基于OWA-差異驅(qū)動組合賦權(quán)的 高速鐵路Wi-Fi車地通信評價研究

董興芝，李 平，欒 中，王忠峰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算 技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引言

高速鐵路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，移動封閉場景下面臨著多普勒頻偏高、小區(qū)切換頻繁、穿透損耗大等挑戰(zhàn)[1]，無線信號能量衰減嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量較差。通過搭建高速鐵路Wi-Fi的方式實(shí)現(xiàn)車廂無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在一定程度上能夠滿足旅客的用網(wǎng)需求，提升動車組網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。車地通信技術(shù)對高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)的性能、用戶體驗(yàn)和建設(shè)投資均有較大影響，是搭建高速鐵路Wi-Fi服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。高速鐵路車地通信方案是一個涉及多維度因素的綜合對象，對單一指標(biāo)的量化評價無法反映出車地通信方案的客觀優(yōu)勢，而科學(xué)合理的評價分析有助于保障高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，節(jié)省資源投入損耗。

評價指標(biāo)的賦權(quán)及評價方法的選擇是高速鐵路車地通信方案評價分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為避免評價指標(biāo)權(quán)重過于單一主觀，不同學(xué)者在組合權(quán)重方面提出多種研究思路，蔣潔等[2]利用序關(guān)系分析法與差異驅(qū)動組合賦權(quán)的改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行電能質(zhì)量綜合評價，在指標(biāo)賦權(quán)和綜合評價方面，提出了“懲罰”惡劣指標(biāo)，弱化互補(bǔ)效應(yīng)，追求各指標(biāo)均衡發(fā)展的思想。張英婕等[3]基于層次分析法(AHP)和熵權(quán)法組合賦權(quán)，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)投影值對備選方案進(jìn)行優(yōu)劣排序，綜合考慮了主客觀權(quán)重的影響，使指標(biāo)權(quán)重賦權(quán)更為合理。袁梅等[4]采用灰色關(guān)聯(lián)(GC)和優(yōu)劣解距離(TOPSIS)組合法對貴州某錳礦開拓方案進(jìn)行了優(yōu)選，更全面客觀地確定評價指標(biāo)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了將數(shù)值決策更好地應(yīng)用于實(shí)際礦山的開拓方案優(yōu)選中。

根據(jù)對現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究分析，鮮有涉及高速鐵路車地通信方案優(yōu)選的評價，且未有學(xué)者對基于有序加權(quán)平均(OWA)算子與差異驅(qū)動方法相結(jié)合進(jìn)行賦權(quán)的研究，為此，根據(jù)高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和建設(shè)需求，基于運(yùn)營商公網(wǎng)、基于衛(wèi)星通信與基于超寬帶無線局域網(wǎng)(EUHT)專網(wǎng)3種備選方案，搭建高速鐵路車地通信評價體系，利用有序加權(quán)平均OWA算子的優(yōu)勢，基于差異驅(qū)動補(bǔ)償個別指標(biāo)極端惡化的方法，將2種賦權(quán)有機(jī)結(jié)合，使得賦權(quán)結(jié)果主客觀達(dá)到統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上利用灰色關(guān)聯(lián)綜合評價方法得到相應(yīng)的指標(biāo)關(guān)聯(lián)度，最終確定高速鐵路車地通信的最佳方案，該評價方法避免了單一主觀判斷的局限性，確保了評價結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 高速鐵路Wi-Fi車地通信方案及優(yōu)劣勢分析

車地通信是高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)與地面運(yùn)維中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的核心通道。高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)車地通信方案如圖1所示。當(dāng)前有3種車地通信備選方案，分別為基于運(yùn)營商公網(wǎng)、基于衛(wèi)星通信與基于超寬帶無線局域網(wǎng)專網(wǎng)。①基于運(yùn)營商公網(wǎng)的車地通信方案是指通過列車車頂天線實(shí)現(xiàn)鐵路沿線公網(wǎng)的信號分級接收，車廂部署路由器為旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入[5]，當(dāng)前鐵路沿線已實(shí)現(xiàn)了3G/4G網(wǎng)絡(luò)良好覆蓋，東部發(fā)達(dá)地區(qū)鐵路沿線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量優(yōu)于西部山區(qū)或人口較少的鐵路線路；②基于衛(wèi)星的車地通信方案是指利用車頂衛(wèi)星天線和車載設(shè)備完成車地信號的收發(fā)，經(jīng)過衛(wèi)星地面網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信號的接入。衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍大、可靠性較高、電路設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，但其資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)較高，其信號服務(wù)質(zhì)量受沿線地質(zhì)環(huán)境和天氣環(huán)境影響較大，此外衛(wèi)星天線的物理尺寸和重量較大，高速及震動的條件下天線安裝難度大；③超寬帶無線局域網(wǎng)技術(shù)（EUHT）方案是車載天線、車載接入及服務(wù)單元設(shè)備組成[6]。地面網(wǎng)絡(luò)通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域的基站設(shè)備接入，構(gòu)成超寬帶無線局域網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)。該方案受到超寬帶無線局域網(wǎng)技術(shù)的限制，對系統(tǒng)升級維護(hù)工作的開展會造成一定的影響。

