Báo cáo khoa học: "áP DụNG PHƯƠNG PHáP PHÂN TíCH THứ BậC TRONG VIệC LựA CHọN THÔNG Số Kỹ THUậT ĐƯờNG SắT VớI CáC Dữ LIệU Có TíNH CHấT KHÔNG XáC ĐịNH" ppsx

CT 2 áP DụNG PHƯƠNG PHáP PHÂN TíCH THứ BậC TRONG VIệC LựA CHọN THÔNG Số Kỹ THUậT ĐƯờNG SắT VớI CáC Dữ LIệU Có TíNH CHấT KHÔNG XáC ĐịNH ts. đỗ việt hải Bộ môn Đường sắt – Khoa Công Trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Quá trình ra quyết định để lựa chọn một phương án cải tạo hoặc xây dựng tuyến mới đòi hỏi phải có một cách nhìn tổng quan. Phương pháp được áp dụng đóng vai trò quan trọng và phải thoả mãn được tính thích nghi và điều khiển được quá trình ra quyết định trong điều kiện không xác định hoặc có độ rủi ro. Phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process-AHP) sẽ đáp ứng được các yêu cầu trên. Summary: It is necessary to have an overall viewpoint when making decision for an option to renovate or newly construction a road. The selected method is very importance and must be suitable in non-applicable or high risk condition. Analytic Hierarchy Process (Thomas Saaty – 1970, USA) is the one to satisfy the above mention requirements. Các thông số kỹ thuật chủ yếu của đường sắt (độ dốc thiết kế i p , chiều dài đường đón gửi l đg , số lượng đường chính, loại sức kéo, sơ đồ phân bố điểm phân giới, ), cũng như hướng tuyến được xác định theo kết quả của các tính toán kinh tế - kỹ thuật với việc tính đến hiệu quả sử dụng vốn đầu tư và bảo đảm việc nâng cấp tuyến đường trên cơ sở gia tăng khối lượng vận chuyển. Việc xác định công suất của từng kết cấu và cấu kiện đường sắt cần phải được xác định xuất phát từ nhu cầu sử dụng với điều kiện không được thay đổi trong các năm tính toán: 10 năm, 5 năm, 2 năm. Rõ ràng quá trình lựa chọn thông số kỹ thuật đường sắt cần giải quyết đồng thời hai mặt của vấn đề: tính xác định và tính không xác định của các dữ liệu ban đầu. Trong khuôn khổ của bài báo tác giả xin đề cập đến khía cạnh thứ hai của vấn đề, đó là tính chất không xác định của dữ liệu ban đầu Quá trình lựa chọn các dự án đường sắt, bao gồm cải tạo tuyến hay xây dựng tuyến mới – đây là bài toán phức tạp, việc giải quyết nó bao gồm lựa chọn phương án tối ưu trong tập hợp các phương án có thể, được chỉ đạo bởi một hệ tiêu chí đánh giá (hình 1). Thực chất của quá trình này đó là việc lựa chọn các thông số kỹ thuật của tuyến đường sắt thoả mãn các yêu cầu đặt ra. CT 2 Để có thể xác định được các thông số kỹ thuật đường sắt trong môi trường không xác định chúng ta cần có cái nhìn tổng quan về cách đánh giá phân loại chúng [1] (hình 2). Dựa trên sự phân loại này cùng với sự trợ giúp của hệ tiêu chí đánh giá chúng ta có thể xây dựng được một tập hợp các phương án có thể [1,2] , qua sự phân loại này sẽ giúp ta có sự lựa chọn đúng đắn đối với phương pháp giải bài toán ra quyết định. Các bài toán ra quyết định trong các điều kiện không xác định được đặc trưng bởi sự không đầy đủ và độ không tin