（控制理论与控制工程专业论文）基于目标满意度的多目标调运过程仿真研究.pdf

，j 一 。1 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g t h esi m u l a t i o no f m u l t i - o b j e c t i v e s d i s p a t c h i n gp r o c e s sb a s e d o nt h e s a t i s f a c t i o nd e g r e eo f o b j e c t i v e sm o d e l c a n d i d a t e ：l i uh e s u p e r v is o r ：p r o f z h uo i d a n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is si o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 圳-叫7川j 190帆8 1y 、 雯。? 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：刍1 穆 日期：训萨弓月多日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 翻在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：刘设 日期： ? o l o 年乡月乡日 导师( 签字) ：乎叨卅 列晖弓月手日 一， 蠢 程技术、经济管理、军事和系统工程等问题上都具有非常重要的现实意义。 在解决多目标决策问题过程中会得到很多种方案，决策者需要根据决策准则 来比较或排序多个方案，然后从中选出最满意的一种决策方案。 研究了多目标决策理论及其在多机调运中的应用，通过目标满意度算法， 把个人偏好与任务调度有机的结合起来，对多机调运过程进行了仿真分析。 首先系统地分析了多目标决策模型，并将几个多目标决策算法进行比较， 选择了适合本文的目标满意度算法，为后面的飞机调运体系的建立提供了理 论基础。 其次，对多机调运系统进行了深入的分析，在飞机调运指标提出的基础 上，引入目标满意度模型来解决多机调运问题。这样，可以通过一套奖罚制 度和综合评价标准来实现系统的动态性、多目标优化性、全局最优性。 最后，基于对多机调运系统的分析，构建了一个基于多层任务管理机制 的流程辅助设计软件，软件实现开放式的流程输入和编辑功能，能够快速设 计不同飞机初始布列下的出动流程，并能够实现流程时间的自动计算、时序 图自动生成、二维可视化复现推演等功能。然后利用该辅助设计软件进行多 种不同模式下的流程仿真，得出多机出动流程的优化调配原则，以及在应急 情况下的出动方案，为多机出动的自动推演提供了一定的设计原则，具有一 定的实际应用价值。 关键词：多目标；目标满意度：决策；调运；人机交互 哈尔滨：t = 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n gt e c h n o l o g y i sh o ti nt h ef i e l do f d e c i s i o n - m a k i n gr e s e a r c h i n g i t a sat o o lh a sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ei ns o l v i n ge n g i n e e r i n g ，e c o n o m i cm a n a g e m e n t ，m i l i t a r ya n ds y s t e m s e n g i n e e r i n ga n do t h e ri s s u e s i nt h em u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s st h e r e a r eav a r i e t yo fp r o g r a m s t h r o u g hc o m p a r i n go rs o r t i n gan u m b e ro fo p t i o n s a c c o r d i n gt oc r i t e r i a , t h em o s t s a t i s f i e dd e c i s i o n - m a k i n gp r o g r a mi sc h o s e n t h em u l t i o b je c t i v ed e c i s i o nt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni nm u