1. 引言
1965年,Zadeh [1]提出模糊集(FS)理论,首次利用隶属函数来描述事物的模糊性,突破了精确数学理论“非此即彼”的固有思想,从数学上消除了计算机无法处理模糊信息的禁锢,开创了模糊数学的研究领域。近年来,国内外学者对模糊集理论进行扩展,相继提出了多种模糊数据集理论并将其应用到MAGDM问题中。其中,中智集[2]通过真隶属度T、不确定性隶属度I、假隶属度F对直觉模糊逻辑进行扩展,消除了隶属度和非隶属度的取值限制,极大地提高了对不确定模糊信息的描述能力,作为NS的子类,简化中智集(SNS) [3] [4]、单值中智集(SVNS) [5] [6]、区间值中智集(INS) [7] [8]和多值中智集(MNS) [9]也逐渐被引入。
然而,上述研究成果均用来解决静态决策环境下的MAGDM问题,随着决策环境的日益复杂,决策者偏好随着事态的发展会呈现出非线性的变化,传统的静态模糊数据集很难准确地描述真实的决策者偏好信息,最终影响偏好集结矩阵的构建质量。本文针对这个问题,定义了动态决策环境下的非线性中智集来描述决策者偏好信息,并开发相应的集结算法构造偏好集结矩阵,结合TOPSIS算法完成方案排序,从而解决复杂决策环境下的MAGDM问题。
2. 非线性中智集
定义1:假设X是一个对象空间,该空间中的任意一个元素为x,则X上的一个非线性中智集定义如下:
(1)
其中,
,
,和
分别表示时间序列l下x的非线性真值隶属度函数、非线性不确定性隶属度函数和非线性假值隶属度函数。
,
和
分别取[0, 1]中的实数,它们的和取[0, 3]中的实数。
定义2:假设存在一个非线性中智数
,则它的评分函数和准确度函数定义如下:
(2)
(3)
距离函数在模糊理论中描述一个元素与另一个元素之间的距离,定义3给出了非线性中智集的局部距离、全局距离和关键时间节点距离。
定义3:假设A和B是两个非线性中智集,则它们之间的距离函数定义如下:
(4)
当q = 1,q = 2和
时,
,
和
分别表示两者之间的加权Hamming距离、加权Euclidean距离和加权Chebyshev距离。
定义4:假设A和B是两个非线性中智集,则它们之间的Jaccard、Dice和余弦相似度定义如下:
(5)
(6)
(7)
其中,两者之间的相关性C (A, B)和各自的信息熵E (A)和E (B)计算方法如下:
(8)
(9)
(10)
3. 非线性中智集空间集结模型
3.1. 空间最优集结曲线
定义5:假设
是三维问题空间
中长度为
的空间曲线,
在Frenet坐标系中被定义为
,其中
是
的切向量,
是
的法向量,
是
的副法向量。
的Frenet曲线公式如下:
(11)
其中,
和
是曲线
的曲率函数和扭转函数。
定义6:假设
是三维问题空间
中有界封闭区里一个包含m条空间曲线的空间曲线集。
是空间曲线
的权重信息,所有空间曲线的权重信息和为1(
)。如果存在空间曲线
,其与所有给定空间曲线
之间围成的空间面积
满足如下公式:
(12)
则称
为R中的空间最优集结曲线(如图1所示)。
Figure 1. Spatially optimal aggregation curve in three-dimensional space
图1. 三维空间中的空间最优集结曲线
3.2. 非线性中智集空间集结模型
Figure 2. Projection diagram of intelligent set in three-dimensional space in nonlinear
图2. 非线性中智集三维空间投影示意图
首先,将中智集投影为三维空间
中的曲线。假设
是M个包含相同时间序列长度的动态中智集,共同构成了一个如下所示的动态中智集族:
(13)
将
,
和
分别作为x轴,y轴和z轴来构建三维空间
。显然,动态中智集族会被投影为
中n个曲线集合。不同动态中智集中的空间曲线
被划分到同一个曲线集合
中。图2为10个包含3个备选方案,时序长度为10的非线性中智集族的三维空间投影示意图(n = 3, M = 10,
):
图3为非线性中智集偏好信息差异示意图,空间曲线之间所围成的面积大小描述了
和
(
,
)的偏好信息差异程度,面积越大,偏好信息差异越大,反之亦然。
Figure 3. Schematic diagram of preference information difference in nonlinear neutrosophic sets
图3. 非线性中智集偏好信息差异示意图
Figure 4. Single nonlinear neutrosophic preference curve
