劉文波，王駿，王裴劼，雷禹

(廣州致訊信息科技有限責(zé)任公司，廣州 510006)

組合熵權(quán)法和多層灰色關(guān)聯(lián)法多維無線指標(biāo)

劉文波，王駿，王裴劼，雷禹

(廣州致訊信息科技有限責(zé)任公司，廣州 510006)

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

無線通信技術(shù)；多維指標(biāo)；組合熵權(quán)法；多層灰色關(guān)聯(lián)分析；

0 前言

無線通信技術(shù)[1]憑借可移動性、成本低、擴展性強、應(yīng)用方便等優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)特別是有線電力通信無法有效作用或遠(yuǎn)程現(xiàn)場作業(yè)等應(yīng)用中，發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。利用過去單純追求技術(shù)的評估指標(biāo)對各種無線通信技術(shù)進(jìn)行綜合評估已不再合適，進(jìn)而轉(zhuǎn)變采用考慮經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性等性能的多維分析指標(biāo)。這不僅能在無線組網(wǎng)規(guī)劃[3-4]前對具有投資可能性的技術(shù)進(jìn)行有效評價，而且可以根據(jù)技術(shù)的優(yōu)缺點及時改進(jìn)、優(yōu)化無線組網(wǎng)的決策方案，為用戶提供高效、持續(xù)、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

近幾年，國內(nèi)針對無線通信技術(shù)的綜合評估研究較少，但在其他方面的綜合應(yīng)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(biāo)進(jìn)行綜合評價。最典型的有層次分析法[5]、熵權(quán)法[6]、模糊評價法[7]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[5-9]、TOPSIS評價法、回歸分析[10]等方法。其中，文獻(xiàn) [2-5]中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法不僅計算簡單、適應(yīng)性強，還能充分解決指標(biāo)計算不確定的問題，是綜合評估方法中應(yīng)用最廣的一種。然而灰色關(guān)聯(lián)分析中的平均指標(biāo)權(quán)重，會使決策結(jié)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(quán)重的不足，文獻(xiàn)[5-6，8]分別提出在灰色關(guān)聯(lián)分析中結(jié)合應(yīng)用其他評估手段，形成多元分析方法，對各種無線技術(shù)進(jìn)行綜合分析。文獻(xiàn) [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(dǎo)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(xiàn) [6]中的熵權(quán)法能有效的利用客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀賦權(quán)，但對定性指標(biāo)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(yīng)用偏差。

文中在上述多元評價方法的梳理和分析基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)實際情況及未來智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，研究提出一種基于組合熵權(quán)法和多層灰色關(guān)聯(lián)分析的無線通信技術(shù)多維指標(biāo)分析方法，并將理論研究應(yīng)用于三種典型無線通信技術(shù)的具體分析、評估和比較，指導(dǎo)電網(wǎng)中無線通信技術(shù)的實際應(yīng)用建設(shè)，為智能電網(wǎng)無線組網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計提供重要依據(jù)。

1 無線通信技術(shù)的多維指標(biāo)體系

綜合考慮影響技術(shù)性能的多個主要評價因素，依據(jù)從上至下的層次結(jié)構(gòu)，對無線通信技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析與篩選，最終構(gòu)建出一套科學(xué)、全面的無線通信技術(shù)多維綜合評價指標(biāo)體系。如圖1所示。

圖1 無線通信技術(shù)的多維評價指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

2 綜合分析法

2.1 計算綜合權(quán)重序列

2.1.1 熵權(quán)法

通常，熵權(quán)法中的信息熵是表示評估指標(biāo)信息的重要程度，熵值越大即權(quán)重越大，該指標(biāo)對整體性能的影響也就越大。目前，通過熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，可以有效提高權(quán)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(jīng)驗性的定性指標(biāo)考慮較少，反而擴大了評估決策與實際應(yīng)用之間的差距。