cậy của thông tin, bị ảnh hưởng phức tạp bởi các yêu tố xã hội, kinh tế, chính trị, kỹ thuật và công nghệ. Các yêu tố trên đã ảnh hưởng đến việc xây dựng một mô hình tính toán cụ thể trong việc xác định phương án tối ưu. Bởi vậy việc lựa chọn phương pháp xác định các thông số kỹ thuật trong việc xây dựng tuyến mới hoặc cải tạo tuyến cần phải tính đến các yếu tố sau Tương ứng với sự suy nghĩ của con người Hệ thống tổng hợp các yếu tố cơ bản để ra quyết định TIÊU CHí ĐáNH GIá NộI DUNG S ố L Ư ợNG TíNH CHấT ĐếM ĐƯợC HìNH TH ứC THể HIệN M ứC Độ XáC ĐịNH Tính kỹ thuật Tính công nghệ Tính kinh tế Tính vận doanh Tính xã hội Tính môi trường Tính thẩm mỹ Tính đơn vị Tính tổ hợp T ính li ê n k ế t Tính số lượng Tính chất lượng Tính xác định Tính xác suất Hình 1. Phân lo ạ i đánh giá các tiêu chí đư ờ ng s ắ t PHƯƠNG TI ệN ĐạT MụC TIÊU HìNH H ọC VậT Lý THờI GIAN CấU TRúC CHứC NĂNG MụC TIÊU KHÔNG ĐáNG K ể ĐáNG Kể KHÔNG PH ụ THUộC PH ụ THUộC ĐƠN GIảN LIÊN HợP THÔNG Số Kỹ THUậT ĐƯờNG SắT BảN CHấT Độ PHứC TạP TíNH LIÊN KếT ảNH HƯởNG T ớI CHỉ Số MụC ĐíCH M ốI QUAN Hệ MụC TIÊU CủA Dự áN Hình 2. Phân lo ại các thông số kỹ thuật của CT 2 - Giải quyết vấn đề với các mức độ phức tạp khác nhau và những vấn đề kèm theo - Tạo ra một cơ chế đồng thuận trong việc ra quyết định - Cơ chế sắp xếp trật tự các phương án ra quyết định - Đánh giá các phương án ra quyết định cả về mặt định tính và định lượng Từ các yêu cầu trên, qua đánh giá và phân tích các phương pháp tối ưu khác nhau tác giả đưa ra kiến nghị áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc (Analytic Hierarchy Process - AHP) được xây dựng bởi Thomas Saaty (USA-1970) [3] để giải bài toán đặt ra (hình 3). Phương phân phân tích thứ bậc cho phép: - Tiến hành phân tích vấn đề cần nghiên cứu. - Tiến hành thu thập thông tin theo từng vấn đề cần nghiên cứu. - Đánh giá sự khác biệt của thông tin và thu hẹp khoảng cách của sự khác biệt. - Tiến hành tổng hợp các vấn đề để ra quyết định. Chia nhỏ vấn đề ra thành các phần tử có cấu trúc đơn gi ản : từ vấn đề thông qua các tiêu chí đánh giá đ ể đến thứ hạng nhỏ nhất – các phương án Mô tả vấn đề (Lựa chọn phương án) Ti ến h ành đánh giá tu ần tự mức độ quan trọng của từng tiêu chí (đối với từng thứ bậc) và các phương án v ới nhau nhờ sự trợ giúp của phương pháp so sánh từng cặp Tiến hành đánh giá tuần tự ưu tiên c ục bộ (đối với từng thứ bậc) của các phần tử so sánh (tiêu chí, phương án c ạnh tranh) Kiểm tra tính đồng nhất của các ưu tiên cục bộ Tổng hợp quá trình phân tích các sự kiện và ra quyết định ĐáNH GIá CáC ƯU TIÊN CụC Bộ 4 ĐáNH GIá PHƯƠNG áN 3 THốNG NHấT ý KIếN 5 TổNG HợP 6 XÂY DựNG CấU TRúC 2 XáC ĐịNH VấN Đề 1 YES NO Hình 3. Các bước cơ bản của AHP CT 2 - Cho phép tiến hành thảo luận vấn đề cần nghiên cứu và khả năng tạo ra sự đồng thuận của việc ra quyết định. - Cho phép đánh giá mức độ quan trọng của từng quyết định và từng phần tử có ảnh hưởng đến quyết định. - Đánh giá