考慮電力通信網可靠性的業務路由優化分配方法論文
0引言
電力通信網是電力系統第2張實體網絡，承擔著電網公司生產調度、經營管理和企業信息化管理等業務需求。其安全可靠性直接影響電網的安全穩定運行。國內外學者在電力系統可靠性與通信網可靠性方面的研究取得了大量的成果。
目前電力通信網可靠性研究主要集中在通信網絡拓撲優化和網絡結構本身的可靠性等方面。文獻提出了基于節點重要性的平衡度網絡拓撲優化算法，文獻提出考慮容量需求關系與光纜共享的光纜路由優化方法，文獻提出了基于復雜網絡理論的電力通信網脆弱性評估方法。這些文獻都沒有從業務層面對電力通信網的可靠性進行評估。
考慮到電力通信網絡及電力通信業務日益發展，與電網之間的聯系也更加緊密，文獻指出研究電力通信網整體業務可靠性對于指導電力通信運行部門日常業務規劃設計、網絡運行方式優化調整等方面具有重要的意義，并提出了業務重要度、全網業務平均風險度和業務風險均衡度等可靠性評價指標，建立了基于全網業務風險均衡度的電力通信網可靠性的評估測度指標、評估模型及求解方法。該文獻是在給定業務通道(路由)情況下展開研究的，沒有研究提高業務可靠性的方法。以文獻提出的業務風險評價指標為基礎，研究業務路由的優化分配方法。研究中發現，以網絡業務風險均衡度為評價指標進行 路由優化分配具有局限性，網絡業務風險均衡度最小的路由分配方法并不一定是實際情況下的最優路由分配方法。
本文以業務風險均衡度和業務平均風險度為電力通信網的可靠性評估指標，利用多目標遺傳算法實現業務路由優化分配，從業務層面為電力通信業務可靠性評估和網絡運行方式優化提供理論參考。
1問題的提出
1.1以業務風險均衡度為路由優化指標的局限性參考文獻[10]，業務平均風險度RVg和業務風險均衡度BR計算方法分別為
式中：R為全網業務總的風險度，為所有通道的業務風險度總和；N為網絡業務的總通道數；RE()為網絡中第/個通道的風險度。
網絡業務風險均衡度BR反應網絡中各通道所承載的業務風險度均衡分布情況。該指標過高，則表示網絡中業務通道上承載的業務分布不均；如果該指標趨近于0，則標志著全網業務安排風險均衡，網絡運行風險較小。但以網絡業務風險均衡度為評價指標進行路由優化分配可能具有局限性。
以圖1所示電力通信網拓撲為例。網絡某時刻只有風到風的調度數據網業務，若此時網絡上有路徑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條路徑下相關指標，如表1所示。
從表1可以看出，完成業務需求，路徑1需要經過2個通道，路徑2需要經過5個通道。路徑1所承擔的業務風險度要遠小于路徑2，而路徑1的業務風險均衡度要高于路徑2。我們更傾向于選擇路徑1完成業務需求，也就是說，單純基于業務風
險均衡度進行路由優化不一定合適，實際中，應該結合業務的需求以不同的評價指標來選擇路由。
1.2路由優化指標及方法的選擇
從上述分析可看出，單獨以業務風險均衡度為評估指標，很難準確描述網絡通路上業務承載情況。同時，對電力通信網業務進行可靠性評估的過程中同樣需要考慮網絡業務平均風險度的大小。因此，我們同時考慮業務風險均衡度和業務平均風險度這2個指標，實現電力通信網路由的多目標優化分配。
多目標遺傳算法的核心是調節各目標函數之間的關系，找出使各目標函數能盡量達到比較小(或比較大)的最優解集[1'NSGAII是最常用的多目標優化算法，其計算效率和魯棒性較好。
2應用NSGAII的路由優化分配方法
2.1染色體的編碼
應用遺傳算法進行路由優化分配的關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系。本文采用基于優先權的間接編碼方式。對網絡中每個業務進行染色體獨立編碼，形成染色體編碼段。每個染色體段中基因的位置表示節點，基因組值的大小對應于該節點的優先權大小。染色體個體共有N個獨立的編碼段，染色體長度L為
式中：N為當前所有業務需求總數；N為網絡的節點總數。
以圖1拓撲為例，假設某時刻網絡有沖到凡的調度數據網業務需求。則染色體業務需求總數N為1，網絡節點總數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節點1對應的優先權為2，節點2對應的優先權為5。
2.2染色體的解碼
染色體解碼的關鍵是根據具有優先編碼的染色體求出業務需求的路徑。對于某個染色體編碼段，從起始節點開始進行循跡，當有多個可選通道時，選擇優先權高的路徑，直至到達終點。每個節點只允許在路徑中存在1次。
以圖1所示拓撲為例，假設某時刻網絡有節點Nj到Ns的調度數據網業務需求。其對應染色體段的編碼方式為(2-5-1-6-3-4)。則從沖出發，有通道Nj-N2和風我可選，由于節點2對應基因的優先權高于節點3對應基因的優先權，因此循跡過程為NrN2，依次循跡可得業務路徑為N1-N2-N6-N4-N5。
