第五章多目标决策

第五章多目标决策•前面讨论的决策问题，仅有一个目标值，评价标准也是单一的，通常称为单目标、单准则决策。•实际中遇到的决策问题，单目标情况并不多见，大量的是多目标决策。并且，这些目标相互联系、相互制约，甚至相互冲突、相互矛盾，形成一个层次多、结构复杂的目标准则体系。这一章讨论多目标决策的基本原理和方法。第一节多目标决策的目标准则体系•一、目标准则体系的意义•决策准则：在决策分析中，决策问题要达到的目的称为决策目标，用数值表示决策方案实现某个目标程度的标准和法则，称为决策准则。•在单目标决策中，决策准则较为简单，例如，决策目标是收益值，可以用货币量作为决策准则，或者用货币量的效用值作为决策准则。因此，单目标决策亦称为单准则决策。•在多目标决策中，情况复杂得多，决策问题的目标不是一个，而是多个。每一个目标的决策准则也不是一个，而是多个。•单目标决策问题的关键是合理地选择决策准则，对可行方案进行比较和优选。同样，多目标决策的关键，也是合理地选择和构造目标准则体系，从总体上对可行方案进行比较和优选。•目标准则体系的构建是多目标决策的前提。•在多目标决策问题中，有的目标可以用一个或几个决策准则直接进行评价和比较，有的目标难以直接评价。需要将这些难以直接评价的目标，分解成若干个级别较低的子目标，直到可以直接用一个或几个准则进行比较和评价为止。•目标准则体系：一般来说，在多目标决策问题中，其目标或者经过逐层分解，或者依据决策主体要求和实际情况需要，形成多层次结构的子目标系统，使得在最低一层子目标可以单一准则进行评价，称之为目标准则体系。•目标准则体系的层次结构，一般用树形结构图直观表示。最上一层，通常只有一个目标，称之为总体目标，最下一层，其中的每一个子目标都可以用单一准则评价，称之为准则层。•多目标决策过程，就是依据某种科学方法，对于整个多层次结构的目标准则体系，合理地给出表示每个可行方案注意程度的数值，称之为满意度。•因此，构建多目标决策问题的目标准则体系，是多目标决策分析前提。•构建多目标准则体系的原则：•（1）系统性原则•（2）可比性原则•（3）可操作性原则•系统性原则是指各子目标要反映所有因素对社会经济活动的整体影响，重视决策问题各环境因素的层次性的相关性，反映社会经济系统主体的内涵特性。•可比性原则是指各子目标的分解和设计既要注意不同社会经济系统的横向比较，也要注意同一系统的纵向动态分析。•可操作性原则是指各评价子目标设计要含义明确，计算简便，与现行统计指标口径一致，便于采集数据。在决策信息时充分的前提下，尽量减少子目标的个数，决策分析方法思路清晰，便于在计算机上实现。•二、目标准则体系的结构•多目标决策的目标准则结构可以分为三种类型：•（一）单层次目标准则体系•各个目标都属于同一层次，每个目标无须分解就可以用单准则给出定量评价，其结构如图。这类多目标决策问题，通常都有一些常规的技术和经济指标要求，这些指标均可以用单层次目标准则体系进行评价。•（二）序列型多层次目标准则体系•目标准则体系的各个目标，均可以按序列分解为若干低一层次的子目标，各子目标又可以继续分解，这样一层层按类别有序地进行分解，直到最低一层子目标可以按某个准则给出数量评价为止。•这类目标准则体系的特点是，每个子目标均可由相邻上一层次的某个目标分解而成，各子目标可以按序列关系分属各类目标。不同类别的目标准则之间不发生直接联系。•（三）非序列型多层次目标准则体系•某些多目标决策问题，需要将所有的子目标按其性质划分为若干层次，最低一层为准则层，构成多层次目标准则体系。与序列型多层次目标准则体系不同的是，某一层次的各子目标，一般不单是由相邻上一层次某子目标分解而成，各子目标也不能按序列关系分属各类。相邻两层次子目标之间，仅按自身的属性直接联系，存在联系的子目标之间用实线连接，无实线连接的子目标之间不存在直接联系。这类目标准则体系称为非序列型多层次目标准则体系。构建•做好调查研究，掌握准确而全面的第一手资料，根据决策主体总的要求，初步拟定目标准则体系的系统规划和层次结构。