地质环境质量评价中的专家—层次分析定权法.pdf

第 2 3 卷 第 3 期 1 9 9 8年 5月 地球科学 中国地质大学学报 E a r t h S c i e n c e J 。 u ma 1 o f a T 啪 Uv e r s i t y o f Ge o s c i eno Ⅷ．23 No 3 1 9 9 8 ／ 地质环境质量评价中的专家 一层次分析定权法 ／ 一 中国地质走学环境科学与工程学院． 武汲 4 3 0 0 7 4 摘要在地质环境质量评价中， 往往要选择多个环境因子一起参与评价， 确定它们 的权值 就显得十分重要． 在分析权值及定权模型含义的基础上， 探讨了专家一层次分析定权法的基 本原理和方法， 并进行了实际应用． 库屠结果表明， 该定权法合理、 可行． 关 键 词 垦 E 啦量 迁 毫 墼 专 茎 星 逸 盐 蚯 定 权 法 ． 中 围 法 分 类 号 j 轻 第一作者简介蔡鹤生． 男， 副教授， 1 9 4 3年生， 1 9 6 9年毕业于北京地质学院， 现主要从事水 文地 质工程地 质、 环境地质教学和科研工作 在地质环境质量评价过程 中， 往往要选择多个 环境要素和环境因子一起参与评价 ． 在这些评价 因 子综合时 ， 需要考虑它们对总体环境质量贡献大小 的差异 ， 给予不 同的权值 ． 但由于这些评价因子既有 定量因素 ， 也有非定量因素 ， 并且其个数往往较多 ， 使得定权有很 大 困难 ． 目前尽 管有较 多 的定权方 法⋯ ． 如专家打分法 、 调查 统计法 、 序列综合法、 公 式法 、 数理统计法 等 ． 但是均存在不完善的地方 因 此， 有必要完善或者探索新的定权方法． 作者认为专 家一层次分析定权法 是一种较好的定权方法 ， 它较 为合理 、 可行． 1 权值及定权模型的含义 1 ． 1 权值 的含义 在地质环境质量评价中， 对众多的评价 因子进 行综合时 ． 对各个变量具有权衡轻重作用的数值， 即 称为权值 ． 权值要 反映不 同评价因子 间重要性程度 的差异 ， 而在“ 重要” 与“ 不重要” 两者间， 找不到明确 的分界． 两者的差异 由一方到另一方 中间经历 了一 个由量变到质变 的连续变化的过程 ． 反映 了两者差 异的中间过渡性 ． 故“ 重要 、 “ 很重要” 、 “ 不重要” 等 描述重要性程度 的概念都是不确定性的概念． 即模 糊概念． “ 重要” 、 “ 不重要 等模糊概念在标志重要性 程度的实数轴区间 0 ， 1 内投有明确的起点和终点 ， 即没有明确的划分边界 _ l J ． 因此 ． 权值 所要反 映的 1 9 9 7年 9月 3 0日收藉 “ 重要” 程度本身就有着明显的不确定性 ． 1 ． 2 定权模型的含义 由权值的概念和意义可知 ． 既然环境质量评价 中不同评价因子间的权值是反映相对某评价观点的 “ 重要” 程度的数值 ． 故可以理解为 求权值的过程就 是一种对于不同评价因子问“ 重要” 性程度的分析过 程 ， 属于程度分析的范畴 ． 但由于地质环 境 的复杂性 、 不可 逆性、 模 糊性 等 ． 科学 、 合理地评定 各环境 因子的权值有很 大难 度 ， 以致于在 一些 区域地质环境质量评价中， 由于对 地质环境系统分析不够 ， 而过分地相信定权 的数学 模型． 反而使权值不尽合理． 因此， 必须注意 定权模 型只是各环境因子间重要性 差异 的实 际、 简要 的概 化， 一个切合实际的定权模型只有对所研究的系统 的构成、 结构等有了深刻认识， 和对大量实际资料数 据 的占有 ， 以及掌握 了实际问题 的变化规律 ， 才能从 实际系统 中抽象 出反 映实际变 化过程 的概 念模 型 来 ． 所以． 要想从极其复杂多样的不确定性的地质环 境系统中抽象出客观合理的概念模型是具有相 当难 度 的， 它要求我们对所研究的地质环境进行深人 、 细 致 的系统研究． 从另一个方面讲 ， 数学模型 的最终输出结果是 由输人的数据决定 的， 因而对地质环境 系统 的构成 与结构的监测调查 、 分析研究必须深人 、 仔细， 以保 证我们所提取的将要输人数学模型的性状参数的质 量 ． 