層次分析法在編組站建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

劉 晶

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

在編組站建設(shè)項(xiàng)目中，常常遇到項(xiàng)目實(shí)施方案如何選擇的問(wèn)題。需要從方案的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)難度等因素綜合考慮。而這些參考因素的不可量化給方案的選擇帶來(lái)了困難。特別是鐵路建設(shè)項(xiàng)目，如果強(qiáng)調(diào)方案的安全性與可靠性，則勢(shì)必降低作業(yè)效率；反之，如果過(guò)度提高作業(yè)效率，則必然影響安全性。如何綜合考慮這些相關(guān)因素，選擇出最適合項(xiàng)目的實(shí)施方案，需要采用一套科學(xué)的管理方法。層次分析法可以將不可量化的指標(biāo)用兩兩比較的方法進(jìn)行比較，從而選擇出最適合的方案，從一定程度上解決這些問(wèn)題。

層次分析法（AHP），是20世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者T.L.Saaty提出的，是一種強(qiáng)有力的系統(tǒng)分析運(yùn)籌學(xué)方法，在經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)中有廣泛應(yīng)用。層次分析法對(duì)多因素、多準(zhǔn)則、多方案的綜合評(píng)價(jià)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)相當(dāng)有效。層次分析法將待解決的問(wèn)題根據(jù)“方案層—因素層—目標(biāo)層”構(gòu)成的遞階層次結(jié)構(gòu)決策分析，給出了一整套處理方法與過(guò)程。層次分析法最大的長(zhǎng)處是可以處理定性與定量相結(jié)合問(wèn)題，可以將無(wú)法量化的因素按照重要度排序，并將決策者的主觀判斷與積累的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)入模型，加以量化處理，從而得到最終的決策結(jié)果。

層次分析法處理問(wèn)題的基本步驟如下。

第一步，確定評(píng)價(jià)目標(biāo)，明確方案評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則。根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

第二步，應(yīng)用兩兩比較法構(gòu)造所有的判斷矩陣。

第三步，確定項(xiàng)目構(gòu)成要素的相對(duì)重要度。

第四步，計(jì)算綜合重要度。

下面用一個(gè)例子詳細(xì)說(shuō)明層次分析法在實(shí)際項(xiàng)目中的用法。假定現(xiàn)有一個(gè)編組站需要建設(shè)站內(nèi)專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，要求網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)能夠覆蓋整個(gè)站場(chǎng)，面積約為2 km×6 km的近似矩形區(qū)域，站場(chǎng)內(nèi)無(wú)大型障礙物遮擋信號(hào)，并要求無(wú)線通信帶寬≥2 M，速率≥100 kbits/s，站內(nèi)無(wú)線接入終端在10個(gè)以上。現(xiàn)有3個(gè)備選技術(shù)方案，需要綜合成本因素、實(shí)施難度、通信效果和后期維護(hù)幾個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行分析，確定最佳方案。方案一，選用WLAN通信技術(shù)；方案二，選用McWill通信技術(shù)。應(yīng)用層次分析法對(duì)這兩個(gè)方案進(jìn)行比較。

1 構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)模型

遞階層次結(jié)構(gòu)模型一般分為3層：（1）目標(biāo)層：最高層次，或稱理想結(jié)果層，是指決策問(wèn)題所追求的總目標(biāo)；（2）準(zhǔn)則層：評(píng)價(jià)準(zhǔn)則或衡量準(zhǔn)則，是指評(píng)判方案優(yōu)劣的準(zhǔn)則，也稱因素層、約束層；（3）方案層：也稱對(duì)策層，是指決策問(wèn)題的可行方案。各層間諸要素的聯(lián)系用弧線表示。

本例中目標(biāo)層應(yīng)為“最佳通信方案”；準(zhǔn)則層應(yīng)為“成本因素”、“實(shí)施難度”、“通信效果”、“后期維護(hù)”等幾個(gè)決定因素；方案層即為本例中的兩個(gè)技術(shù)方案。構(gòu)造本例的遞階層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 構(gòu)造判斷矩陣

應(yīng)用兩兩比較法構(gòu)造判斷矩陣首先應(yīng)確定判斷尺度。判斷尺度如表1所示，表中的判斷尺度表示要素Ai對(duì)要素Aj的相對(duì)重要性的數(shù)量尺度。

表1 兩兩比較法標(biāo)度

建立判斷矩陣。判斷矩陣是以上層的某一要素Hs作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)下一層要素進(jìn)行兩兩比較確定的元素值，例如在Hs準(zhǔn)則下有n階判斷矩陣A（aij），其形式如表2所示。

表2 n階判斷矩陣A示意

判斷矩陣中的元素aij表示從判斷準(zhǔn)則Hs的角度考慮要素Ai對(duì)要素Aj的相對(duì)重要性，即aij=Wi/Wj，顯而易見判斷矩陣A有：aij＞0，aij=1/aji，aii=1。

根據(jù)判斷準(zhǔn)則建立本例各級(jí)判斷矩陣。建立“最佳通信方案”的判斷矩陣，將決定最佳通信方案的4個(gè)要素進(jìn)行兩兩比較。首先，成本對(duì)于實(shí)施難度而言，只要在方案可以實(shí)施的前提下，成本更低的方案更適合項(xiàng)目，因此，成本的重要度要略高于實(shí)施難度，將此判斷結(jié)果設(shè)置為2；其次，成本對(duì)于通信效果而言，顯然通信效果更為重要，因此應(yīng)將此判斷結(jié)果設(shè)置為1/5；最后，成本相對(duì)于后期維護(hù)，雖然后期維護(hù)工作量的多少會(huì)影響到方案的總體成本，但建設(shè)成本的重要度要略高于后期維護(hù)，將此判斷結(jié)果設(shè)置為3。依次類推，分別設(shè)置其余因素兩兩比較的相對(duì)重要度，得到最佳通信方案判斷矩陣，如表3所示。

