王雯琦, 江登英
(武漢理工大學理學院, 湖北 武漢 430070)
多屬性群決策(multi-attribute group decision-making, MAGDM)是現代決策理論的重要組成部分,1986年Atanassov提出了直覺模糊集(intuitionistic fuzzy sets, IFS)的概念。隨后,學者對IFS進行了深入的研究,并取得了一定的成就。由于實際決策問題的復雜性和人類思維的模糊性,決策者更傾向于使用自然語言來描述信息,因此Zadeh提出了語言術語集(linguistic term sets, LTS)。然而,考慮到在某些情況下,單一地使用IFS或語言變量并不能完全表達決策者的觀點,Chen等提出語言直覺模糊數(linguistic intuitionistic fuzzy numbers, LIFNs)的概念,將隸屬度和非隸屬度用語言變量表示,在直觀上可以看成是IFS的定性形式。因LIFNs具有LTS和IFS的優點,故在處理不確定性和模糊性決策問題時更加靈活和實用。作為處理不確定性的強大信息表達工具,LIFNs已引起越來越多學者的關注。
Chen等研究了LIFNs的運算規則和性質,并給出得分函數和精確函數來比較大小;針對Chen等運算規則的缺陷,Liu等提出改進的運算規則,并驗證了它們的性質;Li等引入減法和除法運算,擴展了運算規則,同時定義了LIFNs的熵來確定屬性權重;Zhang等定義了LIFNs的距離公式;Peng等定義了LIFNs的海明距離公式;Meng等引入可加一致性的概念,提出基于語言直覺模糊偏好關系的多屬性決策方法;朱小強提出LIFNs的可能度排序方法,并將其應用到MAGDM問題中。
關于基于LIFNs的集結算子,也是學者們研究的熱點之一。Chen等提出語言直覺模糊加權平均算子、語言直覺模糊有序加權平均算子和語言直覺模糊混合平均算子;柳溪提出基于LIFNs的廣義集成算子、冪平均算子等;Liu等考慮到分區Heronian mean(HM)算子具有考慮參數之間相互關系的優點,將LIFNs與分區HM算子相結合;Liu等將Maclaurin symmetric mean(MSM)算子與LIFNs結合在一起,提出一些新的算子;Garg等用SPA理論對語言直覺模糊集(linguistic intuitionistic fuzzy set, LIFS)進行了改進,定義了語言連接數(linguistic connection number, LCN)及其各種運算規律,并提出了LCN加權幾何算子、LCN有序加權幾何算子和LCN混合幾何算子,克服了現有算子在LIFS環境下的不足;Liu等提出了一種基于LIFNs的縮放優先加權平均算子和縮放優先級幾何加權平均算子;Arora等提出了在LIFNs環境下考慮屬性之間優先關系的優先聚合算子。
關于基于LIFNs的多屬性決策方法,Li等提出擴展的VIKOR方法來處理基于語言直覺模糊信息的多屬性決策問題;Liu等提出基于LIFNs的拓展TODIM多屬性決策方法;劉培德等根據可能度公式給出基于LIFNs的改進ELECTRE方法;Liu等提出了一種基于證據理論的語言直覺模糊MAGDM方法。
在對于LIFNs的進一步探究中,Liu等和Garg等提出了語言區間IFS的概念,其中隸屬度和非隸屬度由區間值語言項表示,并定義運算規則及比較方法。劉利枚等提出了語言區間直覺模糊 Frank 加權平均算子與幾何算子以及 Lukasiewicz運算法則并應用到應急物流預案中。
綜上可知,現有文獻對LIFNs相關問題進行了深入研究,但關于LIFNs可能度的計算公式缺乏合理性,現有文獻人為給定屬性和決策者權重以及語言直覺模糊MAGDM問題的決策方法并未涉及到對備選方案優劣性的討論,這些問題都會導致決策結果產生偏差。因此,本文首先基于Atanassov偏序和猶豫度改進LIFNs的可能度,基于改進的可能度提出決策者屬性的確定方法;然后建立共識反饋模型,修正不一致決策者的偏好關系以提高群體共識度,基于修正后的偏好關系和決策者主觀權重,提出修正系數確定決策者權重;最后提出一種基于改進的可能度和偏好順序結構評估法(preference ranking organization method for enrichment evaluations, PROMETHEE)的語言直覺模糊MAGDM方法。
設為一個非空論域,是給定論域中的元素,={[,(),()]∈}為上的IFS,(),()∈[0,1]且()+()∈[0,1],(),()為其隸屬度和非隸屬度,稱()=1-()-()為其猶豫度。
設=(,),=(,)是兩個直覺模糊數,Atanassov偏序滿足以下關系:
(1) 若≥,<或<,≤,則>;
(2) 若=,=,則=;
(3) 若>,>,則,無法比較。
設={,,,…,}是一個給定的有序語言項集,表示語言變量的可能取值,取自然數。滿足以下性質:
(1) 有序性:若≤,則≤;
(2) 可逆性:neg()=-;
(3) 取大算子:若≤,則=max(,);
(4) 取小算子:若≤,則=min(,)。