l t i p l a n e d i s p a t c h i n ga p p l i c a t i o nc a nb es t u d i e dh e r e u s et h eg o a ls a t i s f a c t i o na l g o r i t h m t o c o m b i n ep e r s o n a lp r e f e r e n c ea n dt a s ks c h e d u l i n g a n dt h e nt h em u l t i - p l a n e d i s p a t c h i n gp r o c e s si ss i m u l a t e da n da n a l y z e d a s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h em u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n gm o d e l i sm a d e ， a n ds e v e r a lm u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n ga l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，a n dt h e n t h ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h m ，g o a ls a t i s f a c t i o na l g o r i t h m ，i sc h o s e n ，w h i c hp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n ga i r c r a f td i s p a t c h i n gs y s t e m s e c o n d l y , t h e a i r c r a f tt r a n s p o r t i n gs y s t e mi s d e e p l ya n a l y z e da n d t h e c u s t o m e rs a t i s f a c t i o nm o d e li sc o m eu p 、析t i lt os o l v et h em u l t i p l a n em o b i l i t y i s s u e sb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fi n d i c a t o r s i nt l l i sw a y , t h es y s t e m sd y n a m i c ， m u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n ，o v e r a l lo p t i m a l i t yi sa c h i e v e d ，u s i n gt h er e w a r da n d p u n i s h m e n ts y s t e m ，a n di n t e g r a t e de v a l u a t i o nc r i t e r i a f i n a l l y , b a s e do nt h ea n a l y s i s o fm u l t i - p l a n ed i s p a t c h i n gs y s t e m ，a i d e d d e s i g ns o f t w a r eo fm u l t i p r o c e s st a s km a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d t h e r ei s t h ef u n c t i o no fo p e nf l o wo fi n p u ta n de d i t i n gi nt h es y s t e m a n dd i f f e r e n ta i r c r a f t d i s p a t c h i n gp r o c e s su n d e rt h eo r i g i n a ls t a t i o ni sq u i c k l yd e s i g n e d t h e r ea r em a n y f u n c t i o n si nt h es y s t e m ，s u c ha s a u t o m a t i cc a l c u l a t i o no fp r o c e s st i m e ，t i m