考慮電力通信網(wǎng)可靠性的業(yè)務(wù)路由優(yōu)化分配方法論文
0引言
電力通信網(wǎng)是電力系統(tǒng)第2張實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著電網(wǎng)公司生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理和企業(yè)信息化管理等業(yè)務(wù)需求。其安全可靠性直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國內(nèi)外學(xué)者在電力系統(tǒng)可靠性與通信網(wǎng)可靠性方面的研究取得了大量的成果。
目前電力通信網(wǎng)可靠性研究主要集中在通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身的可靠性等方面。文獻(xiàn)提出了基于節(jié)點(diǎn)重要性的平衡度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法，文獻(xiàn)提出考慮容量需求關(guān)系與光纜共享的光纜路由優(yōu)化方法，文獻(xiàn)提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的電力通信網(wǎng)脆弱性評估方法。這些文獻(xiàn)都沒有從業(yè)務(wù)層面對電力通信網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評估。
考慮到電力通信網(wǎng)絡(luò)及電力通信業(yè)務(wù)日益發(fā)展，與電網(wǎng)之間的聯(lián)系也更加緊密，文獻(xiàn)指出研究電力通信網(wǎng)整體業(yè)務(wù)可靠性對于指導(dǎo)電力通信運(yùn)行部門日常業(yè)務(wù)規(guī)劃設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整等方面具有重要的意義，并提出了業(yè)務(wù)重要度、全網(wǎng)業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度等可靠性評價指標(biāo)，建立了基于全網(wǎng)業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度的電力通信網(wǎng)可靠性的評估測度指標(biāo)、評估模型及求解方法。該文獻(xiàn)是在給定業(yè)務(wù)通道(路由)情況下展開研究的，沒有研究提高業(yè)務(wù)可靠性的方法。以文獻(xiàn)提出的業(yè)務(wù)風(fēng)險評價指標(biāo)為基礎(chǔ)，研究業(yè)務(wù)路由的優(yōu)化分配方法。研究中發(fā)現(xiàn)，以網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評價指標(biāo)進(jìn)行 路由優(yōu)化分配具有局限性，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度最小的路由分配方法并不一定是實(shí)際情況下的最優(yōu)路由分配方法。
本文以業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度和業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度為電力通信網(wǎng)的可靠性評估指標(biāo)，利用多目標(biāo)遺傳算法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)路由優(yōu)化分配，從業(yè)務(wù)層面為電力通信業(yè)務(wù)可靠性評估和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式優(yōu)化提供理論參考。
1問題的提出
1.1以業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為路由優(yōu)化指標(biāo)的局限性參考文獻(xiàn)[10]，業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度RVg和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR計算方法分別為
式中：R為全網(wǎng)業(yè)務(wù)總的風(fēng)險度，為所有通道的業(yè)務(wù)風(fēng)險度總和；N為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的總通道數(shù)；RE()為網(wǎng)絡(luò)中第/個通道的風(fēng)險度。
網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中各通道所承載的業(yè)務(wù)風(fēng)險度均衡分布情況。該指標(biāo)過高，則表示網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)通道上承載的業(yè)務(wù)分布不均；如果該指標(biāo)趨近于0，則標(biāo)志著全網(wǎng)業(yè)務(wù)安排風(fēng)險均衡，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行風(fēng)險較小。但以網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評價指標(biāo)進(jìn)行路由優(yōu)化分配可能具有局限性。
