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    面向复杂系统决策的层次分析权重处理方法及其应用研究.docx

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    面向复杂系统决策的层次分析权重处理方法及其应用研究.docx

    作者姓名 刘成明 论文分类号 C934 保密级别 研究生学号 2003242011 学位类别 硕士 授予学位单位 吉林大学 专业名称 管理科学 与工程 培养单位 (院、所、中心) 管理学院 研究方向 项目管理 学习时间 2003 年 9 月 至 2006 年 7 月 论文中文题目 面向复杂系统决策的层次分析权重处理方法及其应用 研究 论文英文题目 A CSDM-Oriented Approach to Weight Determination for Analytic Hierarchy Process and Its Application Study 关键词 层次分析法、复杂系统、管理决策、人工神经网络、交 合分析法、摆幅置权、完整判断矩阵 导师情况 姓 名 李春好 职称 教授 学历学位 博士 /博士后 工作单位 吉林大学 论文提交日期 2006 年 5 月 25 日 答辩日期 2006 年 6 月 13 日 是否基金资助项目 是 基金类 别及编 号 国家自然科学基金 ( 70471015)、吉林大学创 新基金( 2004gl3)、吉林大 学社科基金( 2003XX031) 如已经出版,请填写以下内容 出版地(城市 名、省名) 出版者(机构)名 称 出版日期 出版者地址(包括 邮编) 提 要 近年来,复杂性科学的研究在国内外迅速兴起,其中对复杂系 统理论的研究已经遍布当前科学所能涵盖的大多数领域。其研究和 发展为人类提供了更多的探索世界的新思维、新工具、新方法,从 而使得一些传统的思想、理论、方法的不足和缺陷逐渐暴露出来。 层次分析法作为一种多目标决策方法,自提出以来已经在管理 科学、多目标决策等众多领域得到了广泛的应用。根据层次分析法 原理,从复杂系统理论出发,本文认为在应用层次分析法处理复杂 系统问题时存在着一定的缺陷。 为了克服文中所提出的缺陷,本文在层次分析法原理的基础 上,应用复杂系统理论、人工神经网络理论方法、交合分析法、摆 幅置权理论,探索出了面向复杂系统决策的层次分析权重处理方 法。通过数值模拟实验研究和案例应用研究,证明了该方法具有科 学性、有效性、实用性和可操作性。 关键词: 层次分析法;复杂系统;管理决策;人工神经网络;交和 分析法;摆幅置权;完整判断矩阵 目录 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 选题背景及问题的提出 . 1 1.1.1 选题背景 . 1 1.1.2 问题的提出 . 3 1.2 相关研究综述与最新进展分析 . 4 1.2.1 复杂系统决策理论方法 . 4 1.2.2 AHP 层次分析权重处理方法 . 6 1.3 选题意义 . 12 1.4 论文研究的逻辑框架、总体技术路线及结构安排 . 14 1.4.1 研究的逻辑框架 . 14 1.4.2 研究的总体技术路线 . 15 1.4.3 论文结构安排 . 15 第二章 层次分析法原理及内在缺陷分析 . 17 2.1 层次分析法原理简介 . 17 2.2 层次分析法内在缺陷分析 . 19 第三章 完整判断矩阵的概念与方案在 AHP 指标层上的排序权重计算方法 . 23 3.1 完整判断矩阵概念 . 23 3.2 方法构建的理论依据 . 23 3.3 方案在 AHP 指标层上的排序权重计算方法 . 24 3.4 数值对比分析 . 26 3.4.1 数值对比分析的目的 . 26 3.4.2 数值对比分析的有关假设 . 27 3.4.3 方法对比的指标设计 . 30 3.4.4 数值对比分析的结果和结论 . 31 第四章 交合分析的改进方法与方案在 AHP 准则层上的排序权重计算方法 . 33 4.1 交合分析法简介 76-78 . 33 4.2 CA 法的改进 . 