組合熵權法和多層灰色關聯(lián)法多維無線指標

劉文波，王駿，王裴劼，雷禹

(廣州致訊信息科技有限責任公司，廣州 510006)

組合熵權法和多層灰色關聯(lián)法多維無線指標

劉文波，王駿，王裴劼，雷禹

(廣州致訊信息科技有限責任公司，廣州 510006)

本文針對目前智能電網無線通信網絡中，出現(xiàn)的各種無線通信技術利用率不高，缺乏有效的技術規(guī)劃以及綜合決策評估等問題，提出了基于組合熵權法和多層灰色關聯(lián)分析相結合的無線技術多維指標綜合分析方法。最后將該理論方法應用于三種典型無線技術的綜合評估，驗證該算法的有效性和可靠性。

無線通信技術；多維指標；組合熵權法；多層灰色關聯(lián)分析；

0 前言

無線通信技術[1]憑借可移動性、成本低、擴展性強、應用方便等優(yōu)勢，在智能電網特別是有線電力通信無法有效作用或遠程現(xiàn)場作業(yè)等應用中，發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]，是實現(xiàn)智能電網建設的基礎支撐技術之一。利用過去單純追求技術的評估指標對各種無線通信技術進行綜合評估已不再合適，進而轉變采用考慮經濟性、適應性等性能的多維分析指標。這不僅能在無線組網規(guī)劃[3-4]前對具有投資可能性的技術進行有效評價，而且可以根據(jù)技術的優(yōu)缺點及時改進、優(yōu)化無線組網的決策方案，為用戶提供高效、持續(xù)、優(yōu)質的網絡通信服務。

近幾年，國內針對無線通信技術的綜合評估研究較少，但在其他方面的綜合應用研究成果較為豐碩，這些綜合決策方法主要是按性能表現(xiàn)對評估對象的多個量化指標進行綜合評價。最典型的有層次分析法[5]、熵權法[6]、模糊評價法[7]、灰色關聯(lián)分析法[5-9]、TOPSIS評價法、回歸分析[10]等方法。其中，文獻 [2-5]中的灰色關聯(lián)分析方法不僅計算簡單、適應性強，還能充分解決指標計算不確定的問題，是綜合評估方法中應用最廣的一種。然而灰色關聯(lián)分析中的平均指標權重，會使決策結果存在一定的主觀性，從而出現(xiàn)決策判斷偏差。為克服平均權重的不足，文獻[5-6，8]分別提出在灰色關聯(lián)分析中結合應用其他評估手段，形成多元分析方法，對各種無線技術進行綜合分析。文獻 [5，8]所融合的模糊評價法與層次分析法，彌補了各自的不足，卻由于對主客觀信息的處理方式各異，而導致客觀數(shù)據(jù)的利用率不高，存在較強的偶然性；同理，文獻 [6]中的熵權法能有效的利用客觀數(shù)據(jù)進行客觀賦權，但對定性指標的考慮不夠充分，使得上述多元評估分析方法在實際的綜合評估中可能存在應用偏差。

文中在上述多元評價方法的梳理和分析基礎上，結合國內電網實際情況及未來智能電網無線通信網絡發(fā)展需求，研究提出一種基于組合熵權法和多層灰色關聯(lián)分析的無線通信技術多維指標分析方法，并將理論研究應用于三種典型無線通信技術的具體分析、評估和比較，指導電網中無線通信技術的實際應用建設，為智能電網無線組網規(guī)劃和設計提供重要依據(jù)。

1 無線通信技術的多維指標體系

綜合考慮影響技術性能的多個主要評價因素，依據(jù)從上至下的層次結構，對無線通信技術關鍵指標進行分析與篩選，最終構建出一套科學、全面的無線通信技術多維綜合評價指標體系。如圖1所示。

圖1 無線通信技術的多維評價指標體系結構圖

2 綜合分析法

2.1 計算綜合權重序列

2.1.1 熵權法

通常，熵權法中的信息熵是表示評估指標信息的重要程度，熵值越大即權重越大，該指標對整體性能的影響也就越大。目前，通過熵權法確定指標權重，可以有效提高權重分配過程中的客觀性。然而在實際評估中，這種依賴客觀信息求解熵值的方法，對帶有經驗性的定性指標考慮較少，反而擴大了評估決策與實際應用之間的差距。

