瞿志杰,2，賈良權(quán)，祁亨年

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 311300； 2.湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

種子活力水平對(duì)糧食生產(chǎn)至關(guān)重要，因此研究人員開發(fā)了各種各樣的種子活力檢測方法，包括有損檢測和無損檢測兩大類[1]。由于經(jīng)過有損檢測后的種子無法投入到農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，所以無損檢測方法受到了廣泛的關(guān)注，開發(fā)了大量的無損檢測方法，可依據(jù)檢測種子的特性不同分為基于光學(xué)特性、生理生化特性、外觀特性的三大類無損檢測方法?；诠鈱W(xué)特性的無損檢測方法，包括近紅外光譜檢測法[2]、高光譜檢測法[3]、激光散斑技術(shù)檢測法[4]以及其他激光檢測方法；基于化學(xué)特性的無損檢測技術(shù)有電子鼻檢測法[5]、Q 2技術(shù)檢測法[6]、H2O2流速檢測法[7]以及TDLAS呼吸檢測法[8]；基于種子外觀特性的檢測技術(shù)主要是機(jī)器視覺檢測法[9]。

因?yàn)椴煌挠脩魧?duì)檢測方法的需求不同，并且對(duì)檢測技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)也有針對(duì)性要求。大量的檢測方法對(duì)使用者造成選擇的困難，需要一種評(píng)價(jià)模型為用戶提供決策指導(dǎo)。需求中包含定性和定量的指標(biāo)難以直接進(jìn)行兩兩比較，僅憑傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)判斷可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。本文提出了一種可以滿足用戶需求的評(píng)價(jià)應(yīng)用模型——整體量化考核模型，并通過對(duì)檢測方法擇優(yōu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，可幫助用戶更快速準(zhǔn)確地選擇活力測評(píng)方法。

1 整體量化考核模型原理

整體量化考核模型是一種可解決目標(biāo)多、定性多和層次多的擇優(yōu)模型，具有整體比較和量化考核的決策思想。在應(yīng)用過程中，由建立結(jié)構(gòu)量化考核、判斷量化考核、整體量化考核和綜合量化考核4個(gè)部分組成，最終以綜合量化總分最高者判定為最佳方案。

1.1 建立結(jié)構(gòu)量化考核

依據(jù)量化考核法對(duì)種子活力無損檢測技術(shù)進(jìn)行分析與比較，并結(jié)合活力檢測法相關(guān)信息和影響要素進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)上的劃分。根據(jù)本文實(shí)際需求、目標(biāo)和評(píng)判要素可依次分為以下3部分。

1) 擇優(yōu)模塊：選擇最適合實(shí)際應(yīng)用的種子活力無損檢測方法。

2) 項(xiàng)目模塊：由近紅外光譜檢測法、高光譜檢測法、激光散斑檢測法等7種種子無損檢測方法組成。

3) 需求模塊：設(shè)備成本、操作難易度、耗費(fèi)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)儀器大小以及檢測準(zhǔn)確率。

1.2 建立判斷量化考核

依據(jù)成對(duì)比較矩陣法可對(duì)需求模塊中各因素的相對(duì)重要性給出定量判斷，將定性比較問題轉(zhuǎn)變成定量比較問題，最后以矩陣的方式展現(xiàn)比較結(jié)果。當(dāng)量化結(jié)構(gòu)明確后，需要比較分析需求層各子模塊在擇優(yōu)模塊中所占的權(quán)重比。成對(duì)比較矩陣是表示需求模塊層所有因素針對(duì)項(xiàng)目模塊層某一個(gè)因素的相對(duì)重要性的比較。成對(duì)比較矩陣用Santy[10]的1～9標(biāo)度方法給出，成對(duì)比較陣標(biāo)度見表1：

表2 相關(guān)影響條件數(shù)值

方法設(shè)備成本/(萬元)操作難易度/(10級(jí))耗費(fèi)時(shí)間/s實(shí)驗(yàn)儀器大小/(10級(jí))檢測準(zhǔn)確率/%近紅外光譜檢測法3.006600.00004100[11]高光譜檢測法40.0060.00306100[12]激光散斑檢測法29.80510.0000460[13]電子鼻傳感器檢測法0.6771.00006100[14]Q2技術(shù)檢測法3.9046.0000360[6]非損傷微測技術(shù)200.009600.0000560[7]機(jī)器視覺檢測法1.5560.0001492[15]

表3 整體量化考核得分情況

方法設(shè)備成本操作難易耗費(fèi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)儀器大小檢測準(zhǔn)確率近紅外光譜檢測法99.366.70.275100高光譜檢測法80.866.7100.025100激光散斑檢測法85.983.398.37560電子鼻傳感器檢測法100.550.099.825100Q2技術(shù)檢測法98.9100.099.010060非損傷微測技術(shù)0.516.70.25060機(jī)器視覺檢測法100.166.7100.07592

