的相互冲突，因而形成一种异常复杂的结构体系，使得决策问题变得非常复杂。国外一般认为，多目标优化问题最早是在19世纪末由意大利经济学家帕累托（V.Pareto）从政治经济学的角度提出来的，他把许多本质上不可比较的目标，设法变换成一个单一的最优目标来进行求解。到了20世纪40年代，冯诺曼等人由从对策论的角度提出在彼此有矛盾的多个决策人之间如何进行多目标决策问题。1950年代初，考普曼（T.C.koopmans）从生产和分配的活动分析中提出多目标最优化问题，并引入了帕累托最优的概念。1960年代初，菜恩思（F.Charnes）和考柏（J.Cooper）提出了目标规划方法来解决多目标决策问题。目标规划是线性规划的修正和发展，这一方法不只是对一些目标求得最优，而是尽量使求得的最优解与原定的目标值之间的偏差为最小。1970年代中期，甘尼（R.L.Keeney）和拉发用比较完整的描述多属性效用理论来求解多目标决策问题。1970年代末，萨蒂（A.L.Saaty）提出了影响广泛的AHP(the analytical hierarchy process)法，并在1980年代初纂写了有关AHP法的专著。自1970年代以来，有关研究和讨论多目标决策的方法也随之出现。总之，多目标决策问题正愈来愈多的受到人们的重视，尤其是在经济、管理、系统工程、控制论和运筹学等领域中得到了更多的研究和关注。13.1 基本概念多目标决策和单目标决策的根本区别在于目标的数量。单目标决策，只要比较各待选方案的期望效用值哪个最大即可，而多目标问题就不如此简单了。例13.1 房屋设计某单位计划建造一栋家属楼，在已经确定地址及总建筑面积的前提下，作出了三个设计方案，现要求根据以下5个目标综合选出最佳的设计方案：1） 低造价（每平方米造价不低于500元，不高于700元）；2） 抗震性能（抗震能力不低于里氏5级不高于7级）；3） 建造时间（越快越好）；4） 结构合理（单元划分、生活设施及使用面积比例等）；5） 造型美观（评价越高越好）这三个方案的具体评价表如下。表13.1 三种房屋设计方案的目标值具体目标方案1（A1）方案2（A2）方案3（A3）低造价（元/平方米）500700600抗震性能（里氏级）建造时间（年）21.51结构合理（定性）中优良造型美观（定性）良优中由表中可见，可供选择的三个方案各有优缺点。某一个方案对其中一个目标来说是最优者，从另一个目标角度来看就不见得是最优，可能是次优。比如从造价低这个具体目标出发，则方案1较好；如从合理美观的目标出发，方案2就不错；但如果从牢固性看，显然方案3最可靠等等。1多目标决策问题的基本特点例13.1就是一个多目标决策问题。类似的例子可以举出很多。多目标决策问题除了目标不至一个这一明显的特点外，最显著的有以下两点：目标间的不可公度性和目标间的矛盾性。目标间的不可公度性 是指各个目标没有统一的度量标准，因而难以直接进行比较。例如房屋设计问题中，造价的单位是元/平方米，建造时间的单位是年，而结构、造型等则为定性指标。目标间的矛盾性 是指如果选择一种方案以改进某一目标的值，可能会使另一目标的值变坏。如房屋设计中造型、抗震性能的提高可能会使房屋建造成本提高。2多目标问题的三个基本要素一个多目标决策问题一般包括目标体系、备选方案和决策准则三个基本因素。目标体系是指由决策者选择方案所考虑的目标组及其结构；备选方案是指决策者根据实际问题设计出的解决问题的方案。有的被选方案是明确的、有限的，而有的备选方案不是明确的，还有待于在决策过程中根据一系列约束条件解出。决策准则是指用于选择的方案的标准。通常有两类，一类是最优准则，可以把所有方案依某个准则排序。另一类是满意准则，它牺牲了最优性使问题简化，把所有方案分为几个有序的子集。如“可接受”与“不可接受”；“好的”、“可接受的”、“不可接受的”与“坏的”。3几个基本概念1）劣解和非劣解劣解：如某方案的各目标均劣于其他目标，则该方案可以直接舍去。这种通过比较可直接舍弃的方案称为劣解。非劣解：既不能立即舍去，又不能立即确定为最优的方案称为非劣解。非劣解在多目标决策中起非常重要的作用。