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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)是電力系統第2張實(shí)體網(wǎng)絡(luò )，承擔著(zhù)電網(wǎng)公司生產(chǎn)調度、經(jīng)營(yíng)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)的安全穩定運行。國內外學(xué)者在電力系統可靠性與通信網(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 )拓撲優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò )結構本身的可靠性等方面。文獻提出了基于節點(diǎn)重要性的平衡度網(wǎng)絡(luò )拓撲優(yōu)化算法，文獻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，文獻提出了基于復雜網(wǎng)絡(luò )理論的電力通信網(wǎng)脆弱性評估方法。這些文獻都沒(méi)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，文獻指出研究電力通信網(wǎng)整體業(yè)務(wù)可靠性對于指導電力通信運行部門(mén)日常業(yè)務(wù)規劃設計、網(wǎng)絡(luò )運行方式優(yōu)化調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(jià)指標，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、評估模型及求解方法。該文獻是在給定業(yè)務(wù)通道(路由)情況下展開(kāi)研究的，沒(méi)有研究提高業(yè)務(wù)可靠性的方法。以文獻提出的業(yè)務(wù)風(fēng)險評價(jià)指標為基礎，研究業(yè)務(wù)路由的優(yōu)化分配方法。研究中發(fā)現，以網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評價(jià)指標進(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，利用多目標遺傳算法實(shí)現業(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 )運行方式優(yōu)化提供理論參考。
1問(wèn)題的提出
1.1以業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為路由優(yōu)化指標的局限性參考文獻[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；RE()為網(wǎng)絡(luò )中第/個(gè)通道的風(fēng)險度。
網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度BR反應網(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。該指標過(guò)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；如果該指標趨近于0，則標志著(zhù)全網(wǎng)業(yè)務(wù)安排風(fēng)險均衡，網(wǎng)絡(luò )運行風(fēng)險較小。但以網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評價(jià)指標進(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)拓撲為例。網(wǎng)絡(luò )某時(shí)刻只有風(fēng)到風(fēng)的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)，若此時(shí)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。根據文獻中計算方法分別求出這2條路徑下相關(guān)指標，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(guò)2個(gè)通道，路徑2需要經(jīng)過(guò)5個(gè)通道。路徑1所承擔的業(yè)務(wù)風(fēng)險度要遠小于路徑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(shuō)，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，應該結合業(yè)務(wù)的需求以不同的評價(jià)指標來(lái)選擇路由。
1.2路由優(yōu)化指標及方法的選擇
從上述分析可看出，單獨以業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度為評估指標，很難準確描述網(wǎng)絡(luò )通路上業(yè)務(wù)承載情況。同時(shí)，對電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行可靠性評估的過(guò)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(shí)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(gè)指標，實(shí)現電力通信網(wǎng)路由的多目標優(yōu)化分配。
多目標遺傳算法的核心是調節各目標函數之間的關(guān)系，找出使各目標函數能盡量達到比較小(或比較大)的最優(yōu)解集[1'NSGAII是最常用的多目標優(yōu)化算法，其計算效率和魯棒性較好。
2應用NSGAII的路由優(yōu)化分配方法
2.1染色體的編碼
應用遺傳算法進(jìn)行路由優(yōu)化分配的關(guān)鍵是染色體的編碼和解碼，即確定可靠性指標與染色體之間的聯(lián)系。本文采用基于優(yōu)先權的間接編碼方式。對網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行染色體獨立編碼，形成染色體編碼段。每個(gè)染色體段中基因的位置表示節點(diǎn)，基因組值的大小對應于該節點(diǎn)的優(yōu)先權大小。染色體個(gè)體共有N個(gè)獨立的編碼段，染色體長(cháng)度L為
式中：N為當前所有業(yè)務(wù)需求總數；N為網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)總數。
以圖1拓撲為例，假設某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )有沖到凡的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。則染色體業(yè)務(wù)需求總數N為1，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)總數N為6，則染色體長(cháng)度L為6。某個(gè)染色體個(gè)體的表示方法為：（2-5-1-6-3-4)。貝IJ節點(diǎn)1對應的優(yōu)先權為2，節點(diǎn)2對應的優(yōu)先權為5。
2.2染色體的解碼
染色體解碼的關(guān)鍵是根據具有優(yōu)先編碼的染色體求出業(yè)務(wù)需求的路徑。對于某個(gè)染色體編碼段，從起始節點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行循跡，當有多個(gè)可選通道時(shí)，選擇優(yōu)先權高的路徑，直至到達終點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)只允許在路徑中存在1次。