圖1 高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)車地通信方案Fig.1 TWC scheme for the Wi-Fi system of high speed railways

2 車地通信方案評價模型構(gòu)建

2.1 確定評價指標(biāo)權(quán)重

在指標(biāo)權(quán)重確定的過程中，由于評價者之間存在認(rèn)知偏差或掌握的信息不對稱等影響因素，僅通過單一主觀經(jīng)驗(yàn)或客觀數(shù)據(jù)賦權(quán)存在一定局限 性[7]。針對車地通信方案比選評價指標(biāo)對建設(shè)方案的重要程度、可行性等問題，提出一種兼顧主客觀因素的基于有序加權(quán)平均(OWA)算子及差異驅(qū)動集成賦權(quán)的方法[8]。

2.1.1 基于OWA算子主觀賦權(quán)

由公式 ⑴—公式 ⑵，確定修正權(quán)重λj+1如公式 ⑶ 所示。

2.2.2 基于差異驅(qū)動原理確定指標(biāo)的客觀權(quán)重

基于差異驅(qū)動賦權(quán)的信息源于客觀環(huán)境，其權(quán)重代表了指標(biāo)的整體變異程度和影響程度。王忠 峰[9]針對評價體系存在的多源并構(gòu)數(shù)據(jù)，提出了一種有效的歸一處理方法，解決了不同量級數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理；張玲瓏等[10]以地鐵換乘站為研究實(shí)例，運(yùn)用差異驅(qū)動模型，對不同方向換乘的評價對象進(jìn)行計(jì)算，得出了權(quán)重系數(shù)，證明了該模型的可靠性與有效性。

則可以寫成如下形式

2.2.3 組合賦權(quán)

采用幾何平均方法進(jìn)行主客觀權(quán)重的集成計(jì)算，得到n個評價指標(biāo)的組合權(quán)重。

式中：Wi為集成主觀權(quán)重的組合權(quán)重βi與客觀權(quán)重ωi的組合權(quán)重；βi為主觀賦權(quán)值；ωi為客觀賦權(quán)值。

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行評價

基于車地通信體系的指標(biāo)特性、數(shù)據(jù)模糊性和不完整性等特點(diǎn)，選用灰色關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行評價分析。其評價過程如下。

（1）指標(biāo)預(yù)處理確定決策矩陣。為了解決評價數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、維度的差異，有必要對評價指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化預(yù)處理。效益型和成本型指標(biāo)可分別按如下規(guī)范化公式進(jìn)行處理[12]。

式中：R為灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度；W為組合權(quán)重。

3 典型線路車地通信比選評價分析

3.1 車地通信方案比選指標(biāo)選取

高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)車地通信指標(biāo)體系分別從服務(wù)性能、成本投入和實(shí)施難度3個角度抽取12個指標(biāo)。評價指標(biāo)體系如表1所示。

表1 評價體系指標(biāo)Tab.1 Indexes of the evaluation system

3.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)對典型高速鐵路線路試驗(yàn)得到的相應(yīng)車地通信可觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評價計(jì)算。

（1）基于OWA算子進(jìn)行賦權(quán)計(jì)算?；谛袠I(yè)調(diào)研，邀請4位鐵路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及評價分析行業(yè)專家對現(xiàn)有的評價指標(biāo)進(jìn)行重要性評分確權(quán)，評價的分值以0.5的整倍數(shù)為基準(zhǔn)，同時規(guī)范評價分值在0 ～ 10分區(qū)間，以指標(biāo)評價分值越大其指標(biāo)越重要為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。專家評分如表2所示。

表2 專家評分表Tab.2 Rating scale of experts

以評價體系中第一層級的服務(wù)性能U1為例進(jìn)行OWA算子賦權(quán)計(jì)算。由表2，服務(wù)性能U1對應(yīng)的決策數(shù)據(jù)為(9.0，8.0，8.5，9.0)，將其按照降序方式排列得到新的數(shù)列(9.0，9.0，8.5，8.0)，按公式 ⑶至公式 ⑷ 計(jì)算評價指標(biāo)U1對應(yīng)的修正權(quán)重 λ1= 0.125，λ2= 0.375，λ3= 0.375，λ4= 0.125，絕對修正權(quán)重= 8.687 5。

同理，計(jì)算成本投入U2、實(shí)施難度U3的絕對權(quán)重，最終得到Ui層一級指標(biāo)的絕對權(quán)重= 7.3125，= 6.75。根據(jù)公式 ⑸，可得各層一級指標(biāo)的相對修正權(quán)重分別為按照統(tǒng)一計(jì)算流程，基于OWA算子賦權(quán)的二級評價指標(biāo)權(quán)重為(0.180，0.042，0.05，0.039，0.07，0.05，0.10，0.17，0.15，0.03，0.03，0.09)。