35 4.2.1 CA 法改进的原因 . 35 4.2.2 CA 法缺陷分析 . 36 4.2.3 CA 法改进的理论基础 . 37 4.2.4 CA 法改进的具体方法 . 38 4.3 方案在 AHP 准则层上的排序权重计算方法的提出 . 40 4.3.1 基于改进的 CA 法计算方案在 AHP 准则层上的排序权重的理论依据 . 40 I 吉林大学硕士学位论文 4.3.2 方案在 AHP 准则层上的排序权重计算方法 . 41 4.4 数值对比分析 . 43 4.4.1 数值对比分析的目的 . 43 4.4.2 评价对象的提出和专家偏好的生成 . 43 4.4.3 基于传统 CA 法计算评价对象偏好排序 . 46 4.4.4 基于方案在 AHP 准则层上的排序权重计算方法计算评价对象偏好排序 . 47 4.4.5 基于两种方法计算所得的评价对象偏好排序与真实排序的比较 . 47 第五章 AHP 准则层权重处理方法与方案复合排序权重计算方法 . 49 5.1 AHP 准则层权重处理方法提出的理论依据 . 49 5.1.1 AHP 目标层决策需要体现决策者的主观性 . 49 5.1.2 基于摆幅置权的 AHP 准则层权重处理方法提出的理论基础 . 50 5.2 AHP 准则层权重处理方法 . 51 5.2.1 摆幅置权基本过程简介 107-108 . 51 5.2.2 AHP 准则层权重处理方法的基本步骤 . 51 5.3 方案复合权重处理方法 . 52 第六章 面向复杂系统决策的层次分析权重处理方法的应用研究 . 55 6.1 投资开发规划方案提出的背景 . 55 6.2 投资开发规划方案 . 55 6.2.1 投资开发规划方案的要点 . 55 6.2.2 投资开发规划方案的相关指标 . 57 6.3 投资评价指标体系的建立 . 58 6.3.1 投资评价指标体系建立的基本原则 . 58 6.3.2 投资评价指标体系 . 59 6.4 方案优选权重的计算 . 60 6.4.1 方案在 AHP 指标层上的排序权重的计算 . 61 6.4.2 方案在 AHP 准则层上的排序权重的计算 . 63 6.4.3 AHP 准则层权重的计算 . 69 6.4.4 方案复合权重的计算 . 70 6.5 案例应用研究结论分析 . 70 第七章 结论与展望 . 71 7.1 本文主要研究结论 . 71 7.2 本文主要创新点 . 73 7.3 展望 . 73 参考文献 . 75 附 录 . 81 II 目录 摘 要 . I ABSTRACT . V 致 谢 . 1 III 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 选题背景及问题的提出 1.1.1 选题背景 本论文的选题是结合国家自然科学基金项目 “ 超越 AHP/ANP 的半经验半 理论层次分析方法研究 ” 来进行的。本论题的提出则主要是由于以下两个研究 背景的存在。 背景一:复杂系统理论的诞生,要求对传统决策方法的适用性进行重新审 视。 人们普遍认为贝塔朗菲 (Von Bertalanffy)的一般系统论的创立是复杂性科 学诞生的标志 1。随着 20 世纪 60 年代末的耗散结构论, 70 年代及以后的协同 论、超循环理论、突变论、混沌学、元胞自动机理论、复杂自适应系统理论以 及分形等理论的出现 2-8,为人类带来了复杂系统理论,促使系统思想和系统 范式发展到了一个新的阶段。 近年来,复杂性科学和复杂系统理论受到了国内外许多专家学者的关注, 有不少机构在进行关于复杂系统的研究。在国外对复杂系统研究的过程中,根 据沃尔菲德( John N. Warfield)的研究总结,如今已经形成了以 Li-York、 R. May、 M. J. Feigenbaum 等人为代表的混沌学派,以 Piece、 Vicken、 Warfield 等人为代表的结构学派,以 Senge、 Meadows、 Forrester 等人为代表的系统动 力学派,以 Kauffman、 Arthur、 Holland、 Cowen 等人为代表的适应系统学派, 以及以一些单位的研究学者为代表的暧昧学派。