được sự ổn định của quyết định. Một trong các yêu cầu quan trọng để bảo đảm sự thành công đối với phương pháp được áp dụng trong việc lựa chọn các thông số kỹ thuật của việc xây dựng tuyến mới hoặc cải tạo tuyến đang khai thác đó là sự nắm vững chuyên môn của các nhà tư vấn, tham gia vào quá trình xây dựng cấu trúc mô hình ra quyết định, chuẩn bị dữ liệu và diễn giải các kết quả, tức là họ có khả năng đưa ra được các thông tin chuẩn và không đối lập nhau. Chính vì vậy việc áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc là sự tập hợp đầy đủ các luận cứ xác đáng bảo đảm cho sự ổn định của việc ra quyết định, trong đó: - Tất cả các nhân tố ảnh hưởng đến việc ra quyết định đều được tính đến. - Tất cả các mối quan hệ giữa mục tiêu đặt ra với các yếu tố ảnh hưởng và các quyết định có thể đều được tính đến. - Việc so sánh từng cặp tiêu chí đánh giá được tiến hành nhanh gọn hướng đến mục tiêu chung. Để có nhận thấy tính ưu việt của phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) so với các phương pháp khác trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật đường sắt trong môi trường không xác định hoặc phải tính đến các yếu tố rủi ro chúng ta xem xét ví dụ cụ thể sau. Một nhóm các chuyên gia tư vấn được mời tham gia lựa chọn một trong ba phương án về việc xây dựng tuyến đường sắt với các cấu trúc và thông số khác nhau. Dựa vào kết quả thảo luận các nhà tư vấn đã xác định được hệ tiêu chí đánh giá mà các phương án nêu trên cần được thoả mãn, bao gồm: TíNH KINH Tế, TíNH MÔI TRƯờNG, TíNH Xã HộI và Độ RủI RO. Việc phân cấp thứ bậc đánh giá cũng như cấu trúc từng phương án được thể hiện trong hình vẽ 4. Sau khi đã xây dựng được cấp bậc và cấu trúc của các phương án cần được lựa chọn chúng ta phải tiến hành so sánh từng cặp của các tiêu chí với nhau, và giữa các phương án với từng tiêu chí đánh giá. Để có tiến hành một cách khách quan việc so sánh từng cặp, trong phương pháp phân tích cấu trúc Thomas Saaty [3] đã đưa ra được thang điểm đánh giá cho sự so sánh này. TíNH KINH Tế PHƯƠNG áN C Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3 Hình 4. Sắp xếp vị trí theo thứ b ậc PHƯƠNG áN A THÔNG Số Kỹ THUậT ĐƯờNG SắT PHƯƠNG áN B TíNH MÔI TRƯờNG TíNH Xã HộI Độ RủI RO CT 2 Bảng 1. Thang điểm đánh giá T.Saaty Chỉ số đánh giá mức độ Định nghĩa Giải thích 1 Có mức độ như nhau Hai phần tử so sánh có cùng giá trị đối với phần tử ở thứ bậc trên 3 Mức độ quan trọng của một chỉ số (thông số, phương án, ) lớn hơn chỉ số khác một cách không đáng kể 5 Mức độ quan trọng của một chỉ số (thông số, phương án, ) lớn hơn chỉ số khác một cách đáng kể 7 Mức độ quan trọng của một chỉ số (thông số, phương án, ) lớn hơn chỉ số khác một cách rất đáng kể 9 Mức độ quan trọng của một chỉ số (thông số, phương án, ) lớn hơn chỉ số khác một cách đặc biệt 2,4,6,8 Mức độ quan trọng của một chỉ số (thông số, phương án, ) với một chỉ số khác nằm trong các khoảng đã xác định Được áp dụng