設=(,),=(,)為兩個LIFNs,如果≥且≤,那么≥,當且僅當=且=時,=。
設定義在集合={,,…,}上的偏好關系由一個判斷矩陣=()×表示,對于?,∈{1,2,…,}滿足∈[0,1]且+=1。其中,表示優于的程度,=05。
設=(,),=(,)是兩個直覺模糊數,=1--,=1--,當,不全為0時,稱

(1)
為>的可能度。

若(>)=(>)=05,則稱無差異于,記為~;

設=(,),=(,),=(,)為3個直覺模糊數,滿足下面性質:
(1) 0≤(>)≤1;
(2)(>)=05當且僅當=;
(3) 互補性:(>)+(>)=1;
(4) 傳遞性:若(>)≥05,(>)≥05,則(>)≥05。
=(,),=(,)是兩個直覺模糊數,其可能度定義如下:

(2)
=(,),=(,)是兩個直覺模糊數,其可能度定義如下:

(3)
式中:=05(-)(+2-),=(-),=(-),=05(-)(+2-)。
設=(,),=(,)為兩個LIFNs,其可能度定義如下:

(4)
設=(,),=(,)為兩個LIFNs,其可能度定義如下:

(5)
PROMETHEE是一種基于“優先關系”的多屬性決策方法,其基于方案的兩兩比較,充分考慮了決策者對屬性的偏好情況,使得評價結果更具有說服力。在備選方案集中構建不完全(PROMETHEE Ⅰ)序或完全(PROMETHEE Ⅱ)序,該方法主要步驟如下:
(1) 構建評估函數矩陣。設={,,…,}為方案集,,,…,為屬性集={,,…,}的評估函數,將集合中的評估方案的評估值映射到當中,即

(6)
(2) 確定偏好函數。定義在屬性下方案優于的程度為(,)。
(3) 確定優先指數。多屬性優先指數定義如下:

(7)
式中:≠;(=1,2,…,)為屬性的權重;(,)是綜合所有屬性下對方案和之間偏好程度的描述,其取值在[0,1]之間。
(4) 計算備選方案的流出流量、流入流量以及凈流量。
流出流量:

(8)
流入流量:

(9)
凈流量:
()=()-()
(10)
式中:≠,()表示方案比其他備選方案級別更優先的程度,其值越大說明級別優先度越強;()表示其他備選方案比方案級別更優先的程度,其值越小說明的優先關系越強。
(5) 根據方案凈流值的大小對方案進行排序。
基于LIFNs的MAGDM問題,首先改進可能度公式;其次根據改進的可能度,建立線性規劃模型來計算每個決策者的屬性權重;然后建立反饋模型平衡群體共識,提出修正系數確定決策者的權重;最后提出一種基于改進的可能度和PROMETHEE的語言直覺模糊MAGDM方法。
在語言直覺模糊環境下,學者們對可能度進行了研究,并提供了很好的思路。但是,現有的可能度還存在不足和不合理之處。
對文獻[5],其可能度計算結果會違反直覺模糊值的偏序。例如,=(05,03),=(01,04)為兩個直覺模糊數,根據Atanassov偏序可知,由于>和<,因此>完全成立,即(>)=1。而根據式(1)計算可得(>)=0875。故文獻[5]的可能度不滿足Atanassov偏序。同理,文獻[6]的可能度計算結果也不滿足Atanassov偏序。
對文獻[7],其直覺模糊數在二維坐標系中表示,但是可能度僅計算了可與作比較、無法與作比較的面積,以及可與作比較、無法與作比較的面積,并未將無法與、同時作比較的情況考慮在內,這無疑會造成數據缺失。
對文獻[15],其可能度雖結合了Atanassov偏序,但是計算結果會違背可能度的性質(2)。例如,=(,),=(,),=(,)為3個LIFNs,其計算結果為(>)=05,表明與是等價的。但的猶豫度小于的猶豫度,即所提供的信息可靠性大于提供的信息可靠性??紤]到的隸屬度大于的隸屬度,直觀上我們認為大于的可能性更大。因此,認為與等價是不合理的。
對文獻[23],其可能度計算結果也會違背可能度的性質。針對上述例子,利用式(5)計算結果為(>)=075和(>)=-025,即(>)為兩個值以及可能度存在負值,這顯然違背了可能度的性質(1),而且計算結果顯示(>)=05,這也不滿足可能度的性質(2)。
上述文獻提出的可能度公式雖然有不合理之處,但是卻提供了很好的研究思路,其中文獻[7]將直覺模糊值拓展到二維直角坐標系,文獻[15]結合了Atanassov偏序,因此本文在文獻[7]和文獻[15]的基礎上,提出了改進的可能度公式。
下面將LIFNs在二維平面直角坐標系中表示,具體如圖1所示。任何一個LIFNs=(,)均可用圖1的三角形中的任意點表示,其中(,0)、(0,0)、(0,)。
如圖1所示,以點=(,)為中心,可以將三角形劃分為8個區域,即右下部分記為,左上部分記為,左下部分、分別記為、,右上部、分別記為、,線段記為,線段記為。

圖1 LIFNs的幾何表示Fig.1 Geometric representation of LIFNs
為比較=(,),=(,),以點=(,)為中心,當點在以為中心的區域時,根據Atanassov偏序可知>,即(>)=1。當點在為中心的區域時,由Atanassov偏序可知<,即(>)=0。當點在以為中心的區域、、、、、時,根據Atanassov的偏序無法比較與的大小。但當點在以為中心的區域,即>和>且-≠-時,根據--<1,通過計算(-)(-)的反正切值可以計算得出其可能度。同理,當點在以為中心的區域、、時,我們都可以計算出其可能度。當點在以為中心的區域,即>和>且-=-時,(-)(-)=1,根據(-)(-)的比值計算所得的結果為(>)=12,從而判斷與是等價的,這不滿足可能度的性質。所以,考慮到LIFNs的猶豫度,我們認為所提供的信息可靠性大于,通過計算和的猶豫度,進而得出可能度。同理,當點在以為中心的區域時,也可以利用猶豫度計算求得可能度。
綜上,本文通過將LIFNs在二維直角坐標系中表示,將其隸屬度、非隸屬度和猶豫度3個維度加以考慮,再結合Atanassov偏序,提出了改進的可能度公式,定義如下。
設=(,),=(,)為兩個LIFNs,其可能度公式為

(11)
為驗證定義12中提出的可能度公式的合理性,下面采用文獻[9]的例子進行比較分析。
采用文獻[5-7,15,23]以及本文的可能度公式分別對=(,)、=(,)、=(,)、=(,)這4個LIFNs進行計算,結果如表1所示。