•采用专门的方法。行之有效的方法是德尔菲法。三、评价准则和效用函数•制定了目标准则体系后，对不同的目标用不同的评价准则衡量。如投资额用货币准则评价，投资回收期用时间准则评价等。这些评价准则，其度量单位不同，变化方向也不同，如何从总体上给出可行方案关于目标准则体系中全部目标的满意度，这是多目标决策的关键。•为此，必须将不同度量单位的准则，化为无量纲统一的数量标度，并按特定的法则和逻辑过程进行归纳与综合，建立各可行方案之间具有可比性的数量关系。•可以用我们前面介绍过的效用函数。效用值可以较好地表示在同一准则下，不同方案、不同条件结果值对决策主体的价值。•在多目标决策中，目标准则体系一经确定，任何一个可行方案实施的效果，均可以由目标准则体系的全部结果值所确定。•可行方案在每一个目标准则下确定一个结果值，对目标准则体系，就得到一组结果值，并经过各目标准则的效用函数，得出一组效用值。•这些效用值分别表示了可行方案在各目标准则下，对于决策主体的价值，都用区间（0，1）上的实数表示。可以通过对这些效用值按照某种法则得到任何一个可行方案在总体上对决策主体的满意度，满意度是综合评价可行方案的依据。层次分析法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂(T.L.Saaty)于上世纪70年代初，应用网络系统理论和多目标综合评价方法，提出的一种定性与定量相结合的决策方法。人们在对社会、经济以及管理领域的问题进行系统分析时，面临的经常是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统。层次分析法则为研究这类复杂的系统，提供了一种新的、简洁的、实用的决策方法。第三节层次分析法(AHP)•层次分析法是社会、经济系统决策中的有效工具。其特征是合理地将定性与定量的决策结合起来，按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化。是系统科学中常用的一种系统分析方法。•该方法自1982年被介绍到我国以来，以其定性与定量相结合地处理各种决策因素的特点，以及其系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如工程计划、资源分配、方案排序、政策制定、冲突问题、性能评价、能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等，得到了广泛的重视和应用。•一、基本原理•二、步骤和方法•三、应用领域•四、应用层次分析法的注意事项•五、应用实例一、层次分析法的基本原理层次分析法根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，从而最终使问题归结为最低层(供决策的方案、措施等)相对于最高层(总目标)的相对重要权值的确定或相对优劣次序的排定。二、层次分析法的步骤和方法运用层次分析法构造系统模型时，大体可以分为以下四个步骤：1.建立层次结构模型2.构造判断(成对比较)矩阵3.层次单排序及其一致性检验4.层次总排序及其一致性检验1.建立层次结构模型•将决策的目标、考虑的因素（决策准则）和决策对象按它们之间的相互关系分为最高层、中间层和最低层，绘出层次结构图。•最高层：决策的目的、要解决的问题。•最低层：决策时的备选方案。•中间层：考虑的因素、决策的准则。•对于相邻的两层，称高层为目标层，低层为因素层。下面举例说明。例1大学毕业生就业选择问题获得大学毕业学位的毕业生，在“双向选择”时，用人单位与毕业生都有各自的选择标准和要求。就毕业生来说选择单位的标准和要求是多方面的，例如：①能发挥自己才干作出较好贡献（即工作岗位适合发挥自己的专长）；②工作收入较好（待遇好）；③生活环境好（大城市、气候等工作条件等）；④单位名声好（声誉等）；⑤工作环境好（人际关系和谐等）⑥发展晋升机会多（如新单位或前景好）等。