图4. 单条非线性中智综合偏好曲线
定义7:假设
是一个时序长度为
的动态中智曲线,
和
(
,
)之间围成的空间面积之和满足如下公式:
(14)
则将
定义为动态中智集曲线集
的非线性中智综合偏好曲线(如图4所示,其中M = 15,
):
进而,非线性中智集空间集结模型可以生成如图5所示的非线性中智集族
的最优集结集合
(n = 3, M = 10,
):
Figure 5. Schematic diagram of optimal aggregation set in nonlinear neutrosophic set
图5. 非线性中智集最优集结集合示意图
4. 非线性中智集集结算法
4.1. 空间区域面积求解算法
Figure 6. Differential idea of space curve
图6. 空间曲线微分思想
由非线性空间曲线包围的表面区域很难计算,相关算法的时间复杂度随时间序列长度的变化呈指数增长。本文提出的聚合算法采用了微分的思想来解决这个问题。
假设A和B是两个时间序列长度为
的非线性中智集,令
(
,
是一个无限小的时间间隔)。
和
之间存在一个线性关系(B集合亦然)。图6所示为
和
之间以及
和
之间围成的一个凸四边形:
显然,
可以由公式(15)~(21)进行计算:
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
然后,公式(22)可以计算出A和B之间围成的面积:
(22)
4.2. 非线性中智偏好信息最优集结算法
本文使用改进后的模拟植物生长算法(PGSA)进行偏好信息的集结。假设有M个决策者使用非线性中智集
(
,
,
)来对具有n个决策属性的m个备选方案进行评价。决策者权重向量为
,备选方案评价决策属性权重向量为
(
,
,
,
)。决策者偏好矩阵如下所示:
(23)
假设在点集
中存在M个已知非线性中智偏好信息点
,其中
是
中长度为L的有界闭箱。改进后的PGSA算法求解最优集结点
的主要步骤如下:
Step 1:随机选取一个初始生长点
,算法步长
。令
,
,其中
是
的生长素浓度(
与
中所有偏好信息点之间的加权Euclidean距离)。
Step 2:选取g个备用生长点
,其生长素浓度计算公式如下:
(24)
为了避免算法陷入局部最优,构建一个轮盘赌,备用生长点在轮盘赌上所占面积比例由其生长素浓度决定,随机选取新的生长点
(生长素浓度高的点更容易被选上,生长素浓度低的点也有可能被选上)。令
,
,
。
Step 3:以
作为旋转中心建立L-系统(
),生长出一根长度为
的树枝,这就是植物的第一层。在L-系统中继续选取g个备用生长点
。
Step 4:更新所有备用生长点的生长素浓度。如果
,那么令
。否则,
的新生长素浓度由如下公式计算:
(25)
Step 5:建立新的轮盘赌选取新的生长点
,令
,
,
。
Step 6:以
作为旋转中心建立L-系统(
),生长出一根长度为
的树枝,这就是植物的第二层。在L-系统中继续选取g个备用生长点
。
Step 7:为了避免算法陷入局部最优,将第一、二两层中的所有备选生长点的生长激素浓度更新如下:
1) 如果
,则
,否则
由如下公式计算:
(26)
2) 如果
,则
,否则
由如下公式计算:
(27)
Step 8:建立新的轮盘赌选取新的生长点
,令
,
,
。
Step 9:重复Step 6~8,当迭代次数超过
(本文中
)或者近100次
未产生更新,算法结束。
就是
的最优集结点。
所有决策者针对第i个备选方案的第j个决策属性的综合非线性中智偏好信息可以描述如下:
(28)
整个多属性群决策问题中的决策者综合偏好矩阵可以描述如下:
(29)
5. 备选方案排序方法
本文将TOPOSIS算法进行拓展,使之可以生成非线性中智综合偏好矩阵的正/负理想解,并结合投影理论计算备选方案的综合得分,从而完成备选方案排序。
定义8:假设
是MAGDM问题中的决策者综合偏好矩阵,则针对第j个决策属性的正理想向量
和负理想向量
可以用如下公式计算:
(30)
(31)
显然,决策者综合偏好矩阵的正理想解
和负理想解
可以用如下公式计算:
(32)
(33)
定义9:假设
是MAGDM问题中的决策者综合偏好矩阵,
和
是决策者综合偏好矩阵的正/负理想解,
是决策者综合偏好矩阵中第i个备选方案的综合偏好向量。则第i个备选方案的综合得分可以由如下公式计算:
(34)
(35)
(36)
(37)
(38)
(39)
(40)
(41)
(42)
6. 仿真实验
一个由4名决策者组成的管理团队将经过5周的考察,从3个投资项目中选出最佳项目。决策者
