CC BY
42
© A.A. Шабанов, B.C. Трубин, B.C. Великанов, 2014
УДК 622 - 1:[658. 512. 2:331.101.1]
А.А. Шабанов, B.C. Трубин, B.C. Великанов
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕДУРЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ МЕТОДОМ АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ В РАНЖИРОВАНИИ ГОРНЫХ МАШИН ПО УРОВНЮ ЭРГОНОМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Рассмотрен метод анализа иерархий, который является эффективным инструментом системного подхода для решения сложных многоальтернативных задач, связанных с проблемами принятия решений. На основе математического аппарата МАИ разработана процедура принятия решений в установлении значимости показателей горной машины по критерию эргономичности. Созданное программное обеспечение позволило решить задачу автоматизации процедуры оценки важности эргономических показателей с возможностью ранжирования представленных моделей экскаваторов по уровню их эргономического обеспечения.
Ключевые слова: задача принятия решений, данные, метод, ЭВМ, альтернатива, вес, матрица.
Задача принятия решений (ЗПР) - одна из самых распространенных в любой предметной области. Принятие решения в большинстве случаев заключается в генерации возможных альтернатив решений их оценке и выборе лучшей альтернативы. Принять «правильное» решение - значит выбрать такую альтернативу из числа возможных, в которой с учетом всех разнообразных факторов и противоречивых требований будет оптимизирована общая ценность [1, 3]. При выборе альтернатив приходится учитывать большое число противоречивых требований и, следовательно, оценивать варианты решений по многим критериям. Неопределенности являются неотьемле-мой частью процессов принятия решений. Эти неопределенности принято разделять на три класса [2]: неопределенности, связанные с неполнотой наших знаний о проблеме, по которой принимается решение; неопре-
деленность, связанная с невозможностью точного учета реакции окружающей среды на наши действия, и, наконец, неточное понимание своих целей лицом, принимающим решения. Свести задачи с подобными неопределенностями к точно поставленным целям нельзя в принципе. Для этого надо «снять» неопределенности. Одним из таких способов снятия является субьективная оценка специалиста (эксперта, руководителя), определяющая его предпочтения [2, 3].
Данные, необходимые для осуществления обоснованного выбора, можно разделить на четыре категории: информация об альтернативных вариантах, информация о критериях выбора, информация о предпочтениях, информация об окружении задач. Принятие решения - это процесс рационального или иррационального выбора альтернатив, имеющий целью достижение осознаваемого результата (рис. 1) [4, 5, 7, 8].
Рис. 1. Процедура процесса принятия решений
Американский математик Т. Саати разработал процедуру поддержки принятия решений, которую назвал «Analityc hierarchy process». В русском переводе это название интерпретируется как «Метод анализа иерархий» (МАИ). МАИ является одним из инструментов системного подхода к проблемам принятия решений и не предписывает лицу, принимающему решение (ЛПР), какого-либо «правильного» решения, а позволяет ему в интерактивном режиме найти такой вариант (альтернативу), который наилучшим образом согласуется с его пониманием сути проблемы и требованиями к ее решению. Метод позволяет понятным и рациональным образом структурировать сложную проблему принятия решений в виде иерархии, сравнить и выполнить количественную оценку альтернативных вариантов решения. Уникальность метода заключается в том, что он является одновременно и качественным и количественным. Будучи в основе каче-
ственным, т.к. используется информация о попарных качественных сравнениях по лингвистическим критериям, метод позволяет количественно оценить приоритеты альтернатив или иных элементов иерархии [4].
Анализ проблемы принятия решений в МАИ начинается с построения иерархической структуры, которая включает цель, критерии, альтернативы и другие рассматриваемые факторы, влияющие на выбор. На рис. 2 приведены варианты отображения иерархий, где Ё] - элементы иерархии, А/ - альтернативы. Верхний индекс у элементов указывает уровень иерархии, а нижний индекс - их порядковый номер.