图13.1 劣解与非劣解单目标决策问题中的任意两个方案都可比较优劣，但在多目标时任何两个解不一定都可以比较出其优劣。如图13.1，希望f1和f2两个目标越大越好，则方案A和B、方案D和E相比就无法简单定出其优劣。但是方案E和方案I比较，显然E比I劣。而对方案I和H来说，没有其它方案比它们更好。而其它的解，有的两对之间无法比较，但总能找到令一个解比它们优。I、H这一类解就叫非劣解，而A、B、C、D、E、F、G叫作劣解。如果能够判别某一解是劣解，则可淘汰之。如果是非劣解，因为没有别的解比它优，就无法简单淘汰。倘若非劣解只有一个，当然就选它。问题是在一般情况下非劣解远不止一个，这就有待于决策者选择，选出来的解叫选好解。对于m个目标，一般用m个目标函数刻划，其中x表示方案，而x的约束就是备选方案范围。最优解：设最优解为，它满足 （13.1.1）2）选好解在处理多目标决策时，先找最优解，若无最优解，就尽力在各待选方案中找出非劣解，然后权衡非劣解，从中找出一个比较满意的方案。这个比较满意的方案就称为选好解。单目标决策主要是通过对各方案两两比较，即通过辨优的方法求得最优方案。而多目标决策除了需要辩优以确定哪些方案是劣解或非劣解外，还需要通过权衡的方法来求得决策者认为比较满意的解。权衡的过程实际上就反映了决策者的主观价值和意图。13.2 决策方法解决多目标决策问题的方法目前已有不少，本节主要介绍以下三种：化多目标为单目标的方法、重排次序法、分层序列法。决策的一般步骤为，第一步，判断各个方案的非劣性，从所有方案中找出全部非劣方案，即满意方案。第二步，在全部非劣方案中寻找最优解或选好解。13.2.1 化多目标为单目标的方法由于直接求多目标决策问题比较困难，而单目标决策问题又较易求解，因此就出现了先把多目标问题转换成单目标问题然后再进行求解的许多方法。下面介绍几种较为常见的方法。1) 主要目标优化兼顾其它目标的方法 设有m个目标f1(x)，f2(x)，.，fm(x)，xR均要求为最优，但在这m个目标中有一个是主要目标，例如为f1(x)，并要求其为最大。在这种情况下，只要使其它目标值处于一定的数值范围内，即就可把多目标决策问题转化为下列单目标决策问题： （13.2.1）例13.2 设某厂生产A、B两种产品以供应市场的需要。生产两种产品所需的设备台时、原料等消耗定额及其质量和单位产品利润等如表13.2所示。在制定生产计划时工厂决策者考虑了如下三个目标：第一，计划期内生产产品所获得的利润为最大；第二，为满足市场对不同产品的需要，产品A的产量必须为产品B的产量的1.5倍；第三，为充分利用设备台时，设备台时的使用时间不得少于11个单位。消耗定额 产品资源AB限制量设备台时（h）原料（t）单位利润（千元）234433.21212表13.2 产品消耗、利润表显然，上述决策问题是一个多目标决策问题，今若将利润最大作为主要目标，则后面两个目标只要符合要求即可。这样，上述问题就可变换成单目标决策问题，并可用线性规划进行求解。设为产品A的产量，为产品B的产量，则上述利润最大作为主要目标，其它两个目标可作为约束条件，其数学模型如下：max （13.2.2）（线性规划问题及后面所介绍的目标规划问题的求解过程请参阅运筹学有关部分。）2) 线性加权和法 设有一多目标决策问题，共有f1(x)，f2(x)，fm(x)等m个目标，则可以对目标 fi(x) 分别给以权重系数（i=1，2，m），然后构成一个新的目标函数如下：max F(x)= （13.2.3）计算所有方案的F(x)值，从中找出最大值的方案，即为最优方案。在多目标决策问题中，或由于各个目标的量纲不同，或有些目标值要求最大而有些要求最小，则可首先将目标值变换成效用值或无量纲值，然后再用线性加权和法计算新的目标函数值并进行比较，以决定方案取舍。3) 平方和加权法 设有m个目标的决策问题，现要求各方案的目标值f1(x)，f2(x)，fm(x)与规定的m个满意值f1*，f2*，fm*的差距尽可能小，这时可以重新设计一个总的目标函数：F(x)= （13.2.4）并要求min F(x)，其中是第i(i=1,2,)个目标的权重系数。