i n g d i a g r a m sa u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e da n dt w o - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o no fc o m p l e x f u n c t i o n sa st h ec u r r e n td e d u c t i o n t h e nav a r i e t yo fd i f f e r e n tm o d e so ff l o w s i m u l a t i o ni sd e s i g n e d a n dt h ep r i n c i p l e so ft h eo p t i m i z a t i o nd i s p a t c hp r o c e s so f 哈尔滨下程大学硕十学位论文 m u l t i p l a n e ，a sw e l la st h ep r i n c i p l e so ft h eo p t i m i z a t i o nd i s p a t c hp r o c e s su n d e ri n c a s eo fe m e r g e n c yd i s p a t c hp r o g r a mi so b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e sac e r t a i na m o u n t o fd e s i g np r i n c i p l e sf o rm u l t i - m a c h i n ea u t o m a t i cd e d u c t i o nd i s p a t c h e d i th a sa c e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m u l t i o b j e c t i v e ；s a t i s f a c t i o nd e g r e eo fo b j e c t i v e s ；d e c i s i o n m a k i n g ； a l l o c a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n ；h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 哈尔滨一r 程大学硕十学位论文 目录 第l 章绪论1 i 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外发展现状1 1 2 1 决策理论的发展”l 1 2 2 多目标决策国内外发展现状3 1 2 3 多机调运发展现状“5 1 3 论文主要研究内容6 第2 章多目标决策系统8 2 1 多目标优化”8 2 2 多目标决策模型9 2 2 1 多目标决策原理”9 2 2 2 多目标决策算法10 2 3 多目标的交互和协作1 3 2 3 1 多目标间的交互1 3 2 。3 2 协调和协作1 5 2 4 本章小结1 6 第3 章基于目标满意度的多机决策方法研究”1 7 3 1 飞机调运指标分析1 7 3 2 基于目标满意度的飞机调运决策模型1 8 3 2 1 奖罚系数数学模型1 8 3 2 2 评估算法数学模型2 0 3 3 基于目标满意度的飞机调运决策过程2 7 3 3 1 多目标决策过程2 7 3 3 2 飞机调运决策过程2 8 3 4 本章小结2 9 第4 章基于目标满意度的多机调运仿真软件设计3 l 4 1 软件功能简介3 1 - 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 4 2 软件思路设计”3 2 4 3 软件模块设计3 3 4 3 1 流程树的设计3 3 4 3 2 流程树时序图和甘特图的设计3 8 4 3 3 动作库设计4 1 4 3 4 目标满意度决策模型设计4 2 4 3 5 二维甲板显示与交互功能设计“4 3 4 3 6 输入输出功能设计”4 5 4 4 本章小结4 7 第5 章基于目标满意度的飞机调运仿真分析4 8 5 1 飞机出动规律分析4 8 5 2 应急情况下的飞机出动5 3 5 3 整体仿真5 5 5 4 本章小结6 3 结论“ 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 9 致谢7 0 多目标决策是根据多个目标准则来比较、排序多个方案，从中选出一个 或多个方案的决策过程。人们常常要从有限个方案集中进行综合评价，比如 在城市人行立交设施的规划布局中，考虑是否在某路段建设人行立交设施问 题等时，常常要根据该道路断面的机动车流量，非机动车流量以及过街行人 流量等因素来做出决策。