以圖1所示電力通信網(wǎng)拓?fù)錇槔�。網(wǎng)絡(luò)某時刻只有風(fēng)到風(fēng)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)，若此時網(wǎng)絡(luò)上有路徑1(NrN2-N5)，路徑2(NrN3-N6-N4-N5)這2條可選路徑。根據(jù)文獻(xiàn)中計算方法分別求出這2條路徑下相關(guān)指標(biāo)，如表1所示。
從表1可以看出，完成業(yè)務(wù)需求，路徑1需要經(jīng)過2個通道，路徑2需要經(jīng)過5個通道。路徑1所承擔(dān)的業(yè)務(wù)風(fēng)險度要遠(yuǎn)小于路徑2，而路徑1的業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度要高于路徑2。我們更傾向于選擇路徑1完成業(yè)務(wù)需求，也就是說，單純基于業(yè)務(wù)風(fēng)
險均衡度進(jìn)行路由優(yōu)化不一定合適，實(shí)際中，應(yīng)該結(jié)合業(yè)務(wù)的需求以不同的評價指標(biāo)來選擇路由。
1.2路由優(yōu)化指標(biāo)及方法的選擇
從上述分析可看出，單獨(dú)以業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評估指標(biāo)，很難準(zhǔn)確描述網(wǎng)絡(luò)通路上業(yè)務(wù)承載情況。同時，對電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行可靠性評估的過程中同樣需要考慮網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度的大小。因此，我們同時考慮業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度和業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度這2個指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)路由的多目標(biāo)優(yōu)化分配。
多目標(biāo)遺傳算法的核心是調(diào)節(jié)各目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，找出使各目標(biāo)函數(shù)能盡量達(dá)到比較小(或比較大)的最優(yōu)解集[1'NSGAII是最常用的多目標(biāo)優(yōu)化算法，其計算效率和魯棒性較好。
2應(yīng)用NSGAII的路由優(yōu)化分配方法
2.1染色體的編碼
應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行路由優(yōu)化分配的關(guān)鍵是染色體的編碼和解碼，即確定可靠性指標(biāo)與染色體之間的聯(lián)系。本文采用基于優(yōu)先權(quán)的間接編碼方式。對網(wǎng)絡(luò)中每個業(yè)務(wù)進(jìn)行染色體獨(dú)立編碼，形成染色體編碼段。每個染色體段中基因的位置表示節(jié)點(diǎn)，基因組值的大小對應(yīng)于該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先權(quán)大小。染色體個體共有N個獨(dú)立的編碼段，染色體長度L為
式中：N為當(dāng)前所有業(yè)務(wù)需求總數(shù)；N為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。
以圖1拓?fù)錇槔僭O(shè)某時刻網(wǎng)絡(luò)有沖到凡的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。則染色體業(yè)務(wù)需求總數(shù)N為1，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)N為6，則染色體長度L為6。某個染色體個體的表示方法為：（2-5-1-6-3-4)。貝IJ節(jié)點(diǎn)1對應(yīng)的優(yōu)先權(quán)為2，節(jié)點(diǎn)2對應(yīng)的優(yōu)先權(quán)為5。
2.2染色體的解碼
染色體解碼的關(guān)鍵是根據(jù)具有優(yōu)先編碼的染色體求出業(yè)務(wù)需求的路徑。對于某個染色體編碼段，從起始節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行循跡，當(dāng)有多個可選通道時，選擇優(yōu)先權(quán)高的路徑，直至到達(dá)終點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)只允許在路徑中存在1次。
以圖1所示拓?fù)錇槔僭O(shè)某時刻網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)Nj到Ns的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。其對應(yīng)染色體段的編碼方式為(2-5-1-6-3-4)。則從沖出發(fā)，有通道Nj-N2和風(fēng)我可選，由于節(jié)點(diǎn)2對應(yīng)基因的優(yōu)先權(quán)高于節(jié)點(diǎn)3對應(yīng)基因的優(yōu)先權(quán)，因此循跡過程為NrN2，依次循跡可得業(yè)務(wù)路徑為N1-N2-N6-N4-N5。