使用非线性中智集
来对方案
(A1玉米期货,A2大豆期货,A3小麦期货)的决策属性(
C1净现值,C2回报率,C3效益成本分析,C4成本回收期)进行评价。决策者权重向量
,决策属性权重向量
。决策者偏好矩阵如表1~4所示:
Table 1. Preference matrix of e1
表1. e1的偏好矩阵
A1 |
C1 |
t1: (0.28, 0.46, 0.28) |
t2: (0.27, 0.44, 0.27) |
t3: (0.30, 0.47, 0.31) |
t4: (0.34, 0.47, 0.33) |
t5: (0.33, 0.42, 0.28) |
C2 |
t1: (0.10, 0.27, 0.61) |
t2: (0.08, 0.28, 0.59) |
t3: (0.14, 0.24, 0.60) |
t4: (0.09, 0.23, 0.64) |
t5: (0.10, 0.25, 0.59) |
C3 |
t1: (0.65, 0.18, 0.22) |
t2: (0.62, 0.24, 0.27) |
t3: (0.68, 0.23, 0.22) |
t4: (0.65, 0.23, 0.27) |
t5: (0.67, 0.23, 0.23) |
C4 |
t1: (0.53, 0.34, 0.15) |
t2: (0.56, 0.33, 0.18) |
t3: (0.57, 0.30, 0.16) |
t4: (0.56, 0.33, 0.14) |
t5: (0.56, 0.29, 0.16) |
A2 |
C1 |
t1: (0.24, 0.45, 0.56) |
t2: (0.19, 0.47, 0.52) |
t3: (0.19, 0.45, 0.57) |
t4: (0.24, 0.44, 0.57) |
t5: (0.23, 0.46, 0.57) |
C2 |
t1: (0.16, 0.45, 0.26) |
t2: (0.19, 0.46, 0.29) |
t3: (0.21, 0.42, 0.28) |
t4: (0.19, 0.46, 0.29) |
t5: (0.19, 0.45, 0.29) |
C3 |
t1: (0.48, 0.09, 0.16) |
t2: (0.48, 0.07, 0.20) |
t3: (0.44, 0.14, 0.20) |
t4: (0.48, 0.07, 0.21) |
t5: (0.46, 0.14, 0.17) |
C4 |
t1: (0.74, 0.09, 0.11) |
t2: (0.72, 0.05, 0.10) |
t3: (0.74, 0.10, 0.09) |
t4: (0.75, 0.06, 0.09) |
t5: (0.77, 0.06, 0.11) |
A3 |
C1 |
t1: (0.16, 0.33, 0.68) |
t2: (0.14, 0.38, 0.68) |
t3: (0.20, 0.36, 0.73) |
t4: (0.16, 0.32, 0.70) |
t5: (0.18, 0.35, 0.70) |
C2 |
t1: (0.26, 0.24, 0.35) |
t2: (0.29, 0.26, 0.34) |
t3: (0.27, 0.21, 0.33) |
t4: (0.26, 0.21, 0.33) |
t5: (0.26, 0.24, 0.37) |
C3 |
t1: (0.17, 0.05, 0.86) |
t2: (0.19, 0.07, 0.87) |
t3: (0.23, 0.12, 0.87) |
t4: (0.22, 0.06, 0.86) |
t5: (0.20, 0.09, 0.84) |
C4 |
t1: (0.45, 0.14, 0.23) |
t2: (0.46, 0.11, 0.22) |
t3: (0.43, 0.08, 0.24) |
t4: (0.42, 0.09, 0.24) |
t5: (0.41, 0.13, 0.24) |
Table 2. Preference matrix of e2
表2. e2的偏好矩阵
A1 |
C1 |
t1: (0.17, 0.28,0.06) |
t2:(0.15, 0.22, 0.56) |
t3: (0.18, 0.27, 0.61) |
t4: (0.17, 0.24, 0.54) |
t5: (0.18, 0.26, 0.55) |
C2 |
t1: (0.29, 0.48, 0.12) |
