基于WDM-PON 技術的高鐵選線信息共享系統設計

張睿陶

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

傳統選線方法在圖紙上進行分析之后，由工作人員進行實地勘測，確定較優線路，該方法中人員的主觀意識在決策中占據較大比例[1-3]，導致選線結果不夠科學和合理，并且現代化鐵路建設在質量和速度方面均有了更高要求，傳統方法不再適應[4]。因此，結合現代先進技術，綜合評價鐵路選線，以此獲得更權威、更合理的高速鐵路線路[5]。

WDM-PON 技術可以實現真正意義上的對稱寬帶接入，避免時分多址技術中ONU 的測距，并且成本較低[6-8]?；诖耍槍鹘y選線方法的不足，利用WDM-PON 技術，設計高速鐵路選線信息共享系統。該系統與傳統系統相比，通過WDM-PON 技術結合層次分析法構建分析模型，計算線路的聯系度，將其按照等級標準進行劃分，將聯系度最大的線路對應最高的等級，即最優線路，以期促進鐵路選線工作的發展。

1 高速鐵路選線綜合評價

1.1 基于WDM-PON技術的層次分析模型構建

WDM-PON 技術將波分復用技術運用在PON中[9]，光分路器通過識別OLT 發出各種波長，將信號分配到各路ONU。WDM-PON 技術的工作原理如圖1 所示。

圖1 WDM-PON技術的工作原理

通過圖1 可以有效實現后續選線信息共享系統的設計，達到選線及共享的目的。

1.2 鐵路線路優劣等級判定

在分析高鐵線路優劣等級時，將待選線路的各項因子指標值集合與線路標準指標值[10-11]集合整合在一起，構成集對。

在兩個集合A與B構成一個集對H=(A,B)后，在某個背景依托下，建立這兩個集合的聯系度表達式：

其中，N表示集對中包含的所有特性數量；S、P、F分別表示同一個集對內，兩個集合共同擁有、相互之間獨立且不共同擁有以及不相互獨立的特性數量，i為差異度系數；j為對立度系數；為兩個集合之間的同一度；為兩個集合之間的差異度；為兩個集合之間的對立度。為方便計算，令、，優化公式為：

式（2）應滿足式（3）條件：

式（1）中的i和j具有雙重意義。其一：i為差異度系數；j為對立度系數。當i的值在區間[-1，1]時，無法確定具體的數值；通常j的值為-1，表示與是相互對立的兩個值；其二：在沒有規定i和j的取值區間時，i和j僅作為標記方法使用，即為差異度、為對立度，以此與同一度區別開來。

判斷一條線路優劣的依據是計算線路各項指標值與評價等級指標值之間的聯系度[12]。將被評價線路各項指標值構成的集合定義為A，將一級、二級、三級標準指標值構成的集合分別定義為B1、B2、B3，當μ(A,B1) ?μ(A,B2)?μ(A,B3)時，可判定被評價線路為一級。

根據聯系度公式和同異反的原則得到：

其中，S1、F1、F1分別為被評價指標處于一級、二級、三級范圍內的指標數量，進而得到μ(A,B2)、μ(A,B3)的表達式。

2 高速鐵路選線信息系統的設計

通過專家調研法建立鐵路線路評價指標體系，將評價指標集定義為{ai|i=1,2,…,n}，與之對應的權重集為{wi|i=1,2,…,n}，那么高鐵線路評價模型實現步驟為：

1）建立專家評價指標重要性兩兩比較判斷矩陣，通過1～9 標度法建立權重矩陣；

2）通過對矩陣的計算，可以得到最大特征值λmax和各個影響因子的權重值，進一步求解得到最大特征向量，進而可以實現對向量的一致性檢驗；

3）確定聯系度表達式。通過比較μ(A,B1)、μ(A,B2)、μ(A,B3)三者之間的大小，確定被評價線路的等級。

用S表示滿足一級標準的指標數量，與指標值所對應的指標權重分別為u1、u2、…、us；將F定義為處于二級標準范圍內的指標數量，與指標值對應的指標權重[13]分別為t1、t2、…、tf；將P定義為處于三級標準范圍內的指標數量，與指標值對應的指標權重分別為v1、v2、…、vp。以μ(A,B1) 為例，聯系度的表達式為：

其中，ik為A與B1之間的差異度系數。

4）確定差異度系數。計算差異度系數[14]的過程是分析指標與相鄰等級之間同異反聯系的過程。在式（5）的基礎上，假設A中共有二級標準范圍內的指標數量為xk，分別為二級標準的上限值和下限值，即。xk與一級標準bk

1 的同異反模糊聯系度計算公式如下：

其中，ak、bk、ck分別為與一級標準[15]的同一度、差異度以及對立度。展開ak、bk、ck：

將式（7）～（9）代入式（6）中，可得：

5）計算聯系度的具體數值。以μ(A,B1) 為例，將得到的ik代入式（5）中，可得：

其中，i=0、j=-1，由此得到聯系度的具體數值。該數值方法僅適用于集對分析中起到決定性作用的“同”和“反”兩部分，并不適用于“異”部分。以此類推，計算得到μ(A,B2)、μ(A,B3)聯系度數值。