Структура отражает понимание проблемы лицом принимающим решение, каждый элемент иерархии может представлять различные аспекты решаемой задачи, причем во внимание могут быть приняты как материальные, так и нематериальные факторы, измеряемые количественные параметры и качественные характеристики, объективные данные и субъективные экспертные оценки. Иными словами, анализ ситуации выбора решения в МАИ напоминает процедуры и методы аргументации, которые используются на интуитивном уровне. Следующим этапом анализа является определение приоритетов, представляющих относительную важность или предпочтительность элементов построенной иерархической структуры с помощью процедуры парных сравнений. Безразмерные приоритеты позволяют обоснованно сравнивать
Рис. 2. Варианты отображения иерархий: а
позиция; б - синтез; в - упорядочение
разнородные факторы, что является отличительной особенностью МАИ. В данной модификации, как и в классическом варианте метода парных сравнений, производится сравнение изучаемых факторов между собой. Причем в данном методе факторы сравниваются попарно по отношению к их воздействию («весу», или «интенсивности») на общую для них характеристику. Обозначим множество сравниваемых элементов: С1, С2, С3 ..., Сп. Веса этих элементов обозначим, соответственно: У1, У2, У3, ..., Уп. Результаты сравнения представляются в виде матрицы парных сравнений (табл. 1) [4, 5, 6].
Таблица 1
Матрица парных сравнений
деком-
Ci C2 Cn
Ci 1 Vi /V 2 Vi /Vn
C2 V2 / Vi 1 V2 / Vn
Cn Vn / Vi Vn / V2 Vn / Vn
На заключительном этапе анализа выполняется синтез приоритетов на иерархии, в результате которой вычисляются приоритеты альтернативных решений относительно главной цели.
Увеличение обьема информации, поступающей в органы управления и непосредственно к руководителям, усложнение решаемых задач, необходимость учета большого числа взаи-
мосвязанных факторов и быстро меняющейся обстановки настоятельно требуют использовать ЭВМ в процессе принятия решений. В связи с этим появился новый класс вычислительных систем - системы поддержки принятия решений (СППР). Так в [3] она определяется следующим образом: «Системы поддержки принятия решений являются человеко-машинными объектами, которые позволяют лицам, принимающим решения, использовать данные, знания, объективные и субъективные модели для анализа и решения слабоструктурированных и неструктурированных проблем». В этом определении подчеркивается предназначение СППР для решения слабоструктурированных и неструктурированных задач. В соответствии с [3] к слабоструктурированным относятся задачи, которые содержат как количественные, так и качественные переменные, причем качественные аспекты проблемы имеют тенденцию доминировать. Неструктурированные проблемы имеют лишь качественное описание.
В настоящее время в связи с возросшими возможностями современных ЭВМ разработаны программные информационные системы, обеспечивающие поддержку процесса принятия решений на всех его фазах [2]. Созданы, как методики использования МАИ в составе распространенных офисных пакетов MS Excel, Access, Open Office, так и специализированное программное обеспечение, к числу которых можно отнести, такие как Expert Choice, MPriority и др. (табл. 2). Помимо вышеуказанных пакетов на рынке имеется ряд менее популярных программ, но с аналогичными возможностями.