trong trường hợp “thoả hiệp” Giá trị ngược lại các giá trị trên Mức độ quan trọng của chỉ số B đối với chỉ số A (đối với các chỉ số đã được so sánh từng cặp với nhau như trên) Trong quá trình so sánh T.Saaty thì một phần tử được so sánh tuần tự với từng phần tử khác trong cùng một cấp bậc, và tạo thành ma trận vuông có dạng sau              1 1 1 21 21 221 112 nn inii n n aa aaa aa aa A Và hiển nhiên rằng ma trận này nghịch đảo đối xứng nhau qua đường chéo từ trái sang phải, tức là aji=1/aij Bảng 2: Ma trận so sánh từng cặp theo cấp 2 Kinh tế Môi trường Xã hội Độ rủi ro a i á i Kinh tế 1,000 4,000 2,000 1,000 1,682 0,376 Môi trường 0,250 1,000 0,333 0,500 0,452 0,101 Xã hội 0,500 3,000 1,000 0,500 0,931 0,208 Độ rủi ro 1,000 2,000 2,000 1,000 1,414 0,316 IC= 0,032 ca i = 4,478 RC= 0,036 l max = 4,097 Bảng 3. Ma trận so sánh từng cặp theo cấp 3 Kinh tế PA PA B PA C a i á i CT 2 A PA A 1,000 0,143 0,200 0,306 0,072 PA B 7,000 1,000 3,000 2,759 0,649 PA C 5,000 0,333 1,000 1,186 0,279 IC= 0,032 ca i = 4,250 RC= 0,056 l max = 3,065 Môi trường PA A PA B PA C a i á i PA A 1,000 5,000 4,000 2,714 0,674 PA B 0,200 1,000 0,333 0,405 0,101 PA C 0,250 3,000 1,000 0,909 0,226 IC= 0,043 ca i = 4,028 RC= 0,074 l max = 3,086 Xã hội PA A PA B PA C a i á i PA A 1,000 7,000 0,200 1,119 0,233 PA B 0,143 1,000 0,125 0,261 0,054 PA C 5,000 8,000 1,000 3,420 0,712 IC= 0,123 ca i = 4,800 RC= 0,213 l max = 3,247 Rủi ro PA A PA B PA C a i á i PA A 1,000 0,500 0,500 0,630 0,200 PA B 2,000 1,000 1,000 1,260 0,400 PA C 2,000 1,000 1,000 1,260 0,400 IC= 0,000 ca i = 3,150 RC= 0,000 l max = 3,000 Nếu trong quá trình thảo luận các chuyên gia tư vấn không đi đến thống nhất một ý kiến chung về việc đánh giá một phần tử nào đó trong ma trận so sánh từng cặp thì sẽ phải sử dụng trung bình nhân của các đánh giá làm giá trị chung cho việc đánh giá này n n j iji aa    1 (1). Và trọng số đánh giá của từng phần tử đối với tập hợp các so sánh được xác định    n i i i i a a 1  (2). CT 2 Khi đó    n i i 1 1  Một trong những điểm mạnh của AHP đó là đưa ra được chỉ số thích hợp IC (IC – Index of coordination), cho phép đưa ra được thông tin về mức độ sai lệch của sự thích hợp. Để tăng mức độ phù hợp có thể tiến hành tìm kiếm và bổ xung các thông tin cần thiết khác hoặc xem xét lại các dữ kiện được dùng khi xây dựng ma trận so sánh. 1 max    n n IC  (3). Trong đó : n - số lượng các phần tử được so sánh trong cùng cấp  max – Giá trị riêng của ma trận so sánh. Nếu giá trị  max càng gần bằng n thì tính phù hợp càng cao          n i inn n i i n i i aaa 11 22 1 11max  (4). Chúng ta cần phải so sánh giá trị chỉ số thích hợp (IC) với chỉ số thích hợp ngầu nhiên (CI – Casual index of coordination) phụ thuộc vào cấp ma trận (bảng 4) theo công thức (5) Bảng 4: Chỉ số thích hợp ngẫu nhiên Cấp ma trận 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hệ số thông nhất 0 0 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49 