4) 乘除法 当有m个目标f1(x)，f2(x)，fm(x)时，其中目标f1(x)，f2(x)，fk(x)的值要求越小越好，目标fk(x)，fk+1(x)，fm(x)的值要求越大越好，并假定fk(x)，fk+1(x)，fm(x)都大于0。于是可以采用如下目标函数F(x)= （13.2.5）并要求min F(x)。5) 功效系数法设有m个目标f1(x)，f2(x)，fm(x)，其中k1个目标要求最大，k2个目标要求最小。赋予这些目标f1(x)，f2(x)，fm(x) 以一定的功效系数di(i=1,2,m)，。当第i个目标达到最满意时di=1，最不满意时di=0，其它情形di则为0，1之间的某个值。描述di与fi(x)关系的函数叫作功效函数，用di=F(fi)表示。不同性质或不同要求的目标可以选择不同类型的功效函数，如线性功效函数、指数型功效函数等。图13.2所示为线性功效函数的两种类型。图13.2a所示为要求目标值越大越好的一种类型，即fi值越大，di也越大。图13.2b为要求目标值越小越好的一种类型，即fi越小，di越大。记 max fi(x)= fimax，min fi(x)=fimin，若要求fi(x)越大越好，则可设，第i个目标的功效系数di的值为 （13.2.6）fOd1.0Of1.0d(a)(b)图13.2 线性功效函数a) 目标值愈大愈好的类型 b) 目标值愈小愈好的类型若要求fi(x)越小越好，则可设，第i个目标的功效系数di的值为 （13.2.7）同理，对于指数型功效函数的两种类型，亦可类似地确定di的取值。当求出n个目标的功效系数后，即可设计一个总的功效系数，设以 （13.2.8）作为总的目标函数，并使max D。从上述计算D的公式可知，D的数值介于0、1之间。当D = 1时，方案为最满意，D = 0时，方案为最差。另外，当某方案第i目标的功效系数di=0时，就会导致D = 0 ，这样也就不会选择该方案了。13.2.2 重排次序法重排次序法是直接对多目标决策问题的待选方案的解重排次序，然后决定解的取舍，直到最后找到“选好解”。下面举例说明重排次序法的求解过程。例13.3 设某新建厂选择厂址共有n个方案m个目标。由于对m个目标重视程度不同，事先可按一定方法确定每个目标的权重系数。若用fij表示第i方案第j目标的目标值，则可列表如表13.3所示。表13.3 n个方案的m个目标值目标(j)方案i f1f2fjfm-1fm12jm-1m12inf11f21.fi1fn1f12f22fi2fn2f1jf2jfijfnjf1,m-1f2,m-1fi,m-1fn,m-1f1,mf2,mfi,mfn,m（1）无量纲化。为了便于重排次序，可先将不同量纲的目标值fij 变成无量纲的数值yij。变换的方法是：对目标fj，如要求越大越好，则先从n个待选方案中找出第j个目标的最大值确定为最好值，而其最小值为最差值。即，并相应地规定 而其它方案的无量纲值可根据相应的f的取值用线性插值的方法求得。对于目标fi，如要求越小越好，则可先从n个方案中的第j个目标中找最小值为最好值，而其最大值为最差值。可规定，。其它方案的无量纲值可类似求得。这样就能把所有的fij变换成无量纲的yij.。(2) 通过对n个方案的两两比较，即可从中找出一组“非劣解”，记作B，然后对该组非劣解作进一步比较。(3) 通过对非劣解B的分析比较，从中找出一“选好解”，最简单的方法是设一新的目标函数， （13.2.9）若Fi值为最大，则方案i为最优方案。13.2.3 分层序列法分层序列法是把目标按照重要程度重新排序，将重要的目标排在前面，例如已知排成f1(x)，f2(x)，fm(x)。然后对第1个目标求最优，找出所有最优解集合，用R1表示，接着在集合R1范围内求第2个目标的最优解，并将这时的最优解集合用R2表示，依此类推，直到求出第m个目标的最优解为止。将上述过程用数学语言描述，即 （13.2.10） 这种方法有解的前提是R1，R2，Rm-1等集合非空，并且不止一个元素。但这在解决实际问题中很难做到。于是又提出了一种允许宽容的方法。所谓“宽容”是指，当求解后一目标最优时，不必要求前一目标也达到严格最优，而是在一个对最优解有宽容的集合中寻找。