层次分析法AHP详细教程.ppt
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1、层次分析法(AHP)应用一、层次分析法概述二、层次分析法的基本思路三、层次分析法的用途举例四、层次分析法应用的程序五、应用层次分析法的注意事项六、层次分析法应用实例一、层次分析法概述 层次分析法是美国运筹学家层次分析法是美国运筹学家SaatySaaty教授于二十世教授于二十世纪纪8080年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法。其主要特征是,它合理地将定性与定量的决方法。其主要特征是,它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。问题该方法自次化、数量化。问题该方法自19
2、821982年被介绍到我国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,如能源系统分析、城市规国社会经济各个领域内,如能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等,得到了广泛的重视和划、经济管理、科研评价等,得到了广泛的重视和应用应用。二、层次分析法的基本思路:-先分解后综合的系统思想先分解后综合的系统思想先分解后综合的系统思想先分解后综合的系统思想整理和综合人们的主观判断,使定性分析与定量分整理和综合人们的主观判断,使定性分析与
3、定量分析有机结合,实现定量化决策。析有机结合,实现定量化决策。首先将所要分析的问题层次化,根据问题的性质和首先将所要分析的问题层次化,根据问题的性质和要达到的总目标,将问题分解成不同的组成因素,要达到的总目标,将问题分解成不同的组成因素,按照因素间的相互关系及隶属关系,将因素按不同按照因素间的相互关系及隶属关系,将因素按不同层次聚集组合,形成一个多层分析结构模型,最终层次聚集组合,形成一个多层分析结构模型,最终归结为最低层(方案、措施、指标等)相对于最高归结为最低层(方案、措施、指标等)相对于最高层(总目标)相对重要程度的权值或相对优劣次序层(总目标)相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。的
4、问题。三、层次分析法的用途举例 例如,某人准备选购一台电冰箱,他对市场上的例如,某人准备选购一台电冰箱,他对市场上的6 6种不同类型的电冰箱进行了解后,在决定买那一款式种不同类型的电冰箱进行了解后,在决定买那一款式是,往往不是直接进行比较,因为存在许多不可比的是,往往不是直接进行比较,因为存在许多不可比的因素,而是选取一些中间指标进行考察。例如电冰箱因素,而是选取一些中间指标进行考察。例如电冰箱的容量、制冷级别、价格、型式、耗电量、外界信誉、的容量、制冷级别、价格、型式、耗电量、外界信誉、售后服务等。然后再考虑各种型号冰箱在上述各中间售后服务等。然后再考虑各种型号冰箱在上述各中间标准下的优劣排
5、序。借助这种排序,最终作出选购决标准下的优劣排序。借助这种排序,最终作出选购决策。在决策时,由于策。在决策时,由于6 6种电冰箱对于每个中间标准的优种电冰箱对于每个中间标准的优劣排序一般是不一致的,因此,决策者首先要对这劣排序一般是不一致的,因此,决策者首先要对这7 7个个标准的重要度作一个估计,给出一种排序,然后把标准的重要度作一个估计,给出一种排序,然后把6 6种种冰箱分别对每一个标准的排序权重找出来,最后把这冰箱分别对每一个标准的排序权重找出来,最后把这些信息数据综合,得到针对总目标即购买电冰箱的排些信息数据综合,得到针对总目标即购买电冰箱的排序权重。有了这个权重向量,决策就很容易了。序
6、权重。有了这个权重向量,决策就很容易了。四、层次分析法应用的程序运用AHP法进行决策时,需要经历以下4个步骤:1、建立系统的递阶层次结构;、建立系统的递阶层次结构;2 2、构造两两比较判断矩阵;(正互反矩阵)、构造两两比较判断矩阵;(正互反矩阵)3 3、针对某一个标准,计算各备选元素的权重;、针对某一个标准,计算各备选元素的权重;4 4、计算当前一层元素关于总目标的排序权重。、计算当前一层元素关于总目标的排序权重。5 5、进行一致性检验。、进行一致性检验。五、应用层次分析法的注意事项 如如果果所所选选的的要要素素不不合合理理,其其含含义义混混淆淆不不清清,或或要要素素间间的的关关系系不不正正确
7、确,都都会会降降低低AHPAHP法法的的结结果果质质量量,甚甚至至导导致致AHPAHP法决策失败。法决策失败。为保证递阶层次结构的合理性,需把握以下原则:为保证递阶层次结构的合理性,需把握以下原则:1 1、分解简化问题时把握主要因素,不漏不多;、分解简化问题时把握主要因素,不漏不多;2 2、注注意意相相比比较较元元素素之之间间的的强强度度关关系系,相相差差太太悬悬殊殊的的要要素素不能在同一层次比较。不能在同一层次比较。六、六、层次分析法应用实例1、建立国民素质评价系统的递阶层次结构建立国民素质评价系统的递阶层次结构;2、构造两两比较判断矩阵;(正互反矩阵)根据层次分析模型示意图所示,每位问卷评