表1 現有可能度與本文可能度計算結果的對比分析
從表1可以看出,文獻[5-6]的計算結果不滿足Atanassov偏序;文獻[23]的計算結果超出[0,1]范圍,且同時出現兩個可能度,不滿足可能度的性質;文獻[7,15]很好地避免了文獻[5-6,23]出現的問題,但文獻[7]的計算方法會造成數據缺失,文獻[15]的可能度公式將LIFNs轉化為區間數,而區間數的可能度僅考慮了區間數的端點,未考慮區間數的可能度分布情況,因此會得到一些不符合邏輯的結果,導致決策結果產生偏差。而本文提出的可能度公式計算結果避免了上述問題,在考慮猶豫度和Atanassov偏序的基礎上減少了信息損失,可以更客觀地比較LIFNs的大小。
綜上可知,與現有的可能度計算公式相比,本文提出的可能度公式更符合主觀判斷,在滿足Atanassov偏序的同時將猶豫度考慮在內,從而增加可能度計算的可靠性。因此,本文所改進的可能度公式在理論上是可行的,而且可證其滿足可能度的良好性質,即定理3。
設=(,),=(,),=(,)為3個LIFNs,根據定義11計算的可能度具有以下性質:
(1) 0≤(>)≤1;
(2)(>)+(>)=1;
(3)(>)=1,>,≤或≥,<;
(4)(>)=05,=,=;
(5)(>)=0,<,≥或≤,>;
(6)(>)≥05?位于的,,,區域;
(7) 若(>)≥05,(>)≥05,則(>)≥05。
根據定義12,定理3中的性質(1)~(5)顯然成立,下面首先證明性質(6)。
一方面,證明必要性:當位于的區域時,≥且≤,根據Atanassov偏序可知(>)=1,即(>)≥05;當位于的區域時,<,<且(-)(-)>05,利用式(11),計算可得(>)≥05;當位于的區域時,>,>,且(-)(-)<05,利用式(11),計算可得(>)≥05;當位于的區域時,-=-,利用式(11),計算可得(>)≥05。
另一方面,證明充分性:當(>)≥05時,根據定義12的條件1、2可知≥且≤,即在圖1中位于的區域;根據定義12的條件4可知此時arctan(-)(-)≥π4,(-)(-)≥05且<,<,即在圖1中位于的區域;根據定義12的條件5可知此時arctan(-)(-)≤π4,(-)(-)≤05且>,>,即在圖1中位于的區域;根據定義12的條件6可知--<--且-=-,等價于到線段的距離小于到線段的距離,即在圖1中位于的區域。
綜上所述,性質(6)得證。
然后下面證明性質(7)。
(>)≥05等價于位于的、、、區域,分別記為、、、。下面分4種情況討論:
當點位于以為中心的區域時,如圖2所示。以為中心繼續劃分區域,此時(>)≥05有7種情況,分別記為、、、、、、,其中位于以為中心的區域,、、位于以為中心的區域,、位于以為中心的區域,位于以為中心的區域。由此,根據性質(6)得到(>)≥05,因此在這種情況下性質(7)得證。

圖2 情況1點γ21的位置 Fig.2 Position of point γ21 in case 1
當點位于以為中心的區域時,如圖3所示。以為中心繼續劃分區域,此時(>)≥05有7種情況,分別記為、、、、、、,其中、、、位于以為中心的區域,、位于以為中心的區域,位于以為中心的區域,根據性質(6)得到(>)≥05。因此在這種情況下性質(7)得證。

圖3 情況2點γ22的位置Fig.3 Position of point γ22 in case 2
當點位于以為中心的區域時,如圖4所示。以為中心繼續劃分區域,此時(>)≥05有7種情況,分別記為、、、、、、,其中、位于以為中心的區域,、、、位于以為中心的區域,位于以為中心的區域,根據性質(6)得到(>)≥05。因此,在這種情況下性質(7)得證。

圖4 情況3點γ23的位置Fig.4 Position of point γ23 in case 3
當點位于以為中心的區域時,如圖5所示。以為中心繼續劃分區域,此時(>)≥05有8種情況,分別記為、、、、、、、,其中、位于以為中心的區域,、、位于以為中心的區域,、、位于以為中心的區域,根據性質(6)得到(>)≥05。因此,在這種情況下性質(7)得證。

圖5 情況4點γ24的位置Fig.5 Position of point γ24 in case 4
綜上所述,性質(7)得證。
證畢
屬性權重在決策中起著重要的作用,屬性權重的變化可能會對方案的最終排序產生影響。在現有文獻中,對于不同決策者,人為給予的屬性權重相同。但是在實際中,屬性不同,對于不同的決策者來說,其重要性也大相徑庭。由此,下面基于改進的可能度,建立相應的線性規劃模型求解每個決策者的屬性權重。


(12)



(13)



(14)

max

(15)

max

(16)



(17)
即為決策者對于的屬性權重。
由于決策者不同的專業水平和背景,以及決策者之間的社會關系,決策者之間常常會產生一定的決策沖突,因此如何協調各種不同意見和看法,使不一致的決策者達到群體共識的閾值,建立共識反饋模型是十分必要的。