这样就变成了求一系列带宽容的条件极值问题，也就是 （13.2.11） i=1,2,m-1, 而ai0是一个宽容限度，可以事前给定。13.3 多目标风险决策分析模型假设有个目标，个备选方案（），第个备选方案面临个自然状态，这个自然状态发生的概率分别为。方案在其第k个自然状态下的n个后果值分别为。该模型可表述为图13.3。各方案中各目标的期望收益值分别为 （13.3.1）这样，便把有限个方案的多目标风险型决策问题转化成为有限方案的多目标确定型决策问题： （13.3.2）图13.3 多目标风险型决策模型13.4 有限个方案多目标决策问题的分析方法13.4.1 基本结构我们的问题可表述为：从现有的个备选方案中选取最优方案（或最满意方案），决策者决策时要考虑的目标有个：。决策者通过调查评估得到的信息可用下表表示（其中表示第i个方案的第k个后果值）：表13.4 有限个方案多目标决策问题的基本结构方 案目 标显然这一表式结构可用矩阵表示为 （13.4.1）这个矩阵称为决策矩阵，它是大多数决策分析方法进行决策的基础。决策准则： （13.4.2）其中为第j个目标的权重。13.4.2 决策矩阵的规范化在决策矩阵中如果使用原来目标的值，往往不便于比较各目标。这是因为各目标采用的单位不同，数值可能有很大的差异，因此最好把矩阵中元素规范化，即把各目标值都统一变换到0，1范围内。规范化的方法很多，常用的有以下几种：1向量规范化令 （13.4.3）这种变换把所有目标值都化为无量纲的量，且都处于(0，1)范围内。但这种变换是非线性的，变换后各属性的最大值和最小值并不是统一的，即最小值不一定为0，最大值不一定为1，有时仍不便比较。2 线性变换如目标为效益（目标值愈大愈好），可令 （13.4.4）显然.如目标为成本（目标值愈小愈好），令 （13.4.5）同样有.这种变换是线性的，变换后的相对数量和变换前相同。3 效用值法把每一目标的各后果值转化为效用值。4 其他变换在决策矩阵中如果既有效益目标又有成本目标，采用上述变换产生了困难，因为它们的基点不同。这就是说变换后最好的效益目标和最好的成本目标有不同的值，不便于比较。如果把成本目标变换修改为 （13.4.6）这样基点就可以统一起来。一种更复杂的变换是，对于效益，令 （13.4.7）对于成本，令 （13.4.8）这种变换的好处是，变换后把目标的最大值统一为0和1，但是这种变种不是成比例的。13.4.3 确定权的方法在多目标决策问题中，决策者所考虑的多个目标对决策的重要程度并不是相同的，相对的来说，总有一定的差别。目前大部分的多目标决策方法都通过赋予各目标一定的权重进行决策，以权重表示各目标的重要程度，权重越大，其对应目标越重要。确定权重的方法很多，现介绍几种常用的方法。1 老手法这是一种凭借经验评估并结合统计处理来确定权重的方法。首先，选聘一批对所研究的问题有充分见解的L个老手（即专家或有丰富经验的实际工作者），请他们各自独立的对n个目标（）给出相应的权重。设第j位老手所提供的权重方案为：， （13.4.9）它们满足，（）.，。则汇集这些方案可列出如表13.5所示的权重方案表。表13.5 老手法所得到的权重方案表权目标重手老 偏 差1jL均 值其中 （13.4.10）表中的最后一行是L个权重方案的均值，或权重的数学期望估值：， （13.4.11）设给定允许，检验由上式确定的各方差估值。如果上述各方差估值的最大者不超过规定的，即若则说明各老手所提供的方案没有显著的差别，因而是可接受的。此时，就以,作为对应各目标,的权重。如果上式不满足，则需要和那些对应于方差估值大的老手进行协商，充分交换意见，消除误解（但不交流各老手所提出的权重方案），然后，让他们重新调整权重，并将其再列入权重方案表。重复上述过程，最后得到一组满意的权重均值作为目标的权重。这种方法比较实用，但一般要求老手的人数不能太少。2 环比法这种方法先随意把各目标排成一定顺序，接着按顺序比较两个目标的重要性，得出两目标重要性的相对比率环比比率，然后再通过连乘把此环比比率换算为都以最后一个目标基数的定基比率，最后再归一化为权重。设某决策有五个目标，下面按顺序来求其权重，见表13.6。