t1:(0.29, 0.48, 0.12) |
t1: (0.29, 0.48, 0.12) |
t1: (0.29, 0.48, 0.12) |
t1: (0.29, 0.48, 0.12) |
C3 |
t2: (0.19, 0.47, 0.17) |
t2:(0.19, 0.47, 0.17) |
t2: (0.19, 0.47, 0.17) |
t2: (0.19, 0.47, 0.17) |
t2: (0.19, 0.47, 0.17) |
C4 |
t3: (0.31, 0.50, 0.18) |
t3:(0.31, 0.50, 0.18) |
t3: (0.31, 0.50, 0.18) |
t3: (0.31, 0.50, 0.18) |
t3: (0.31, 0.50, 0.18) |
续表
A2 |
C1 |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
t1:(0.33, 0.29, 0.44) |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
C2 |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2:(0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
C3 |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3:(0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
C4 |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4:(0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
A3 |
C1 |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
t1:(0.33, 0.29, 0.44) |
t1:(0.33, 0.29, 0.44) |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
t1: (0.33, 0.29, 0.44) |
C2 |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2:(0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
t2: (0.37, 0.31, 0.43) |
C3 |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3:(0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
t3: (0.35, 0.34, 0.45) |
C4 |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4:(0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
t4: (0.36, 0.32, 0.44) |
Table 3. Preference matrix of e3
表3. e3的偏好矩阵
A1 |
C1 |
t1: (0.22, 0.21, 0.63) |
t1: (0.22, 0.21, 0.63) |
t1: (0.22, 0.21, 0.63) |
t1: (0.22, 0.21, 0.63) |
t1: (0.22, 0.21, 0.63) |
C2 |
t2: (0.23, 0.19, 0.66) |
t2: (0.23, 0.19, 0.66) |
t2: (0.23, 0.19, 0.66) |
t2: (0.23, 0.19, 0.66) |
t2: (0.23, 0.19, 0.66) |
C3 |
t3: (0.28, 0.17, 0.66) |
t3: (0.28, 0.17, 0.66) |
t3: (0.28, 0.17, 0.66) |
t3: (0.28, 0.17, 0.66) |
t3: (0.28, 0.17, 0.66) |
C4 |
t4: (0.24, 0.15, 0.67) |
t4: (0.24, 0.15, 0.67) |