此外 ， 在实际的地质环境质量评价及系统决策领 域 中， 现在仍有很多人喜欢依靠专家的职业性经验 维普资讯 3 0 0 地球科学 中国地质 大学学报 第 2 3 卷 判断作为定权 的基本手段 ， 因为在有些条件下， 对于 难以进行模型抽象 的、 复杂的、 具模糊性 的、 不确定 的地 质环境系统 ， 这种经验判断的结论就更为可靠 ， 当然这并不是否定定 权的数学模型的重要性 ， 而却 恰恰说明了对于地质环境系统 ， 在应用定权 数学模 型时要看到它 的局限性， 必须严格遵守其适 用范围 和前提条件． 上面分析表明， 对地质环境进行 系统分析、 深入 理解是建立定权数学模型的前提． 也说 明， 定权模 型 包含两方面含义 一是定性分析， 这是前提和基础； 二 是定量描述， 这是最终结果． 其应该是定性与定量相 结合， 以定性分析的结果作为约束定量定权的框架 ． 2 专家 一层次分析定权法 2 ． 1 已有的定权方法 目前 已提 出并有实际应用价值的定权方法主要 有表 1 所列方法 ． 在这些定权方法 中， 专家打分法、 调查统计法 、 序列综合法均属定性分析方法 ， 较有代 表性的是专家打分法． 调查统计法 、 序列综合法是在 专家打分法基础上发展起来 的， 其实质尚未脱离定 性分析． 因而 ， 在定性分析方法中， 较实用 、 且应用较 多的仍是专家打分法 ． 数理统计法所需数据较多， 且 数据处理复杂、 运算量大 ， 运用较少 ． 公式法 、 层次分 析法、 复杂度分析法 ， 运算简便 ， 应用较多 ， 但这些方 法的物理意义有待于进一步明确 ． 2 ． 2 专家 一层次分析定权法的基本原理 前 已说明专家打分法是应用较多的定性定权方 法 ， 它实际上是经验估计法与意义推求法的综合 ， 即 是 由少数专家直接根据经验并考虑反映某评价观点 后定出权值 ． 这种直接 由人给 出权重 的方法 人为性 较大． 是否可 以由专家对各环境 因子进行重要性 比 较后， 只给出他们的定性判断 ， 而以这些重要性判断 为基础数据， 采用适当的数学模型再进一步运算定 权呢在所有的定 权方法 中， 层次分析法被一致认 为是一种较合理、 可行的定权方法． 它是一种系统分 析方法 【 2 ， 其原理和计算过程无可质疑 ， 但其第一 步还是要人为地给出判 断矩阵． 最终确定的权 值大 小、 合理性都要取决于这一判断矩阵 ， 此判断矩阵显 然具有人为性． 现在的关键是如何减 少判断矩阵 的 人为性 ． 由上述分析 可见 ， 我们可以结合专家打分法定 性分析的优点与层次分析法定量分析 的优点 ， 弥补 两者的不足之处， 即利用专家打分法来 确定层次分 析法所需要的判断矩阵． 2 ． 3 专家 一层次分析定权法的工作程序 工作程序见图 1 所示． 1 确定判 断矩 阵． 确定 参与定 权的环境 因子 后 ， 可以基本上按照专家打分法的步骤进行 ． ①请对 所评价的地质环境进行过较长时间研究并有一定认 识的技术人员组成专 家组 ， 向他们详细说明判 断矩 阵的概念 、 含义， 以及判断 的方法． ② 列 出所有评价 因子的判断矩阵表格 ， 按评价 因子个数确定表 格的 列与行数． ③发给每个参予评价者一份上述表格， 按④～⑧反复核对、 填写， 直至没有成员进行变动为 止． ④要求每个成员按 T． L． S a t t y 1 9 - 标度 表 2 两两比较后得出各 自的判断矩阵． ⑤ 要求所有 的成 员对各 自的判断矩 阵进行核实 ， 看是否能反映 自己 的看法， 如果发 现有 不妥之 处， 应重 新构造判断矩 阵， 直至满意为止． ⑥把 每个成员的表格集中起来 ， 综合专家组成员构造 的判 断矩阵为综合判断矩 阵， 并将其公布至全体成员征求意见． ⑦ 专家组成员若 有意见 ， 则请其修改 自己构造 的判断矩 阵． ③集 中修 改过的判断矩阵， 再综合后将其公布至全体成 员征 求意见 ， 直至所有 的专家对综合判断矩 阵投有 意见 维普资讯 第 3 期 蔡鹤生等 地质环境质量评价 中的专家 一层次分析定权 法 3 0 1 为止， 求得的判断矩阵即为最终判断矩阵． 2 层次分析法确定权值． 对上述的综合判断矩 阵按层次排序法求权值 ． 