8、分者就可以依据个人对评价指标的主观评价,进行综合分析,对各指标之间进行两两对比之后,然后按9分位比率排定各评价指标的相对优劣顺序,依次构造出评价指标的判断矩阵。3 3、针对某一个标准,计算各备选元素的权重;、针对某一个标准,计算各备选元素的权重;关于判断矩阵权重计算的方法有两种,即几何平均关于判断矩阵权重计算的方法有两种,即几何平均法(根法)和规范列平均法(和法)。法(根法)和规范列平均法(和法)。(1 1)几何平均法(根法)几何平均法(根法)计算判断矩阵计算判断矩阵A A各行各个元素各行各个元素mmi i的乘积;的乘积;计算计算mmi i的的n n次方根;次方根;对向量进行归一化处理;对向量
9、进行归一化处理;该向量即为所求权重向量。该向量即为所求权重向量。(2)规范列平均法(和法)计算判断矩阵计算判断矩阵A A各行各个元素各行各个元素mmi i的和;的和;将A的各行元素的和进行归一化;该向量即为所求权重向量。该向量即为所求权重向量。(3)计算矩阵A的最大特征值max对对于于任任意意的的i=1,2,n,i=1,2,n,式式中中为为向向量量AWAW的的第第i i个个元元素素一致性检验构造好判断矩阵后,需要根据判断矩阵计算针对某一准则层各元素的相对权重,并进行一致性检验。虽然在构造判断矩阵A时并不要求判断具有一致性,但判断偏离一致性过大也是不允许的。因此需要对判断矩阵A进行一致性检验。R
10、I为平均随机一致性指标,是足够多个根据随机发生的判断矩阵计算的一致性指标的平均值。n为判断矩阵的阶数。110阶矩阵的RI取值见下表:矩阵阶数n 1 2 3 4 5RI 0 0 0.58 0.90 1.12 矩阵阶数n 6789 10RI 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49一般而言CR愈小,判断矩阵的一致性愈好,通常认为CR0.1时,判断矩阵具有满意的一致性。层次分析法层次分析法Analytical Hierarchy Process(AHP)T.L.Saaty层次分析法建模层次分析法建模一一 问题的提出问题的提出 日常生活中有许多决策问题。决策是指在面临多种方案时需要依据一定的标
11、准选择某一种方案。例1 购物 买钢笔,一般要依据质量、颜色、实用性、价格、外形等方面的因素选择某一支钢笔。买饭,则要依据色、香、味、价格等方面的因素选择某种饭菜。例2 旅游 假期旅游,是去风光秀丽的苏州,还是去迷人的北戴河,或者是去山水甲天下的桂林,一般会依据景色、费用、食宿条件、旅途等因素选择去哪个地方。例3 择业面临毕业,可能有高校、科研单位、企业等单位可以去选择,一般依据工作环境、工资待遇、发展前途、住房条件等因素择业。例4 科研课题的选择 由于经费等因素,有时不能同时开展几个课题,一般依据课题的可行性、应用价值、理论价值、被培养人才等因素进行选题。面临各种各样的方案,要进行比较、判断、
12、评价、最后作出决策。这个过程主观因素占有相当的比重给用数学方法解决问题带来不便。T.L.saatyT.L.saaty等人20世纪在七十年代提出了一种能有效处理这类问题的实用方法。层次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)Analytical Hierarchy Process,AHP)这是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法。过去研究自然和社会现象主要有机理分析法和统计分析法机理分析法和统计分析法两种方法,前者用经典的数学经典的数学工具分析现象的因果关系,后者以随机数学随机数学为工具,通过大量的观察数据寻求统计规律。近年发展的系统分析是又一种方
13、法,而层次分析法层次分析法是系统分析的数学工具之一。层次分析法的基本思路:与人们对某一复杂决策问题的思维、判断过程大体一致。选择钢笔质量、颜色、价格、外形、实用钢笔1、钢笔2、钢笔3、钢笔4质量、颜色、价格、外形、实用进行排序将各个钢笔的质量、颜色、价格、外形、实用进行排序经综合分析决定买哪支钢笔二二二二 层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤层次分析法的基本步骤用用AHPAHP分析问题大体要经过以下五个步骤:分析问题大体要经过以下五个步骤:(1)(1)建立层次结构模型;建立层次结构模型;(2)(2)构造判断矩阵;构造判断矩阵;(3)(3)层次单排序;层次单排序;(4)(