t4: (0.24, 0.15, 0.67) |
t4: (0.24, 0.15, 0.67) |
t4: (0.24, 0.15, 0.67) |
A2 |
C1 |
t5: (0.25, 0.19, 0.65) |
t5: (0.25, 0.19, 0.65) |
t5: (0.25, 0.19, 0.65) |
t5: (0.25,0.19, 0.65) |
t5: (0.25, 0.19, 0.65) |
C2 |
t1: (0.20, 0.77, 0.38) |
t1: (0.20, 0.77, 0.38) |
t1: (0.20, 0.77, 0.38) |
t1: (0.20, 0.77, 0.38) |
t1: (0.20, 0.77, 0.38) |
C3 |
t2: (0.19, 0.78, 0.34) |
t2: (0.19, 0.78, 0.34) |
t2: (0.19, 0.78, 0.34) |
t2: (0.19, 0.78, 0.34) |
t2: (0.19, 0.78, 0.34) |
C4 |
t3: (0.21, 0.79, 0.36) |
t3: (0.21, 0.79, 0.36) |
t3: (0.21, 0.79, 0.36) |
t3: (0.21, 0.79, 0.36) |
t3: (0.21, 0.79, 0.36) |
A3 |
C1 |
t4: (0.21, 0.77, 0.38) |
t4: (0.21, 0.77, 0.38) |
t4: (0.21, 0.77, 0.38) |
t4: (0.21, 0.77, 0.38) |
t4: (0.21, 0.77, 0.38) |
C2 |
t5: (0.24, 0.82, 0.38) |
t5: (0.24, 0.82, 0.38) |
t5: (0.24, 0.82, 0.38) |
t5: (0.24, 0.82, 0.38) |
t5: (0.24, 0.82, 0.38) |
C3 |
t1: (0.37, 0.44, 0.25) |
t1: (0.37, 0.44, 0.25) |
t1: (0.37, 0.44, 0.25) |
t1: (0.37, 0.44, 0.25) |
t1: (0.37, 0.44, 0.25) |
C4 |
t2: (0.40, 0.49, 0.19) |
t2: (0.40, 0.49, 0.19) |
t2: (0.40, 0.49, 0.19) |
t2: (0.40, 0.49, 0.19) |
t2: (0.40, 0.49, 0.19) |
Table 4. Preference matrix of e4
表4. e4的偏好矩阵
A1 |
C1 |
t1: (0.38, 0.19, 0.61) |
t1: (0.38, 0.19, 0.61) |
t1: (0.38, 0.19, 0.61) |
t1: (0.38, 0.19, 0.61) |
t1: (0.38, 0.19, 0.61) |
C2 |
t2: (0.36, 0.20, 0.61) |
t2: (0.36, 0.20, 0.61) |
t2: (0.36, 0.20, 0.61) |
t2: (0.36, 0.20, 0.61) |
t2: (0.36, 0.20, 0.61) |
C3 |
t3: (0.36, 0.22, 0.62) |
t3: (0.36, 0.22, 0.62) |
t3: (0.36, 0.22, 0.62) |
t3: (0.36, 0.22, 0.62) |
t3: (0.36, 0.22, 0.62) |
C4 |
t4: (0.34, 0.18, 0.61) |
t4: (0.34, 0.18, 0.61) |
t4: (0.34, 0.18, 0.61) |
t4: (0.34, 0.18, 0.61) |
t4: (0.34, 0.18, 0.61) |
A2 |
C1 |
t5: (0.36, 0.24, 0.55) |
t5: (0.36, 0.24, 0.55) |
t5: (0.36, 0.24, 0.55) |
t5: (0.36, 0.24, 0.55) |
t5: (0.36, 0.24, 0.55) |
C2 |
t1: (0.41, 0.61, 0.20) |
t1: (0.41, 0.61, 0.20) |
t1: (0.41, 0.61, 0.20) |
t1: (0.41, 0.61, 0.20) |
t1: (0.41, 0.61, 0.20) |
C3 |