先假设 有一同阶正则向量 A， 使得存 在 一 A， 解此 特征方程所得的A 图 1 专家 一层次 分析定权 法工作程 序 1 p r o g r m a o f e x p e r t a n a l y t i c h i e r a r c h ywe i g h t i n g p r o c 裹 2 层次分析定权法的判新矩阵标度殛其古义 Ta b l e 2 I d e n t l f i c a t i o n a n d i mp l i c a t k m o f j u d l g n t r l x i n t h e e x p e r t - a r My d e h i e r a r c h y w e l g h g p r o c e s s 标度 古 义 表示两十因素相比． 具有同等重要性 表示两个因素相比， 一十比另一十稍赣重要 表示两十因素相比， 一十 比另一十明显重要 表示两十 因素相比， 一十 比另一十更 为重要 表示两十因素相比， 一十 比另一十极端重要 2 ， 4 ， 6 ， 8 上述两相部判断之中值， 表示重要性判断之间的过渡性 倒数因素 i 与 比较得到判断“． 硝因素 与i 比较的判断 ． l i b o 裹3 层次分析法的平均随机一致性指标值 T a b l e 3 S t o c h a s t i c c o n s i s t e n t a v e r a g e k a d e xi nt h e a n a l y t i chi e a “ m c h y p n x x 矩阵阶敷 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均 随 机一 致性指 标 值0 0 0 0 0 0 0 5 8 0 9 0 1 1 2 l 2 4 1 3 2 1 4 1 1 4 5 R， 经正规化后即为各评价 因子 的权值 ． 由于客观事物 的复杂及对事物认 识的片面性 ， 构造的判断矩阵不 一 定是一致性矩阵 也不强求是一致性矩阵 ， 但 当偏 离一致性过大时， 会导致一些问题 的产生． 因此得到 后 ， 还需进行一致性和随机性检验． 检验公式为 口 一 一l “t ／ 一1 C R CI ， RI 式中 C R为一致性指标 ； 为最大特征根 ； 为矩 阵阶数； R I为平均随机一致性指标， 取值见表 3 ； C R为随机一致性比率． 只有当 c R0 ． 1 0时， 判断 矩阵才具有满意的一致性， 所获取值才比较合理． 3 应用实例 在三蛱水利枢纽库区某新城地质环境质量预断 评价 中， 在对新址地质环境 系统_ 4 的各构成要素逐 一 分析的基础上， 选择地形坡度、 库岸稳 定性、 场地 稳态为敏感因子 ， 其状态分别为 p ≥3 0 、 不稳定 再 造带 内 、 不稳定区 D区 和地质环境 问题区 E区 进行 了敏感因子评价 ． 然后对余下 的区域选择地形 坡度 p3 0 、 微地貌形态、 地基土承载力、 场地稳 态 稳定 区、 基本稳定区、 潜在不稳定 区 为重要因子 进行模糊综合评价， 评价中， 需要确定这 4个环境 因 子的权值 ． 为此 ， 选用 了专家 一层次分析定权法． 对新址地质环境进行过较长时问研究并有较深 人认识的 8位技术人员组成 专家组 ， 按 前述步骤确 定 了最终综合判断矩阵， 见表 4 ． 然后采用方根法 与和积法两种方法解特征方程 X A 一 A， 方根法计算得 W 0 ． 3 2 ， 0 ． 1 7 2 ， 0 ． 0 8 4， 0 ． 4 2 4 一 4 ． 0 1 8， C／ 0 ． 0 0 6 ， C R 0． 0 0 70． 1 0 和积法计算得 W 0 ． 3 1 3 ， 0 ． 1 7 2， 0 ． 0 9 0 ， 0 ． 4 2 5 ～4． 0 1 7 5 ， C／0． 0 0 5 8， CR 0 ． 0 0 6 0 ． 1 0 裹 4 专家 一层次分析定权法中构造的综合判毒 矩阵 T a b l e 4 S y n t h e s i s j u d g i g n x a t r i x i n t h e e x p e r t a y hier m．c h y 1 d r p r o c e s s 维普资讯 地球科学 中国地质大 学学报 第 2 3卷 这表明所获权值较 为合理． 这两种方法所求权 值略 有差别 ， 但相差很小 ， 在实际应用中这种误差是允许 的． 