以圖1所示拓撲為例，假設某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )有節點(diǎn)Nj到Ns的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。其對應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，由于節點(diǎn)2對應基因的優(yōu)先權高于節點(diǎn)3對應基因的優(yōu)先權，因此循跡過(guò)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)先權編碼方式的特殊性，在反求路徑過(guò)程中會(huì )出現死路的情況。同樣以圖1所示拓撲為例，假設某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò )有節點(diǎn)沖到N5的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。其對應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，當循跡過(guò)程達到節點(diǎn)N3后，由于與之相連的節點(diǎn)(NuN4,N6)都已經(jīng)存在路徑中，則循跡過(guò)程出現死路。為此我們增加阻塞數組。當循跡過(guò)程到節點(diǎn)N3，發(fā)現無(wú)路可走后，則將節點(diǎn)N3放入前面一個(gè)節點(diǎn)(N4)的阻塞數組中，循跡過(guò)程返回到節點(diǎn)N4。在繼續選路的過(guò)程中，選擇排除阻塞節點(diǎn)(N3)和已存在路徑中的節點(diǎn)風(fēng))后的剩余節點(diǎn)的)中優(yōu)先權最大的節點(diǎn)。即路徑依次為N7N2-N6-N4-N5，循跡結束。
當對基于優(yōu)先權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節的計算方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )評價(jià)指標的計算，求出各個(gè)染色體對應的業(yè)務(wù)平均風(fēng)險度Ravg和業(yè)務(wù)風(fēng)險均衡度。
2.3應用NSGAII的路由優(yōu)化算法流程
1)隨機產(chǎn)生初始種群P。。計算每個(gè)個(gè)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；根據這1個(gè)目標函數的值，對種群進(jìn)行非劣排序，計算擁擠距離。
2)根據非劣排序和擁擠距離計算結果，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(gè)個(gè)體的Ravg和Br；根據這2個(gè)目標函數的值，對新的種群進(jìn)行非劣排序，計算擁擠距離。
4)根據非劣排序和擁擠距離計算的結果，選擇新種群R中最好的N個(gè)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(guò)程結束；否則?=?+1，跳轉到步驟3)繼續進(jìn)行循環(huán)。
遺傳算法中選擇過(guò)程采用二元錦標賽選擇，交叉過(guò)程采用基于位置的雜交運算法，變異過(guò)程則隨機的改變某個(gè)染色體中2個(gè)基因的位置。
3優(yōu)化算例
3.1算例1
以文獻所示拓撲為例，網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)個(gè)數為6，業(yè)務(wù)通道邊的數目為8。設網(wǎng)絡(luò )中有5個(gè)業(yè)務(wù)需求，分別為：節點(diǎn)沖到N5的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)；節點(diǎn)沖到N6的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)；節點(diǎn)風(fēng)到N4的變電站綜合監控業(yè)務(wù)；節點(diǎn)沖到N5的智能電網(wǎng)信息支撐(SG-ERP)業(yè)務(wù)；節點(diǎn)風(fēng)到凡的會(huì )議電視系統業(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(gè)業(yè)務(wù)需求，則每個(gè)染色體個(gè)體有5個(gè)染色體段；網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數為6，每個(gè)染色體段的長(cháng)度為6；則染色體的總長(cháng)度為30。算例中NSGAII參數設置如下：初始種群規模為100，迭代次數為200，變異率為0.1。
圖2顯示了Pareto最優(yōu)解對應的個(gè)數在種群中所占的比例在迭代過(guò)程中的變化情況，本文設置的最大運行次數為200次，由圖可知運行到30代左右時(shí)，Pareto最優(yōu)解對應的個(gè)數在種群中所占的比例已基本保持不變，為45%左右。
圖3為NSGAII算法初始種群和運行200代后種群的分布空間。結果表明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(gè)目標函數的相互矛盾性，一般情況下不能同時(shí)使2個(gè)函數同時(shí)最小，因此通常根據實(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，各種方案對應的業(yè)務(wù)路由見(jiàn)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，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，則選擇
方案5；若無(wú)特殊要求時(shí)，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(gè)起始點(diǎn)，N個(gè)終止點(diǎn))，N對(N個(gè)起始點(diǎn)，1個(gè)終止點(diǎn))或者多個(gè)節點(diǎn)順序執行(從某起始節點(diǎn)出發(fā)，順序經(jīng)過(guò)多個(gè)中間節點(diǎn)，最終到達終止節點(diǎn))等情況。此時(shí)可將業(yè)務(wù)請求分解成多個(gè)子業(yè)務(wù)請求。如圖1，某時(shí)段網(wǎng)絡(luò )中有N1到風(fēng)的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)請求，其必須經(jīng)過(guò)N6。則可分解成2個(gè)子業(yè)務(wù)請求，分別為N1到N6和N6到風(fēng)的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)。
對圖4網(wǎng)絡(luò )(NSFNET)進(jìn)行最優(yōu)路由分配。設網(wǎng)絡(luò )中有5個(gè)業(yè)務(wù)需求，分別為：風(fēng)到叫的調度數據網(wǎng)業(yè)務(wù)，其必須經(jīng)過(guò)N9；N5到Nm的變電站綜合監控業(yè)務(wù)；N?到風(fēng)的SG-ERP業(yè)務(wù)；N1到N6的會(huì )議電視業(yè)務(wù)；N3到N13的行政電話(huà)業(yè)務(wù)。由于業(yè)務(wù)1有中間節點(diǎn)的約束，因此可以拆分成從N1到叫和從N9到N7的2個(gè)子業(yè)務(wù)，則網(wǎng)絡(luò )中有6個(gè)業(yè)務(wù)需求。每個(gè)染色體有6個(gè)染色體段；網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數為14，每個(gè)染色體段長(cháng)度為14；則染色體總長(cháng)度為84。算例中NSGAII參數設置：初始種群規模為100，迭代次數為300，變異率為0.1。
圖5顯示了Pareto最優(yōu)解對應的個(gè)數在種群中所占的比例在迭代過(guò)程中的變化情況，本文設置的最大運行次數為300次，由圖可知運行到100代左右時(shí)，Pareto最優(yōu)解對應的個(gè)數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)化目標時(shí)，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)化目標時(shí)，則選擇方案5；若無(wú)特殊要求時(shí)，則可以選擇方案3。4結語(yǔ)
4.結語(yǔ)
對電力通信網(wǎng)可靠性進(jìn)行評估時(shí)，不僅要考慮網(wǎng)絡(luò )固有的可靠性，還應該從業(yè)務(wù)層面對網(wǎng)絡(luò )所承載的電力系統業(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 )拓撲的情況下，為電力系統通信部門(mén)安排業(yè)務(wù)通道和組織運行方式提供科學(xué)合理的輔助決策方案，使得電力通信網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)運行在高可靠性方式下。關(guān)于業(yè)務(wù)在通信過(guò)程中時(shí)延和網(wǎng)絡(luò )節點(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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