由于基于優先權編碼方式的特殊性，在反求路徑過程中會出現死路的情況。同樣以圖1所示拓撲為例，假設某時刻網絡有節點沖到N5的調度數據網業務需求。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，當循跡過程達到節點N3后，由于與之相連的節點(NuN4,N6)都已經存在路徑中，則循跡過程出現死路。為此我們增加阻塞數組。當循跡過程到節點N3，發現無路可走后，則將節點N3放入前面一個節點(N4)的阻塞數組中，循跡過程返回到節點N4。在繼續選路的過程中，選擇排除阻塞節點(N3)和已存在路徑中的節點風)后的剩余節點的)中優先權最大的節點。即路徑依次為N7N2-N6-N4-N5，循跡結束。
當對基于優先權染色體解碼求出各電網通信業務的路徑后，利用第1節的計算方法進行網絡評價指標的計算，求出各個染色體對應的業務平均風險度Ravg和業務風險均衡度。
2.3應用NSGAII的路由優化算法流程
1)隨機產生初始種群P。。計算每個個體的業務平均風險度Ravg和業務風險均衡度Br；根據這1個目標函數的值，對種群進行非劣排序，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；根據這2個目標函數的值，對新的種群進行非劣排序，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個體形成新的種群PM；對種群Pm進行選擇、交叉、變異，得到新的種群。
5)若終止條件成立，則遺傳過程結束；否則?=?+1，跳轉到步驟3)繼續進行循環。
遺傳算法中選擇過程采用二元錦標賽選擇，交叉過程采用基于位置的雜交運算法，變異過程則隨機的改變某個染色體中2個基因的位置。
3優化算例
3.1算例1
以文獻所示拓撲為例，網絡中節點個數為6，業務通道邊的數目為8。設網絡中有5個業務需求，分別為：節點沖到N5的調度數據網業務；節點沖到N6的調度數據網業務；節點風到N4的變電站綜合監控業務；節點沖到N5的智能電網信息支撐(SG-ERP)業務；節點風到凡的會議電視系統業務。
利用遺傳算法進行路由優化分配。網絡中有5個業務需求，則每個染色體個體有5個染色體段；網絡節點數為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最優解對應的個數在種群中所占的比例在迭代過程中的變化情況，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，Pareto最優解對應的個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
通信網路由優化的有效性。由于業務平均風險度Rmg和業務風險均衡度BR這2個目標函數的相互矛盾性，一般情況下不能同時使2個函數同時最小，因此通常根據實際情況從Pareto最優解集中進行選擇。
表2所示為部分Pareto最優解，各種方案對應的業務路由見表3。若以降低電力通信網的業務風險均衡度BR為主要優化目標，則選擇方案1；若以降低業務平均風險度Ravg為主要優化目標，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
電力通信網中不全是1對1的業務。有可能是1對N{1個起始點，N個終止點)，N對(N個起始點，1個終止點)或者多個節點順序執行(從某起始節點出發，順序經過多個中間節點，最終到達終止節點)等情況。此時可將業務請求分解成多個子業務請求。如圖1，某時段網絡中有N1到風的調度數據網業務請求，其必須經過N6。則可分解成2個子業務請求，分別為N1到N6和N6到風的調度數據網業務。
對圖4網絡(NSFNET)進行最優路由分配。設網絡中有5個業務需求，分別為：風到叫的調度數據網業務，其必須經過N9；N5到Nm的變電站綜合監控業務；N?到風的SG-ERP業務；N1到N6的會議電視業務；N3到N13的行政電話業務。由于業務1有中間節點的約束，因此可以拆分成從N1到叫和從N9到N7的2個子業務，則網絡中有6個業務需求。每個染色體有6個染色體段；網絡節點數為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最優解對應的個數在種群中所占的比例在迭代過程中的變化情況，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，Pareto最優解對應的個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最優解，各種方案對應的業務路由如表5所示。若以降低電力通信網的業務風險均衡度BR為主要優化目標時，則選擇方案1；若以降低業務平均風險度Rvg為主要優化目標時，則選擇方案5；若無特殊要求時，則可以選擇方案3。4結語
4.結語
對電力通信網可靠性進行評估時，不僅要考慮網絡固有的可靠性，還應該從業務層面對網絡所承載的電力系統業務可靠性進行分析。本文提出的考慮電力通信網可靠性的業務路由優化分配方法，能夠在已確定網絡拓撲的情況下，為電力系統通信部門安排業務通道和組織運行方式提供科學合理的輔助決策方案，使得電力通信網絡業務運行在高可靠性方式下。關于業務在通信過程中時延和網絡節點擁擠度對于電力通信網可靠性的影響，均需進行深入的分析和研究。
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