由于基于優(yōu)先權(quán)編碼方式的特殊性，在反求路徑過程中會出現(xiàn)死路的情況。同樣以圖1所示拓?fù)錇槔僭O(shè)某時刻網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)沖到N5的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。其對應(yīng)的染色體段的編碼方式為(2-5-4-6-1-3)。則路徑依次為NrN2-N6-N4-N3，當(dāng)循跡過程達(dá)到節(jié)點(diǎn)N3后，由于與之相連的節(jié)點(diǎn)(NuN4,N6)都已經(jīng)存在路徑中，則循跡過程出現(xiàn)死路。為此我們增加阻塞數(shù)組。當(dāng)循跡過程到節(jié)點(diǎn)N3，發(fā)現(xiàn)無路可走后，則將節(jié)點(diǎn)N3放入前面一個節(jié)點(diǎn)(N4)的阻塞數(shù)組中，循跡過程返回到節(jié)點(diǎn)N4。在繼續(xù)選路的過程中，選擇排除阻塞節(jié)點(diǎn)(N3)和已存在路徑中的節(jié)點(diǎn)風(fēng))后的剩余節(jié)點(diǎn)的)中優(yōu)先權(quán)最大的節(jié)點(diǎn)。即路徑依次為N7N2-N6-N4-N5，循跡結(jié)束。
當(dāng)對基于優(yōu)先權(quán)染色體解碼求出各電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)的路徑后，利用第1節(jié)的計算方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評價指標(biāo)的計算，求出各個染色體對應(yīng)的業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Ravg和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度。
2.3應(yīng)用NSGAII的路由優(yōu)化算法流程
1)隨機(jī)產(chǎn)生初始種群P。。計算每個個體的業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Ravg和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度Br；根據(jù)這1個目標(biāo)函數(shù)的值，對種群進(jìn)行非劣排序，計算擁擠距離。
2)根據(jù)非劣排序和擁擠距離計算結(jié)果，對P0進(jìn)行選擇、交叉、變異，得到新種群0。，令?=0。
3)形成新的種群R=P,U0,，計算每個個體的Ravg和Br；根據(jù)這2個目標(biāo)函數(shù)的值，對新的種群進(jìn)行非劣排序，計算擁擠距離。
4)根據(jù)非劣排序和擁擠距離計算的結(jié)果，選擇新種群R中最好的N個體形成新的種群PM；對種群Pm進(jìn)行選擇、交叉、變異，得到新的種群。
5)若終止條件成立，則遺傳過程結(jié)束；否則?=?+1，跳轉(zhuǎn)到步驟3)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。
遺傳算法中選擇過程采用二元錦標(biāo)賽選擇，交叉過程采用基于位置的雜交運(yùn)算法，變異過程則隨機(jī)的改變某個染色體中2個基因的位置。
3優(yōu)化算例
3.1算例1
以文獻(xiàn)所示拓?fù)錇槔�，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個數(shù)為6，業(yè)務(wù)通道邊的數(shù)目為8。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個業(yè)務(wù)需求，分別為：節(jié)點(diǎn)沖到N5的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)；節(jié)點(diǎn)沖到N6的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)；節(jié)點(diǎn)風(fēng)到N4的變電站綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)；節(jié)點(diǎn)沖到N5的智能電網(wǎng)信息支撐(SG-ERP)業(yè)務(wù)；節(jié)點(diǎn)風(fēng)到凡的會議電視系統(tǒng)業(yè)務(wù)。
利用遺傳算法進(jìn)行路由優(yōu)化分配。網(wǎng)絡(luò)中有5個業(yè)務(wù)需求，則每個染色體個體有5個染色體段；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為6，每個染色體段的長度為6；則染色體的總長度為30。算例中NSGAII參數(shù)設(shè)置如下：初始種群規(guī)模為100，迭代次數(shù)為200，變異率為0.1。
圖2顯示了Pareto最優(yōu)解對應(yīng)的個數(shù)在種群中所占的比例在迭代過程中的變化情況，本文設(shè)置的最大運(yùn)行次數(shù)為200次，由圖可知運(yùn)行到30代左右時，Pareto最優(yōu)解對應(yīng)的個數(shù)在種群中所占的.比例已基本保持不變，為45%左右。
圖3為NSGAII算法初始種群和運(yùn)行200代后種群的分布空間。結(jié)果表明NSGAII算法用于電力