日常生活中，人们也会遇到各种各样的决策问题， 比如在选购住房时，通常要考虑的属性有：购房价格，使用面积，住房离工 作单位的距离，住房设施( 评分) ，住房周边环境( 评分) 等。如今，多目标 决策作为一个工具在解决工程技术、经济管理、军事和系统工程等众多方面 的问题也越来越显示出它的强大生命力。多架飞机调运就属于多目标决策问 题，本文就是对具有多个目标的有限方案进行排序与优选的问题。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 决策理论的发展 市场竞争日益激烈的今天，企业或个人都经常面临着复杂的决策问题， 不仅需要快速做出决策，而且需要解决决策问题中多种不确定性所带来的困 难。因此，开展决策分析( d e c i s i o n m a k i n g a n a l y s i s ) 的理论与方法研究，不仅 对管理科学的发展具有重大的理论意义，而且对解决许多复杂的决策问题也 有特别重要的现实意义。 决策是人们为了达到某一种目的而进行的有意识、有选择的行动。在一 定的人力、设备、材料、技术、资金和时间等因素的制约下，人们为了实现 特定的目标，而从多种可供选择的策略中做出决断，以求获得满意效果的过 程就是决策的过程u 1 。决策是行动的设计和选择，而行动则是决策的执行和 实现，不能把决策仅仅看作是一个“动作 ，应该看作是一个“过程”，而且 是一个动态过程瞄1 。 决策是人类的一项基本活动，贯穿于我们每个人的生活、工作、学习， 贯穿着国家建设、行政、政治、军事、外交、贸易、工业、农业等各种活动。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 可以说自有人类以来，就有了决策活动，而人类的历史，就是在决策过程中 求生存、求发展的历史，是预测、抉择、行动、经验再预测、决策等永不停 顿的循环发展的历史。 尽管人类的活动离不开决策，但决策作为一门科学，真正形成一门独立 的科学体系，还是近五十多年来的事。早在1 9 8 6 年v p a r e t o 提出了向量优 化的概念，从经济学的角度把本质上不可比较的多个目标化成单个目标进行 优化求解，涉及到多目标概念，即现在使用的p a r e t o 最优概念。之后很长一 段时间，多目标决策的研究没有取得任何有价值的成烈弘卯。直到1 9 4 4 年， j v n e u m a n n 和o m o r g e n s t e m 从对策论角度提出了彼此矛盾情况下的多目标 决策问题拉1 ，标志着近代意义上多目标决策的诞生，多目标决策的理论和方 法也逐步发展起来。1 9 5 1 年，美国经济学家k o o p m a n s 从有限资源的合理分 配与使用问题中提出了多目标决策问题，首次使用了有效向量的概念，这就 是现代多目标决策非劣解概念。同年，h w k u h n 与a w t u c k e r 在数学规划 的研究中提出了函数向量极大化问题和有效解存在的最优条件垆7 1 。1 9 6 1 年， c h a m e s 和c o o p e r 引入了目的规划法，其准则是使目标值和实际值两者之差 的绝对值达到最小。1 9 6 3 年l - a z a d e h 从控制论方面提出了多指标优化问题， 也给出了一些基本结果。1 9 6 4 年，a u m a n n 对多目标决策问题提出了效用函 数的概念。1 9 6 8 年，g e o f r i o n 从数学规划的角度提出了向量优化问题的有效 解的概念，并且给出该解的必要和充分条件弘删。同年，j o h n s o n 系统的提出 了多目标决策模型的研究报告，这是多目标学科开始发展的一个重大转折点。 到了二十世纪七十年代，多目标决策技术的发展加快，1 9 7 2 年，第一次多目 标决策会议在美国s o u t hc a r o l i n a 大学召开，会议出版的论文集成为多目标 决策研究的经典文献；1 9 7 6 年，r l k e e n y 和h r a i f a t s 进一步发展了多属性 效用理论( m a u t ) ：与此同时，美国学者s a t t y 提出了著名的层次分析( a h p ) 法h 川。八十年代以来，多目标决策理论和方法进一步完善，1 9 8 2 年至1 9 8 7 年，z e l e n y 、c h a n k o n g 、h a i m e s 和h w a n g h 等人的专著相继出版，大大地丰 富了多目标决策的理论体系和技术手段，为这一新的学科体系的建立打下坚 实的基础副川。 由于决策问题中决策主体、决策目标、决策手段、决策条件等诸因素存 在着广泛的差别，所以可以根据不同的标准对它进行分类酊。 2 哈尔滨工程火学硕十学位论文 ( 1 ) 根据参与决策的管理者的数量及合作关系，决策问题可分为个人决策 和群体决策。