《Scientific Reports》:A multi-method integrated weighting framework for biosafety risk assessment of infectious substances
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本研究針對跨境傳染病物質生物安全風險評估中依賴單一主觀專家判斷或純客觀數據,難以有效整合異質信息源的問題,開展了多方法集成賦權框架的研究。研究人員結合模糊層次分析法(FAHP)、主成分分析(PCA)以及集成TOPSIS–GRA評估模型,提出了一種優化框架。該框架分別推導主客觀指標權重,通過構建約束偏差最小化優化模型來調和異質賦權信息,最終獲得組合權重向量。基于情景的案例研究表明,該框架提升了風險評估的一致性、穩健性和可解釋性,為不確定性下的多準則決策提供了結構化、可復現的工具,對生物安全管理具有實際支持意義。
隨著全球化進程的深入,傳染病物質在國際間的跨境移動日益頻繁,這對各國的生物安全構成了潛在威脅。有效的生物安全風險評估對于預防生物安全威脅、支持監管決策至關重要。然而,現有的風險評估方法往往面臨一個兩難困境:要么過度依賴專家的主觀判斷,其評估結果可能因個人經驗和偏好而產生偏差,缺乏一致性和可復現性;要么完全依賴于客觀統計數據,雖然看似中立,卻可能忽略了領域專家寶貴的經驗和直覺,難以應對數據缺失或新興風險等復雜情況。這兩種方式產生的“主觀權重”與“客觀權重”往往存在顯著差異,形成了異質信息源,如何有效、合理地融合這些信息,成為一個關鍵的科學問題。這正是本研究旨在解決的痛點——開發一個能夠彌合主客觀鴻溝、提供更可靠決策支持的結構化工具。
這項研究發表在《Scientific Reports》上,題為“A multi-method integrated weighting framework for biosafety risk assessment of infectious substances”。研究人員提出了一種創新的多方法集成賦權框架,旨在為跨境傳染病物質的生物安全風險評估提供一套更科學、更穩健的方法論。該研究的核心結論是,通過將模糊層次分析法(FAHP)、主成分分析(PCA)與集成的TOPSIS–GRA(逼近理想解排序法–灰色關聯分析)評估模型相結合,可以系統性地調和主觀與客觀賦權之間的差異,從而顯著提升風險評估結果的一致性、穩健性和可解釋性,為不確定性環境下的管理決策提供了有力支持。
為開展此項方法學研究,作者主要運用了以下幾種關鍵技術方法:首先,運用模糊層次分析法(FAHP)來獲取基于專家知識的主觀指標權重;其次,運用主成分分析(PCA)從客觀數據中提取核心信息并計算客觀指標權重;接著,構建了一個約束偏差最小化優化模型,以數學優化的方式整合前述得到的主、客觀權重,得到一組綜合的組合權重向量;最后,應用集成TOPSIS–GRA模型,同時考慮評估對象與理想解的“距離”以及其與理想序列的“形狀相似性”(灰色關聯度),對風險進行量化排序。研究通過一個針對跨境傳染病物質的假設情景案例,驗證了所提框架的有效性。
研究結果
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框架設計與權重集成:研究設計了一個三階段的評估框架。在權重確定階段,FAHP用于捕捉專家對風險指標相對重要性的模糊判斷,而PCA則基于歷史或模擬數據,通過降維提取指標間的客觀統計關系以確定權重。研究明確刻畫了這兩種方法所得權重結果之間的差異(即“異質性”),并構建了一個在歸一化約束條件下,以最小化組合權重與主、客觀權重總偏差為目標的優化模型。該模型成功輸出了一個調和了主客觀信息的綜合權重向量,為解決賦權矛盾提供了數學途徑。
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集成TOPSIS–GRA評估模型的應用:在獲得綜合權重后,研究采用了集成的TOPSIS–GRA模型進行最終的風險排序。TOPSIS通過計算各評估方案與正理想解和負理想解的歐氏距離來排序,注重“位置”差異;而GRA則通過計算方案序列與理想序列的灰色關聯度來評估“形狀”相似性。將兩者結合,能夠從距離和趨勢兩個維度更全面地評估風險,增強了評估的魯棒性,避免了單一方法可能帶來的偏頗。
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案例驗證與結果分析:通過一個涉及多種假設的跨境傳染病物質運輸場景的案例研究,對提出的框架進行了驗證。分析結果表明,采用集成賦權框架得到的風險評估結果,相比單獨使用FAHP或PCA權重的結果,在不同情景下表現出更高的一致性。敏感性分析也顯示,該框架對權重的小幅波動不敏感,證明了其良好的穩健性。此外,由于框架清晰地展示了從主觀判斷、客觀分析到綜合集成的每一步,使得最終的風險評級更具可解釋性,便于決策者理解和采納。
結論與討論
本研究成功構建并驗證了一個用于跨境傳染病物質生物安全風險評估的多方法集成賦權框架。該框架的核心貢獻在于,它沒有非此即彼地選擇主觀或客觀路徑,而是創造性地通過數學優化模型(約束偏差最小化模型)將模糊層次分析法(FAHP)產生的主觀權重與主成分分析(PCA)導出的客觀權重進行有效融合,從而獲得了更能反映復雜現實情況的綜合指標權重。隨后,集成TOPSIS–GRA模型的應用,進一步從“距離”和“關聯”雙重視角對風險進行了量化評估。
這一研究的首要意義在于方法論層面的推進。它為解決多準則決策分析(MCDA)中經典的主客觀信息融合難題提供了一個結構化、可操作且可復現的解決方案。框架的流程清晰,各步驟均有明確的數學基礎,增強了評估過程的科學性和透明度。其次,在實踐應用層面,該框架為生物安全監管機構提供了實用的決策支持工具。在面對數據有限、專家意見不一或新型未知病原體等不確定性較高的場景時,決策者可以依據此框架獲得更具一致性和穩健性的風險評估結果,從而制定更合理的檢疫、管控或應急處置措施。最后,該框架具有良好的擴展性與適應性,其核心的權重集成思想和評估模型并不僅限于生物安全領域,稍作調整便可應用于環境風險評估、公共衛生危機管理、金融風險分析等其他需要整合異質信息進行綜合研判的領域。總之,這項研究為在復雜性和不確定性日益凸顯的當今世界進行科學的風險管理,貢獻了一個有價值的通用性方法框架。