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1、第四章层次分析模型本讲稿第一页，共三十九页层次分析模型层次分析模型背背景景 日常工作、生活中的决策问题日常工作、生活中的决策问题 涉及经济、社会等方面的因素涉及经济、社会等方面的因素 作比较判断时人的主观选择起相当大的作比较判断时人的主观选择起相当大的作用，各因素的重要性难以量化作用，各因素的重要性难以量化 T.L.Saaty等人于等人于1970年代提出层次分析法年代提出层次分析法 AHP(Analytic Hierarchy Process)AHP一种一种定性与定量相结合的、系统定性与定量相结合的、系统化、层次化化、层次化的分析方法的分析方法本讲稿第二页，共三十九页目标层目标层O(选择旅游地
2、选择旅游地)P2黄山黄山P1桂林桂林P3北戴河北戴河准则层准则层方案层方案层C3居住居住C1景色景色C2费用费用C4饮食饮食C5旅途旅途一一.层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤例例.选择旅游地选择旅游地如何在如何在3 3个目的地中按照景色、费用、个目的地中按照景色、费用、居住条件等因素选择居住条件等因素选择.本讲稿第三页，共三十九页“选择旅游地选择旅游地”思维过程的归纳思维过程的归纳 将决策问题分为将决策问题分为3个层次：目标层个层次：目标层O，准则层，准则层C，方案，方案层层P；每层有若干元素，；每层有若干元素，各层元素间的关系用相连的直各层元素间的关系用相连的直线表示。线表示。通过相
3、互比较确定各准则对目标的权重，及各方案通过相互比较确定各准则对目标的权重，及各方案对每一准则的权重。对每一准则的权重。将上述两组权重进行综合，确定各方案对目标的权重。将上述两组权重进行综合，确定各方案对目标的权重。层次分析法将定性分析与定量分析结合起来完成层次分析法将定性分析与定量分析结合起来完成以上步骤，给出决策问题的定量结果。以上步骤，给出决策问题的定量结果。本讲稿第四页，共三十九页层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤成对比较阵成对比较阵和权向量和权向量 元素之间两两对比，对比采用相对尺度元素之间两两对比，对比采用相对尺度 设要比较各准则设要比较各准则C1,C2,Cn对目标对目标O的重
4、要性的重要性A成对比较阵成对比较阵A是正互反阵是正互反阵要由要由A确定确定C1,Cn对对O的权向量的权向量选选择择旅旅游游地地本讲稿第五页，共三十九页成对比较的不一致情况成对比较的不一致情况一致比较一致比较不一致不一致允许不一致，但要确定不一致的允许范围允许不一致，但要确定不一致的允许范围考察完全一致的情况考察完全一致的情况成对比较阵和权向量成对比较阵和权向量本讲稿第六页，共三十九页成对比较完全一致的情况成对比较完全一致的情况满足满足的正互反阵的正互反阵A称称一致阵一致阵，如，如 A的秩为的秩为1，A的唯一非零特征根为的唯一非零特征根为n A的任一列向量是对应于的任一列向量是对应于n 的特征向
5、量的特征向量 A的归一化特征向量可作为权向量的归一化特征向量可作为权向量对于不一致对于不一致(但在允许范围内但在允许范围内)的成对比较的成对比较阵阵A，建议用对应于，建议用对应于最大特征根最大特征根 的特征向的特征向量作为权向量量作为权向量w，即，即一致阵一致阵性质性质成对比较阵和权向量成对比较阵和权向量本讲稿第七页，共三十九页2 4 6 8比较尺度比较尺度aij Saaty等人提出等人提出19尺度尺度aij 取值取值1,2,9及其互反数及其互反数1,1/2,1/9尺度尺度 1 3 5 7 9 相同相同 稍强稍强 强强 明显强明显强 绝对强绝对强aij=1,1/2,1/9的重要性与上面相反的重
