多目标决策

第13章多目标决策

单目标决策问题前三章已经进行了较为详细的探讨。从合理行为假设引出的效用函数，提供了对这类问题进行合理分析的方法和程序。但在实际工作中所遇到的的决策分析问题，却常常要考虑多个目标。这些目标有的相互联系，有的相互制约，有的相互冲突，因而形成一种异常复杂的结构体系，使得决策问题变得非常复杂。

国外一般认为，多目标优化问题最早是在19世纪末由意大利经济学家帕累托（V.Pareto）从政治经济学的角度提出来的，他把许多本质上不可比较的目标，设法变换成一个单一的最优目标来进行求解。到了20世纪40年代，冯诺曼等人由从对策论的角度提出在彼此有矛盾的多个决策人之间如何进行多目标决策问题。1950年代初，考普曼（T.C.koopmans）从生产和分配的活动分析中提出多目标最优化问题，并引入了帕累托最优的概念。1960年代初，菜恩思（F.Charnes）和考柏（J.Cooper）提出了目标规划方法来解决多目标决策问题。目标规划是线性规划的修正和发展，这一方法不只是对一些目标求得最优，而是尽量使求得的最优解与原定的目标值之间的偏差为最小。1970年代中期，甘尼（R.L.Keeney）和拉发用比较完整的描述多属性效用理论来求解多目标决策问题。1970年代末，萨蒂（A.L.Saaty）提出了影响广泛的AHP(the analytical hierarchy process)法，并在1980年代初纂写了有关AHP 法的专著。自1970年代以来，有关研究和讨论多目标决策的方法也随之出现。

总之，多目标决策问题正愈来愈多的受到人们的重视，尤其是在经济、管理、系统工程、控制论和运筹学等领域中得到了更多的研究和关注。

13.1 基本概念

多目标决策和单目标决策的根本区别在于目标的数量。单目标决策，只要比较各待选方案的期望效用值哪个最大即可，而多目标问题就不如此简单了。

例13.1房屋设计

某单位计划建造一栋家属楼，在已经确定地址及总建筑面积的前提下，作出了三个设计方案，现要求根据以下5个目标综合选出最佳的设计方案：1）低造价（每平方米造价不低于500元，不高于700元）；

2）抗震性能（抗震能力不低于里氏5级不高于7级）；

3）建造时间（越快越好）；

4）结构合理（单元划分、生活设施及使用面积比例等）；

5）造型美观（评价越高越好）

这三个方案的具体评价表如下。

表13.1 三种房屋设计方案的目标值

123

低造价（元/平方米）500 700 600

抗震性能（里氏级） 6.5 5.5 6.5

建造时间（年） 2 1.5 1

结构合理（定性）中优良

造型美观（定性）良优中

由表中可见，可供选择的三个方案各有优缺点。某一个方案对其中一个目标来说是最优者，从另一个目标角度来看就不见得是最优，可能是次优。比如从造价低这个具体目标出发，则方案1较好；如从合理美观的目标出发，方案2就不错；但如果从牢固性看，显然方案3最可靠等等。

1．多目标决策问题的基本特点

例13.1就是一个多目标决策问题。类似的例子可以举出很多。多目标决策问题除了目标不至一个这一明显的特点外，最显著的有以下两点：目标间的不可公度性和目标间的矛盾性。

目标间的不可公度性是指各个目标没有统一的度量标准，因而难以直接进行比较。例如房屋设计问题中，造价的单位是元/平方米，建造时间的单位是年，而结构、造型等则为定性指标。

目标间的矛盾性是指如果选择一种方案以改进某一目标的值，可能会使另一目标的值变坏。如房屋设计中造型、抗震性能的提高可能会使房屋建造成本提高。

2．多目标问题的三个基本要素

一个多目标决策问题一般包括目标体系、备选方案和决策准则三个基本因素。

目标体系—是指由决策者选择方案所考虑的目标组及其结构；

备选方案—是指决策者根据实际问题设计出的解决问题的方案。有的被选方案是明确的、有限的，而有的备选方案不是明确的，还有待于在决策过程中根据一系列约束条件解出。

决策准则—是指用于选择的方案的标准。通常有两类，一类是最优准则，可以把所有方案依某个准则排序。另一类是满意准则，它牺牲了最优性使问题简化，把所有方案分为几个有序的子集。如“可接受”与“不可接受”；“好的”、“可接受的”、“不可接受的”与“坏的”。

3．几个基本概念

1）劣解和非劣解

劣解：如某方案的各目标均劣于其他目标，则该方案可以直接舍去。这种通

过比较可直接舍弃的方案称为劣解。

非劣解：既不能立即舍去，又不能立即确定为最优的方案称为非劣解。非劣解在多目标决策中起非常重要的作用。

单目标决策问题中的任意两个方案都

可比较优劣，但在多目标时任何两个解不一定都可以比较出其优劣。如图13.1，希望f 1和f 2两个目标越大越好，则方案A 和B 、

方案D 和E 相比就无法简单定出其优劣。

但是方案E 和方案I 比较，显然E 比I 劣。

而对方案I 和H 来说，没有其它方案比它们

更好。而其它的解，有的两对之间无法比较，但总能找到令一个解比它们优。I 、H 这一类解就叫非劣解，而A 、B 、C 、D 、E 、F 、

G 叫作劣解。

如果能够判别某一解是劣解，则可淘汰

之。如果是非劣解，因为没有别的解比它优，就无法简单淘汰。倘若非劣解只有一个，当

然就选它。问题是在一般情况下非劣解远不止一个，这就有待于决策者选择，选出来的解叫选好解。

对于m 个目标，一般用m 个目标函数12(),(),,()m f x f x f x 刻划，其中x 表示方案，而x 的约束就是备选方案范围。

最优解：设最优解为*

x ，它满足

)()(*x f x f i i ≥ n i ,,2,1 = （13.1.1）

2）选好解

在处理多目标决策时，先找最优解，若无最优解，就尽力在各待选方案中找出非劣解，然后权衡非劣解，从中找出一个比较满意的方案。这个比较满意的方案就称为选好解。

单目标决策主要是通过对各方案两两比较，即通过辨优的方法求得最优方案。而多目标决策除了需要辩优以确定哪些方案是劣解或非劣解外，还需要通过权衡的方法来求得决策者认为比较满意的解。权衡的过程实际上就反映了决策者的主观价值和意图。

f 1(第一目标值)

f 2(第二目标值)

图13.1 劣解与非劣解