設由m種無線通信技術的n項評價指標構成的矩陣為U=(xij)m×n，為直觀地評價各無線通信技術在同一定性指標的表現(xiàn)等級，首先對各指標參數(shù)矩陣進行歸一化標準處理，得到標準指標矩陣，其中2，…m。由此，各評價指標的信息熵為

評價矩陣的權重系數(shù)為

2.1.2 組合熵權法

為提高熵權法處理主觀信息的能力，將專家經驗判斷與客觀數(shù)據(jù)相互關聯(lián)，本文提出在原有熵權法的基礎上采用層間指標綜合的主客觀賦權方法，科學、合理的分配多維指標的組合權重。該方法不僅可以有效的排除灰色關聯(lián)分析中權重平均所帶來的不確定因素；還能增強評估系統(tǒng)層間權重的可信度與關聯(lián)度，為決策評判提供一種更科學、客觀的綜合權重賦值法。

設有m種技術的n1項一級評價指標構成的矩陣和n2項二級評價指標構成的矩陣Un2，各級評價指標的組合權重計算過程為：

1)首先通過專家調查收集、“盲度分析”排序等過程，統(tǒng)計得到一級評價指標的主觀權重序列；假設有s位評估專家對第i種技術的第j項一級定性指標進行評價，利用公式 (3)可得到該指標的定量轉換值bij。

式中m為指標轉換量，r為所有專家對該評價指標的定性排序值。由此，第j項一級指標的主觀權重值為：

其中，認識度均值為bj=1/s∑si=1bij；盲度為

2)按照一級指標的劃分，劃定n1個二級指標子集；利用熵權法分別計算各指標子集內二級評價指標的客觀權重序列，且滿足。其中，i表示一級指標的序號。

2.2 多維指標分析方法

灰色關聯(lián)分析法[12-13]是一種具有信息量少、適合小樣本建模、關聯(lián)性強、評估效果好等特點的綜合決策分析方法。它可以根據(jù)特定問題、特定條件所需的實際性能標準，快速準確的選出最優(yōu)關聯(lián)的技術方案。然而，該方法計算過程中的平均權重，賦予了與其重要性不符的指標權重系數(shù)，增加了評估結果的不確定性。為此，本文提出將組合熵權法求解的綜合權重取代灰色關聯(lián)分析中的平均權重，并依據(jù)指標體系結構，綜合確定多層灰色關聯(lián)度系數(shù)，從而決策選出與最優(yōu)理想方案更接近、更客觀、有效的無線技術方案。

在建立多維分析模型前，首先梳理基于熵值的單層灰色關聯(lián)分析過程 (SGAR)。通過計算各指標序列 Xi=(xi1，xi2...xin)與最優(yōu)序列 X0=(xo1，xo2...xon)間的灰色關聯(lián)矩陣γoi(k)為

式中，分辨系數(shù)ρ最少取0.5。最后，利用各指標的綜合權值wk，求得綜合關聯(lián)度γo公式為

多維指標綜合分析過程如圖2所示。在應用該方法前，需確定評估指標的層次分析結構，如圖1中兩層的無線通信技術指標體系；然后從下至上的分層應用組合熵權法和多層灰色關聯(lián)分析方式，求解無線技術的綜合關聯(lián)度系數(shù)，最終排序確定各技術性能的優(yōu)劣。分析步驟如下：

1)首先明確多維指標評估體系的具體指標及指標的層級結構，并利用組合熵權法求解各級評價指標的組合權值。

2)利用基于熵值的單層灰色關聯(lián)評價方法，從下至上的逐層確定上層指標的關聯(lián)度。

3)根據(jù)層間結構及多層指標的灰色綜合關聯(lián)度系數(shù)，對各項一級指標的關聯(lián)度進行權重計算綜合關聯(lián)度，通過比較、排序，最終確定各種無線通信技術的綜合性能。

圖2 基于組合熵權法與多層灰色關聯(lián)的多維評價過程

這種層間關聯(lián)、合理權重的綜合分析方法，不僅能有效減少專家主觀評價對最終結果的影響，而且還綜合了指標體系各層間的關聯(lián)因素，有助于科學、全面的分析評估各種技術，大大提高各種技術的應用能力，為提高技術規(guī)劃、優(yōu)化系統(tǒng)性能提供幫助。