这里我们取这两 种方法所求权值的平均值为最 终权值 。 即 w 0 ． 3 1 6 ， 0 ． 1 7 2 ， 0 ． 0 8 7 ， 0 ． 4 2 5 这一权值得到了在该区域从事过环境地质工作 的大 多数专家的认可， 并被用于实际 的地质环境质量 预 断评价中． 4 结论 环境质量评价工作中不可避免地要确定权 值， 选择合适 的定权方法 十分重要． 专家 一层次分析定 权法立足于权值与定 权模型 的含义分析 ， 将定性分 析与定量分析相结合 ， 发挥专家打分法 、 层次分析法 的优点 ， 这样确定 的权值较为科学、 合理 ， 并在实际 应用 中得到了检验． 然而 ， 仍有必要进一步完善或者 探索新的定权方法． 参考文献 1 陆雍森， 张寅， 马忡文． 环境评价 上海 同济大学 出版社． 1 9 9 0 ．1 6 8 ～ 1 8 2 2 赵焕臣． 层次分析一种简易的新决策方法． 北京 科 学出版社。 l 9 8 6 2 5 --6 4 3 刘松基 系 统工 程与数 学 方 法． 北京 机 槭工业 出版社 。 1 9 8 8．3 2 ～4 5 4 张人权 ． 靳孟 贵． 略论 地质环 境 系统 ． 地球 科学 中国 地质大学学报， 1 9 9 5 ，2 0 4 3 7 3 --3 7 6 EXP ERT- ANALYTI C HI ERARCHY W EI GHTI NG P ROCE S S I N G EOL O GI C AL E N VI RON MEN T AL QUA Lr r v A S S E S S MEN T C a i He s h e n g Z h o uA i g u o Ta n gZ h a o h 6 F a c u l t yo fEn dr o n r n e n t a l S c i e n c e a n dG mt e c h n i q u e，C h i n a U n i v e r s i t yq ， 函 由 ， Ⅱ 4 3 0 0 7 4 A lt r a c t Th e d e t e r mi n a t i o n o f t h e w e ig h t v a l u e o f e n v i r o n me n t a l f a c t o r s i s r t a n t a s mu h i p | e f a c t c l巧 ；a l e c h o s e n f o r t h e g e o l o g i c a l e n v i r o n me n t a l q u a l i t y a s s e s s r n e n t ．Th e e s s e n t i a l p r i n c i p l e a n d me t h c d a kl u t t h e e x p e r t - a n a l y t ie h i e r a r c h y we i g h t i n g p r o c e s s a r e d i s c u s s e d o 1 2 t h e b a s i s o f t h e a n a l y s i s o f t h e i mD l i c a t i ∞ o f t h e we i g h t v a l u e Th e we i g h t i n g mo d e l a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s we i g h t i n g m l o d i 8 r e {墩 n a b l e a n d f e 商 b l e b y t h e e x p e r i e n c e o f p r a c t i c e ． Ke y wo r d s g e o l o g i c a ／e n v i r o n me n t a ／q u a l i t y a s s e s s r n e n t ，we i g h t i n g me t h o d，e xp e r t a 瑚 I y d c h i e r a r c h y we i g h t i n g p r o c e s s ． f I 维普资讯