在五个学派中,研究领域遍布 物理、经济、生物系统、经济管理、交互式管理、组织理论、社会系统、语言 系统等领域 9。我国的专家学者近年来对复杂 系统理论的研究也倾注了大量的 热情,并取得了一定的成绩。 1990 年,钱学森、于景元、戴汝为在自然杂 志上发表了 “ 一个科学新领域 开发的复杂巨系统及其方法论 ” ,提出了 开放的复杂巨系统的概念和处理这类系统的方法论 从定性到定量综合集 成法 10-11。国内还有其他学者在国内外复杂性研究的基础上,提出了自己的具 有创新性的研究成果,如郝柏林、谢和平、陈予恕、方锦清、魏一鸣、徐强、 陈平、宋学锋、黄登仕、李后强、马君海、盛昭瀚等都在各自领域中做了相应 的研究 12-23。国内对复杂性科学进行研究的成果涉及物理、生物、地理、医学、 经济、管理、哲学等众多内容 24。 通过国内外学者对复杂系统的研究发现,随着科学技术和社会经济的不断 发展,人们面对的决策问题越来越趋向复杂。人们决策时所面对的复杂系统具 2 吉林大学硕士学位论文 有非线性、涌现性、半结构化等特征,以及决策者掌握信息的不完全性,都给 决策带来了较大的困难。因此,专家学者们分别对系统的复杂性进行了研究, 并从不同的角度、不同的专业领域提出了他们的研究成果。 探究传统决策理论方法的原理可知,传统的决策方法往往注重定量化决策 模型的建立,在处理各种相关的决策问题时以建立有效的分析模型为主要解决 方案 25。利用这些方法进行决策时,常常对问题使用线性化、降维等方法简 化处理,以方便决策的进行。但是,随 着学者们对复杂系统理论研究的兴起 26-27,通过对系统复杂性的研究,人们意识到决策领域中的复杂性不但不能避 免,而且也难以通过解构、简化的途径加以解决,问题的简化处理并不能够保 证决策方法的适用性、科学性以及决策结果的可靠性。因此,传统决策方法在 处理复杂系统问题时,表现出了很大的局限性 28。复杂系统理论的出现,为 我们提供了更多的探索世界的新思维、新工具、新方法。从复杂系统理论出发 可以看到,传统决策理论方法尽管具有其科学性,但并不完全适合解决复杂系 统问题,这就要求我们结合复杂系统理论对传统决策理论方法的适用性、科学 性和可靠性进行重新审视。 背景二:层次分析法作为一种被广泛使用的决策方法有其应用上的局限 性。 在社会经济活动中,人们经常需要做出各种各样的决策。当人们在对社会 问题、经济问题以及管理科学等问题进行决策时,往往面对的是一个由相互关 联、相互制约的众多因素构成的复杂系统。对于此类系统而言,无论是只采用 根据主观判断所做的定性分析,还是只依赖数学模型所得出的结论都不尽人 意。显而易见的事实是,人们无法回避决策过程中决策者的选择和判断所起的 决 定作用,也必须正视数学工具给予决策者的帮助 29。层次分析法( Analytic Hierarchy Process,简称 AHP)由于兼顾了以上两点,并且是通过认真研究人 的决策思维的产物,因此该方法自从诞生以来,迅速得到了推广和应用。 AHP 是美国著名运筹学家 Saaty 于 20 世纪 70 年代初提出的一种将定性问 题定量化,对人的主观判断描述客观化,把人的思维过程数学化,以解决多因 素复杂系统分析与评价的多准则、多目标决策方法。 AHP 具有易操作性、实 用性和系统性等优点 30-31,所以该方法自提出以来,已经在管理科学、经济发 展评价、研发规划和多目标决策等众多领域得到了广泛的应用 31-34。 尽管 AHP 的优点明显,但是任何一种方法必然都有其局限所在 35, AHP 也不例外。该方法自从得到广泛地应用以来,学者们研究发现该方法存在着一 些缺陷 26, 27, 28, 36, 37, 38,如判断矩阵逻辑不一致问题、判断矩阵的构造方法问 题、标度问题、排序权重计算方法问题、逆序问题等。这些缺陷很可能导致层 次分析权重处理产生错误的结果,从而得到难以令人信服的结论。因此,这就 要求我们在应用该方法进行决策时,必须考虑方法的适用性问题。为了充分发 挥该方法的优势,需要针对不同决策环境下的决策问题,对该方法的适用性做 进一步探讨。 3 第一章 绪论 1.1.2 问题的提出 在应用 AHP 进行复杂社会经济系统问题分析、评价与决策的过程中,一 个至关重要、直接影响决策科学性、合理性的技术关键是专家能够给出高质量 的判断矩阵。