設(shè)由m種無線通信技術(shù)的n項評價指標(biāo)構(gòu)成的矩陣為U=(xij)m×n，為直觀地評價各無線通信技術(shù)在同一定性指標(biāo)的表現(xiàn)等級，首先對各指標(biāo)參數(shù)矩陣進(jìn)行歸一化標(biāo)準(zhǔn)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)矩陣，其中2，…m。由此，各評價指標(biāo)的信息熵為

評價矩陣的權(quán)重系數(shù)為

2.1.2 組合熵權(quán)法

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

設(shè)有m種技術(shù)的n1項一級評價指標(biāo)構(gòu)成的矩陣和n2項二級評價指標(biāo)構(gòu)成的矩陣Un2，各級評價指標(biāo)的組合權(quán)重計算過程為：

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

式中m為指標(biāo)轉(zhuǎn)換量，r為所有專家對該評價指標(biāo)的定性排序值。由此，第j項一級指標(biāo)的主觀權(quán)重值為：

其中，認(rèn)識度均值為bj=1/s∑si=1bij；盲度為

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

2.2 多維指標(biāo)分析方法

灰色關(guān)聯(lián)分析法[12-13]是一種具有信息量少、適合小樣本建模、關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，快速準(zhǔn)確的選出最優(yōu)關(guān)聯(lián)的技術(shù)方案。然而，該方法計算過程中的平均權(quán)重，賦予了與其重要性不符的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，增加了評估結(jié)果的不確定性。為此，本文提出將組合熵權(quán)法求解的綜合權(quán)重取代灰色關(guān)聯(lián)分析中的平均權(quán)重，并依據(jù)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，綜合確定多層灰色關(guān)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(shù)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(guān)聯(lián)分析過程 (SGAR)。通過計算各指標(biāo)序列 Xi=(xi1，xi2...xin)與最優(yōu)序列 X0=(xo1，xo2...xon)間的灰色關(guān)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(biāo)的綜合權(quán)值wk，求得綜合關(guān)聯(lián)度γo公式為

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

1)首先明確多維指標(biāo)評估體系的具體指標(biāo)及指標(biāo)的層級結(jié)構(gòu)，并利用組合熵權(quán)法求解各級評價指標(biāo)的組合權(quán)值。

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

3)根據(jù)層間結(jié)構(gòu)及多層指標(biāo)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度系數(shù)，對各項一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行權(quán)重計算綜合關(guān)聯(lián)度，通過比較、排序，最終確定各種無線通信技術(shù)的綜合性能。

圖2 基于組合熵權(quán)法與多層灰色關(guān)聯(lián)的多維評價過程

這種層間關(guān)聯(lián)、合理權(quán)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(jié)果的影響，而且還綜合了指標(biāo)體系各層間的關(guān)聯(lián)因素，有助于科學(xué)、全面的分析評估各種技術(shù)，大大提高各種技術(shù)的應(yīng)用能力，為提高技術(shù)規(guī)劃、優(yōu)化系統(tǒng)性能提供幫助。

2.2.1 無線通信技術(shù)的多維指標(biāo)應(yīng)用

依照上述綜合分析方法的處理過程，本文對當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的WiFi、ZigBee、藍(lán)牙技術(shù)，進(jìn)行某地級城市中心配電網(wǎng)無線組網(wǎng)規(guī)劃中無線技術(shù)應(yīng)用的綜合性能評估，最終計算得到三種技術(shù)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)γo以及綜合排名c。設(shè)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(jìn)行歸一化處理。

2)收集20位專家調(diào)查數(shù)據(jù)，利用式 (3)(4)分別計算得到各技術(shù)的一級指標(biāo)主觀權(quán)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(biāo)客觀權(quán)重，結(jié)合對應(yīng)的一級主觀權(quán)重值，利用式 (5)求解各二級指標(biāo)的綜合權(quán)重。

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

4)最后，根據(jù)一級主觀權(quán)重序列{Wi}計算各指標(biāo)關(guān)聯(lián)度系數(shù)的權(quán)重和γo，作為評價技術(shù)的最終關(guān)聯(lián)評價值，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1所示。其中，一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度系數(shù)為各子集指標(biāo)關(guān)聯(lián)度系數(shù)的權(quán)重值。