(18)





和


同時,可以推導出





證畢
基于偏好關系,平衡群體共識的步驟如下:
(1) 測算群體一致性
利用偏好關系的歐氏距離度量決策者的群體共識度:

(19)

(2) 測算個體一致性

(3) 確定和諧度


(20)
式中:∈[0,1]。
的和諧度為=1-,其中

(21)
式中:#APS是APS中元素的個數。
(4) 建立群體共識反饋模型
根據文獻[33]可知,反饋修正應以最大限度地提高不和諧決策者的共識程度和盡可能保留原有偏好不變為目標。根據上述分析,基于式(19)~式(21)建立平衡不和諧決策者的共識程度約束方程:


(22)

基于修正后的偏好關系,此時已消除決策群體中的沖突,決策群體有較高的共識水平。考慮到決策者社會地位、專業水平等方面的不同,人為給定決策者權重會導致決策結果產生偏差。為了削弱主觀權重的影響,提出修正系數確定決策者的權重。
考慮決策者給出評價信息的差異性,提出修正系數來調整決策者的主觀權重。當的評價信息與其他決策者提供的評價信息一致性程度越高時,的修正系數就越大。反之,的修正系數就越小。


(23)

定義決策者的修正系數為

(24)
顯然,修正系數代表了的整體一致性程度。也就是說,代表了群體中的支持程度,在一定程度上反映了的相對重要性。由以上分析可知,修正系數越大,越重要,的重要性更應得到加強。根據給定的主觀權重和修正系數,確定權重為

(25)
式中:=(,,…,)為提前給定的決策者主觀權重。
基于第24節中修正后的偏好關系,得到語言直覺模糊環境下PROMETHEE的決策步驟如下:
計算備選方案的優先指數,得到優先矩陣:

(26)
=((,))×
(27)

計算備選方案的流出流量、流入流量和凈流量
流出流量:

(28)
流入流量:

(29)
凈流量:
()=()-()
(30)
根據備選方案的凈流量大小進行排序。
基于上述分析,提出基于改進可能度和PROMETHEE的語言直覺模糊MAGDM方法,其具體步驟如下:
根據決策者對各個方案的評價建立語言直覺模糊矩陣。



利用式(22)平衡不一致決策者的共識程度,得到修正后的結果。
利用式(25)求得修正系數并確定決策者的權重。
利用式(27)計算方案的優先指數(,),并構造優先矩陣。
通過式(30)計算每個方案()的凈流量,根據方案的凈流量大小對方案進行排序。
為驗證本文所提方法的合理性和有效性,下面選取文獻[9]中的案例進行實證分析。
有一家制造公司想要選擇一個最好的供貨商來為其供貨,現有4個潛在的國際供貨商可供選擇,即={,,,}。選擇供貨商時需要考慮以下5個指標:產品總成本;產品質量;供應商的服務績效;供貨商的形象;風險因素。4位決策者給定的有序語言項集為
={:極差;:很差;:差;:中下;:中;
:中上;:好;:很好;:極好}
下面利用本文第26節中提出的MAGDM方法選擇最佳供貨商,具體步驟如下:


表2 決策矩陣R1

表3 決策矩陣R2

表4 決策矩陣R3

表5 決策矩陣R4



=(0198 2,0198 2,0207 2,0198 2,0198 2)
=(0205 3,0196 5,0196 5,0205 2,0196 5)
=(0196 8,0205 6,0196 8,0196 8,0204 0)
=(0198 2,0198 2,0198 2,0198 2,0207 2)
利用式(18)和式(19)得到決策者的偏好矩陣及群體共識度:




=0843 7,=0870 4
=0878 7,=0897
(1)=,(2)=
(3)=,(4)=
參考文獻[35-36],假設群體的共識度閾值=085,則

APS={(1,2)(1),(1,3)(1),(1,4)(1),(2,1)(1),
(2,3)(1),(3,1)(1),(3,2)(1),(4,1)(1)}
利用式(22)平衡不和諧決策者的共識程度,得到修正后的結果:
=085,=0871 4,
=0879,=0897 8