Таблица 2
Современные инструменты для принятия решений
Название СППР Характеристика программного продукта
Expert Choice Коммерческий программный продукт, разработанный на основе метода анализа иерархий. Система имеет три варианта поставки: Com-parion Core™, Expert Choice 11.5™ и Expert Choice Inside. Достоинствами системы являются гибкий и развитый пользовательский интерфейс с возможностью получать промежуточную и окончательную информацию о решении в удобном виде с выводом её на принтер. Все процедуры поиска компромиссных вариантов, возникающие при решении многокритериальной оптимизации, удобно реализованы в системе в режиме диалога пользователя с компьютером. Режим доступа: http://www. expert choice.com
СППР «Эксперт» Система основана на методе анализа иерархий. Особенности системы: поддержка, как числовых значений, так и субъективных вербальных предпочтений пользователя. Возможность анализа данных на предмет согласованности и достоверности, исправление несогласованности. Удобный графический интерфейс, инструменты для формализации проблемы, анализа результатов. Наличие библиотеки типовых иерархий для решения задач прогнозирования и управления в различных сферах деятельности. Режим доступа: http://lab12.geosys.ru/pageslab/lab12 expert.htm
OPTIMUM Система поддержки принятия решений основана на МАИ. В программе реализована возможность настройки пользовательского интерфейса. Каждый пользователь может создать для себя удобное рабочее место в данной программе. Справочная система содержит описание всех инструментов приложения. Режим доступа: http://www. tomakechoice. com/paper/ Odessa2009p.pdf
СПП^Выбор 1* •« *»*н Ж¥\ Ш » 5.3 Система является простым и удобным средством, которое поможет структурировать проблему; построить набор альтернатив; выделить характеризующие их факторы; задать значимость этих факторов; оценить альтернативы по каждому из факторов; найти неточности и противоречия в суждениях лица, принимающего решение (ЁПР)/эксперта; проранжировать альтернативы; провести анализ решения и обосновать полученные результаты. Режим доступа: http://www.cirtas.ru/ product. php? id=10
1 СППР Выбор
0Ш jL Д В ШЛ M PRIORITY / Система базируется на методе анализа иерархий. Систему от ее аналогов отличает диалоговый интерфейс, адаптированный под особенности МАИ и восприятие пользователя. Программа содержит диалоговые средства, позволяющие получать наиболее полную информацию о проведенных попарных сравнениях и устранять возможные несогласованности в матрицах попарных сравнений. Использование присутствующего в программной системе механизма шаблонов (шаблон - готовая иерархия для одной из задач принятия решений) позволяет пользователю адаптировать программную систему под область своей деятельности. Режим доступа: http://www.tomake choice.com/ mpriority.html
WinEXP+ В основе системы - метод анализа иерархий. Функциональные возможности системы: создание сложных и разветвленных иерархий, вычисление приоритетов альтернативных решений. Достоинства системы: дружественный интерфейс, включающий интерактивную справку. Гибкие цветовые настройки системы. Возможность расширения системы. Универсальность системы в отношении ее применения в различных областях деятельности. Простота и доступность при обучении пользователей. Режим доступа: http://www.teleform.ru/pages/ 0002/0006/0001/ 0002.html
Продолжение табл. 2
Название СППР Характеристика программного продукта
Мыслитель Приложение, которое предназначается для помощи в принятии сложных решений. В основу продукта положен метод анализа иерархий. Пользователю нужно лишь поставить вопрос, указать возможные альтернативы его решения и критерии оценки. Для сравнения критериев друг с другом можно использовать полосу сравнения, которая помогает определить, какой из них более, а какой - менее важен. По итогам работы программы для каждой из альтернатив выводится сравнительная диаграмма, позволяющая найти наиболее подходящее решение.
В данной работе решается задача выявить горную машину (на примере экскаваторов типа ЭКГ) наиболее полно удовлетворяющую требованиям потребителя по уровню их эргономического обеспечения. Исследованиями [9, 10, 11, 12] установлено, что эргономичность горной машины является целостной характеристикой, которая вырастает из следующих эргономических свойств: управляемости, обслуживаемости, осваиваемости, обитаемости и технологичности. Каждое эргономическое свойство, в свою очередь, определяется из ряда комплексных показателей, которые представляют разные, но взаимосвязанные стороны этих свойств. Использование
МАИ обосновано тем, что по своей «природе» значительная часть одиночных эргономических показателей характеризуются на уровне словесного качественного описания. Например, распределение функций между человеком и машиной при управлении, компоновка элементов рабочего места и моторного поля машиниста горной машины, обеспечение информационного взаимодействия, санитарно - бытовое обеспечение и другие [10, 12].
