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平均随机一致性指标R·I的新探讨--《系统工程理论与实践》1992年02期
平均随机一致性指标R·I的新探讨
【摘要】:正 一、前言 迄今为止,在AHP一致性检验中,人们普遍采用Saaty推荐的方法,即对于判断矩阵A,当一致性指标μ0.1×R·I时,认为A有满意的一致性,否则,将认为A的一致性不够,须对原有判断进行修订。其中R·I为平均随机一致性指标,是大量同阶随机互反矩阵一致性指标的平均值。不容否认此方法具有一定优点并起过重要作用,但也存在某些不足之处。比如,0.1的使用缺少理论依据,将同一判据用于各种领域或问题,未必总能与实际相符。文[2]曾建议用假设检验的方法进行一致性检验,
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一、HIJ H 迄今为止,在AHP一致性检验中,人们普遍采用Saaty推荐的方法,即对 断矩阵A,当一致性指标 p0.IX R’I时,认为注有满意的一致性,否则,将认为 A的一致性不够,须对原有判断进行修订。其中 R·I为平均随机一致性指标。是大量同阶随机互反矩阵一致性指标的平均值l‘]12]
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AHP法中平均随机一致性指标的算法及MATLAB实现
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&&在​深​刹​剖​析​层​次​分​析​法​的​基​础​上​,​给​出​了​平​均​随​机​一​致​性​指​标​的​算​法​,​并​且​基​于​M​A​T​L​A​B​软​件​下​予​以​程​序​实​现
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对层次分析法中平均随机一致性指标的研究
作者单位:
Naval Academy of Armament,Beijing 100161
海军装备研究院,北京,100161
Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology,Beijing 100094
北京跟踪与通信技术研究所,北京,100094
母体文献:
第20届全国计算机新科技与计算机教育学术大会论文集
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第20届全国计算机新科技与计算机教育学术大会
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全国高等学校计算机教育研究会
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引言层次分析法(Anaiytic Hierarchy Process,简称 AHP)是 20世纪 70 年代由 Thomas Saaty 提出的一种定性问题定量化的行之有效的方法[3]。AHP 的应用范围十分广泛,涉及军事指挥、经济分析和计划、行为科学、管理信息系统、运筹学方法评价和教育等许多领域。AHP 的理论核心在于,按照从简单到复杂的认识论规律,复杂系统大多可以分解为有序的递阶层次结构,其决策问题通常表现为一组方案优先顺序的排列问题,根据特定的选优条件组,从方案全序里挑选最佳者[4]。为了给方案组排序,理论上采用对全体方案进行两两比较的遍历法[5]。AHP 对人们的主观判断加以形式化地表达和处理,逐步剔除主观性,从而尽可能地转化成客观描述。其正确与成功,取决于客观成分能否达到足够合理的地步。由于理论研究的遍历与工程实现的采样之间总是存在着(或大或小,往往又是巨大的)差距,在借助于判断矩阵计算出相对权重后,欲克服两两相比未能穷尽的不足,对判断矩阵做一致性检验,成为不可或缺的环节[6]。在对判断矩阵进行一致性检验时,要使用平均随机一致性指标(RI)参与计算[7]。一般而言,对于低阶判断矩阵(阶数 N!15),其平均随机一致性指标可以查表得到;但对于高阶判断矩阵(阶数 N&15),平均随机一致性指标的值就无法直接获取了[8]。该文提出的算法,正是解决了两两比较判断矩阵中高阶平均随机一致性指标(RI)的计算问题。