基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法

石福恩

（聊城華昌實業(yè)有限責任公司，山東 聊城 252000）

0 引 言

電力通信網(wǎng)絡(luò)作為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要組成部分，對電網(wǎng)公司的生產(chǎn)調(diào)度與信息化管理等業(yè)務(wù)需求具有較大的影響[1]。現(xiàn)階段，對于電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估的方法有很多，主要通過建立可靠性指標、結(jié)合故障樹分析的方式進行[2]。傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估方法在小規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)中具有較好的應(yīng)用效果[3]。然而，在多條網(wǎng)絡(luò)通道及規(guī)模相對較大的通信網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)評估算法的計算精度相對較低，無法為電力系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)提供較大的幫助[4]。BowTie模型在表達事故發(fā)生的原因與導致的后果方面具有一定的優(yōu)勢，通過事故預(yù)防的方式降低事故發(fā)生導致的后果影響，是一種能夠應(yīng)用于復雜風險分析與管理的方法[5]。通過構(gòu)建BowTie模型，對電力通信網(wǎng)絡(luò)運行中產(chǎn)生的風險進行識別并評估，具有較強的邏輯性，且評估結(jié)果的精確度也會相應(yīng)提高。本文提出了基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法設(shè)計，改善了傳統(tǒng)評估算法的不足，促進我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定發(fā)展。

1 基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法設(shè)計

本文設(shè)計的基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法的流程如圖1所示，主要包括計算數(shù)據(jù)鏈路的重要度值、檢查整個電力網(wǎng)絡(luò)的完整性、獲取各個部件的可靠性值、檢測電力系統(tǒng)的所有業(yè)務(wù)是否計算完畢以及建立BowTie模型風險評估矩陣等，最終實現(xiàn)對電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性的評估。

1.1 數(shù)據(jù)鏈路重要度計算

電力通信網(wǎng)絡(luò)在進行業(yè)務(wù)傳輸時，通常包括需要保護的業(yè)務(wù)與無需保護的業(yè)務(wù)，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，電力通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬會出現(xiàn)異常變化，導致數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)中斷[7]。數(shù)據(jù)鏈路的可靠性是評估電力通信網(wǎng)絡(luò)風險的基礎(chǔ)，將鏈路的可靠性值簡化為隨機概率值，通過計算單位長度內(nèi)鏈路的平均失效前時間獲取平均修復時間，共同判斷數(shù)據(jù)鏈路的可靠性[8]。

為了合理評估電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，首先要計算出網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路重要度[9]。本文通過數(shù)據(jù)鏈路承載的業(yè)務(wù)重要度與業(yè)務(wù)途徑路由的不可靠性乘積，獲取電力通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層鏈路之間的關(guān)聯(lián)風險。

設(shè)置G（V，E）表示電力通信網(wǎng)絡(luò)，其中V表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集，E表示網(wǎng)絡(luò)的鏈路集。Eij表示節(jié)點i與節(jié)點j之間的鏈路，P（Eij）表示數(shù)據(jù)鏈路可靠性，T（Eij）表示電力通信網(wǎng)絡(luò)的額定帶寬。MTTF表示鏈路失效前的平均工作時間，MTTR表示鏈路修復時間平均值，MTBF表示風險間隔時間，則電力通信網(wǎng)絡(luò)的單位長度光纖可靠性A的表達式為：

當Eij的長度為D（Eij）時，可靠性P（Eij）為：

數(shù)據(jù)鏈路的關(guān)聯(lián)風險值與對應(yīng)的層面具有一定的關(guān)系[10]。本文將鏈路關(guān)聯(lián)的風險值作為數(shù)據(jù)鏈路重要性的量化值，即鏈路的重要度LR（Eij）為鏈路綜合關(guān)聯(lián)風險值的總和，計算公式為：

式中，ε1表示電力通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層鏈路關(guān)聯(lián)風險權(quán)重系數(shù)；ε2表示電力通信網(wǎng)絡(luò)傳輸層鏈路關(guān)聯(lián)風險權(quán)重系數(shù)；ε3表示電力通信網(wǎng)絡(luò)物理拓撲層鏈路關(guān)聯(lián)風險權(quán)重系數(shù)；LRS(Eij)表示電力通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的鏈路關(guān)聯(lián)風險歸一化值；LRT(Eij)表示電力通信網(wǎng)絡(luò)傳輸層的鏈路關(guān)聯(lián)風險歸一化值；LRP(Eij)表示電力通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的鏈路關(guān)聯(lián)風險歸一化值。其中，鏈路關(guān)聯(lián)風險的權(quán)重系數(shù)作為一種自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)，需要滿足ε1+ε2+ε3=1，各個權(quán)重系數(shù)的具體表達式為：

式中，ηmax表示電力通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)重要度的最大值；ηmin表示電力通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)重要度的最小值；?max表示帶寬的最大值；?min表示帶寬的最小值；e表示鏈路運行初始系數(shù)。當電力通信網(wǎng)絡(luò)運行中業(yè)務(wù)重要度的差距越大，則數(shù)據(jù)鏈路的關(guān)聯(lián)風險權(quán)重越大，此時可以直接獲取風險對服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的影響程度；當業(yè)務(wù)重要度之間的差距較小時，網(wǎng)絡(luò)傳輸層鏈路的關(guān)聯(lián)風險可以作為數(shù)據(jù)鏈路風險識別的主要依據(jù)。