1,51 1,54 1,56 1,57 1,59 CI IC RC  (5). Giá trị RC được gọi là tương quan phù hợp (Relation of coordination). RC cần phải thoả mãn điều kiện RC c10%. Sau khi đã tiến hành các bước trên và cho ra kết quả như mong muốn (RCc10%) thì bước tiến hành tiếp theo là tổng hợp các kết quả tính toán và đưa ra kết luận cuối cùng về phương án sẽ được lựa chọn.    m j ijjTHi 1  , 1 1    n i THi  (6). trong đó  j - trọng số tiêu chí  ij - trọng số đánh giá của phương án thứ i đối với tiêu chí thứ j n - số lượng tiêu chí đánh giá m - số phương án được đưa ra lựa chọn CT 2 Bảng 5: Tổng hợp kết quả Kinh tế Môi trường Xã hội Độ rủi ro Trọng số tiêu chí á 0,376 0,101 0,208 0,316 Kết quả PA A 0,072 0,674 0,233 0,200 0,207 PA B 0,649 0,101 0,054 0,400 0,392 PA C 0,279 0,226 0,712 0,400 0,402 Dựa vào kết quả tính toán chúng ta có thể thấy rằng phương án C thể hiện tính khả thi cao hơn cả (0,402). Trong đó cũng cho chúng ta thấy tính cạnh tranh giữa hai phương án B (0,392) và phương án C (0,402). Mặc dù phương án B cho chúng ta chỉ số về tính kinh tế cao hơn so với các phương án khác (0,649) nhưng đối với các chỉ số về môi trường và xã hội kém hơn hẳn phương án C. Điều đó đã thể hiện được đúng xu hướng phát triển hiện nay khi mà lựa chọn phương án cần phải được tiến hành xem xét đánh giá dưới các góc độ khác nhau, đặc biệt là đối với các dự án cải tạo tuyến khai thác và xây dựng tuyến đường sắt mới. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin việc áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc cho phép các chuyên gia tư vấn xác định các thông số kỹ thuật đường sắt một cách hoàn chỉnh nhất dựa trên khả năng tập hợp các phương án, phân tích đánh giá trên từng khía cạnh của dự án để đạt được những kết quả tốt nhất. Phương pháp trên cho phép chúng ta áp dụng trong bất kỳ giai đoạn nào của dự án, từ khâu lập đến khâu hoàn thiện, cũng như trong giai đoạn vận hành của dự án. Tài liệu tham khảo [1]. Turbin I.V. “Khảo sát và thiết kế đường sắt”. Transport, Moscow 1989 [2]. Đỗ Việt Hải. “Thông số kỹ thuật đường sắt sau khi chuyển đổi khổ đường từ khổ hẹp sang khổ tiêu chuẩn”. MIIT, Moscow 1996 [3]. T. Saaty. Quá trình ra quyết định, Phương pháp phân tích thứ bậc. Radio, Moscow 1993 [4]. Stoier R. “Tối ưu đa chiều. Lý thuyết, phương pháp tính và ứng dụng” Radio 1992 . CT 2 áP DụNG PHƯƠNG PHáP PHÂN TíCH THứ BậC TRONG VIệC LựA CHọN THÔNG Số Kỹ THUậT ĐƯờNG SắT VớI CáC Dữ LIệU Có TíNH CHấT KHÔNG XáC ĐịNH ts. đỗ việt hải Bộ môn Đường sắt – Khoa Công. tính ưu việt của phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) so với các phương pháp khác trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật đường sắt trong môi trường không xác định hoặc phải tính đến các yếu tố rủi. nghệ thông tin việc áp dụng phương pháp phân tích thứ bậc cho phép các chuyên gia tư vấn xác định các thông số kỹ thuật đường sắt một cách hoàn chỉnh nhất dựa trên khả năng tập hợp các phương