2 AHP 的基本步骤运用 AHP 方法解决问题,大体可按如下步骤进行:(1)将问题分解,建立层次结构;(2)构造两两比较判断矩阵;(3)由判断矩阵计算比较元素的相对权重;(4)计算各层元素的组合权重。现举例说明上述过程。层次分析法中高阶平均随机一致性指标(RI)的计算洪志国 1李焱 2范植华 1王勇 1 1(中国科学院软件所 GSL 实验室,北京 (中国科学技术大学计算机系,合肥 230027)E-maii:fan_zhihua@摘要利用层次分析法分析和解决问题时,要对通过两两比较判断出的矩阵一致性进行检验[1]。高阶平均随机一致性指标的值一般无法直接通过查表而得,这一难点阻碍着层次分析法大面积的推广应用[2]。文章在深刻剖析层次分析法的基础上,给出根据平均随机一致性指标的定义计算高阶平均随机一致性指标值的算法,并且基于 windows 环境在 deiphi6.0 下予以程序实现。该算法已成功运用于中国科学院知识创新工程某智能决策系统中。关键词定性问题定量化层次分析法高阶随机判断矩阵平均随机一致性指标乘幂法文章编号 -(5-03 文献标识码 A 中图分类号 TP18Caculation on High-ranked R I of Analytic Hierarchy ProcessHong Zhiguo1Li Yan2Fan Zhihua1Wang Yong1 1(GSL Lab.,Software Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080)puter Dep.,USTC,Hefei 230027)Abstract: To anaiyze and soive probiems with Anaiytic Hierarchy Process needs a check on the consistency of a ma-ing from a two-parison [1].Usuaiiy peopie can hardiy get the vaiue of High-Ranked R.I.immediateiythrough consuiting reiated tabies,and as a resuit,it hinders a mass of appiications of Anaiytic Hierarchy Process[2].0nthe basis of a thorough anaiysis of Anaiytic Hierarchy Process,the aigorithm to caicuiate out the vaiue of High-RankedR I according to the definition of R I is offered in the paper.The program of the aigorithm under windows using deiphi6.0 is provided as weii.The aigorithm has been essfuiiy appiied to a project of the inteiiigent decision system inthe knowiedge innovation of Chinese Academy of Sciences.Keywords:Digitaiization on non-digitaiized probiems,Anaiytic Hierarchy Process,High-ranked randomized matrix,Aver-age Random Consistency Index,Power aigorithm基金项目:中国科学院知识创新工程国防军工方向性重大项目《大型数字对象应用环境及其并行模拟》资助作者简介:洪志国,中国科学院软件研究所博士研究生,专业方向人工智能、并行模拟。李焱,中科院研究生院硕士生。范植华,中科院软件所研究员,博士生导师。王勇,中科院软件所博士后。