2.2.1 無線通信技術的多維指標應用

依照上述綜合分析方法的處理過程，本文對當前應用最廣泛的WiFi、ZigBee、藍牙技術，進行某地級城市中心配電網無線組網規(guī)劃中無線技術應用的綜合性能評估，最終計算得到三種技術指標的綜合關聯(lián)系數(shù)γo以及綜合排名c。設有三個原始評價矩陣U=(xij)m×n2，則綜合分析處理過程如下：

1)對原始評價矩陣進行歸一化處理。

2)收集20位專家調查數(shù)據(jù)，利用式 (3)(4)分別計算得到各技術的一級指標主觀權重值{Wi}：{0.9，0.6，0.6，0.8，0.7}{0.7，0.8，0.7，0.7，0.8}{0.7，0.7， 0.6，0.5，0.4}；然后，利用式(1)(2)分別求得各二級指標客觀權重，結合對應的一級主觀權重值，利用式 (5)求解各二級指標的綜合權重。

3)根據(jù)步驟②求得的二級綜合指標權重序列，利用SGAR方法的公式 (6)(7)，求得各二級指標的關聯(lián)度系數(shù)γi。

4)最后，根據(jù)一級主觀權重序列{Wi}計算各指標關聯(lián)度系數(shù)的權重和γo，作為評價技術的最終關聯(lián)評價值，數(shù)據(jù)結果見表1所示。其中，一級指標的關聯(lián)度系數(shù)為各子集指標關聯(lián)度系數(shù)的權重值。

表1 三種無線通信技術的實際指標關聯(lián)度系數(shù)

如上表所示，文中以城市中心配電網無線通信組網規(guī)劃為應用背景，結合應用組合熵權法與多層灰色關聯(lián)分析法，求得各種無線技術的綜合關聯(lián)評價。通過對表1中綜合評價值的比較和排序，可知在WiFi、ZigBee、藍牙這三種可選的城中心配電網無線通信技術的綜合性能排名：ZigBee＞WiFi＞藍牙，其中綜合性能表現(xiàn)最佳的是ZigBee技術，性能最差的是藍牙技術。

通過各種無線技術在同項性能指標的關聯(lián)值比較，又可知WiFi與ZigBee在有效性、可靠性方面的性能表現(xiàn)差別很小，且各有優(yōu)勢；在安全性和可擴展性方面，WiFi的性能表現(xiàn)明顯弱于ZigBee技術；而在經濟性的投入明顯低于ZigBee技術；藍牙技術因受短距離傳輸?shù)木窒扌杂绊懀税踩耘c可靠性與WiFi技術的差距較小外，其他三個指標均明顯劣勢于WiFi和ZigBee技術。實質上，這些指標性能間的差異都跟無線技術本身的技術理論以及特殊的應用背景息息相關，然而技術的綜合關聯(lián)評價并不僅僅依靠獨立的評價指標值，更多的受到指標在整體性能表現(xiàn)中綜合權重的影響。

3 結束語

在各種無線技術飛速發(fā)展和智能電網無線新技術融合應用的大背景下，本文提出基于改進熵權法和多層次灰色關聯(lián)分析的綜合評估分析方法，對幾種典型應用的無線通信技術進行分析、評估、比較，為智能電網無線通信網絡建設中無線通信技術的有效規(guī)劃提供重要參考依據(jù)，為智能電網無線組網新規(guī)劃提供必要的設計依據(jù)，為無線新技術的應用提供研究基礎。

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Research and Application of Multi-dimensional Wireless Indicators Analysis Based on Integrated Entropy Weight and Multi-level Gray Relational Method

LIU Wenbo，WANG Jun，WANG Peijie，LEI Yu
(Guangzhou Zenithsun Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510006，China)

This paper proposes a wireless technology of multidimensional indicators comprehensive analysis method to respond the lower utilization of wireless communication technology，the lack of effective technology program and a scientific comprehensive assessment method in the current smart grid of wireless communication network，which based on the combination of entropy method and the multi-level grey correlation analysis.Finally，the comprehensive assessment simulation of three typical wireless technologies is done to validate the validity and reliability of the algorithm.

wireless communication technology；multidimensional indicators；Combination of entropy method；multi-level grey correlation analysis

TM76

B

1006-7345(2015)03-0042-04