个人决策是指由一个人或主要领导者做出决策；而群体决策是 指全体成员直接参与并达成共识的决策方式。 ( 2 ) 根据决策问题出现的重复程度和解决问题的可用技术，决策问题可以 分为程序化决策和非程序化决策。程序化决策是指该类决策问题经常出现， 决策过程的每一步都重复地使用固定程序来解决同类的问题；非程序化决策 是指没有固定的程序和常规的处理办法，决策问题难以量化，难有数学模型， 只能依靠决策者的经验和知识来解决。 ( 3 ) 根据决策问题所处的条件( 或自然状态的种类) 可分为确定型决策、 不确定型决策和风险型决策。确定型决策是指各备选方案在自然状态下的属 性己知，决策者可以按照评价方法选择最优方案；不确定型决策是指决策者 对不同方案可能出现或面临的自然状态没有把握，无法预测自然状态出现的 概率；风险型决策是指决策能否达到预期的目标取决于自然状态发生的概率， 这种概率可以预测，又称统计型决策或随机型决策。 ( 4 ) 根据决策目标的数量，决策问题可以分为单目标决策和多目标决策。 多目标决策又分为有限方案多目标决策和无限方案多目标决策，其中有限方 案多目标决策也叫多属性决策，是本文主要研究的决策类型。 ( 5 ) 根据决策要素是否可以量化，决策问题可以分为定量决策和定性决策。 定量决策问题是指决策问题的要素可以量化，并可以建立数学模型；定性决 策问题是指决策问题的要素的性质难以量化，或要素太多、太复杂，难以进 行处理，只能依靠决策者的分析判断。 通常，实际的决策问题可能是上述几种决策问题的综合，也就是说，我 们面临的决策问题多数情况都需要同时考虑多种因素，如多目标不确定型群 决策问题。但是，归根到底，解决任何类型的决策问题最终都是选择最优的 备选方案的问题。 1 2 2 多目标决策国内外发展现状 多目标决策问题的最早研究应追溯到1 7 7 2 年，当时f r a n k l i n 就提出了多 目标矛盾如何协调的问题，但国际上一般认为多目标决策最优化问题最早是 由法国经济学家v p a r e t o 在1 8 9 6 年提出的。1 9 5 3 年，a n o n 等人对凸集提出 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 了有效点的概念，从此多目标决策问题逐渐受到人们的关注。1 9 6 8 年， z j o h n s e n 系统的提出了关于多目标决策模型的研究报告，这是这门学科开始 大发展的一个转折点。1 9 7 5 年，m z e l e n y 写出了第一本关于多目标最优化问 题的论文集。现今，多目标决策不仅在理论上取得很多重要成果，一套平行 于单目标最优化的理论正在形成和日趋完善，而且在应用上其范围也越来越 广泛2 n 1 。在我国，多目标决策问题的研究是从七十年代后期开始的，并且 研究的人越来越多，目前我国在多目标决策问题的研究正在向世界先进水平 发展m 1 。 最常用的多目标决策问题的分类法是按决策问题中备选方案的数量来划 分。一类是多目标属性决策问题( m u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o nm a k i n gp r o b l e m ，简写 m o d m ) ，这一类决策问题中的决策变量是离散型的，其中的备选方案数量为 有限个。这一类问题求解的核心是对各备选方案进行评价后排定各方案的优 劣次序，再从中择优。另一类是多目标决策问题( m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n gp r o b l e m ，简写m o d m ) ，这一类决策问题中的决策变量是连续型的， 即备选方案数有无限多个。求解这类问题的关键是向量优化即数学规划问题。 对于m a d m ，按照决策者给出判断信息的方式分，可以分成二大类：一 类是直接给出信息的决策分析方法，另一类则是通过两两比较后给出信息的 决策分析方法。直接给出信息的决策方法主要有：加权和法、e l e c t 法、 t o p s i s 法等，而两两比较式的决策方法主要有：层次分析法、l i n m p 法等。 而对于m o d m ，根据求解问题时从决策者处获得的信息的方式和形式分，可 以分成两大类( 按获得信息方式分) 和四小类( 再按信息的形式分) 1 9 1 1 2 0 。 多目标决策问题一般不存在绝对最优解，决策结果与决策者主观愿望密 切相关。因交互式决策方法能充分体现决策者的主观愿望并能实现决策者与 系统间的信息交换，已成为较活跃且实用性强的多目标决策方法之一。自2 0 世纪7 0 年代初以来，交互式决策方法逐步发展成为多目标决策中最有希望的 分支之一，越来越受到人们的重视习6 1 。特别是进入2 0 世纪8 0 年代后，交 互式方法的研究成为多目标决策方法研究的主流仁。