基于模糊映射的電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡方法

許 劍

（北京中電飛華通信有限公司，天津 100070）

0 引 言

現(xiàn)今，電網(wǎng)正在全方位地朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，智能電力系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)以及工作當(dāng)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在新興科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，以往的電力系統(tǒng)正在不斷向著智能化、全球化的方向升級(jí)與進(jìn)步[2]。在電力系統(tǒng)中，電力通信網(wǎng)是保證整個(gè)電網(wǎng)主網(wǎng)、電網(wǎng)配網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的重要部分，也是智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)承載模塊。其中，電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載的均衡性與電力系統(tǒng)中相關(guān)電力節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)、傳輸、配置以及控制等環(huán)節(jié)，有著非常直接的關(guān)系。因此，對(duì)電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡調(diào)控技術(shù)的研究，對(duì)電力系統(tǒng)的良性循環(huán)與長(zhǎng)久發(fā)展具有重大的積極意義和價(jià)值[3]。模糊映射理論是一種對(duì)具有多維性、異構(gòu)性、模糊性數(shù)據(jù)信息的分析處理方法，可以找尋到數(shù)據(jù)信息內(nèi)在的規(guī)律性與分類結(jié)構(gòu)[4]?；谝陨媳尘?，本文研究了一種基于模糊映射理論的電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡方法，希望可以提高電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載的均衡程度，降低電力通信網(wǎng)運(yùn)行過程中遇到安全風(fēng)險(xiǎn)的概率，以此來保證電力網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行的安全性，為電力工程領(lǐng)域的穩(wěn)定、高效、持續(xù)、良性循環(huán)發(fā)展奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡的約束條件

電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載的均衡，可以通過調(diào)節(jié)電力通信網(wǎng)部分節(jié)點(diǎn)鏈路的承載業(yè)務(wù)，有效地提高通信網(wǎng)的傳輸、處理、監(jiān)測(cè)效率，保證電力網(wǎng)路整體的安全性[5]。為了實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡方法，現(xiàn)結(jié)合電力通信網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計(jì)相關(guān)的約束條件。確定路由流量業(yè)務(wù)得到傳輸延時(shí)約束條件為

式中：Ai表示路由流量業(yè)務(wù)i的傳輸時(shí)延；Bmn表示路由鏈路；A'表示中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；Lmn表示路由鏈路Bmn的長(zhǎng)度；η表示路由光纖芯區(qū)的折射率；v表示在真空環(huán)境下光的傳播速度；A0表示所有通信網(wǎng)業(yè)務(wù)的時(shí)延上限。確定路由節(jié)點(diǎn)不相交的約束條件為

式中：φi表示路由業(yè)務(wù)i經(jīng)過主路徑的中繼節(jié)點(diǎn)集合；φi'表示路由業(yè)務(wù)i經(jīng)過備份路徑的中繼節(jié)點(diǎn)集合。確定路由鏈路正常運(yùn)行的可靠度與風(fēng)險(xiǎn)度的約束條件為

式中：?(Bmn)表示路由鏈路Bmn正常運(yùn)行的可靠度；c1表示鏈路的歷史故障間隔時(shí)間；c2表示鏈路的歷史故障修復(fù)時(shí)間；?(Bmn)表示路由鏈路的風(fēng)險(xiǎn)度；e(zmn)表示路由鏈路的風(fēng)險(xiǎn)度曲線，其中zmn表示鏈路Bmn的占用率；s(Bmn)表示鏈路Bmn當(dāng)前承載業(yè)務(wù)量的總帶寬；t(Bmn)表示鏈路的極限承載帶寬。與鏈路風(fēng)險(xiǎn)度同理，得到路由節(jié)點(diǎn)yi的風(fēng)險(xiǎn)度ω(yi)，表示為

式中：fmn表示路由節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)重要度的占用率；?(yi)表示路由節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行的可靠度。通過上述對(duì)電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡相關(guān)約束條件的確定，為后續(xù)負(fù)載的優(yōu)化均衡，提供了可靠的理論依據(jù)。

2 建立負(fù)載優(yōu)化均衡模型

在負(fù)載均衡約束條件的基礎(chǔ)上引入電通信網(wǎng)路由流量的風(fēng)險(xiǎn)均衡度，作為目前電力通信網(wǎng)留有流量的負(fù)載均衡程度?；诖?，綜合分析通信網(wǎng)路由鏈路與路由節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)路流量業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均衡度的影響，建立電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載優(yōu)化均衡模型，表示為

