基于D-AHP與TOPSIS的列車定位系統安全風險評估

摘" 要：針對列車組合定位系統安全風險評估過程中，由于專家經驗差異導致評估信息的不確定性以及語言評估產生的模糊性問題，采用基于D數理論的層次分析法（D-AHP）和逼近理想解排序法（TOPSIS）對其進行安全風險評估。以基于衛星的列車定位系統為例，分析硬件及環境因素，確定其影響因素；建立D-AHP層次結構求解各因素權重，以識別出系統風險較高的部件；通過改進的TOPSIS將專家按能力水平排序，并求解各自所占權重；最后，綜合影響因素權重，專家權重以及評判矩陣確定系統安全風險量化值及風險等級，為系統的后續改進提供參考。

關鍵詞：列車組合定位系統；風險評估；D數理論；層次分析法；逼近理想解排序法

中圖分類號：U284" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0011-05

Abstract： In view of the uncertainty of assessment information and the fuzziness caused by language assessment due to differences in expert experience during the safety risk assessment of integrated train positioning systems， the Analytic Hierarchy Process based on D-number theory （D-AHP） and the approximate ideal solution sequencing method （TOPSIS） are used to assess the safety risk of the system. Taking the satellite-based train positioning system as an example， hardware and environmental factors are analyzed and their influencing factors are determined; a D-AHP hierarchical structure is established to solve the weights of each factor to identify the components with higher risks in the system; experts are sorted according to their capabilities through the improved TOPSIS， and their respective weights are solved; Finally， the weights of influencing factors， expert weights and evaluation matrix are combined to determine the quantitative value and risk level of system safety risks， providing reference for subsequent improvement of the system.

Keywords： Train Integrated Positioning System（TIPS）; risk assessment; D-number theory; Analytic Hierarchy Process（AHP）; approximation ideal solution sequencing method

因鐵路運營速度提高，列車運行控制系統對列車定位技術提出了更高的要求[1]。目前，基于衛星的列車組合定位是未來列車定位技術的發展方向，但它作為我國鐵路信號領域中的新裝備，未經過長時間使用，許多隱形風險因素還未發現，因此對其進行安全風險評估是非常重要的。

目前對基于衛星的定位系統評估方法不一，專家評分方法是常用的方法之一，但其過度依賴主觀經驗，導致安全評估存在不確定性，同時語言評估存在難量化問題。因此，為解決專家評分法的不足，本文采用D-AHP和TOPSIS對GPS/SINS組合的列車定位系統進行評估。利用D數理論可以處理不確定性問題的特點對模糊偏好關系進行改進，把D數理論和層次分析法（AHP）相結合，以使求得的指標權重更科學合理；而后采用具有一定客觀性和逼近性的TOPSIS法，綜合考慮各位專家的優勢，計算專家所給意見的準確度以及專家評價的權重，以便更加客觀地采納專家意見。

1" 列車定位系統

GPS/SINS列車定位系統是以GPS和慣性測量器件（IMU）構成定位功能單元，通過定位計算單元對其數據進行解析及計算，再通過接口輸出給對應的功能模塊，以實現定位目的。具體系統結構如圖1所示。

2" 相關理論基礎

2.1 D數理論

D數在繼承證據理論優勢的前提下，克服其在表達不確定信息方面的不足，能夠更好描述和處理不確定信息[2-3]。

4" 實例驗證

4.1" 確定定位系統評價體系

在第一節分析定位系統結構的基礎上，對各部分所有影響因素進行分析，構建的最終層次結構如圖3所示。

4.2" 制定安全評估等級

參考EN50126、EN50159等標準及目前國內外安全風險評估的研究成果，制定評分規則時，將列車組合定位系統按4個等級量化，具體評估標準見表1。

4.3" 采用D-AHP計算指標權重

現以準則層指標為例計算權重，組織6名專家參考評估標度[3]對指標進行兩兩比較，并構建準則層指標的D數偏好矩陣RD

將RD轉化為實數矩陣RC

進而計算概率矩陣RP，然后將其按行和大小排序后得到三角化概率矩陣RPT

由此得到指標Mi對系統影響結果：M5gt;M3gt;M6gt;M2gt;M4gt;M1。經公式（4）得不一致系數 I.D.=0.01，該值在可接受范圍內。

將矩陣RC按Mi排序后轉化為RCT

根據該矩陣求解方程組

式中：wMi代表指標的權重，？姿代表信息的置信度。綜合考慮本次參評專家經驗，將？姿取為2。以此解得準則層指標權重wMi=[0.048 4 0.148 2 0.228 3 0.098 4 0.298 3 0.178 3]。由此可見，對定位系統影響最大的是環境因素，影響最小的是安全電源。

結合層次分析法計算權重的特點，同理得到各影響因素權重，最終得到相對于目標層即定位系統的權重WXi，結果如圖4所示。

由圖4可知，X2、X8、X21對定位系統故障影響較大，所以在以后需要對其所處的部件進行重點關注改進，此外也需要提高其抗干擾能力，以解決環境問題對系統的影響。

4.4" TOPSIS計算專家權重

現結合確定的因素集，組織各專家對各項風險因素按照表1的標準進行賦值。專家評判矩陣見表2。

分析該22項影響因素，均是賦值越大越好，即均是極大性指標，因此選擇公式（5）進行規范化處理。并與D-AHP法求得影響因素權重進行加權，構建加權評判矩陣，確定專家評分的正負理想解。為了展示理想解、各專家賦值及其兩者間的距離，更加直觀地體現各專家的優勢，將其繪制到同一雷達圖上，如圖5所示。

在圖5中，從相對位置來看，專家5賦值距正理想解最近且距負理想解最遠；從曲線相似程度來看，專家5賦值對應的曲線形狀和正理想解最接近，則在該圖的6位專家中，綜合兩者后認為專家5的賦值相較于其他專家更合理。最終的TOPSIS法得到的結果見表3。

傳統的TOPSIS方法和改進的方法相比，專家4、5的排序相同，而專家1、2、3、6的排序略有不同，因此在最終計算風險量化值時采納專家意見的程度也略有不同。綜合考慮各位專家的職稱、學歷、工齡和年齡等客觀因素，表3中改進后TOPSIS的排序更符合6位專家能力的實際情況排序。因此最終通過歸一化改進TOPSIS法求得的綜合貼近度即可實現專家意見的權重Wh計算，最終計算得到專家權重Wh=[0.165 4 0.175 2 0.158 5 0.152 4 0.178 3 0.170 2]。

4.5" 風險等級決策法計算風險等級量化值

5" 結論

本文針對專家主觀經驗評估法的不足以及語言評估的模糊性問題，提出了基于D-AHP和TOPSIS結合的評估方法。本文采用D-AHP計算指標權重，減少了主觀差異性對結果的影響，同時可以識別出對系統影響較大的部件，為后續維護、保養以及設計人員優化結構設計提供了依據；采用TOPSIS求其綜合貼近度和專家權重，使得在確定最終風險等級時根據專家權重大小更合理采納專家意見；經計算確定該定位系統安全風險狀態為2級，安全水平中等，后續可利用其進行風險評估，進而制定相關的控制策略。

參考文獻：

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[5] 劉豪杰.基于熵權TOPSIS模型的?？h農村生態文明建設滿意度研究[D].大連：大連海洋大學，2024.

第一作者簡介：王妍（1995-），女，碩士，助教。研究方向為列車組合定位。