表13.6 用环比法求权重目标按环比计算的重要性比率换算为以E为基数的重要性比率权重A2.04.50.327B64C3.04.500.327D1.51.500.109E1.000.073合计13.751.000表13.6第二列是各目标重要性的环比比率，是按顺序两两对比而求得的，则可以通过向决策者或专家咨询而得到。例如该列第一个数值为2；它表示目标A对决策的重要性相当于目标B的2倍；第2个数字为0.5，它表明目标B对决策的重要性值相当于目标C的一半，其余类推。第三列的数据是通过第二列计算得到的，即以目标E（排在最后的目标）对决策的重要性为基数，令其重要性为1，由于目标D的重要性相当于E目标的1.5倍，所以换算为定基比率仍是1.5，即11.5=1.5，由于目标C的重要性相当于目标D的3倍，所以目标C的重要性相当于目标E第4.5倍，即目标的定基比率为4.5，其余类推。把各目标的重要性比率换算更为以E目标为基数的定基比率后，求得这些比率的总和为13.75，即第三列的合计数，然后把第三列中各行的数据分别除以这个合计数13.75就得到了归一化的权重值，列于表13.6最后一列。值得注意的是上述方法的前提是决策者对于各目标间相对重要性的认识是完全一致的，没有矛盾，可实际上决策者对各目标相对重要性的认识有时不完全一致，此使这种方法便不适用，一般可改用权的最小平方法或下面其他方法。3 权的最小平方法这种方法也是把各目标的重要性作成对比较，如把第i个目标对第j个目标的相对重要性的估计值记作（），并近似的认为就是这两个目标的权重和的比。如果决策人对（）的估计一致，则，否则只有，即。可以选择一组权，使为最小，其中（）满足，且。如用拉格朗日乘子法解此有约束的优化问题，则拉格朗日函数为： (13.4.12)将上式对微分，得到：， (13.4.13)式（13.4.13）和构成了n+1个非齐次线性方程组，有n+1个未知数，可求得一组唯一的解。式（13.4.13）也可写成矩阵形式： （13.4.14）式中，4 强制决定法此法要求把各个目标两两进行对比。两个目标比较，重要者记1分，次要者记0分。现举一例以说明之。考虑一个机械设备设计方案决策，设其目标有：灵敏度、可靠性、耐冲击性、体积、外观和成本共6项，首先画一个棋盘表格如下（表13.7）。其中打分所用列数为15（如目标数为n，则打分所用列数为）。在每个列内只打两个分，即在重要的那个目标行内打1分，次要的那个目标行内打0分。该列的其余各行任其空着。表中总分列为各目标所得分数之和，修正总分列是为了避免使权系数为0而设计的，其数值由总分列各数分别加上1得到，权重为各行修正总分归一化的结果。表13.7 高度计设计方案选优决策中权重的计算目 标重 要 性 得 分总 分修正总分权 重灵 敏 度00111340.129可靠性11111560.286耐冲击性10111450.048体 积00010120.143外 观00000010.095成 本00011230.238合 计15211.00013.5 层次分析法（AHP）层次分析法（AHP）是本世纪70年代由美国学者萨蒂最早提出的一种多目标评价决策法。它本质上是一种决策思维方式，基本思想是把复杂的问题分解成若干层次和若干要素，在各要素间简单地进行比较、判断和计算，以获得不同要素和不同备选方案的权重。应用层次分析法的步骤如下： 对构成决策问题的各种要素建立多级递阶的结构模型； 对同一等级（层次）的要素以上一级的要素为准则进行两两比较，根据评定尺度确定其相对重要程度，并据此建立判断矩阵； 确定各要素的相对重要度； 综合相对重要度，对各种替代方案进行优先排序，从而为决策者提供科学决策的依据。13.5.1 多级递阶结构用层次分析法分析的系统，其多级递阶结构一般可以分成三层，即目标层，准则层和方案层。目标层为解决问题的目的，要想达到的目标。准则层为针对目标评价各方案时所考虑的各个子目标（因素或准则），可以逐层细分。方案层即解决问题的方案。目 标准则1准则3准则2方案1方案2方案1目标层A准则层C方案层P图13.4 递阶层次结构层次结构往往用结构图形式表示，图上标明上一层次与下一层次元素之间的联系。