1.2 基于BowTie模型評估電力通信網(wǎng)絡(luò)安全

對上述電力通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路重要度計算完畢后，接下來建立BowTie模型，評估電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。利用事故樹，分析電力通信網(wǎng)絡(luò)風險的原因，獲取故障的數(shù)據(jù)信息，編制故障樹的最小徑集[11]。

將最小徑集轉(zhuǎn)化為故障樹的結(jié)構(gòu)，獲取故障樹結(jié)構(gòu)的重要度。基于比較原則，得出電力通信網(wǎng)絡(luò)中各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序，通過BowTie模型識別風險出現(xiàn)的原因，根據(jù)風險的性質(zhì)進行分類[12]。電力通信網(wǎng)絡(luò)中風險性質(zhì)主要包括安全政策、安全目標、不安全事件調(diào)查、組織機構(gòu)及職責、文件管理、安全信息管理、風險管理、安全教育與培訓、安全監(jiān)督與其他原因。結(jié)合BowTie模型理論，本文認為電力通信網(wǎng)絡(luò)中異常狀態(tài)導致的風險概率表達式為：

式中，t表示電力通信網(wǎng)絡(luò)運行中執(zhí)行恰當行為的時間；T0.5表示電力通信網(wǎng)絡(luò)運行中執(zhí)行恰當行為時間的平均值；A、B、C分別表示網(wǎng)絡(luò)運行層次相關(guān)系數(shù)。通過計算獲取到風險概率結(jié)果，經(jīng)過風險判斷獲取風險的層次結(jié)構(gòu)規(guī)則，利用ICAO的權(quán)重方法建立電力通信網(wǎng)絡(luò)風險評估矩陣，如表1所示。

表1 電力通信網(wǎng)絡(luò)風險評估矩陣

表1為本文構(gòu)建的電力通信網(wǎng)絡(luò)風險評估矩陣表，其中可忽略表示可以接受的安全風險，對電力通信網(wǎng)絡(luò)運行的安全可靠性不會造成影響或影響極小；輕微表示可以容忍的風險，對電力通信網(wǎng)絡(luò)運行的安全可靠性會產(chǎn)生較小的影響，但不會導致威脅發(fā)生；嚴重、危險表示不可以容忍的風險，對電力通信網(wǎng)絡(luò)運行的安全可靠性具有較大的影響，不及時處理會出現(xiàn)安全威脅，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；極度危險表示不可以接受的風險，對電力系統(tǒng)的安全可靠性具有極大的威脅。通過表1，基于BowTie模型原則與本文設(shè)計的安全可靠性評估算法，共同實現(xiàn)對電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全評估。

2 實驗分析

為了進一步客觀分析本文提出的基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法的有效性，進行了如下測試實驗。本次實驗選取由15個節(jié)點、20條鏈路共同組成的電力通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中各個部件的參數(shù)值均保持一致，業(yè)務(wù)流量請求的入口與出口對間呈線性變化?；陔娏νㄐ啪W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就近原則，將電力系統(tǒng)中編號為1、4、15、23、35、40的母線作為同一變電站，將編號為2、8、12、26、38、42的母線作為同一變電站，兩個變電站之間保持獨立，不需要光纖連接。根據(jù)分區(qū)集中式電力通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分原則，將電力通信網(wǎng)絡(luò)進行區(qū)域劃分，控制區(qū)域之間保持交叉重疊，計算不同區(qū)域在流量請求下的最優(yōu)路徑。設(shè)定鏈路的長度為120 km，鏈路容量為165 Mb/s，兩個節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)包（Link-State Packet，LSP）跳數(shù)為4跳，信息的傳輸速度為2×107m/s。根據(jù)電力系統(tǒng)中每條鏈路長度與容量參數(shù)，優(yōu)化均衡處理最大鏈路利用率，獲取本次實驗入口與出口節(jié)點對間的流量請求參數(shù)，如表2所示。

表2 電力通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對間流量請求參數(shù)

接下來，采用本文設(shè)計的安全可靠性評估算法，求解電力通信網(wǎng)絡(luò)的最大鏈路利用率，結(jié)合對比實驗的方式，與傳統(tǒng)的基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全評估算法相對比，兩種評估算法的最大延時、可靠性以及鏈路利用率如表3所示。

表3 兩種評估算法對比結(jié)果

根據(jù)表3可知，本文設(shè)計的基于BowTie模型的電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法的最大延時與鏈路利用率相對較小，能夠滿足電力系統(tǒng)流量請求延時的需求，且評估結(jié)果的可靠性值較傳統(tǒng)算法相比更加具有優(yōu)勢，能夠有效地評估電力通信網(wǎng)絡(luò)運行中存在的風險。

3 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估算法的基礎(chǔ)上，進行了一定的優(yōu)化改進，融合了BowTie模型，改善傳統(tǒng)評估算法精確度不高的問題。通過設(shè)計打破了網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度受到的限制，提高了電力通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性與擴展性，降低了電力系統(tǒng)運行中面臨的網(wǎng)絡(luò)風險，網(wǎng)絡(luò)安全可靠性評估結(jié)果的精確度也得到了有效提高，為我國實現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與管理作出了貢獻。