14、4)层次总排序;层次总排序;(5)(5)一致性检验。一致性检验。其中后三个步骤在整个过程中需要逐层地进行。其中后三个步骤在整个过程中需要逐层地进行。1.1.建立层次结构模型建立层次结构模型 首先要将所包含的因素分组,每一组作为一个层次,按首先要将所包含的因素分组,每一组作为一个层次,按首先要将所包含的因素分组,每一组作为一个层次,按首先要将所包含的因素分组,每一组作为一个层次,按照最高层、若干有关的中间层和最低层的形式排列起来。对照最高层、若干有关的中间层和最低层的形式排列起来。对照最高层、若干有关的中间层和最低层的形式排列起来。对照最高层、若干有关的中间层和最低层的形式排列起来。对于决策问题
15、通常可以将其划分成于决策问题,通常可以将其划分成于决策问题,通常可以将其划分成于决策问题,通常可以将其划分成层次结构模型层次结构模型层次结构模型层次结构模型。n最高层:最高层:表示解决问题的目的,即应用表示解决问题的目的,即应用AHPAHP所要达到的目标。所要达到的目标。n中间层:中间层:它表示采用某种措施和政策来实现预定目标所涉及它表示采用某种措施和政策来实现预定目标所涉及的中间环节,一般又分为策略层、约束层、准则层等。的中间环节,一般又分为策略层、约束层、准则层等。n最低层:最低层:表示解决问题的措施或政策表示解决问题的措施或政策(即方案即方案)。AHP决策分析法层次结构示意图决策分析法
16、层次结构示意图 买钢笔质量颜色价格外形实用可供选择的笔 一般分为三层,最上面为目标层目标层,最下面为方案层方案层,中间是准则层或指标层准则层或指标层。例1 的层次结构模型 准则层 方案层目标层选择旅游地景色费用居住饮食旅途苏州、杭州、桂林例2 层次结构模型层次结构模型 准则层A 方案层B目标层Z若上层的每个因素都支配着下一层的所有因素,或被下一层所有因素影响,称为完全层次结构,否则称为不完全层次结构。图图8.2.3 晋陕蒙三角地区综合开发治理战略决策模型层次结构图晋陕蒙三角地区综合开发治理战略决策模型层次结构图 设某层有个因素,2 2 构造成对比较矩阵(判断矩阵)构造成对比较矩阵(判断矩阵)要
17、比较它们对上一层某一准则(或目标)的影响程度,确定在该层中相对于某一准则所占的比重。(即把个因素对上层某一目标的影响程度排序)用 表示第个因素相对于第个因素的比较结果,则则称为成对比较矩阵成对比较矩阵。上述比较是两两因素之间进行的比较,比较时取1919尺度。尺度。尺度第 个因素与第 个因素的影响相同第 个因素比第 个因素的影响稍强 第 个因素比第 个因素的影响强 第 个因素比第 个因素的影响明显强第 个因素比第 个因素的影响绝对地强 含义比较尺度:(1919尺度尺度的含义)2,4,6,8表示第个因素相对于第个因素的影响介于上述两个相邻等级之间。倒数:若j因素和i因素比较,得到的判断值为。由上述
18、定义知,成对比较矩阵则称为正互反阵正互反阵。比如,例2的旅游问题中,第二层A A的各因素对目标层Z Z的影响两两比较结果如下:满足一下性质Z ZA A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 511/2433217551/41/711/21/31/31/52111/31/5311分别表示景色、费用、居住、饮食、旅途。由上表,可得成对比较矩阵旅游问题的成对比较矩阵共有6个(一个5阶,5个3阶)。问题:问题:两两进行比较后,怎样才能知道,下层各因素对上层某因素的影响程度的排序结果呢?3 层次单排序及一致性检验层次单排序及一致性检
19、验层次单排序:层次单排序:确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。确定下层各因素对上层某因素影响程度的过程。用权值表示影响程度,先从一个简单的例子看如何确定权值。例如 一块石头重量记为1,打碎分成n各小块,各块的重量分别记为:则可得成对比较矩阵:由右面矩阵可以看出:即,但在例2的成对比较矩阵中,在正互反矩阵 中,若 ,则称 为一致阵。若成对比较矩阵是一致阵,则我们自然会取对应于最大特征根 的归一化特征向量 ,且表示下层第 个因素对上层某因素影响程度的权值。若成对比较矩阵不是一致阵,SaatySaaty等人建议用其最大特征根对应的归一化特征向量作为权向量 ,则这样确定权向量的方法称为特征根法。
20、特征根法。定义一致性指标一致性指标其中 为 的对角线元素之和,也为 的特征根之和。由于 连续的依赖于 ,则 比 大的越多,的不一致性越严重。用最大特征值对应的特征向量作为被比较因素对上层某因素影响程度的权向量,其不一致程度越大,引起的判断误差越大。因而可以用 数值的大小来衡量 的不一致程度。则可得一致性指标 定义平均随机一致性指标平均随机一致性指标随机构造500个成对比较矩阵平均随机一致性指标 RI 的数值:n n1 12 23 34 45 56 67 78 89 910101111RIRI0 00 00.580.580.900.901.121.121.241.241.321.321.411.