到目前为止在众多学者 的努力下，已提出了多种交互式方法，如交互式线性多目标决策的割平面法、 针对含整数变量的多目标决策问题提出的基于目标期望水平的交互式决策方 法、基于理想值和容忍偏差值的多目标交互式决策方法、基于目标偏离容忍 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 水平的多目标决策方法、基于可能度和满意度的多目标决策方法、基于目标 达成度和目标综合度的交互式多目标决策方法、基于目标贴近度的多目标决 策方法及其改进方法、多目标决策的交互式限界搜索法及其改进方法、基于 评价准则及其偏差测度的交互式多目标决策方法、两层多目标决策问题的模 糊交互式决策方法、多目标决策问题的交互式改善方向法、随机多目标二次 线性规划模型的交互式计算方法等等口2 出1 。这些方法在处理具有实际背景的多 目标决策问题时发挥着重要的作用，但其中一些方法因交互过程比较复杂、 计算量大以及决策者的认知负担较重等原因而使其应用范围受到限制。交互 式多目标决策问题求解包括两方面的核心内容，一是选用合理的函数转换将 多目标问题转化为单目标问题；二是在决策过程中能够充分体现决策者的主 观愿望，实现决策者与系统间的信息交互。在目前的一些多目标交互式决策 方法中，存在多目标向单目标转化过程中各单项目标权重或各目标满意度权 重经验确定的任意性，不便于实际操作，有待深入研究口。 1 2 3 多机调运发展现状 人们对多目标决策问题已经进行了深入的研究，但是在多机调运这个问 题还是处于探索阶段，并没有提出一个成熟的理论和思想来解决多机调运问 题。人们在解决多机调运问题时要充分考虑一下几个方面：首先对飞机的调 运要在指定的条件下进行，研究具有一定的局限性；其次，调运过程中涉及 到的很多参数是不可知的，为研究带来了很多困难；再加上很多不确定因素 更加大了课题研究的难度。最后是研究结果的实用性，在提出或者应用某种 模型时，不单单要充分考虑到各种影响因素，而且还要具有一定的应用价值。 本文对多机调运进行了初步的探索，运用目标满意度模型解决了飞机调运的 出动次序问题。具有一定的应用价值。 优化问题是一个比较难解决的问题，它引了不少学者的关注。经典的方 法可以很好的解决部分优化问题，但是有些问题譬如多目标优化问题 ( m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ：m o p s ) 去n 没有高效实用的解决方法。 在现代科学理论研究和实践中存在着非常多与自适应、优化相关的问题，其 中只有小部分是单目标优化问题，剩余的都属于多目标优化问题，而且每个 目标不是独立存在的，它们处于相互影响、相互竞争的状态。多目标间相互 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 影响、相互竞争使得对其优化变得十分困难。在一堆可能的选择中搜索出最 优解的过程称为最优化处理。就本文而言我们就是要做到在一些可能的飞机 出动次序中搜索出最优的出动方案。 飞机出动能力是甲板使用过程的一个关键指标，但其牵涉因素众多，是 一个比较难以研究的课题。软件设计必须考虑到不同布列方案、不同任务要 求下的最优出动的需求，但是这就要需分析计算大量不同流程的作业时间， 并且把各种影响因素都考虑到内。全自动化推演是理想状态，但是随着目标 的增加控制位数就要成指数增长。考虑到以上种种问题，本辅助软件采用多 目标线性决策中的满意度模型，此算法可以将多种影响因素考虑到内并且将 人的决策意愿体现到控制决策当中，以达到最优控制。本软件实现人机交互 式控制，通过人为对各指标的设置及其他功能操作达到手动推演功能。 1 3 论文主要研究内容 本论文是对多目标决策问题的研究，在研究论文时需要做几方面的工作， 首先就是通过阅读大量文献对多目标调运过程有一个深刻的了解，选择出适 合甲板上飞机调运这个课题的算法。经过比较分析本文选择了目标满意度算 法。在设计算法的过程中还要对影响飞机调运的指标进行研究，只有指标明 确才能够得到准确的目标函数。其次就是基于v i s u a lc + + 软件平台的设计。最 后通过大量仿真得到调运原则。 本论文一共分为五章，下面是各章内容简介。 第1 章绪论，介绍了课题研究的目的和意义。并且对目标决策的发展现 状简要介绍，然后论述在写本论文中遇到哪些问题并且是怎样解决的。最后 给出了论文结构。 第2 章多目标决策系统，本章首先介绍了优化算法，然后给出了多目标 决策原理，多目标决策算法。 第3 章基于多目标的飞机调运方法研究，本章对飞机出动指标进行分 析，然后详细介绍了目标满意度模型是如何应用到飞机调运这个实际问题中 的，最后本章给出了飞机调运的决策过程。 第4 章多目标优化调运策略辅助分析软件设计，本章首先介绍了软件功 能，然后给出了总思路，最后对每一个模块设计进行介绍。 6 ， a 哈尔滨i t 程大学硕十学何论文 第5 章流程调运仿真研究，本章经过多次仿真分析得到调运原则，然后 给出了紧急情况下飞机调运方案。