45 2002.l2 计算机工程与应用阶数 l 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 ll l2 l3 l4 l5R.I. 0 0 0.52 0.89 l.l2 l.26 l.36 l.4l l.46 l.49 l.52 l.54 l.56 l.58 l.59B2 C2l C22 C23 C24 WC2l l 2 2 3 0..5 l l 2 0..5 l l 2 0.2270C24 l / 3 0.5 0.5 l 0.l224B3 C3l C32 C33 WC3l l 5 3 0..2 l l / 3 0.l047C33 l / 3 3 l 0.2583Saaty 标度含义l 表示待比较的两个因素有相同的重要性3 一个因素比另一个因素稍微重要5 一个因素比另一个因素明显重要7 一个因素比另一个因素强烈重要9 一个因素比另一个因素极端重要2,4,6,8 因素之间重要性比较在上述描述之间相应上述数的倒数一个因素比另一个因素不重要的上述描述A Bl B2 B3 WBl l 2 4 0.57l4B2 0.5 l 2 0..25 0.5 l 0.l429Bl Cll Cl2 Cl3 Cl4 Cl5 WCll l l l l 5 0.238lCl2 l l l l 5 0.238lCl3 l l l l 5 0.238lCl4 l l l l 5 0.238lCl5 0.2 0.2 0.2 0.2 l 0.0476例 l:对 A 进行评价,其层次结构如图 l 所示。待评目标 A,其辖有一级评价要素 Bl、B2 和 B3;同样地,对于 Bl,辖有二级评价要素 Cll、Cl2、Cl3、Cl4 和 Cl5;对于 B2,辖有二级评价要素 C2l、C22、C23、C24;对于 B3,辖有二级评价要素 C3l、C32、C33。图 l经过专家问卷调查,两两比较判断矩阵及单一准则下的权值 W 如下:第一层次下:求得!maX=3.0,CR=0;第二层次下,对于 Bl 有:求得!maX=5.0,CR=0;对于 B2 有:求得!maX=4.0l03,CR=0.0039;对于 B3 有:求得!maX=3.0385,CR=0.037;根据以上计算结果,CR 均小于 0.l,以上矩阵具备满意的一致性。利用上层层次单排序的结果,以上层元素的组合权重为权数,计算对应本层各元素的加权和,所得结果即为该层元素的组合权重,进行层次总排序。经计算得出待评目标 A 各指标的组合权重为:WCll=0.57l4X0.238l=0.l3605WCl2=0.57l4X0.238l=0.l3605WCl3=0.57l4X0.238l=0.l3605WCl4=0.57l4X0.238l=0.l3605WCl5=0.57l4X0.20WC2l=0.6=0.l2l02WC22=0.0=0.0.0=0.0.4=0.0.l429X0.l03WC32=0.l429X0.l047=0.0l496WC33=0.l429X0.92 3 判断矩阵在 AHP 解题手续中,判断矩阵的构造及其相关的计算,是AHP 问题求解的关键[9]。首先,构造两两比较矩阵。在比较矩阵 A 中元素的取值(一个因素对另一个矩阵的比值)采用如下的标度:矩阵 A 因所构造出的矩阵具有正互反性,故被称为正互反矩阵。文献[l]得出的 l-l5 阶重复计算 l000 次的平均随机一致性指标如下:在笔者的课题里,阶数超过 l5。那么,对于高阶(N&l5)比较判断矩阵而言,为了进行一致性检验,相应的值从何得到呢?只能根据平均随机一致性指标的定义进行计算。该算法步骤如下:(l)构造随机判断矩阵,设计思想—让判断矩阵中元素的值随机地取 l-9 标度下的可能值。对于固定的 I(即为两两比较矩阵中的阶数),随机地构造出正互反矩阵 A',其中 a'ij (由于正互反性,规定 i&j)随机地取自 l,2,3,4,5,6,7,8,9,l / 2,l /3,l / 4,l / 5,l / 6,l / 7,l / 8,l / 9 共 l7 个数值中的某一个,用充分大的子样(如 l000 个子样)得到 A'的最大特征值的平均值!'maX,定义随机性指标 RI=(!maX-N)/(N-l)用比值 CR=CI / RI 来判断两两比较矩阵的不一致性是否在可以接受的范围内。一般而言,当 CR!0.l 时,认为判断矩阵 A 基本符合随机一致性指标;当 CR&0.l 时,认为判断矩阵 A 不符合随机一致性指标,必须进行调整和修正;(2)求出比较判断矩阵所对应的!maX(特征值的最大值),用乘幂法可以得到高精度的值;(3)乘幂法:CI=(!maX-N)/(N-l),取 CI 的值进行平均计算。乘幂法求解!maX 的理论分析:设实方阵 A 的 I 个特征值为!i(i=l,2,…,I),所对应的特征向量为 Xi=(xl(i),x2(i),…,xI(i))T,i=l,2,…,I,满足 AXi=!iXi。假定绝对值最大的特征值是单重的,即I!lI&I!2I&I!3I&…&I!II,则求绝对值最大的特征值问题就是求!l。