基于WDM-PON 技术的高铁选线信息共享系统设计

张睿陶

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

传统选线方法在图纸上进行分析之后，由工作人员进行实地勘测，确定较优线路，该方法中人员的主观意识在决策中占据较大比例[1-3]，导致选线结果不够科学和合理，并且现代化铁路建设在质量和速度方面均有了更高要求，传统方法不再适应[4]。因此，结合现代先进技术，综合评价铁路选线，以此获得更权威、更合理的高速铁路线路[5]。

WDM-PON 技术可以实现真正意义上的对称宽带接入，避免时分多址技术中ONU 的测距，并且成本较低[6-8]。基于此，针对传统选线方法的不足，利用WDM-PON 技术，设计高速铁路选线信息共享系统。该系统与传统系统相比，通过WDM-PON 技术结合层次分析法构建分析模型，计算线路的联系度，将其按照等级标准进行划分，将联系度最大的线路对应最高的等级，即最优线路，以期促进铁路选线工作的发展。

1 高速铁路选线综合评价

1.1 基于WDM-PON技术的层次分析模型构建

WDM-PON 技术将波分复用技术运用在PON中[9]，光分路器通过识别OLT 发出各种波长，将信号分配到各路ONU。WDM-PON 技术的工作原理如图1 所示。

图1 WDM-PON技术的工作原理

通过图1 可以有效实现后续选线信息共享系统的设计，达到选线及共享的目的。

1.2 铁路线路优劣等级判定

在分析高铁线路优劣等级时，将待选线路的各项因子指标值集合与线路标准指标值[10-11]集合整合在一起，构成集对。

在两个集合A与B构成一个集对H=(A,B)后，在某个背景依托下，建立这两个集合的联系度表达式：

其中，N表示集对中包含的所有特性数量；S、P、F分别表示同一个集对内，两个集合共同拥有、相互之间独立且不共同拥有以及不相互独立的特性数量，i为差异度系数；j为对立度系数；为两个集合之间的同一度；为两个集合之间的差异度；为两个集合之间的对立度。为方便计算，令、，优化公式为：

式（2）应满足式（3）条件：

式（1）中的i和j具有双重意义。其一：i为差异度系数；j为对立度系数。当i的值在区间[-1，1]时，无法确定具体的数值；通常j的值为-1，表示与是相互对立的两个值；其二：在没有规定i和j的取值区间时，i和j仅作为标记方法使用，即为差异度、为对立度，以此与同一度区别开来。

判断一条线路优劣的依据是计算线路各项指标值与评价等级指标值之间的联系度[12]。将被评价线路各项指标值构成的集合定义为A，将一级、二级、三级标准指标值构成的集合分别定义为B1、B2、B3，当μ(A,B1) ≻μ(A,B2)≻μ(A,B3)时，可判定被评价线路为一级。

根据联系度公式和同异反的原则得到：

其中，S1、F1、F1分别为被评价指标处于一级、二级、三级范围内的指标数量，进而得到μ(A,B2)、μ(A,B3)的表达式。

2 高速铁路选线信息系统的设计

通过专家调研法建立铁路线路评价指标体系，将评价指标集定义为{ai|i=1,2,…,n}，与之对应的权重集为{wi|i=1,2,…,n}，那么高铁线路评价模型实现步骤为：

1）建立专家评价指标重要性两两比较判断矩阵，通过1～9 标度法建立权重矩阵；

2）通过对矩阵的计算，可以得到最大特征值λmax和各个影响因子的权重值，进一步求解得到最大特征向量，进而可以实现对向量的一致性检验；

3）确定联系度表达式。通过比较μ(A,B1)、μ(A,B2)、μ(A,B3)三者之间的大小，确定被评价线路的等级。

用S表示满足一级标准的指标数量，与指标值所对应的指标权重分别为u1、u2、…、us；将F定义为处于二级标准范围内的指标数量，与指标值对应的指标权重[13]分别为t1、t2、…、tf；将P定义为处于三级标准范围内的指标数量，与指标值对应的指标权重分别为v1、v2、…、vp。以μ(A,B1) 为例，联系度的表达式为：

其中，ik为A与B1之间的差异度系数。

4）确定差异度系数。计算差异度系数[14]的过程是分析指标与相邻等级之间同异反联系的过程。在式（5）的基础上，假设A中共有二级标准范围内的指标数量为xk，分别为二级标准的上限值和下限值，即。xk与一级标准bk

1 的同异反模糊联系度计算公式如下：

其中，ak、bk、ck分别为与一级标准[15]的同一度、差异度以及对立度。展开ak、bk、ck：

将式（7）～（9）代入式（6）中，可得：

5）计算联系度的具体数值。以μ(A,B1) 为例，将得到的ik代入式（5）中，可得：

其中，i=0、j=-1，由此得到联系度的具体数值。该数值方法仅适用于集对分析中起到决定性作用的“同”和“反”两部分，并不适用于“异”部分。以此类推，计算得到μ(A,B2)、μ(A,B3)联系度数值。