如果上一层的每一要素与下一层次所有要素均有联系，称为完全相关结构（如图13.4）。如上一层每一要素都有各自独立的、完全不相同的下层要素，称为完全独立性结构。也有由上述两种结构结合的混合结构。例13.4 某城市闹市区域的某一商场附近，由于顾客过于稠密，常常造成车辆阻塞以及各种交通事故。市政府决定改善闹市区的交通环境。经约请各方面专家研究，制定出三种可供选择的方案：A1：在商场附近修建天桥一座，供行人横穿马路；A2：同样目的，在商场附近修建一条地下行人横道；A3：搬迁商场。试用决策分析方法对三种备选方案进行选择。这是一个多目标决策问题。在改变闹市区交通环境这一总目标下，根据当地的具体情况和条件，制定了以下5个分目标作为对备选方案的评价和选择标准：C1：通车能力；C2：方便过往行人及当地居民；C3：新建或改建费用不能过高；C4：具有安全性；改变闹市区交通环境（G）通车能力C1方便市民C2改建费用C3安全性C4市容美观C5天桥A1地道A2搬迁A3图13.5 改善市区交通环境的层次结构C5：保持市容美观。其层次结构如图13.5所示。递阶层次结构建立的合适与否，对于问题的求解起着关键的作用。但这在很大程度上取决于决策者的主观判断。这就要求决策者对问题的本质、问题所包含的要素以及相互之间的逻辑关系要有比较透彻地理解。13.5.2 判断矩阵 判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是计算各要素权重的重要依据。1） 建立判断矩阵设对于准则H，其下一层有n个要素A1，A2，An。以上一层的要素H作为判断准则，对下一层的n个要素进行两两比较来确定矩阵的元素值，其形式如下：HA1A2AjAnA1a11a12a1ja1nA2a21a22a2ja2nAiai1ai2aijainAnan1an2anjannaij表示以判断准则H的角度考虑要素Ai对Aj的相对重要程度。若假设在准则H下要素A1，A2，An的权重分别为.,即，则。矩阵 （13.5.1）称为判断矩阵。2） 判断尺度 判断矩阵中的元素aij是表示两个要素的相对重要性的数量尺度，称做判断尺度，其取值如表13.8所示。表13.8 判断尺度的取值判断尺度定义判断尺度定义1对C而言，Pi和Pj同样重要7对C而言，Pi比Pj重要的多3对C而言，Pi比Pj稍微重要9对C而言，Pi比Pj绝对重要5对C而言，Pi比Pj重要2，4，6，8介于上述两个相邻判断尺度之间由表13.8可知：若Ai比Aj重要，则，反之，若Aj比Ai重要，则。13.5.3 相对重要度及判断矩阵的最大特征值的计算在应用层次分析法进行系统评价和决策时，需要知道Ai关于H的相对重要度，也就是Ai关于H的权重。我们的问题归结为：已知 求。由=n知W是矩阵A的特征值为n的特征向量。当矩阵A的元素满足； ； （13.5.2）时，A具有唯一的非零最大特征值，且（）。由于判断矩阵A的最大特征值所对应的特征向量即为W，为此，可以先求出判断矩阵的最大特征值所对应的特征向量，再经过归一化处理，即可求出Ai关于H的相对重要度。求法：1 用计算方法中的乘幂法等方法求。2 方根法： i= 1,2,n然后对进行归一化处理，即：其结果就是Ai关于H的相对重要度。最大特征值为其中（为向量的第i个元素。3 和积法1） 将判断矩阵每一列归一化；2） 列归一化后的判断矩阵按行相加得3）再对其正规化处理即可。的求法同方根法。13.5.4 相容性判断由于判断矩阵的三个性质中的前两个容易被满足，第三个“一致性”则不易保证。如所建立的判断矩阵有偏差，则称为不相容判断矩阵，这时就有若矩阵A完全相容，则有，否则。这就提示我们可以用的大小来度量相容的程度。度量相容性的指标为C.I.(Consistence Index)， （13.5.3）一般情况下，若C.I.0.10，就可认为判断矩阵有相容性，据此计算的是可以接受的，否则重新进行两两比较判断。判断矩阵的维数n越大，判断的一致性将越差，故应放宽对高维判断矩阵一致性的要求，于是引入修正值R.I，见表13.9，并取更为合理的C.R作为衡量判断矩阵一致性的指标。 （13.5.4）表13.9 相容性指标的修正值维数123456789R.I0.000.000.580.921.411.4513.5.5 综合重要度的计算在计算了各层次要素对其上一级要素的相对重要度以后，即可自上而下的求出各层要素关于系统总体的综合重要度（也叫做系统总体权重）。其计算过程如下：设有目标层A、准则层C、方案层P构成的层次模型（对于层次更多的模型，其计算方法相同），准则层C 对目标层A的相对权重为： （13.5.5）方案层 n个方案对准则层的各准则的相对权重为： （13.5.6）这n个方案对目标而言，其相对权重是通过权重与组合而得到的，其计算可采用表格式进行（见表13.10）。表13.10 综合重要度的计算 权重 C层 P层 因素及权重组合权重 .这时得到为P层各方案的相对权重。若最低层是方案层，则可根据选择满意方案；若最低层是因素层，则根据确定人力、物力、财力等资源的分配。13.5.6 算例假设某高校正在进行教师的评优工作，需考虑的指标有学识水平、科研能力和教学工作，学识水平主要通过发表论文的级别和数量来评价，科研能力通过在研项目和已完成项目的情况进行评判，教学工作分两种情况，任课教师根据教学工作量和学生反映情况打分，非任课老师从日常工作量和质量方面评估。现应用层次分析法对待评教师的综合素质进行评价。整个层次结构分为三层，最高层即问题分析的总目标，要评选出优秀教师；第二层是准则层，包括上述的三种指标；第三层是方案层，即参加评优的教师，假设对五位候选教师进行评优工作，其中P2，P3和P4为任课教师，需要从学识水平、科研能力和教学工作三方面评估其综合素质，教师P5是科研人员，学校对其没有教学任务，故只需从前两个方面衡量，教师P1是行政人员，没有科研任务，只需从学识水平和教学工作两方面衡量。各位教师在三个指标上表现不同，建立这种层次结构后，问题分析归结为各位教师相对于总目标的优先次序。A评选优秀教师C1学识水平C2科研能力C3教学工作教师P2教师P1教师P3教师P4教师P5图13.6 教师评优的递阶层次结构第一步 建立递阶层次结构，如图13.6所示。第二步 建立判断矩阵就层次结构中的各种因素两两进行判断比较，建立判断矩阵。1） 判断矩阵A/C（相对于总目标各指标间的重要性比较）AC1C2C3C111/51/3C2513C331/312） 判断矩阵C1/P（各教师的学识水平比较）C1P1P2P3P4P5P113547P21/31325P31/51/311/22P41/41/2213P51/71/51/21/313） 判断矩阵C2/P（各教师的科研能力比较）C2P2P3P4P5P211/71/31/5P37152P431/511/3P551/2314） 判断矩阵C3/P（各教师的教学工作比较）C3P1P2P3P4P11133P21133P31/31/311P41/31/311第三步 相对重要度及判断矩阵的最大特征值的计算） （各指标相对于总目标的相对权重）2）（各教师相对于学识水平的相对权重）3）（各教师相对于科研能力的相对权重）4）（各教师相对于教学工作的相对权重）第四步 相容性判断1) A-C：CI=0.019，RI=0.58，CR=0.033；2) C1-P：CI=0.020，RI=1.12，CR=0.018；3) C2-P：CI=0.023，RI=0.9，CR=0.025；4) C3-P：CI=0，CR=0。第五步 综合重要度的计算表13.11 算例中综合重要度的计算 CPC1C2C3层次P总排序V0.1050.6370.258P10.49500.3750.149P20.2320.0570.3750.157P30.0850.5230.1250.374P40.1370.1220.1250.124P50.0510.29800.192层次总排序一致性检验：通过上述五步的分析和计算，可以得出每一位教师的优势都不同，但最终结果是教师P3排在第一位，然后依次是P5，P2，P1和P4。267参考文献：1 George E.P.Box, Gwilym M. 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