最后给出了一个整体仿真，利用目标满意 度算法对仿真结果进行分析。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多目标决策系统 本章将对多目标决策系统进行研究，首先引入多目标优化，然后在此基 础上介绍多目标决策系统及算法。为后续研究提供了理论基础。 2 1 多目标优化 在实际应用中，人们经常遇到在给定的区域上需要使多个目标均尽可能 最佳的优化问题。例如，设计一个新产品，人们总希望在一定条件下，能选 择同时具有质量好、产量高和利润大的方案。这些设计目标的改善可能相互 抵触，譬如好的质量会引起利润的降低，因此须在这些设计目标之间取一个 折中结果。还有如投资组合优化问题，一般希望所投入的资金量少，风险最 少，且所获得的收益最大。这类在给定条件下，同时要求多个目标都尽可能 好的最优化问题，称为多目标优化问题( m o p ，m u f t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m ) 。根据求解问题的背景不同，多目标有时也称为多准则、多属性或 多指标口剐。通常在多目标优化领域广泛采用、被普遍接受的m o p 的数学模型 的一般表达式为： m i n f ( x ) ，五( x ) ，z ( x ) ) ( 2 - 1 ) j r ( x ) 0 f = 1 ，2 ，m ( 2 - 2 ) 办，( x ) = 0= 1 ，2 ，p( 2 3 ) 其中石( x ) ，石( x ) ，a ( x ) 为优化目标，& ( x ) 和办，( x ) 分别为不等式约束 和等是约束。 在上述多目标函数的优化问题中，各个目标函数的彳( x ) ，石( x ) ，l ( x ) 的优化往往是相互矛盾的，不能期望它们的极小点重复在一起，即不能同时 达到最优解，甚至有时还会产生对立的情况，即对一个目标函数是最优的， 对另一个目标函数却是差点。这需要在各个目标函数的最优解之间进行协调， 相互之间做出适当“让步”，以便取得整体最优的方案。而不像单目标函数优 化那样，通过简单比较函数值大小的方法去寻优。由此可以看出，多目标函 数的优化问题要比单目标函数的优化问题复杂的多。 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 多目标决策模型 2 2 1 多目标决策原理 大多数目标不单单要与环境进行交互，还要处理和解释接收的信息，以 达到自己的目的。图2 1 给出了多目标的工作过程。对象目标接收到的信息 首先要以适当的方式进行融合，并能为对象目标知识库所接受。一旦对象目 标接收外部信息，信息处理过程成为对象目标的核心，因为它反映对象目标 的真正功能。信息处理的目的是解释可用的数据，形成具体规划。因为每个 对象目标都有具体的任务，内部任务的影响必须作为影响的部分考虑。如果 影响弄清楚了就要采取行动，使之到达或接近目标。形成规划时目标可以规 定知识，包括对新情况反映的具体处理步骤。但是，这不是本质的东西，因 为对象目标执行可以不要规划。当要求对环境对象交互时，动作模块将使用 合适的交互模块。控制执行也是动作模块的任务口肛”。 ， 、 图2 1 多目标工作过程 多目标在决策过程中会应用到特定的算法，在此算法上可以得到想要的 结果。人们很早就在研究多目标决策的算法，尽管多目标问题的方法有很多， 每个多目标决策问题都包含五个要素，分别为：决策单元、目标集、属性集、 9 ，l 哈尔滨工稃大学硕十学何论文 决策准则和决策情冽砷1 。 ( 1 ) 决策单元和决策人：决策人是指制订决策的人，他们是一个人或一群 人( 决策群) ，决策单元除了包含决策人外，还可能包含有分析者、计算机、 绘图、仪器等。 ( 2 ) 目标集：目标是关于被研究问题的某决策人所希望达到的状态的陈述。 对于多属性决策问题，必须首先定义它的目标，也就是可行方案。如我们定 义目标集即被选方案集为p ，p = ( 只，足己) ，则有m 个可行方案可供选择 或排序。 ( 3 ) 属性集：对于每个目标，又都设定一属性集( 或代用属性) 。属性是可 测量的，是方案的性能、特征和质量、数量参数等，它反映了该属性所关联 的目标达到目的的程度大小。我们定义属性集为x ，x = ( x l ，置k ) ，则 每个备选方案都有n 个属性z ( i _ 1 ，2 ，n ) 。 ( 4 ) 决策准则：决策中用于评判排列方案的优劣次序的规则称为决策准则， 它是判断备选方案的有效性或好坏的标准。一般可分为两类：最优化准则和满 意准则。满意准则把可行方案划分为若干有序子集，牺牲了最优性，将问题 简化，寻求令人满意的方案。 ( 5 ) 决策情况：多目标决策问题的决策情况是指决策问题的结构和决策环 境。它需要标明决策问题输入的数量和类型，决策变量及其属性，测量决策 变量和属性所采用的标度，决策变量和属性之间的因果关系，决策环境和状 态等。 