6、要性与上面相反 心理学家认为成对比较的因素不宜超过心理学家认为成对比较的因素不宜超过9个个 用用13,15,117,1p9p(p=2,3,4,5),d+0.1d+0.9(d=1,2,3,4)等等27种比较尺度对若干实例构造成对比较阵，种比较尺度对若干实例构造成对比较阵，算出权向量，与实际对比发现，算出权向量，与实际对比发现，19尺度较优。尺度较优。便于定性到定量的转化：便于定性到定量的转化：成对比较阵和权向量成对比较阵和权向量本讲稿第八页，共三十九页一致性检验一致性检验对对A确定不一致的允许范围确定不一致的允许范围已知：已知：n 阶一致阵的唯一非零特征根为阶一致阵的唯一非零特征根为n可证：可证
7、：n 阶正互反阵最大特征根阶正互反阵最大特征根 n,且且 =n时为一致阵时为一致阵定义一致性指标定义一致性指标:CI 越大，不一致越严重越大，不一致越严重为衡量为衡量CI 的大小，引入的大小，引入随机一致性指标随机一致性指标 RI随机模拟随机模拟得到得到aij,形成形成A，计算，计算CI 即得即得RI。本讲稿第九页，共三十九页RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.51 n1234567891110计算计算RI的过程：的过程：对于固定的对于固定的n，随机的构造正互反矩阵，随机的构造正互反矩阵A(它的元素从它的元素从19和和11/9中随机取值），然后计算中随机
8、取值），然后计算A的一的一致性指标。可以想到，这个致性指标。可以想到，这个A是非常不一致的，它的是非常不一致的，它的CI相相当大。如此当大。如此构造相当多的构造相当多的A，用它们的，用它们的CI的平均值作为随机的平均值作为随机一致性指标一致性指标定义定义一致性比率一致性比率 CR=CI/RI 当当CR0.1时，通过一致性检验时，通过一致性检验Saaty的结果如下的结果如下本讲稿第十页，共三十九页“选择旅游地选择旅游地”中准中准则层对目标的权向量则层对目标的权向量及一致性检验及一致性检验准则层对目标的准则层对目标的成对比较阵成对比较阵最大特征根最大特征根=5.073权向量权向量(特征向量特征向量
9、)w=(0.263,0.475,0.055,0.090,0.110)T一致性指标一致性指标随机一致性指标随机一致性指标 RI=1.12(查表查表)一致性比率一致性比率CR=0.018/1.12=0.0160.1通过一致通过一致性检验性检验本讲稿第十一页，共三十九页组合权向量组合权向量记第记第2层（准则）对第层（准则）对第1层（目标）层（目标）的权向量为的权向量为同样求第同样求第3层层(方案方案)对第对第2层每一元素层每一元素(准则准则)的权向量的权向量方案层对方案层对C1(景色景色)的成对比较阵的成对比较阵方案层对方案层对C2(费用费用)的成对比较阵的成对比较阵CnBn最大特征根最大特征根 1
10、 2 n 权向量权向量 w1(3)w2(3)wn(3)本讲稿第十二页，共三十九页第第3层对第层对第2层的计算结果层的计算结果k10.5950.2770.1293.0050.0030.00100.00503.0020.6820.2360.082230.1420.4290.42933.0090.1750.1930.633430.6680.1660.1665组合权向量组合权向量RI=0.58(n=3),CIk 均可通过一致性检验均可通过一致性检验 w(2)0.2630.4750.0550.0900.110方案方案P1对目标的组合权重为对目标的组合权重为0.595 0.263+=0.300方案层对目标