21、411.451.451.491.491.511.51 一般,当一致性比率 的不一致程度在容许范围之内,可用其归一化特征向量作为权向量,否则要重新构造成对比较矩阵,对 加以调整。时,认为4 4 层次总排序及其一致性检验层次总排序及其一致性检验 确定某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过确定某层所有因素对于总目标相对重要性的排序权值过程,程,称为层次总排序。层次总排序。从最高层到最低层逐层进行。设:对总目标Z的排序为的层次单排序为即 层第 个因素对总目标的权值为:层的层次总排序为:B B层的层次层的层次总排序总排序AB层次总排序的一致性检验层次总排序的一致性检验设 层 对上层(层)中因素 的
22、层次单排序一致性指标为 ,随机一致性指为 ,则层次总排序的一致性比率为:当 时,认为层次总排序通过一致性检验。到此,根据最下层(决策层)的层次总排序做出最后决策。1.1.建立层次结构模型建立层次结构模型 该结构图包括目标层,准则层,方案层。层次分析法的基本步骤基本步骤归纳如下3.计算单排序权向量并做一致性检验计算单排序权向量并做一致性检验2.构造成对比较矩阵构造成对比较矩阵从第二层开始用19尺度构造成对比较矩阵。对每个成对比较矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量,利用一致性指标、平均随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过,特征向量(归一化后)即为权向特征向量(归一化后)即为权向量;
23、量;若不通过,需要重新构造成对比较矩阵。计算最下层对最上层总排序的权向量。4.4.计算总排序权向量并做一致性检验计算总排序权向量并做一致性检验进行检验。若通过,则可按照总排序权向量表示的结果进行决策,否则需要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率 较大的成对比较矩阵。利用总排序一致性比率作业:上机实验作业:上机实验作业:上机实验作业:上机实验用用用用ExcelExcel分析完成层次分析法的一个应用。分析完成层次分析法的一个应用。分析完成层次分析法的一个应用。分析完成层次分析法的一个应用。旅游问题层次结构模型旅游问题层次结构模型分别分别表示景色、费用、居住、饮食、旅途。分别表示苏杭、北戴河、桂林。
24、用层次分析法选一个适合自己情况的旅游点。Excel函数 PRODUCT(B11:F11)PRODUCT(B11:F11):参数的乘积;参数的乘积;参数的乘积;参数的乘积;POWER(G11POWER(G11,1/5)1/5):某数的乘幂;某数的乘幂;某数的乘幂;某数的乘幂;SUM(H$11:H$15)SUM(H$11:H$15):数值的求和;数值的求和;数值的求和;数值的求和;MMULT(B11:F11MMULT(B11:F11,I$11:I$15)I$11:I$15):两:两:两:两数组矩阵的乘积。数组矩阵的乘积。数组矩阵的乘积。数组矩阵的乘积。四、对四、对AHP方法的简单评价方法的简单评价
25、优点:优点:思路简单明了,它将决策者的思维过程条理化、思路简单明了,它将决策者的思维过程条理化、数量化,便于计算,容易被人们所接受;数量化,便于计算,容易被人们所接受;所需要的定量化数据较少,但对问题的本质,问题所需要的定量化数据较少,但对问题的本质,问题所涉及的因素及其内在关系分析得比较透彻、清楚。所涉及的因素及其内在关系分析得比较透彻、清楚。缺点:缺点:存在着较大的随意性。存在着较大的随意性。譬如,对于同样一个决策问题,如果在互不干扰、譬如,对于同样一个决策问题,如果在互不干扰、互不影响的条件下,让不同的人同样都采用互不影响的条件下,让不同的人同样都采用AHPAHP决策决策分析方法进行研究
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