定义 maX(UI)=maX(IUl(I)I,…,IUI(I)I),取 I 维非零初始向量 V0=(xl(0),x2(0),…,xI(0))T,对于 I=l,2,…作如下的迭代:46计算机工程与应用 2002.l2Uk=AVk-l,Vk=Uk / max(Uk)直至满足收敛条件I max(Uk)-max(Uk-l)I&E 为止。此时的 Vk 就取为绝对值最大的特征值!l所对应的特征向量 Xl,并当 Vk-l 与 Vk 的第一个非零分量同号时!l=max(Uk);反之,!l=-max(Uk)。4 随机值工程实现结合中国科学院知识创新工程中的某项智能决策需求,把整个算法划分为两大子过程:构造随机判断矩阵;求取!max。现分两节予以介绍。求取随机值,并进行初始化操作。function getvaIue(number:integer):reaI;/ / 返回指定下标的数组元素vari:Al:array[l..l7] of reaI;beginAl[l]:=l;for i:=2 to 9 dobeginAl[i]:=i;Al[i+8]:=l /resuIt:=Al[number];function firstrun(N:integer):/ / 初始化操作,并利用正互反性对矩阵进行赋值varmyceII,T:i,:beginsetIength(myceII,N,N);setIength(T,N,N);for i:=0 to N-2 dobeginfor :=i+l to N-l domyceII[i,]:=getvaIue(random(l7)+l);/ / 随机取数组的元素值for i:=0 to N-l dobeginmyceII[i,i]:=l;/ / 矩阵上对角线上的元素值为for i:=l to N-l dobeginfor :=0 to i-l domyceII[i,]:=l / myceII[ ,i];/ / 矩阵元素的互反性for i:=0 to N-l dobeginfor :=0 to N-l doT[i,]:=myceII[i,];resuIt:=T;5 核心迭代算法实现乘幂法求取!max。采用乘幂法,只要迭代次数充分地多,就可以保证得到高精度的最大特征值的权向量。定义一矩阵类型 matrxl,以二维数组的形式给出:typematrxl=array of array of reaI;相关代码如下:procedure TForml.buttonlCIick(Sender:Tob ect);varV0,Vl,U0,Ul,Al:/ / matrxl 为定义的矩阵类型vaIue0,vaIuel,CI,Sl:reaI;i,k,N,Statel,times:Stype,tl:begintimes:=strtoint(trim(editl.Text));/ / times 为子样数N:=strtoint(trim(edit2.Text));/ / N 为指定计算阶数tl:=0;Sl:=0;for tl:=l to times dobeginsetIength(Al,N,N);Al:=firstrun(N);/ / 初始化矩阵,获取随机测试矩阵setIength(V0,N,l);setIength(Vl,N,l);setIength(U0,N,l);setIength(Ul,N,l);for i:=0 to N-l doV0[i,0]:=l / N;/ / 设置初始向量vaIuel:=2;vaIue0:=l;k:=0;whiIe(abs(vaIuel-vaIue0)&exact)do/ / exact 为指定的精度,可选为 0.0000lbegink:=k+l;Ul:=muItimatrx(Al,V0,N,N,l);vaIue0:=maxvaIue(Ul,N,l);Vl:=Kmatrx(Ul,N,l,l / vaIue0);/ / 处理向量V0:=Vl;Ul:=muItimatrx(Al,V0,N,N,l);/ / 实现矩阵相乘vaIuel:=maxvaIue(Ul,N,l);Vl:=Kmatrx(Ul,N,l,l / vaIuel);/ / 实现矩阵 Ul 和 l / vaIuel 的数乘V0:=Vl;CI:=(vaIuel-N)/(N-l);Sl:=Sl+CI;memol.lines.Add(' ');/ / 显示的结果memol.lines.Add(inttostr(N)+' 阶'+'('+' 平均'+inttostr(times)+'次)'+' 的一致性指标 RI 为:'+fIoattostr(Sl / times));memol.lines.Add(' ');多次运行以上过程,并将每次求取的结果保存,然后取它们的算术平均值,可以得到更为精确的 RI 值。