这里所指的高质量判断矩阵,不仅应该保证判断的逻辑一致性, 而且更为重要的是它能够比较接近地反映复杂系统内在的客观关系与规律。传 统 AHP 为了保证判断矩阵的逻辑一致性,在理论方法上人为地规定专家所给 出的偏好值满足倒数关系 30-31(即如果方案 A 与方案 B 比较的偏好值为正实 数 a ,那么方案 B 与方案 A 比较的偏好值为 1/ a )。但是,这种控制方法在实 际应用中的效果并不理想,专家按此倒数关系构造的判断矩阵通常并不能通过 逻辑一致性检验。虽然如何解决这一问题已经受到国内外学者的普遍关注,如 黄德才、李凌鹏、 Finan、 Ozdemir、 Kwiesielewicz 等分别提出了比例标度 39、 差标度法 40、传递语言标度 41,分组改善不一致性判断的方法 42,检查和排 除矛盾判断的方法 43等方法,试图使所构造的判断矩阵能够通过逻辑判断的 一致性检验,但它们与传统的 1-9 比例标度一样,也没有摆脱 “ 最终还需要人 为矫正判断矩阵 ” 的方法局限。应该看到,矫正后的判断矩阵虽然在形式上可 以具有较好的逻辑一致性,但经过数学上改造的判断矩阵已不是原来专家给出 的判断矩阵。由于其所包含的信息可能并没有很好地反映专家价值判断的真实 看法,加之专家判断信息又是复杂系统问题内在客观规律的主观近似反映(而 并不是准确反映),因而依据矫正判断矩阵所做的评价及决策结论极有可能是 “ 错上加错 ” 的伪科学结论。 依据复杂系统从定性到定量综合集成的方法论思想 44-45,本文认为构造 AHP 判断矩阵不仅需要专家的相关知识,还需要他们的经验,甚至是直觉; 专家给出的判断矩阵存在逻辑不一致问题是一种客观现象 46-48。对此现象,正 确的处理哲学不应是在明知不可能的情况下,去构造形式上满足逻辑一致性的 矫正判断矩阵,而应是正视这种客观现象的存在,从不准确、存在内部冲突的 专家经验信息中,提取出能够较好反映复杂系统内在联系的近似规律。基于此 思想,结合复杂系统理论,下文通过引入人工神经网络理论方法( Aritifical Neural Network,简称 ANN) 49,探索出了一种基于完整判断矩阵的方案在 AHP 指标层上的排序权重计算方法,并建立了相应的模型。在此基础上,为 了解决现实复杂社会经济系统问题的需要,进一步提出了方案在 AHP 准则层 上的排序权重计算方法、 AHP 准则层权重处理方法和方案复合权重处理方法, 并最终探索出面向复杂系统决策( Complex System Decision Making,简称 CSDM)的层次分析权重处理方法。 4 吉林大学硕士学位论文 1.2 相关研究综述与最新进展分析 在作者所能使用的文献数据库中,包括 AP-Academic Press(美国学术出 版社)、 Cambridge University(英国剑桥大学的 6 种期刊文摘)、 EI Village(工 程索引 EI)、 Elsevier Science(荷兰 Elsevier 出版集团出版的期刊)、 Gale(其 中经济和社科类期刊)、 Journal Storage(西文过刊全文库)、 ProQuest-Academic Research Library(综合参考级人为社会科学期刊论文数据库)、 Kluwer(荷兰 综合性期刊数据库)、 ProQuest 学位论文全文数据库、 Science Online(美国科 学在线)、 Springer-Link(综合性学科期刊和电子图书)、 Web of Science-SCI、 WorldSciNet(新加坡世界科学出版社电子期刊发行网站)、中国期刊网、万方 数字化期刊、维普中文科技期刊、中国科技论文在线、人大报刊复印资料、万 方数据资源系统,还没有看到有关面向复杂系统决策的层次分析权重处理方法 的研究文献。通过文献检索,本文找到了与本文研究论题相关的文献。这部分 文献可以大致归为两类,其中一类是关于复杂系统决策理论方法方面的研究, 另一类是有关 AHP 层次分析权重处理方法方面的研究。下面本文就这两个方 面研究的当前研究现状与最新进展进行综述和分析。 