表3 最佳通信方案判斷矩陣

分析方案層。該層有兩個(gè)方案，分別是WLAN技術(shù)和McWill方案。分別在成本因素、實(shí)施難度、通信效果和后期維護(hù)4個(gè)方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較。建立判斷矩陣A1～A4，如下所示。

3 計(jì)算判斷矩陣并確定項(xiàng)目決定因素的相對(duì)重要度

分別計(jì)算判斷矩陣A，A1，A2，A3，A4的特征向量，分別用W，W1，W2，W3，W4表示。首先計(jì)算矩陣A的特征向量W。

（1）計(jì)算A的各行之和

（2）計(jì)算各行平均值，因?yàn)锳有4列，所以求平均值時(shí)用3除各行之和

（3）歸一化，即將各行除以4行之和（1.55+0.916 7+4.75+0.494=7.710 7），得到矩陣A的 特征向量W

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果，在本例中通信效果最重要（占0.616 0），成本因素其次（占0.201 0），實(shí)施難度第三（占0.118 9），后期維護(hù)第四（占0.064 1）。

同樣，計(jì)算矩陣A1～A4的特征向量W1～W4，計(jì)算結(jié)果如下。

W1表明，從成本角度考慮WLAN方案更經(jīng)濟(jì)；W2表明，從實(shí)施難度考慮WLAN方案更容易；W3表明，從通信效果考慮McWill方案效果更好；W4表明，從后期維護(hù)角度考慮，WLAN方案更容易維護(hù)。

（4）一致性檢驗(yàn)

在對(duì)系統(tǒng)要素進(jìn)行相對(duì)重要性判斷時(shí)，由于運(yùn)用的主要是專家的隱性知識(shí)，不可能完全精密的判斷出Wi/Wj的比值，只能對(duì)其進(jìn)行估計(jì)，因此，必須進(jìn)行相容性和誤差分析。估計(jì)誤差必然會(huì)導(dǎo)致判斷矩陣特征值的偏差，據(jù)此定義相容性指標(biāo)。若矩陣A完全相容時(shí)，應(yīng)有λmax=n，若不相容時(shí)，則λmax＞n，因此可應(yīng)用λmax-n的關(guān)系來(lái)界定偏離相容性的程度。設(shè)相容性指標(biāo)為C.I.，則有

式中λmax——判斷矩陣A的最大特征根。其算法如下。

式中[AW]i——矩陣[AW]的第i個(gè)分量。

定義一致性指標(biāo)CR為：

式中C.R.——隨機(jī)性指標(biāo)。

當(dāng)一致時(shí)，C.I.=0；不一致時(shí)，一般有λmax＞n，因此C.I.＞0。故一般可根據(jù)C.I.＜0.1來(lái)判斷。對(duì)于如何衡量C.I.可否被接受，Saaty構(gòu)造了最不一致的情況，就是對(duì)不同n的比較矩陣中的元素，采取1/9，1/7，…，1，…，7，9隨機(jī)取數(shù)的方式賦值，并且對(duì)不同n用了100～500個(gè)子樣，計(jì)算其一致性指標(biāo)，再求得其平均值，記為C.R.，結(jié)果如表4所示。

表4 平均隨機(jī)性指標(biāo)C.R.數(shù)值

若一致性指標(biāo)CR＜0.10，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受，權(quán)重向量W可以接受。

本例中，

4 計(jì)算綜合重要度

計(jì)算綜合重要度是層次分析法的最后一步，它決定了方案層的因素最終相對(duì)于項(xiàng)目總體的重要性。在計(jì)算遞階層次結(jié)構(gòu)各層次對(duì)上一級(jí)要素的相對(duì)重要度之后，即可從最上層開始，自上而下的求出各層要素關(guān)于系統(tǒng)總體的綜合重要度。

然后，用矩陣B乘以特征向量W，得到矩陣Wf，即

矩陣Wf表明，從最佳通信方案角度考慮，綜合考慮了成本因素、實(shí)施難度、通信效果和后期維護(hù)幾個(gè)因素后，McWill方案要略好于WLAN方案。

在應(yīng)用層次分析法進(jìn)行問(wèn)題分析時(shí)，需要特別注意第二層（即準(zhǔn)則層）參考因素的選擇，本文中僅列舉了4個(gè)參考因素，而在項(xiàng)目建設(shè)時(shí)的大型問(wèn)題分析過(guò)程中，影響分析結(jié)果的參考因素可能多達(dá)數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)。面對(duì)如此多的參考因素，可以采用增加準(zhǔn)則層子層的方法，將參考因素進(jìn)行分組歸類，再逐級(jí)分析影響方案的權(quán)重指標(biāo)，最終計(jì)算出評(píng)選結(jié)果。由此可見，應(yīng)用層次分析法時(shí)，如何建立完整、有效的參考因素庫(kù)，如何精確的進(jìn)行兩兩比較，給出準(zhǔn)確的相對(duì)重要度分值，是應(yīng)用層次分析法需要特別重視的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

層次分析法的應(yīng)用，可以將難以量化的評(píng)價(jià)參量采用兩兩比較的方法，逐一進(jìn)行比較，得到相對(duì)重要度參考值，再將兩兩比較結(jié)果綜合計(jì)算，得出所有參量相對(duì)權(quán)重的量化指標(biāo)，進(jìn)而決定參評(píng)方案的優(yōu)劣。層次分析法不僅可以應(yīng)用于編組站建設(shè)項(xiàng)目中，在其他鐵路領(lǐng)域的建設(shè)項(xiàng)目中都可以得到廣泛應(yīng)用，具有普遍的可推廣性。

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