t2: (0.37, 0.58, 0.17) |
t2: (0.37, 0.58, 0.17) |
t2: (0.37, 0.58, 0.17) |
t2: (0.37, 0.58, 0.17) |
t2: (0.37, 0.58, 0.17) |
C4 |
t3: (0.39, 0.63, 0.21) |
t3: (0.39, 0.63, 0.21) |
t3: (0.39, 0.63, 0.21) |
t3: (0.39, 0.63, 0.21) |
t3: (0.39, 0.63, 0.21) |
A3 |
C1 |
t4: (0.41, 0.65, 0.23) |
t4: (0.41, 0.65, 0.23) |
t4: (0.41, 0.65, 0.23) |
t4: (0.41, 0.65, 0.23) |
t4: (0.41, 0.65, 0.23) |
C2 |
t5: (0.39, 0.62, 0.18) |
t5: (0.39, 0.62, 0.18) |
t5:(0.39, 0.62, 0.18) |
t5: (0.39, 0.62, 0.18) |
t5: (0.39, 0.62, 0.18) |
C3 |
t1: (0.42, 0.34, 0.16) |
t1: (0.42, 0.34, 0.16) |
t1: (0.42, 0.34, 0.16) |
t1: (0.42, 0.34, 0.16) |
t1: (0.42, 0.34, 0.16) |
C4 |
t2: (0.46, 0.36, 0.13) |
t2: (0.46, 0.36, 0.13) |
t2: (0.46, 0.36, 0.13) |
t2: (0.46, 0.36, 0.13) |
t2: (0.46, 0.36, 0.13) |
用本文开发算法构建如下所示的决策者综合偏好矩阵:
决策者综合偏好矩阵的正/负理想解如下所示:
最终方案得分如下所示:
显然,
。
7. 实验对比
将本文开发算法与SVNS算子[10]、SvNCNTWA算子[11]以及SvNCNTWG [11]进行比较,对上一章所设计的仿真案例进行分析。所得结果如下:
1) 本文算法:
;
2) SVNS:
;
3) SvNCNTWA:
;
4) SvNCNTWG:
.
相关准确性测度对比如表5所示。
Table 5. Accuracy comparsion
表5. 准确度比较
|
|
|
|
|
PGSA |
82.7795 |
166.6943 |
84.0071 |
3.7176 |
EL-SVNS |
84.5682 |
158.5288 |
85.2588 |
3.5521 |
SvNCNTWA |
2.967163 |
162.2254 |
86.2458 |
3.6628 |
SvNCNTWG |
3.48762 |
161.5345 |
87.0126 |
3.5872 |
显然本文算法所得结果与决策者偏好矩阵之间相似度更高,熵测度更低,结果更为准确。
8. 总结与展望
8.1. 总结
本文介绍了DNSNS及其集结模型,以解决MAGDM问题。本研究的主要贡献如下:
1) DNSNS使解决方案属性随时间变化和外部环境变化的表示成为可能,从而促进了专家提供的实时模糊偏好信息的描述。
2) 所提出的聚合模型将非线性专家模糊偏好信息映射到三维曲线上,可直观地捕捉偏好信息的动态变化,同时避免了数据预处理对方案属性间关系造成的影响。此外,该模型准确地描述了空间曲线所包围区域的大小,以表示偏好信息之间的差异。
3) 在本研究中,我们采用PGSA算法来识别出一组从所有偏好曲线出发的Euclidean距离之和最小的聚合曲线。所得结果符合帕累托最优原则,与直接采用正负理想解进行偏好聚合的TOPSIS相比,具有更高的准确性。此外,在算法执行过程中,PGSA会动态调整所有节点的生长方向,并通过从节点中选择新的生长点来更新其浓度,从而避免了与最近邻搜索(NNS)相比的局部最优陷阱。
8.2. 展望
在未来的研究中,我们将探索使用非线性TOPSIS (NR-TOPSIS)来替代传统TOPSIS,以提高对非线性偏好信息的集结精度。此外,我们将研究欧几里得n维空间聚合模型(n > 3)及其相应的聚合算法,以解决涉及动态非线性犹豫模糊语言信息的多属性群决策问题。
基金项目
1) 常州市科技支撑计划(社会发展),项目号:CE20235043。
2) 江苏理工学院2022年校教学改革与研究项目“OBE视域下课程思政素材库与案例库的建设研究——以数据结构课程为例”(项目号:11610312306)。
NOTES
*通讯作者。