1.2.1 复杂系统决策理论方法 成思危在文献 50中提出系统的复杂性主要表现在五个方面,其一是系统 各单元之间的联系众多;其二是系统具有多层次、多功能的结构;其三是系统 在发展过 程中能够不断地学习并对其层次结构与功能结构进行重组及完善;其 四是系统具有开放性;其五是系统具有动态性。成思危继而又对国内外复杂科 学的发展与研究现状进行了归纳总结,在此基础上指出复杂性科学研究的四个 结合方法和七个研究工具。四个结合方法即为,定性与定量计算相结合的方法、 微观与宏观综合相结合的方法、还原论与整体论相结合的方法、科学推理与哲 学思辨相结合的方法。七个研究工具即是,不确定条件下的决策技术、综合集 成技术、整体优化技术、计算智能、非线性科学、数理逻辑、计算机模拟。这 篇文章增强了作者对系统复杂性的认识,总结了一些可以借鉴和参考的研究方 法,为本文提供了一些研究思路。 杨敏等认为复杂系统的复杂行为是由大量个体或子系统在时空上相对简 单的非线性作用形成的,通过了解这些相对简单的相互作用和这些作用形成系 统层次的复杂行为的机理,人们就能理解甚至控制复杂系统 51。文献 51认识 到了人们在面对复杂系统时所表现出的有限理性,结合 Holland 的复杂自适应 系统理论,提出了复杂决策系统的概念、特征和研究方法。该文研究的前提假 设是社会经济系统复杂行为建立在某些简单的规则之上,人们可以精心地确定 某些系统层次,通过这些简单规则的长期相互作用来揭示它的复杂行为。然而, 5 第一章 绪论 这一前提假设的科学性和正确性值得进一步讨论。 吴小萍等从实际问题出发,提出现代决策面对的多是规模庞大的、复杂的、 技术性很强的复杂系统问题。由于多指标决策问题本身的复杂性以及专家的主 观性,决定了决策的不确定性。作者提出通过综合应用 AHP、线性分配法、 消去与选择转换法( Eliminatio Et Choice Translation Reality,简称 ELECTRE)、 逼近于理想解的排序方法( Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,简称 TOPSIS,也叫双基点法, Double-Point Evalution Method),形 成一种较为可靠的综合评价方法,以提高决策的可靠性和效率 52。该方法的 优势在于考虑到了决策问题的复杂性,认识到了传统决策方法的一些不足,并 在此基础上提出综合评价方法。方法的缺点在于仍没有完全利用专家所给出的 全部价值判断信息,并且最优和最劣方案确定方法的科学性也值得商榷。 张彩江等对简单决策与复杂决策进行了有益的对比,并指出对于复杂决策 目前还没有一个确切的定义,也没有形成一种决策理论体系。作者从系统角度 出发,考察了决策问题,提出决策系统的概念,并从简单 复杂这一维度将决 策系统重新划分为简单决策系统和复杂决策系统两类,通过对这两类决策系统 在思维模式、理论背景、决策概念、研究范式、研究方法论、决策方法,以及 理论适应的范围做了详细的比较分析 53。另外,文献 53提出四个观点,一是 简单系统并不是复杂系统的一种特例,传统决策理论知识是针对简单系统而言 的,难以扩展到复 杂系统;二是复杂系统决策需要新的研究范式;三是注重方 法论对复杂系统决策来说具有特别的意义;四是从 Neumann 和 Morgenstern 到 Simon,再到复杂系统决策,决策概念的内涵和外延处于不断的变化过程中。 这些总结和对比大有裨益,其中部分观点与本文的观点不谋而合,有些观点对 本文的研究具有启发意义。 于长锐等认为传统决策方法在处理不精确环境中的复杂决策问题时,表现 出很大的局限性,主要包括缺乏整体性、问题界定困难、决策者的意图难以获 取。在研究了导致决策问题复杂性的原因的基础上,定义了复杂决策问题形式 化的概念,并提出复杂决策问题形式化方法的逻辑框架。该框架由三部分组成, 即复杂决策问题表示层、复杂决策问题结构化层和定量分析模型综合层 54。 该文对复杂决策形式化方法进行了探索,给出了一种复杂决策问题形式化方法

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