6）计算待选线路的优劣等级[16]。在最大最优原则的基础上，比较上述的联系度数值，确定最大联系度数值对应的优劣等级，其为该条线路的最终评价等级，即最优线路。

3 仿真实验

3.1 确定评价因子

评价因子的确定主要遵循普遍性原则和客观性原则，避免因子产生局限性等。综合考虑，实验选取6 个评价因子，分别为隧道长度、岩体软硬相间的岩性接触带、褶皱构造、具富水条件的围岩富水区、断裂构造以及围岩级别。

3.2 设定路线选线

3.2.1 铁路线路优劣等级评定标准

通过专家建立评价指标集重要性两两比较模糊判断矩阵R=(rij)n×n，得到：

其最大特征根为：

与之对应的特征向量为：

3.2.2 特征向量的一致性检验

一致性指标CI公式如下：

通过式（15）确定判断矩阵共有6 阶。通常平均随机一致性指标为RI=1.24，因此随机一致性比例为CR=CI/RI=0.011 8/1.24=0.009 5 ≺0.1，因此，判断矩阵具有一定的有效性。

3.2.3 明确联系度

以第一条线路为研究对象（ND1），其指标权重分别为0.283、0.248、0.159、0.159、0.112 和0.039。

根据同异反判断标准，计算线路指标值集合与一级标准指标值集合的联系度，如式（16）所示：

式（16）中，i1是ND1线路权重为0.159的指标值。

3.2.4 确定差异度系数

上文提到的隧道长度二级标准的限值在25.2～25.5 km 之间，将其代入到式（11）中，得到线路样本指标值集合与一级标准指标值集合之间的差异度：

即i1的取值分别为0.498、0.001、0.501。

i2是ND1 线路权重为0.159 的指标值，由此计算出断层数的指标值与一级标准指标值之间的模糊联系度：

即i2的取值分别为0.5、0.5、0。

3.2.5 计算联系度的数值

将式（17）、（18）的计算结果代入到式（16）中，可以得到ND1 线路样本指标值集合与一级标准指标值集合之间的联系度计算公式，为：

式（19）中差异度系数i取值为0、对立度系数j取值为-1，计算可以得到联系度μ(A,B1)=0.46。

3.2.6 评价样本的等级和优劣等级

计算ND1 线路指标值集合与等级标准指标值集合之间的联系度，可得：μ(A,B1) ≻μ(A,B2)≻μ(A,B3)，由此可以判断，ND1 线路的优劣等级评价为一级。

以此类推，计算其他5 条线路的优劣等级，可得ND2 线路的优劣等级为三级，ND3 线路的优劣等级为三级，ND4 线路的优劣等级为二级，ND5 线路的优劣等级为二级，ND6 线路的劣等级为四级。

综上所述，ND1 线路的优劣等级为一级，在这6条线路中为最优线路。由此说明所提方法可以实现线路的选线工作，能找出最优线路，并且将信息传输至工作人员，实现信息共享，以及提升经济性与效率。

3.3 运行时间分析

高速铁路选线往往耗时较长，因此，验证所提方法运行时间，比较分析耗时，在选线成功后，其耗时越短，表明方法性能越好，实验选择对比分析形式，以文献[12]方法和文献[15]方法作为对比方法，实验结果如图2 所示。

图2 运行耗时分析图

根据图2 可知，所提方法选线耗时均在1.0 s 以下，并且相对稳定，波动不大，而对比方法的运行耗时均在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选线耗时，提高了选线效率。

3.4 选线准确率分析

上述以实例进行了具体分析，但是未比较其更广泛的适用性，因此，随机选取500 条线路，随机划分为10 组，每组50 条，且均存在一条最优线路，验证选线方法的准确率，准确率为成功选出最优线路组数与所有线路组数之比，结果如图3 所示。

根据图3 可知，所提方法的准确率曲线基本为直线，没有较大波动，并且其准确率均在98%以上，对比方法的准确率均在92%以下，虽然曲线较平稳，但是其远远低于所提方法的准确率，因此，所提方法有效提高了选线的准确率，为高速铁路选线的发展提供助力。

4 结论

1）由于影响高速铁路选线的因素众多，如何实现合理、全面的选线是当前面临的主要难题。在WDM-PON 技术的基础上，对铁路线路进行多因子的综合评价，该方法具备可行性和理想的选线效果。

2）通过计算各条线路与优劣等级标准指标值之间的联系度，确定最优线路。实验验证，所提方法可以有效选线，为高速铁路的可持续发展提供了科学的指导意见。