表1 三種無線通信技術(shù)的實際指標(biāo)關(guān)聯(lián)度系數(shù)

如上表所示，文中以城市中心配電網(wǎng)無線通信組網(wǎng)規(guī)劃為應(yīng)用背景，結(jié)合應(yīng)用組合熵權(quán)法與多層灰色關(guān)聯(lián)分析法，求得各種無線技術(shù)的綜合關(guān)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(lán)牙這三種可選的城中心配電網(wǎng)無線通信技術(shù)的綜合性能排名：ZigBee＞W(wǎng)iFi＞藍(lán)牙，其中綜合性能表現(xiàn)最佳的是ZigBee技術(shù)，性能最差的是藍(lán)牙技術(shù)。

通過各種無線技術(shù)在同項性能指標(biāo)的關(guān)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(shù)；而在經(jīng)濟(jì)性的投入明顯低于ZigBee技術(shù)；藍(lán)牙技術(shù)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(shù)的差距較小外，其他三個指標(biāo)均明顯劣勢于WiFi和ZigBee技術(shù)。實質(zhì)上，這些指標(biāo)性能間的差異都跟無線技術(shù)本身的技術(shù)理論以及特殊的應(yīng)用背景息息相關(guān)，然而技術(shù)的綜合關(guān)聯(lián)評價并不僅僅依靠獨立的評價指標(biāo)值，更多的受到指標(biāo)在整體性能表現(xiàn)中綜合權(quán)重的影響。

3 結(jié)束語

在各種無線技術(shù)飛速發(fā)展和智能電網(wǎng)無線新技術(shù)融合應(yīng)用的大背景下，本文提出基于改進(jìn)熵權(quán)法和多層次灰色關(guān)聯(lián)分析的綜合評估分析方法，對幾種典型應(yīng)用的無線通信技術(shù)進(jìn)行分析、評估、比較，為智能電網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中無線通信技術(shù)的有效規(guī)劃提供重要參考依據(jù)，為智能電網(wǎng)無線組網(wǎng)新規(guī)劃提供必要的設(shè)計依據(jù)，為無線新技術(shù)的應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

[1] 葉其都.無線通信技術(shù)的改革趨勢分析 [J].信息通信，2014，4(1)：231.

[2] 徐佳.淺談無線通信技術(shù)在電力通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用前景 [J].信息化建設(shè)，2010(9)：112-112.

[3] 劉旭生，何穎，吳潤澤，等.面向智能電網(wǎng)雙向互動信息服務(wù)的通信組網(wǎng)方案設(shè)計 [J].電子設(shè)計工程，2011，19 (23)：78-82.

[4] 李祥珍，何清素，孫寄生.智能配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用 [J].中國電力，2011，44(12)：78-81.

[5] 周建平，等.基于層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)理論的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案決策 [J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(9)：66 -70.

[6] 羅毅，李昱龍.基于熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合決策 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(1)：77-81.

[7] 周海燕.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的無線通信技術(shù)性能評估方法[J].四川兵工學(xué)報，2012，33(7)：111-113.

[8] 王佩，張定華，陳冰，等.基于模糊綜合評價與灰色關(guān)聯(lián)分析法的多工藝方案評價 [J].航空動力學(xué)報，2012，27 (9)：2075-2085.

[9] 宋戈.基于多層次灰色關(guān)聯(lián)分析的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)綜合評價方法 [J].數(shù)字通信世界，2012(1)：60-63.

[10] 趙志丹，溫木奇，錢少波.回歸分析方法在無線通信系統(tǒng)指標(biāo)分析中的應(yīng)用 [J].廣東通信技術(shù)，2006，26(4)：18-22.

[11] 汪輝松，等.基于統(tǒng)計物理方法的無線通信系統(tǒng)傳輸有效性和安全性分析 [D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[12] 鄧聚龍.灰色理論基礎(chǔ) [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社.2002：35-76.

[13] 馬勇，等.基于灰色關(guān)聯(lián)分析的潛艇兵力運用方案評估優(yōu)選 [J].艦船電子工程，2010，31(1)：38-40.

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