11、的组合权向量为方案层对目标的组合权向量为(0.300,0.246,0.456)T本讲稿第十三页，共三十九页组合组合权向量权向量第第1层层O第第2层层C1,Cn第第3层层P1,Pm第第2层对第层对第1层的权向量层的权向量第第3层对第层对第2层各元素的权向量层各元素的权向量构造矩阵构造矩阵则第则第3层对第层对第1层的组合权向量层的组合权向量第第s层对第层对第1层的组合权向量层的组合权向量其中其中W(p)是由第是由第p层对第层对第p-1层权向量组成的矩阵层权向量组成的矩阵本讲稿第十四页，共三十九页在应用层次分析法作重大决策时，除了对每个成对比较阵在应用层次分析法作重大决策时，除了对每个成对比较阵进行
12、一致性检验外，还常要进行所谓组合一致性检验，以进行一致性检验外，还常要进行所谓组合一致性检验，以确定组合权向量是否可以作为最终的决策依据。确定组合权向量是否可以作为最终的决策依据。组合一致组合一致性检验性检验本讲稿第十五页，共三十九页则第则第p层的组合一致性比率为层的组合一致性比率为本讲稿第十六页，共三十九页定义最下层定义最下层(第第s层层)对第对第1层的组合一致性比率为层的组合一致性比率为 对于重大项目，仅当对于重大项目，仅当 适当的小时，才认为整个适当的小时，才认为整个层次的比较判断通过一致性检验层次的比较判断通过一致性检验。在旅游决策问题中可以算出在旅游决策问题中可以算出前面已经有前面已
13、经有 ，于是，于是 组合一致性检验通过，前面得到的组合权向量组合一致性检验通过，前面得到的组合权向量 可以作为最终决策的依据。可以作为最终决策的依据。本讲稿第十七页，共三十九页层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤1）建立层次分析结构模型）建立层次分析结构模型深入分析实际问题，将有关因素自上而下分层（目标深入分析实际问题，将有关因素自上而下分层（目标准准则或指标则或指标方案或对象），上层受下层影响，而层内各因方案或对象），上层受下层影响，而层内各因素基本上相对独立。素基本上相对独立。2）构造成对比较阵）构造成对比较阵用成对比较法和用成对比较法和19尺度，构造各层对上一层每一因素的成对比尺度，
14、构造各层对上一层每一因素的成对比较阵。较阵。3）计算权向量并作一致性检验）计算权向量并作一致性检验对每一成对比较阵计算最大特征根和特征向量，作一致性检验，对每一成对比较阵计算最大特征根和特征向量，作一致性检验，若通过，若通过，则特征向量为权向量则特征向量为权向量。4）计算组合权向量（作组合一致性检验）计算组合权向量（作组合一致性检验*）组合权向量可作为决策的定量依据组合权向量可作为决策的定量依据。本讲稿第十八页，共三十九页二二.层次分析法的广泛应用层次分析法的广泛应用 应用领域应用领域：经济计划和管理，能源政策和分配，人：经济计划和管理，能源政策和分配，人才选拔和评价，生产决策，交通运输，科研
15、选题，才选拔和评价，生产决策，交通运输，科研选题，产业结构，教育，医疗，环境，军事等。产业结构，教育，医疗，环境，军事等。处理问题类型：处理问题类型：决策、评价、分析、预测等。决策、评价、分析、预测等。建立层次分析结构模型建立层次分析结构模型是关键一步，要有主要决策层参是关键一步，要有主要决策层参与。与。构造成对比较阵是数量依据构造成对比较阵是数量依据，应由经验丰富、判断力，应由经验丰富、判断力强的专家给出。强的专家给出。本讲稿第十九页，共三十九页国家综合实力国家综合实力国民国民收入收入军事军事力量力量科技科技水平水平社会社会稳定稳定对外对外贸易贸易美、俄、中、日、德等大国美、俄、中、日、德等