對給定的決策者權重=(025,03,02,025),利用修正系數,通過式(25)得到決策者的權重(=1,2,…,):
=(0231 2,0303 5,0202 9,0262 4)
利用式(27)計算供貨商的優先指數(,),構造優先矩陣:

通過式(30)計算每個供貨商()的凈流量,根據供貨商的凈流量大小對供貨商進行排序。其中:
()=-0125,()=1285,
()=-0994,()=-0166
故排序結果為fff,即最佳供貨商是。
為進一步驗證本文提出方法的有效性,采用文獻[9,15,21,23]的方法分別對文獻[9]中算例進行排序,其中該屬性和專家權重采用文獻[9]給的權重=(025,03,02,025)與屬性權重=(025,02,015,018,022)。所得結果的具體比較如表6和表7所示。

表6 不同方法的決策結果比較

表7 不同方法的特性比較
通過表6的排序結果可知,本文方法和文獻[9,15,24]的排序結果是一致的。和文獻[21]相比,排序雖存在差異,但最優方案都是。因此,本文所提的基于改進可能度的語言直覺模糊PROMETHEE MAGDM方法是有效的。


對于可能度矩陣計算優先權重結果為=(0268 3,0371 7,036),即ff,但是根據可能度(>)=051>05,由可能度的含義可知>,這說明利用可能度矩陣行求和法會得到不合理的排序。對文獻[21],其利用LIPFOWA算子對信息進行集結時,根據LIFNs得分函數劃分權重,得分函數大的給予更大的權重。但信息集結應考慮屬性的重要性,即屬性權重,而非該屬性下決策者所給的評價信息的得分函數,不同屬性下的得分函數沒有可比性。對文獻[24],其利用證據理論得到的計算結果的區分度太小,無法判斷方案之間的優劣性。
通過表7可知,現有文獻在屬性權重和決策者權重方面,采用的決策方法大多數是基于權重已知,無法解決權重未知的決策問題。雖然文獻[21]利用得分函數計算客觀權重,避免了計算結果太過主觀的情況,但本身也存在缺陷。另外,文獻[9,15,21]采用集結算子對信息進行集結的過程中會造成信息缺失。文獻[24]雖然避免了這些問題,但是區分度太小,無法準確判斷方案之間的優劣性。
綜上所述,本文的排序結果與以上方法所得結果基本相同,而較于其他方法,本文所提方法擁有如下優點:
(1) 從可能度上看,本文改進的可能度利用數形結合的思想,將LIFNs在二維平面直角坐標系中表示,評價信息更直觀。同時,將Atanassov偏序以及猶豫度考慮在內,計算結果的可靠性更強。
(2) 從屬性權重和決策者權重上看,在MAGDM中,不同決策者眼中不同屬性的重要性也不同,文獻[9,15]中每位決策者的屬性權重相同,不符合人的主觀判斷??紤]到決策者專業水平等方面的差異,提前給定專家主觀權重也會導致決策結果產生偏差。而本文基于改進的可能度,最大化決策者在屬性上的總加權平方可能度,實現了決策者對屬性重要性的把控。然后,為消除決策群體中不一致決策者對決策結果的影響,提高群體共識,建立群體共識反饋模型,對決策者偏好關系進行修正,使得共識水平達到給定閾值。通過修正系數,對于人為給定的決策者權重進行調整,保證決策者給出的決策結果具有較高的一致性。
(3) 從決策方法上看,本文結合PROMETHEE,對備選方案優劣性進行討論。充分考慮決策者對屬性的偏好情況,使得決策結果更具有說服力。而且,計算結果區分度大,直觀性強。
本文首先在文獻[7,15]所提的可能度的基礎上,改進了可能度公式,并證明其具有互補性、傳遞性等較好的性質;然后基于改進的可能度和修正的偏好關系確定屬性權重和決策者權重;最后提出基于可能度與PROMETHEE的語言直覺模糊MAGDM方法,并通過實證分析驗證該方法的可行性和優越性。對比現有的方法,本文將可能度與PROMETHEE結合,充分考慮專家的猶豫度,提高了決策信息的可靠性;對備選方案優劣性進行討論,使得決策結果直觀性更強;同時還保證了較高的群共識水平,使得群決策結果更可信。