表1 成對(duì)比較陣標(biāo)度

重要性標(biāo)度含義1表示2個(gè)因素相比,具有同樣重要性3表示2個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素稍微重要5表示2個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要7表示2個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素強(qiáng)烈重要9表示2個(gè)因素相比,一個(gè)因素比另一個(gè)因素極端重要2,4,6,8上述兩相鄰判斷的中值倒數(shù)若元素i與元素j的重要性之比為 ,則元素j與元素i的重要性之比為qij=2qij

1.3 建立整體量化考核

設(shè)項(xiàng)目模塊中7種檢測方法(分別為B1、B2……B7)以及需求模塊的5個(gè)需求(分別為Z1、……、Zn)。需求模塊對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目模塊的7種檢測方法都需要量化為具體數(shù)值，量化的方法可分為實(shí)際調(diào)研、兩兩比較法和準(zhǔn)則打分制。實(shí)際調(diào)研適用于價(jià)格、重量以及體積等客觀項(xiàng)，定量的子項(xiàng)目可以具體數(shù)值直觀的表達(dá)出來；兩兩比較法適合抽象或者主觀性強(qiáng)的子項(xiàng)目，將難以比較的定性問題進(jìn)行數(shù)值量化；準(zhǔn)則打分制則適合無法直接定量和兩兩比較的子項(xiàng)目，通過實(shí)際需求設(shè)定得分準(zhǔn)則獲得綜合得分。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際調(diào)研可獲得各檢測技術(shù)所對(duì)應(yīng)子項(xiàng)目(設(shè)備成本、耗費(fèi)時(shí)間和檢測準(zhǔn)確率)的量化數(shù)值，以及通過兩兩比較法獲得操作難易度和實(shí)驗(yàn)儀器大小的量化數(shù)值如，且結(jié)果如表2所示：

整體量化考核則建立在將這些對(duì)應(yīng)的子項(xiàng)目都量化的前提下，Bnmax分別代表需求模塊層里5個(gè)子項(xiàng)目在項(xiàng)目模塊層中最大的數(shù)值，其他的數(shù)值通過下列公式獲得整體量化數(shù)值：

Bn=(Bn/Bnmax)×100

(1)

在實(shí)際應(yīng)用中要判斷需求模塊層中的子項(xiàng)目是否都成正相關(guān)，比如本實(shí)驗(yàn)中設(shè)備成本、操作難易、耗費(fèi)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)儀器大小的數(shù)值都應(yīng)越小越好，而檢測準(zhǔn)確率則應(yīng)該越高越好?？刹捎貌钪捣ń鉀Q子項(xiàng)目未能都成正相關(guān)的問題，公式如下：

Zn=Bnmax+Bnmix-Bn

(2)

Bn=(Bn/Z1max)×100

(3)

通過上述公式可以獲得各子項(xiàng)目對(duì)應(yīng)得分見表3。

1.4 綜合量化考核排序

綜合量化考核排序是對(duì)應(yīng)權(quán)值與整體量化考核各項(xiàng)得分積的排序，現(xiàn)在已經(jīng)求得需求層對(duì)擇優(yōu)層所有因素重要性的權(quán)值qn，就可以求得對(duì)應(yīng)權(quán)值qn和綜合量化考核值Wn，公式如下：

Wn=Bn×qn/n

(4)

綜合上述分析可得機(jī)器視覺檢測法為該實(shí)驗(yàn)下的最優(yōu)方法。在需求層中不難發(fā)現(xiàn)設(shè)備成本、操作難易度、耗費(fèi)時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)儀器大小都應(yīng)擇小為優(yōu)的思想，而檢測準(zhǔn)確率這一項(xiàng)則需擇大為優(yōu)。如果直接比較則會(huì)出現(xiàn)與其他準(zhǔn)則意圖產(chǎn)生相反的結(jié)果?？墒褂貌钪倒浇鉀Q該問題，使需求層各子項(xiàng)的數(shù)值都處于正相關(guān)。用戶在采用整體量化考核模型的過程中，對(duì)抽象問題采用兩兩比較、實(shí)際調(diào)研和準(zhǔn)則打分制的方法，可解決定性與定量不能直接比較的難題。為了驗(yàn)證整體量化考核模型結(jié)果的準(zhǔn)確性，可采用層次分析模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖1 優(yōu)選檢測法層次圖

表4 種子無損檢測方法排名

排名無損檢測方法綜合得分1機(jī)器視覺檢測法462.832電子鼻傳感器檢測法461.963高光譜檢測法444.514Q2技術(shù)檢測法422.585激光散斑檢測法393.726近紅外光譜檢測法376.387H2O2流速檢測法133.15

2 層次分析模型驗(yàn)證

層次分析模型是將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策選擇作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)，進(jìn)而分解成多條件的若干層次，通過對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行模糊量化法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序，以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法，結(jié)果以權(quán)重最大者認(rèn)定為最優(yōu)方案。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