（2）基于差異驅(qū)動計(jì)算評價指標(biāo)客觀權(quán)重。首先對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)公式 ⒀ 至公式 ⒁ 對評價數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、補(bǔ)全等操作，得到預(yù)處理后的評價指標(biāo)矩陣A。

參照定理1、定理2，計(jì)算評價矩陣的實(shí)對稱矩陣，最大特征值為2.67，然后計(jì)算最大特征值對應(yīng)的特征向量解，規(guī)范化處理后得到(U11，U12，U13，U14，U21，U22，U23，U31，U32，U33，U34)對應(yīng)的權(quán)重值(0.11，0.01，0.07，0.12，0.09，0.09，0.08，0.09，0.09，0.08，0.08，0.09)。

（3）主客觀權(quán)重集成計(jì)算。根據(jù)公式 ⒀ 得到最終評價指標(biāo)的組合權(quán)重W = (0.148，0.022，0.062，0.072，0.083，0.070，0.094，0.130，0.122，0.051，0.051，0.094)。

不同的賦權(quán)方法對評價體系的指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)不同。權(quán)重值對比分析如圖2所示。指標(biāo)4“速度適應(yīng)性”和指標(biāo)8“基礎(chǔ)設(shè)施”在2種確權(quán)方法中評估結(jié)果差距最大，現(xiàn)車基礎(chǔ)設(shè)備是否具備可復(fù)用性在主觀評價中占比較大，這主要是由于投資者對車輛加裝改造難度和費(fèi)用比較關(guān)注所導(dǎo)致。組合賦權(quán)總體與客觀賦權(quán)走向一致，驗(yàn)證了指標(biāo)確權(quán)的有效性和科學(xué)性。

圖2 權(quán)重值對比分析Fig.2 Comparative analysis of weight values

3.3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)確定

（1）選取序列。根據(jù)公式 ⒀ 和公式 ⒁，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到Z1，Z2，Z33種備選方案的各指標(biāo)數(shù)據(jù)rlk，其中l(wèi)＝1，2，…，12， k = 1，2，3。rl0為每個指標(biāo)參考序列的最優(yōu)數(shù)據(jù)值。歸一化處理后的決策矩陣表如表3所示。

表3 歸一化處理后的決策矩陣表Tab.3 Decision matrix upon normalization

計(jì)算每個指標(biāo)行歸一化值rlk與Z0指標(biāo)參考序列值rl0差值的最小絕對值，然后取各列的最小值min min | rl0- rlk| = 0。同樣方式計(jì)算最大值max max | rl0- rlk| = 0.85。通過公式 ⒂，得到ξl1= (0.629 1.000 1.000 0.893 0.845 1.000 1.000 0.433 1.000 1.000 1.000 0.433)，ξl2= (0.673 0.394 0.621 1.000 0.333 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000)，ξl3= (1.000 0.365 1.000 0.893 1.000 0.773 0.561 0.791 0.680 0.680 0.630 0.791)。則E = [ξl1

（2）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度。由于各指標(biāo)代表的權(quán)重不同，因此需要對各指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，由公式 ⒄ 得3種方案最終的加權(quán)關(guān)聯(lián)度R = (γ1γ2γ3) = W [ξl1ξl2ξl3]T= (0.755，0.736，0.747)。

（3）分析評價?；谟行蚣訖?quán)平均(OWA)算子和差異驅(qū)動模型對評價體系指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行綜合賦權(quán)，同時利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度分析。根據(jù)某鐵路局集團(tuán)公司車地通信評價指標(biāo)的示例分析，得出3種車地通信方案的優(yōu)先順序：γ1＞ γ2＞ γ3。每種方案在不同維度都具有不同的優(yōu)勢和劣勢，如衛(wèi)星通信的時延比較大，對實(shí)時性業(yè)務(wù)無法提供可靠性保障；EUHT專網(wǎng)方案整體投資成本較高，對車輛改造的工程量大。綜合多方面因素，最終確定了現(xiàn)階段以運(yùn)營商公網(wǎng)搭建車地通信最為合適。

4 結(jié)束語

以滿足車地通信服務(wù)質(zhì)量需求為導(dǎo)向，運(yùn)用科學(xué)評價方法對某線路車地通信方案進(jìn)行綜合比選評價，科學(xué)合理地評價出現(xiàn)階段最優(yōu)的車地通信方案，保障了高速鐵路Wi-Fi系統(tǒng)性能穩(wěn)定。該評價方法既避免了決策者的主觀偏好，又考慮到了客觀數(shù)據(jù)的影響價值，該評價結(jié)果有利于提升工程項(xiàng)目實(shí)施管理效率，縮短項(xiàng)目建設(shè)周期，減少方案建設(shè)投資損耗，但在綜合評價過程中對原始數(shù)據(jù)無量綱化處理方法需進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。