Используя описанный выше метод, разработана иерархическая структура, которая включает: цель - оценка горных машин по уровню их эргономического обеспечения; критерии оценки - эргономические свойства
Цель - ранжирование горных машин по уровню эргономического обеспечения
Рис. 4. Интерфейс программы «Ранжирование горных машин по уровню эргономического обеспечения»
Рис. 5. Пример диаграммы результатов анкетирования в установлении значимости эргономических показателей
карьерных экскаваторов; альтернативы - представленные на рынке горной техники и эксплуатируемые на горных предприятиях карьерные гусеничные экскаваторы (рис. 3) [13, 14].
Для автоматизации процесса экспертной оценки нами разработана соответствующая компьютерная про-
грамма. В программе реализована процедура поэтапного выполнения расчетов, на начальном этапе задается необходимо количество экспертов - независимых квалифицированных специалистов, имеющих опыт работы в горной промышленности. Далее по разработанным анкетам производится оценка значимости каждого эргономического показателя с точки зрения членов экспертной группы с возможностью редактирования и хранения результатов анкетирования различных групп эргономических показателей (рис. 4).
Результаты по первому этапу отображаются в виде типовой диаграммы из списка MS Excel (рис. 5).
Дальнейшая процедура выявления ЭКГ наиболее полно удовлетворяющего требованиям с позиций эргономического обеспечения сводится оценке альтернатив по каждому из показателей с учетом их значимости и в конечном итоге ранжировки представленных моделей.
Таким образом, разработанное программное обеспечение представляет наиболее полную информацию о проведенных попарных сравнениях с возможностью устранения возможных несогласованностей в матрицах попарных сравнений, а так же оценивает альтернативы по каждому из эргономических показателей с выводом итоговой диаграммы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поспелов Д.А., Пушкин В.М. Мышление и автоматы. М.: Советское радио. 1972.
2. Моисеев Н.Н. Предисловие к книге Орловского С. А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. М.: Наука. 1981.
3. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. - М.: 1998. -246 с.
4. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. - М. : Радио и связь, 1989. - 316 с.
5. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике. - М.: Финансы и статистика, 2004. - 464 с.
6. Ногин В.Д. Упрощенный вариант метода анализа иерархий на основе нелинейной свертки критериев [Электронный ресурс], 23.10.2013. Режим доступа: http://www.apmath.spbu.ru/ru/staff/nogin/n ogin_p11.pdf Ногин В.Д. Упрощенный вариант метода анализа иерархий на основе нелинейной свертки критериев.
7. Рогачев А.Ф., Токарев К.Е. Информационное обеспечение принятия решений при многокритериальной оценке качества оказания услуг // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: www. science-education. ru/102-5578 (дата обращения: 05.11.2013).
8. Рогачев А.Ф., Токарев К.Е. Применение методов многокритериальной экспертной оценки для управления качеством оказания медицинских услуг // Управление экономическими системами: электронный
научный журнал. - 2011. - 7 (31). - URL: http: // uecs.mcnip.ru.
9. Головин B.C. Эргономика горнорудного оборудования. - М.: Недра, 1990. - 183 с.
10. Хусаинов В.Г. Обоснование и расчет эргономических показателей карьерных гусеничнык экскаваторов производства ОАО «Уралмаш»: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Екатеринбург: УГГУ, 2006. -20 с.
11. Великанов B.C. Реализация подходов по совершенствованию эргономических показателей карьерных экскаваторов: Монография. - Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГГУ», 2011. - 85 с.
12. Великанов B.C., Шабанов A.A. О перспективах исследований в области эргономического обеспечения отечественных карьерных экскаваторов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 19-29.
13. Великанов B.C., Шабанов A.A. Метод анализа иерархий в установлении значений весовых коэффициентов эргономических показателей карьерных экскаваторов // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики Сб. науч. тр. -Тула: ГОУ ВПО «ТулГУ» 2012. - Т1, С. 238-244.