工作选择可供选择的单位P1’P2，Pn贡献收入发展声誉工作环境生活环境目标层准则层方案层目标层O(选择旅游地)P2黄山P1桂林P3北戴河准则层方案层C3居住C1景色C2费用C4饮食C5旅途例2.选择旅游地如何在3个目的地中按照景色、费用、居住条件等因素选择.例3科研课题的选择某研究所现有三个科研课题，限于人力及物力，只能研究一个课题。有三个须考虑的因素：(1)科研成果贡献大小(包括实用价值和科学意义)；(2)人材的培养；(3)课题的可行性(包括课题的难易程度、研究周期及资金)。在这些因素的影响下，如何选择课题?将决策问题分为3个或多个层次：最高层：目标层。表示解决问题的目的，即层次分析要达到的总目标。通常只有一个总目标。中间层：准则层、指标层、…。表示采取某种措施、政策、方案等实现预定总目标所涉及的中间环节；一般又分为准则层、指标层、策略层、约束层等。最低层：方案层。表示将选用的解决问题的各种措施、政策、方案等。通常有几个方案可选。每层有若干元素，层间元素的关系用相连直线表示。层次分析法的思维过程的归纳层次分析法所要解决的问题是关于最低层对最高层的相对权重问题，按此相对权重可以对最低层中的各种方案、措施进行排序，从而在不同的方案中作出选择或形成选择方案的原则。2.构造判断(成对比较)矩阵在确定各层次各因素之间的权重时，如果只是定性的结果，则常常不容易被别人接受，因而Santy等人提出：一致矩阵法，即：1.不把所有因素放在一起比较，而是两两相互比较。2.对此时采用相对尺度，以尽可能减少性质不同的诸因素相互比较的困难，以提高准确度。心理学家认为成对比较的因素不宜超过9个，即每层不要超过9个因素。判断矩阵是表示本层所有因素针对上一层某一个因素的相对重要性的比较。判断矩阵的元素aij用Santy的1—9标度方法给出。判断矩阵元素aij的标度方法标度含义1表示两个因素相比，具有同样重要性3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2，4，6，8上述两相邻判断的中值倒数因素i与j比较的判断aij，则因素j与i比较的判断aji=1/aij1135/13/11125/13/13/12/117/14/1557123342/11AijjiijnnijaaaaA1,0,)(设要比较各准则C1,C2,…,Cn对目标O的重要性ijjiaCC:A~成对比较阵A是正互反阵要由A确定C1,…,Cn对O的权向量选择旅游地目标层O(选择旅游地)准则层C3居住C1景色C2费用C4饮食C5旅途C1C2C3C4C5C1C2C3C4C5稍加分析就发现上述成对比较矩阵有问题71242/11A成对比较的不一致情况21212(:)aCC):(43113CCa):(83223CCa一致比较不一致允许不一致，但要确定不一致的允许范围nnnnnn212221212111考察完全一致的情况n,,)1(21jiijwwa/令可作为一个排序向量成对比较nkjiaaaikjkij,,2,1,,,满足的正互反阵A称一致阵。•A的秩为1，A的唯一非零特征根为n•非零特征根n所对应的特征向量归一化后可作为权向量对于不一致(但在允许范围内)的成对比较阵A，Saaty等人建议用对应于最大特征根的特征向量作为权向量w，即一致阵性质Awnw但允许范围是多大？如何界定？wAw3.层次单排序及其一致性检验对应于判断矩阵最大特征根λmax的特征向量，经归一化(使向量中各元素之和等于1)后记为W。W的元素为同一层次因素对于上一层次因素某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。能否确认层次单排序，需要进行一致性检验，所谓一致性检验是指对A确定不一致的允许范围。定理：n阶一致阵的唯一非零特征根为n定理：n阶正互反阵A的最大特征根n,当且仅当=n时A为一致阵由于λ连续的依赖于aij，则λ比n大的越多，A的不一致性