6）計算待選線路的優劣等級[16]。在最大最優原則的基礎上，比較上述的聯系度數值，確定最大聯系度數值對應的優劣等級，其為該條線路的最終評價等級，即最優線路。

3 仿真實驗

3.1 確定評價因子

評價因子的確定主要遵循普遍性原則和客觀性原則，避免因子產生局限性等。綜合考慮，實驗選取6 個評價因子，分別為隧道長度、巖體軟硬相間的巖性接觸帶、褶皺構造、具富水條件的圍巖富水區、斷裂構造以及圍巖級別。

3.2 設定路線選線

3.2.1 鐵路線路優劣等級評定標準

通過專家建立評價指標集重要性兩兩比較模糊判斷矩陣R=(rij)n×n，得到：

其最大特征根為：

與之對應的特征向量為：

3.2.2 特征向量的一致性檢驗

一致性指標CI公式如下：

通過式（15）確定判斷矩陣共有6 階。通常平均隨機一致性指標為RI=1.24，因此隨機一致性比例為CR=CI/RI=0.011 8/1.24=0.009 5 ?0.1，因此，判斷矩陣具有一定的有效性。

3.2.3 明確聯系度

以第一條線路為研究對象（ND1），其指標權重分別為0.283、0.248、0.159、0.159、0.112 和0.039。

根據同異反判斷標準，計算線路指標值集合與一級標準指標值集合的聯系度，如式（16）所示：

式（16）中，i1是ND1線路權重為0.159的指標值。

3.2.4 確定差異度系數

上文提到的隧道長度二級標準的限值在25.2～25.5 km 之間，將其代入到式（11）中，得到線路樣本指標值集合與一級標準指標值集合之間的差異度：

即i1的取值分別為0.498、0.001、0.501。

i2是ND1 線路權重為0.159 的指標值，由此計算出斷層數的指標值與一級標準指標值之間的模糊聯系度：

即i2的取值分別為0.5、0.5、0。

3.2.5 計算聯系度的數值

將式（17）、（18）的計算結果代入到式（16）中，可以得到ND1 線路樣本指標值集合與一級標準指標值集合之間的聯系度計算公式，為：

式（19）中差異度系數i取值為0、對立度系數j取值為-1，計算可以得到聯系度μ(A,B1)=0.46。

3.2.6 評價樣本的等級和優劣等級

計算ND1 線路指標值集合與等級標準指標值集合之間的聯系度，可得：μ(A,B1) ?μ(A,B2)?μ(A,B3)，由此可以判斷，ND1 線路的優劣等級評價為一級。

以此類推，計算其他5 條線路的優劣等級，可得ND2 線路的優劣等級為三級，ND3 線路的優劣等級為三級，ND4 線路的優劣等級為二級，ND5 線路的優劣等級為二級，ND6 線路的劣等級為四級。

綜上所述，ND1 線路的優劣等級為一級，在這6條線路中為最優線路。由此說明所提方法可以實現線路的選線工作，能找出最優線路，并且將信息傳輸至工作人員，實現信息共享，以及提升經濟性與效率。

3.3 運行時間分析

高速鐵路選線往往耗時較長，因此，驗證所提方法運行時間，比較分析耗時，在選線成功后，其耗時越短，表明方法性能越好，實驗選擇對比分析形式，以文獻[12]方法和文獻[15]方法作為對比方法，實驗結果如圖2 所示。

圖2 運行耗時分析圖

根據圖2 可知，所提方法選線耗時均在1.0 s 以下，并且相對穩定，波動不大，而對比方法的運行耗時均在2.0 s 以上，高于所提方法一倍以上，因此，所提方法有效降低了選線耗時，提高了選線效率。

3.4 選線準確率分析

上述以實例進行了具體分析，但是未比較其更廣泛的適用性，因此，隨機選取500 條線路，隨機劃分為10 組，每組50 條，且均存在一條最優線路，驗證選線方法的準確率，準確率為成功選出最優線路組數與所有線路組數之比，結果如圖3 所示。

根據圖3 可知，所提方法的準確率曲線基本為直線，沒有較大波動，并且其準確率均在98%以上，對比方法的準確率均在92%以下，雖然曲線較平穩，但是其遠遠低于所提方法的準確率，因此，所提方法有效提高了選線的準確率，為高速鐵路選線的發展提供助力。

4 結論

1）由于影響高速鐵路選線的因素眾多，如何實現合理、全面的選線是當前面臨的主要難題。在WDM-PON 技術的基礎上，對鐵路線路進行多因子的綜合評價，該方法具備可行性和理想的選線效果。

2）通過計算各條線路與優劣等級標準指標值之間的聯系度，確定最優線路。實驗驗證，所提方法可以有效選線，為高速鐵路的可持續發展提供了科學的指導意見。