16、大国工作选择工作选择贡贡献献收收入入发发展展声声誉誉关关系系位位置置供选择的岗位供选择的岗位例例1 国家实国家实力分析力分析例例2 工作选择工作选择本讲稿第二十页，共三十九页过河的效益过河的效益 A经济效益经济效益B1社会效益社会效益B2环境效益环境效益B3节节省省时时间间C1收收入入C2岸岸间间商商业业C3当当地地商商业业C4建建筑筑就就业业C5安安全全可可靠靠C6交交往往沟沟通通C7自豪自豪感感C8舒舒适适C9进进出出方方便便C10美美化化C11桥梁桥梁D1隧道隧道D2渡船渡船D3（1）过河效益层次结构）过河效益层次结构例例3 横渡江横渡江河、海峡方河、海峡方案的抉择案的抉择本讲稿第二十一
17、页，共三十九页过河的代价过河的代价 A经济代价经济代价 B1环境代价环境代价B3社会代价社会代价B2投投入入资资金金C1操操作作维维护护C2冲冲击击渡渡船船业业C3冲冲击击生生活活方方式式C4交交通通拥拥挤挤C5居居民民搬搬迁迁C6汽汽车车排排放放物物C7对对水水的的污污染染C8对对生生态态的的破破坏坏C9桥梁桥梁D1隧道隧道D2渡船渡船D2（2）过河代价层次结构）过河代价层次结构例例3 横渡江横渡江河、海峡方河、海峡方案的抉择案的抉择本讲稿第二十二页，共三十九页待评价的科技成果待评价的科技成果直接直接经济经济效益效益 C11间接间接经济经济效益效益 C12社会社会效益效益 C13学识学识水平
18、水平 C21学术学术创新创新 C22技术技术水平水平 C23技术技术创新创新 C24效益效益C1水平水平C2规模规模C3科技成果评价科技成果评价例例4 科技成果科技成果的综合评价的综合评价本讲稿第二十三页，共三十九页三三.层次分析法的若干问题层次分析法的若干问题 正互反阵的正互反阵的最大特征根是否为正数最大特征根是否为正数？特征向量是否特征向量是否为正向量？一致性指标能否反映正互反阵接近一致阵为正向量？一致性指标能否反映正互反阵接近一致阵的程度的程度？怎样怎样简化计算简化计算正互反阵的最大特征根和特征向量？正互反阵的最大特征根和特征向量？为什么用特征向量作为权向量为什么用特征向量作为权向量？当
19、层次结构不完全或成对比较阵有空缺当层次结构不完全或成对比较阵有空缺时怎样用层次时怎样用层次分析法？分析法？本讲稿第二十四页，共三十九页1.正互反阵的最大特征根和特征向量的性质正互反阵的最大特征根和特征向量的性质定理定理1 1 正矩阵正矩阵A 的的最大特征根最大特征根 是正单根，对应是正单根，对应正特征向量正特征向量w，且，且定理定理2 2 n阶正互反阵阶正互反阵A的最大特征根的最大特征根 n,=n是是A为一致阵的充要条件。为一致阵的充要条件。正互反阵的最大特征根是正数，正互反阵的最大特征根是正数，特征向量是正向量。特征向量是正向量。一致性指标一致性指标 定义合理定义合理本讲稿第二十五页，共三十
20、九页2.正互反阵最大特征根和特征向量的简化计算正互反阵最大特征根和特征向量的简化计算 成对比较阵是比较粗糙的量化结果，精确计算是不必要的。成对比较阵是比较粗糙的量化结果，精确计算是不必要的。简化计算的思路简化计算的思路一致阵的任一列向量都是特征向量，一一致阵的任一列向量都是特征向量，一致性尚好的正互反阵的列向量都应近似特征向量，致性尚好的正互反阵的列向量都应近似特征向量，可取其某种意可取其某种意义下的平均义下的平均。和法和法取列向量的算术平均取列向量的算术平均列向量列向量归一化归一化按行按行求和求和本讲稿第二十六页，共三十九页精确结果精确结果:w=(0.588,0.322,0.090)T,=3