在确定完上述五要素后，就要选择相应的数学算法。 从数学的角度看，所谓多属性( 多指标) 综合评价，是指通过一定的数 学模型( 或算法) 将多个指标评价值“合成 为一个整体性的综合评价值。 到目前为止，己有多种综合评价方法，每一种单独的评价方法理论也已经十 分成熟，但这并不意味着综合评价方法和理论十分完善，因为对于方法的应 用还处在发展阶段，还有许多问题有待进一步的研究和改进。常见的综合评 价方法有：目标满意度法、理想点法、层次分析法、灰色关联评价法等。 2 2 2 多目标决策算法 目前，多目标决策算法主要包括目标满意度法、理想点法，层次分析法 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 以及灰色关联法等方法，其各有优缺点，下面本文将介绍各种算法，并对各 种算法进行比较，选择出适合本课题的决策算法。 2 2 2 1 目标满意度法 目标满意度方法是多目标决策比较常见的方法之一，每个目标的任务完 成后，系统会根据他的表现情况给每个目标一个奖罚系数孝。如果某个目标 出色的完成了任务，系统环境会给它一个较大的系数，表示奖励，如果某个 目标对象没有按要求完成任务，系统环境会给以一个较小的系数，表示惩罚， 如果目标对象出现意外情况，不能照常加工，系统环境会给这个目标对象一 个很小的系数，表示该目标对象处于故障状态。协调目标在制定调度决策时， 每个目标对象的奖罚系数是一个很重要的参照指标，奖罚系数越大，中标几 率越大p 。 调度过程中会有很多指标，例如：时间指标，经济指标等。系统希望让 每一个指标都达到最优，但这样的调度是不现实的因而需要选择合适的指标 来解决这个问题。本论文定义了一个重要的指标即综合评定指数，它包括了 多项成分，本论文将其定义为e 。这个综合评价函数在整个决策过程中起到 很大的作用。当评价函数得到的值大，这个目标被选中的几率就越大，反之 当评价函数返回的值越小，此目标被选中的机会就越小。 2 2 2 2 理想点法 理想点法是一种接近于简单加权法的排序方法，全名为“逼近理想点的 方法”( t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) ，简称 t o p s i s 法，它借助于多目标决策问题的“理想解 与“负理想解，来排序。 所谓理想解是一设想的最好的解( 方案) ，它的各个属性值都达到各备选方案 中最好的值，而负理想解是另一设想的最坏的解( 方案) ，它的各个属性值都 达到各备选方案中最坏的值川。 采用理想点法求解多属性问题是一种非常有效的方法，它的概念简单， 但在使用时还需要在目标空间中定一个测度来测量某个解靠近理想解和远离 负理想解的程度。此外，当既使用理想解又使用负理想解时，往往会出现某 个解距离理想解虽近，但距离负理想解并不是最远的情况。因此，我们通常 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 采用方案与理想解间的相对贴近度来判断解的优劣“。 2 2 2 3 层次分析法 层次分析法( a h p ) 法是目前广为应用的定性与定量相结合的方法，它允 许将复杂问题分解成若干个递进层次，并通过两两对比确定目标的相对重要 性，但它有较为深奥的理论，掌握相对困难。 层次分析法是通过分析复杂问题所包含的因素及其相互关系，将问题分 解为不同的要素，并将这些要素归为不同的层次，在每一层次按某一规定准 则，对该层要素进行逐队比较，建立判断矩阵。通过计算判断矩阵的最大特 征值以及对应的正交化特征向量，得出该层要素基于该层准则的权重。在这 个基础上进而计算出各层次要素对于总体目标的组合权重，从而得出不同设 想方案的权值，为选择最优方案提供证据p 引。具体步骤为： ( 1 ) 明确问题。先要明确问题的范围、提出的具体要求、包含的因素、以 及各元素之间的关系，需要的资料是否己经满足需要； ( 2 ) 建立问题的递阶层次结构模型； ( 3 ) 构造各层的判断矩阵并进行一致性检验与修正； ( 4 ) 确定各层元素的优先次序。在通过一致性检验的判断矩阵的基础上， 就可以求得表征各元素优先次序的权系数。计算方法为：先求出一致性判断 矩阵的最大特征值及它所对应的特征向量，然后将特征向量标准化，这就是 同一层次中元素相应于上一层某元素的相对重要性的排序权值； ( 5 ) 进行层次的总排序及一致性检验。利用层次单排序的计算结果，综合 出上一层次的优劣顺序，然后依据最后一层各方案的组合权数进行排序，最 后进行一致性检验并作必要的修正。 2 2 2 4 灰色关联法 灰色关联决策就是利用灰色关联度对各方案的标准化效果评价向量进行 度量后，给出方案的优劣排序，找出最优方案。它是一种多因素统计分析方 法，以一个因素的样本数据为依据来计算关联度从而描述因素间关系的强弱、 大小和次序。如果样本数据列反映出两因素变化的态势( 方向、大小、速度 等) 基本一致，则它们的关联度较大；反之，关联度较