14. Великанов B.C. Возможности метода парных сравнений в установлении значимости показателей горных машин и комплексов по критерию эргономичности // Вестник КузГТУ. - 2013. - № 4 - С. 43-46.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шабанов A.A. - аспирант, ТрубинB.C. - студент 5 курса,
Великанов Владимир CeMeHoeuu - кандидат технических наук, доцент,
кафедра горных машин и транспортно-технологических комплексов, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, e-mail: [email protected]
UDC 622-1:[658. 512. 2:331.101.1]
HIERARCHY ANALYSIS APPROACH TO AUTOMATIZATION OF DECISION-MAKING IN ERGONOMIC MANAGEMENT RANKING OF MINING MACHINES
ShabanovA.A., graduate student, Trubin V.S., student,
Velikanov V.S., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor,
Chair of Mining Machines and Transportation-and-Technological Complexes, G.I. Nosov's Magnitogorsk State Technical University, e-mail: [email protected]
Under consideration is the hierarchy analysis method as the efficient tool of the systematic approach to handling intricate multialternative problems with complicated decision-making. Based on the HAM mathematical apparatus, the mining machine ergonomics ranking decision-making procedure has been developed.
The procedure application is exemplified by the problem solution on selecting a mining machine (in terms of a mining shovel model EKG) best of all meeting the ergonomic management conditions of a customer.
The created programming support furnishes exhaustive information on executed pair comparisons with eliminated possible inconsistency of pair comparison matrixes, evaluates alternatives of each ergonomic criterion and displays final results in the form of aggregate graphical chart.
The programming support enabled automatization of ergonomics criterion weight evaluation and ranking of mining shovels by their ergonomic maintenance level.
Key words: decision-making problem, data, method, dataflow machine, alternative, weight, matrix.
REFERENCES
1. Pospelov D.A., Pushkin V.M., 1972. Intellection and Automation. Moscow: Sov. radio.
2. Moiseev N.N., 1981. Decision-Making with Fuzzy Source Data, Foreword to the book by Orlovsky S.A. Moscow: Nauka.
3. Trakhtengerts E.A., 1998. Computer-Aided Decision-Making. Moscow. P. 246.
4. Saait T., 1989. Decision-Making. Hierarchy Analysis Method. Moscow: Radio svyaz. P. 316.
5. Andreichikov A.V., Andreichikova O.N., 2004. Analysis, Synthesis and Planning of Solutions in Economics. Moscow: Finansy statistika. P. 464.
6. Nogin V.D., 2013. Simplified Version of the Hierarchy Analysis Method Based on Nonlinear Convolution of Criteria. Available at: http://www. apmath.spbu.ru/ru/staff/nogin/nogin p11.pdf.
7. Rogachev A.F., Tokarev K.E., 2012. Information support of decision-making in multicriterion evaluation of service quality, Modern Problems in Science and Education, No. 2. Available at: www.science-education.ru/102-5578.
8. Rogachev A.F., Tokarev K.E., 2011. Multicriterion expert evaluation approaches to health service quality control, Control of Economic Systems: e-journal, 7(31). Available at: http: // uecs.mcnip.ru.
9. Golovin V.S., 1990. Ergonomics of a Mine. Moscow: Nedra. P. 183.
10. Khusainov V.G., 2006. Validation and calculation of ergonomic criteria for caterpillar excavating shovels of URALMASH JSC manufacture, PhD Eng Dissertation. Ekaterinburg: UGGU. P. 20.
11. Velikanov V.S., 2011. Implementation of Approaches to Improvement of Ergonomic Criteria for Excavating Shovels. Magnitogorsk: MGTU. P. 85.
12. Velikanov V.S., Shabanov A.A., 2012. Outlook for research into the ergonomic management of the domestic mining shovels, Tula State University Bulletin. Engineering Sciences, Issue 4, pp. 19-29.
13. Velikanov V.S., Shabanov A.A., 2012. Hierarchy analysis method to find weight coefficients of er-gonomic criteria of mining shovels, Social, Economic and Ecological Problems in Mining, Construction and Power Generation: Collected Scientific Works. Vol. 1. Tula: TulGU. pp. 238-244.
14. Velikanov V.S., 2013. Applicability of pair comparison method to finding weights of ergonomic criteria of mining machines and machine complexes, Kuzbass State Technical University Bulletin, No. 4, pp. 4346.