本實(shí)驗(yàn)是從上述檢測技術(shù)中選擇一種最優(yōu)的檢測方法，評(píng)判要素需要從設(shè)備成本、操作難易度、耗費(fèi)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)儀器大小以及檢測準(zhǔn)確率去分析，根據(jù)上述描述可以將其劃分為如圖1所示的層次結(jié)構(gòu)。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)層次分析法對(duì)準(zhǔn)則層各子項(xiàng)的相對(duì)重要性分別進(jìn)行判斷，將定性比較問題轉(zhuǎn)化成定量的數(shù)值，以判斷矩陣的方式表達(dá)出各因素之間的重要性。當(dāng)各層之間關(guān)系確立后，需要判斷準(zhǔn)則層各元素在目標(biāo)層中各元素所占的權(quán)重。以及目標(biāo)層的因素Z與下層準(zhǔn)則層的各因素(A 1，A 2，A 3，A 4，A 5)之間的重要性，可以通過該聯(lián)系構(gòu)造判斷矩陣(表5)。

準(zhǔn)則層的各因素與下層方案層的各因素(B1，B2，…，Bn)之間的重要性，通過構(gòu)造目標(biāo)層對(duì)方案層的判斷矩陣(表6)。

2.3 層次總排序

經(jīng)過對(duì)各層次的判斷矩陣構(gòu)造，可獲得上一層次對(duì)本層次所有因素重要性的權(quán)值，并求得層次總排序。通過將層次總排序從上至下逐層計(jì)算，可求得各層次上元素相對(duì)于總目標(biāo)的數(shù)值如表7以及各方法排名(表8)。

表5 準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重

表6 目標(biāo)層對(duì)方案層的權(quán)重

目標(biāo)層方案層A1A2A3A4A5B10.16120.14810.00030.15790.1748B20.14740.14810.20100.10530.1748B30.15570.18520.19770.15790.1049B40.17940.11110.20070.10530.1748B50.17680.22220.19900.18420.1049B60.00080.03700.00030.13160.1049B70.17870.14810.20100.15790.1608

表7 方案層對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值

權(quán)植B1B2B3B4B5B6B7Z0.13220.16640.14940.17080.16110.04780.1722

表8 種子無損檢測方法排名

排名無損檢測方法權(quán)重比1機(jī)器視覺檢測法0.17222電子鼻傳感器檢測法0.17083高光譜檢測法0.16644Q2技術(shù)檢測法0.16115激光散斑檢測法0.14946近紅外光譜檢測法0.13227H2O2流速檢測法0.0478

綜合上述可以得出機(jī)器視覺檢測法為本模型下最優(yōu)方法，分析后的結(jié)果與整體量化考核模型一致。

3 分析與討論

經(jīng)過整體量化考核模型的測試以及層次分析模型的驗(yàn)證，可以得到該示例下一致認(rèn)同的最優(yōu)方法為機(jī)器視覺檢測法。整體量化考核模型通過兩兩比較法、整體量化法和準(zhǔn)則打分制的方法，解決了定性與定量條件的轉(zhuǎn)換問題。通過建立矩陣判斷、整體量化考核以及綜合量化排序三步驟，解決了定性與定量的比較障礙難題。整體量化考核模型可以構(gòu)建模塊子項(xiàng)目間的聯(lián)系，并且獲得單個(gè)子項(xiàng)目在整體中的得分排序。與層次分析模型相比，兩兩比較法和整體量化法不僅可以縮短計(jì)算量，還可以區(qū)分相近度高的擇優(yōu)目標(biāo)。此外，量化考核模型通過設(shè)定子需求層，將需求分為更多層次逐個(gè)量化疊加可以解決更繁復(fù)的擇優(yōu)問題。

層次分析模型大部分應(yīng)用在擇優(yōu)問題，卻無法作為分類模型。整體量化考核模型不僅在擇優(yōu)問題上適用，還可以依據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需求設(shè)定等級(jí)界限成為分類模型。打破了傳統(tǒng)層次分析模型的應(yīng)用局限，解決了多目標(biāo)擇優(yōu)選擇難題。綜合上述，整體量化考核模型不僅可以廣泛應(yīng)用于擇優(yōu)與分類問題中，還可以解決層次分析模型只能對(duì)小樣本進(jìn)行建模的問題。

4 結(jié) 論

通過分析實(shí)驗(yàn)案例的結(jié)果，確定了量化考核模型在選擇檢測技術(shù)的示例上的可行性，解決了原本難以判斷的定性問題以及各準(zhǔn)則之間的差異性問題。結(jié)果表明，整體量化考核模型可以建立信息間的聯(lián)系，并且經(jīng)過層次分析模型的對(duì)比驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)整體量化考核模型有效可行。雖然現(xiàn)下各領(lǐng)域已有較多的種子活力無損檢測，但傳統(tǒng)的層次分析模型在實(shí)際操作中仍具有一定的應(yīng)用難度。本文提出的整體量化考核模型可優(yōu)化多目標(biāo)擇優(yōu)選擇難題，為難以定性判斷、用經(jīng)驗(yàn)難以把控、力圖快速選擇實(shí)驗(yàn)方案等問題提供了新穎的解決途徑。