6 运行结果分析在指定精度 exact 为 0.0000l、平均次数(子样数)为 2000时,计算出平均随机一致性指标如下:(下转 l50 页)47 2002.12 计算机工程与应用满足该课题需求。由于阶数均大于 15,尚无现成材料可供比较。(收稿日期:2002 年 4 月)参考文献1.许树伯.实用决策方法———层次分析法原理[M].天津大学出版社,1988 2.许树柏,赵焕臣.层次分析法———一种简易的新决策方法[M].北京:科学出版社,1986 3.[美]托马斯 L 萨迪.领导者:面临挑战与选择———层次分析法在决策中的应用[M].1993 4.赵焕臣,许树柏等.层次分析法———一种简易的新决策方法[M].1986 5.许树伯.实用决策方法———层次分析法原理[M].1988 6.王莲芬,许树柏.层次分析法引论[M].1990 7.[美]T L 萨蒂.层次分析法———在资源分配、管理和冲突分析中的应用[M].1988 8.刘新宪,朱道立.选择与判断———AHP(层次分析法)决策[M].1990阶数 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30R I 1.4 1.7 1.8 1.2 1.6 1.1 1.3 1.6724(上接 47 页)(上接 106 页)下,经典的虚拟手可以用 Go-Go 或射线法替代。尽管射线法和 Go-Go 法都可以在一定距离上进行有效的选择,但是若要求精确选择时,Go-Go 要更好一些。当不要求高精度选择时,射线法较好。引入可视化反馈显著改善了射线法的精度,是一种有效的强化。然而对高精度选择来说,在有可视化反馈强化时,Go-Go 仍然更快。所以,采用哪种技术用于选择性任务,取决于任务所要求的精度。5.2 在定位任务中的虚拟指针和虚拟手比较虚拟指针与虚拟手是困难的,因为,如果要求距离改变(除非虚拟指针可以用一些装置延长到操纵它的长度[6,7]),则不可能用射线法重复定位。在进行改变距离的重复定位操作时,使用 Go-Go 既自然又直观。在固定距离和在操作者能到达的范围内进行重复定位操纵时,虚拟指针非常有效。在这些条件下,射线与 Go-Go 相似或稍好。此外,对重复次数这个指标来说,在距离增加时,射线法较好。5.3 可视化反馈在对象选择中,可视化反馈并非总是能有效地改善交互技术。可视化反馈的确显著改进了射线法在一定距离上的选择,使小对象的选择较容易。然而,可视化反馈的效果在操作者能达到的范围内也并非总是显著。此外,可视化反馈对 Go-Go 的改善不明显,有时甚至是令人吃惊的小。可视化反馈是这种技术的一个内在部分,多加一些可视化反馈并不能改善其性能。因为对象的尺寸是由可视化角给定的,将对象运动的更远处增加了它们实际的几何尺寸[9]。这导致了对象体积的增加,反过来它又抵消了校正的作用。5.4 虚拟交互作用的世界中心与操作者中心VEs 操作者界面的早期研究和发展是希望建立全能型的交互技术,可以有效地处理任何条件下的各种任务。然而,对现有操纵技术的评价显示,甚至对最基本的任务,如对象选择和定位,要建立一种有效的单一的、通用型的技术也是困难的,几乎是不可能的。于是,可以采用另一条路线:利用现有技术设计VEs 使其具有最优性能,而不是另外去开发新的交互技术。这里将世界中心 VE 界面设计和操作者中心 VE 界面设计称为两种设计方法。当然,将 VE 设计方法分成操作者和世界中心是一个广义的概念。实际上开发 VE 系统可能使用的方法和原则是基于这两种方法,取决于其应用目的。(收稿日期:2001 年 6 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引言层次分析法(Anaiytic Hierarchy Process,简称 AHP)是 20世纪 70 年代由 Thomas Saaty 提出的一种定性问题定量化的行之有效的方法[3]。AHP 的应用范围十分广泛,涉及军事指挥、经济分析和计划、行为科学、管理信息系统、运筹学方法评价和教育等许多领域。AHP 的理论核心在于,按照从简单到复杂...
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