21、.010根法根法取列向量的几何平均取列向量的几何平均步骤与和法基本相同，只是将步骤步骤与和法基本相同，只是将步骤2按行求和改为按按行求和改为按行求积并开行求积并开n 次方。次方。本讲稿第二十七页，共三十九页幂法幂法迭代算法迭代算法1）任取初始向量）任取初始向量w(0),k=0，设置精度，设置精度 2)计算计算3）归一化）归一化5)计算计算4）若）若 ，停止；否则，停止；否则，k=k+1,转转2本讲稿第二十八页，共三十九页3.特征向量作为权向量特征向量作为权向量成对比较的多步累积效应成对比较的多步累积效应问题问题一致阵一致阵A,权向量权向量w=(w1,wn)T,aij=wi/wjA不一致时不一致
22、时,应选权向量应选权向量w使使wi/wj与与 aij相差相差尽量小（对所有尽量小（对所有i,j)。用拟合方法确定用拟合方法确定w非线性非线性最小二乘最小二乘线性化线性化对数最小二乘对数最小二乘结果与根法相同结果与根法相同本讲稿第二十九页，共三十九页 由上可知由上可知按不同准则确定的权向量按不同准则确定的权向量不同，特征向量有什么优点？不同，特征向量有什么优点？成对比较成对比较Ci:Cj(直接比较）直接比较）aij 1 1步强度步强度是是Ci通过通过Cs 与与Cj的比较的强度之和的比较的强度之和,已经包含了一步强度已经包含了一步强度(s=i,j)aij(2)2步强度步强度更能反映更能反映Ci对对
23、Cj 的强度的强度多步累积效应多步累积效应体现体现多步累积效应多步累积效应当当k足够大足够大,Ak第第i行元素行元素反映反映Ci 在全部因素中排序权重在全部因素中排序权重的信息的信息，可以用这行元素之和作为，可以用这行元素之和作为Ci权重的度量权重的度量本讲稿第三十页，共三十九页 以上分析表明，无论以上分析表明，无论从全面反映因素间强度对比的从全面反映因素间强度对比的多步累积效应的意义上多步累积效应的意义上(1)式式)，还是从各个多步累积效，还是从各个多步累积效应的应的平均的意义上平均的意义上（(2)式），用特征向量作权向量，优式），用特征向量作权向量，优于用其他方法得到的权向量。于用其他方法
24、得到的权向量。即以即以 为诸因素的权向量，其中分母是归一为诸因素的权向量，其中分母是归一化的需要。化的需要。可看出，当可看出，当 时，这个权向量正是时，这个权向量正是A的特征向量，的特征向量，即即用级数理论可证明用级数理论可证明本讲稿第三十一页，共三十九页4.不完全层次结构中组合权向量的计算不完全层次结构中组合权向量的计算完全层次结构：上层每一元素与下层所有元素相关联完全层次结构：上层每一元素与下层所有元素相关联不完全层次结构不完全层次结构设第设第2层对第层对第1层权向量层权向量w(2)=(w1(2),w2(2)T已定已定第第3层对第层对第2层权向量层权向量w1(3)=(w11(3),w12(
25、3),w13(3),0)Tw2(3)=(0,0,w23(3),w24(3)T已得已得讨论由讨论由w(2),W(3)=(w1(3),w2(3)计算第计算第3层对第层对第1层权向层权向量量w(3）的方法的方法贡献贡献O教学教学C1科研科研C2P2 P1P3P4例例:评价教师贡献的层次结构评价教师贡献的层次结构P1,P2只作教学只作教学,P4只作科研只作科研,P3兼作教学、科研。兼作教学、科研。C1,C2支配元素的数目不等支配元素的数目不等本讲稿第三十二页，共三十九页 不考虑支配元素数目不等的影响不考虑支配元素数目不等的影响 仍用仍用 计算计算 支配元素越多权重越大支配元素越多权重越大用支配元素数目