通信網(wǎng)路由優(yōu)化的有效性。由于業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Rmg和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR這2個目標(biāo)函數(shù)的相互矛盾性，一般情況下不能同時使2個函數(shù)同時最小，因此通常根據(jù)實(shí)際情況從Pareto最優(yōu)解集中進(jìn)行選擇。
表2所示為部分Pareto最優(yōu)解，各種方案對應(yīng)的業(yè)務(wù)路由見表3。若以降低電力通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR為主要優(yōu)化目標(biāo)，則選擇方案1；若以降低業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Ravg為主要優(yōu)化目標(biāo)，則選擇
方案5；若無特殊要求時，則可以選擇方案3。
3.2算例
電力通信網(wǎng)中不全是1對1的業(yè)務(wù)。有可能是1對N{1個起始點(diǎn)，N個終止點(diǎn))，N對(N個起始點(diǎn)，1個終止點(diǎn))或者多個節(jié)點(diǎn)順序執(zhí)行(從某起始節(jié)點(diǎn)出發(fā)，順序經(jīng)過多個中間節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)終止節(jié)點(diǎn))等情況。此時可將業(yè)務(wù)請求分解成多個子業(yè)務(wù)請求。如圖1，某時段網(wǎng)絡(luò)中有N1到風(fēng)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)請求，其必須經(jīng)過N6。則可分解成2個子業(yè)務(wù)請求，分別為N1到N6和N6到風(fēng)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)。
對圖4網(wǎng)絡(luò)(NSFNET)進(jìn)行最優(yōu)路由分配。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個業(yè)務(wù)需求，分別為：風(fēng)到叫的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)，其必須經(jīng)過N9；N5到Nm的變電站綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)；N?到風(fēng)的SG-ERP業(yè)務(wù)；N1到N6的會議電視業(yè)務(wù)；N3到N13的行政電話業(yè)務(wù)。由于業(yè)務(wù)1有中間節(jié)點(diǎn)的約束，因此可以拆分成從N1到叫和從N9到N7的2個子業(yè)務(wù)，則網(wǎng)絡(luò)中有6個業(yè)務(wù)需求。每個染色體有6個染色體段；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為14，每個染色體段長度為14；則染色體總長度為84。算例中NSGAII參數(shù)設(shè)置：初始種群規(guī)模為100，迭代次數(shù)為300，變異率為0.1。
圖5顯示了Pareto最優(yōu)解對應(yīng)的個數(shù)在種群中所占的比例在迭代過程中的變化情況，本文設(shè)置的最大運(yùn)行次數(shù)為300次，由圖可知運(yùn)行到100代左右時，Pareto最優(yōu)解對應(yīng)的個數(shù)在種群中占的比例基本保持在35%左右。圖6為NSGAII算法初始種群和運(yùn)行300代后種群的分布空間。
表4為部分Pareto最優(yōu)解，各種方案對應(yīng)的業(yè)務(wù)路由如表5所示。若以降低電力通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR為主要優(yōu)化目標(biāo)時，則選擇方案1；若以降低業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Rvg為主要優(yōu)化目標(biāo)時，則選擇方案5；若無特殊要求時，則可以選擇方案3。4結(jié)語
4.結(jié)語
對電力通信網(wǎng)可靠性進(jìn)行評估時，不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)固有的可靠性，還應(yīng)該從業(yè)務(wù)層面對網(wǎng)絡(luò)所承載的電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)可靠性進(jìn)行分析。本文提出的考慮電力通信網(wǎng)可靠性的業(yè)務(wù)路由優(yōu)化分配方法，能夠在已確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那闆r下，為電力系統(tǒng)通信部門安排業(yè)務(wù)通道和組織運(yùn)行方式提供科學(xué)合理的輔助決策方案，使得電力通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)運(yùn)行在高可靠性方式下。關(guān)于業(yè)務(wù)在通信過程中時延和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁擠度對于電力通信網(wǎng)可靠性的影響，均需進(jìn)行深入的分析和研究。
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