26、用支配元素数目n1,n2对对w(2)加权修正加权修正 若若C1,C2重要性相同重要性相同,w(2)=(1/2,1/2)T,P1P4能力相同能力相同,w1(3)=(1/3,1/3,1/3,0)T,w2(3)=(0,0,1/2,1/2)T公正的评价应为：公正的评价应为：P1:P2:P3:P4=1:1:2:1 再用再用 计算计算w(3)=(1/6,1/6,5/12,1/4)Tw(3)=(1/5,1/5,2/5,1/5)T考察一个特例：考察一个特例：这种权重修正方法只适合于教学、科研任务由上级安排的情况，在能力相这种权重修正方法只适合于教学、科研任务由上级安排的情况，在能力相同的条件下，承担双份工作的
27、贡献自然大一倍。同的条件下，承担双份工作的贡献自然大一倍。本讲稿第三十三页，共三十九页 计算得计算得w(3)=(4/30,4/30,13/30,9/30)T 支配元素越多权重越小支配元素越多权重越小 若教师从事教学、科研完全靠个人积极性，而且上若教师从事教学、科研完全靠个人积极性，而且上级希望每位教师都二者兼顾，并级希望每位教师都二者兼顾，并鼓励从事人数较少的那鼓励从事人数较少的那一类工作一类工作，仍需要修正权向量。，仍需要修正权向量。按上面的数据算一下，得按上面的数据算一下，得本讲稿第三十四页，共三十九页5.残缺成对比较阵的处理残缺成对比较阵的处理 专家或有关人士由于某种原因无法或不愿对某两
28、个专家或有关人士由于某种原因无法或不愿对某两个因素给出相互对比的结果因素给出相互对比的结果 ，于是成对比较阵出现残缺，于是成对比较阵出现残缺(不能补不能补0，因为要求，因为要求 )，如何对此作修正，以便，如何对此作修正，以便继续进行权向量的计算呢，下面通过简例介绍一种继续进行权向量的计算呢，下面通过简例介绍一种办法。办法。本讲稿第三十五页，共三十九页miA第第i 行行中中 的个数的个数 为残缺元素为残缺元素辅助矩阵辅助矩阵本讲稿第三十六页，共三十九页6.更复杂的层次结构更复杂的层次结构 递阶层次结构递阶层次结构：层内各元素独立，无相互影响和支：层内各元素独立，无相互影响和支配；层间自上而下、逐
29、层传递，配；层间自上而下、逐层传递，无反馈和循环无反馈和循环。更复杂的层次结构更复杂的层次结构：层内各元素间存在相互影响或支层内各元素间存在相互影响或支配；层间存在反馈或循环。配；层间存在反馈或循环。制动制动底盘底盘车轮车轮方向盘方向盘发动机发动机减震装置减震装置刹车刹车转向转向运行运行加速性能加速性能汽车行驶性能汽车行驶性能汽车汽车1汽车汽车2汽车汽车n例例本讲稿第三十七页，共三十九页用层次分析法研究这些更复杂的层次结构，用层次分析法研究这些更复杂的层次结构，需要引需要引入超矩阵、极限相对权向量、极限绝对权向量等入超矩阵、极限相对权向量、极限绝对权向量等概念概念，并建立相应的算法。，并建立相
30、应的算法。本讲稿第三十八页，共三十九页 层次分析法的优点层次分析法的优点 系统性系统性将对象视作系统，按照分解、比较、判断、综合的思将对象视作系统，按照分解、比较、判断、综合的思维方式进行决策维方式进行决策系统分析（与机理分析、测试分析并列）；系统分析（与机理分析、测试分析并列）；实用性实用性定性与定量相结合，能处理传统的优化方法不能解决定性与定量相结合，能处理传统的优化方法不能解决的问题；的问题；简洁性简洁性计算简便，结果明确，便于决策者直接了解计算简便，结果明确，便于决策者直接了解和掌握。和掌握。层次分析法的局限层次分析法的局限 囿旧囿旧只能从原方案中选优，不能产生新方案；只能从原方案中选优，不能产生新方案；粗略粗略定性化为定量，结果比较粗糙，不适于精度要求很高定性化为定量，结果比较粗糙，不适于精度要求很高的问题；的问题；主观主观主观因素作用大，结果可能难以为众人接受，采取专家群主观因素作用大，结果可能难以为众人接受，采取专家群体判断的办法是克服这一缺点的一种途径。体判断的办法是克服这一缺点的一种途径。本讲稿第三十九页，共三十九页