式中：γi表示電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載的風(fēng)險(xiǎn)均衡度；γB表示路由鏈路Bmn的風(fēng)險(xiǎn)度標(biāo)準(zhǔn)差值；γy表示路由節(jié)點(diǎn)yi的風(fēng)險(xiǎn)度標(biāo)準(zhǔn)差值；G表示電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載優(yōu)化均衡模型的目標(biāo)函數(shù)。

3 基于模糊映射的模型求解

為了得到最終的負(fù)載均衡方案，本文利用模糊映射理論，上文建立的電力通信網(wǎng)路由負(fù)載均衡模型求解。模糊映射理論是一種通過將普通集之間的關(guān)聯(lián)性拓展為模糊集之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的模糊分析與優(yōu)化的聚類算法[6]。為了使模糊映射的關(guān)系可以滿足上文所述的負(fù)載均衡多維度約束條件， 對(duì)多種約束條件之間的映射關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，得到最終的負(fù)載均衡結(jié)果。設(shè)電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡約束條件的功能域?yàn)镠={h1,h2,…,hr}，對(duì)應(yīng)的物理對(duì)象域?yàn)镈={d1,d2,…,ds}。將功能域與物理對(duì)象域之間多維度的關(guān)系標(biāo)記為ζhd。其中，存在一部分h∈H，會(huì)使得d∈D，且(h,d)?ζhd。當(dāng)負(fù)載均衡約束條件滿足以上關(guān)系時(shí)，即表示完成負(fù)載均衡條件的功能域到物理對(duì)象域的模糊映射關(guān)系，表示為

式中：表示的模糊映射關(guān)系φ是H×D的模糊集，該集合表示為H×D={(h,d)|h∈H,d∈D}。根據(jù)負(fù)載均衡約束條件的客觀特點(diǎn)，當(dāng)物理對(duì)象域中的元素d，滿足功能h，其之間的模糊關(guān)系記為φ0，模糊映射關(guān)系的隸屬度大小為τ0(h,d)，那么可以得到負(fù)載均衡約束條件之間的模糊關(guān)系矩陣，表示為

式中：m=1, 2, …, r；n=1, 2, …, s。根據(jù)模糊關(guān)系矩陣計(jì)算得到不同負(fù)載均衡約束條件之間的關(guān)聯(lián)度影響，從而確定其對(duì)應(yīng)的權(quán)值，代入電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載優(yōu)化均衡模型，就可以得到最終的最優(yōu)計(jì)算結(jié)果，在滿足電力通信網(wǎng)路由主、備份鏈路承載業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，保證負(fù)載的均衡程度，為電力通信網(wǎng)的安全、高效運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

4 試驗(yàn)與檢測(cè)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的基于模糊映射理論的電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡方法的可行性，設(shè)計(jì)了仿真模擬對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)某地區(qū)的電力通信網(wǎng)的基本信息，利用Matlab軟件搭建仿真拓?fù)渥鳛樵囼?yàn)的基礎(chǔ)條件。相關(guān)的參數(shù)信息如表1所示。

表1 某地電力通信網(wǎng)仿真拓?fù)涞南嚓P(guān)參數(shù)表

4.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

在上述試驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載均衡效果的檢測(cè)與分析。隨機(jī)選取5組不同的電力通信網(wǎng)路由流量業(yè)務(wù)量，作為試驗(yàn)對(duì)象。分別采用本文設(shè)計(jì)的基于模糊映射的負(fù)載均衡方法（試驗(yàn)組）、傳統(tǒng)方法（對(duì)照組1）以及基于蟻群算法的負(fù)載均衡方法（對(duì)照組2）對(duì)5組不同大小的業(yè)務(wù)量進(jìn)行負(fù)載的優(yōu)化均衡處理。記錄不同方法處理運(yùn)行時(shí)間的平均值以及均衡后主、備份鏈路的傳輸時(shí)延的平均值，進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 不同方法的運(yùn)行時(shí)間與鏈路傳輸時(shí)延對(duì)比表

由表2可知，對(duì)于5組不同大小的業(yè)務(wù)量，試驗(yàn)組完成負(fù)載優(yōu)化均衡處理的運(yùn)行時(shí)間平均值均低于對(duì)照組 1、對(duì)照組 2，分別低 22.91 s、8.62 s。經(jīng)過負(fù)載均衡處理后，試驗(yàn)組方法路由流量的主鏈路傳輸時(shí)延平均值均低于對(duì)照組1、對(duì)照組2，分別低0.14 ms、0.06 ms；試驗(yàn)組方法路由流量的備份鏈路傳輸時(shí)延平均值均低于對(duì)照組1、對(duì)照組2，分別低3.26 ms、1.89 ms。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于模糊映射理論的電力通信網(wǎng)路由流量負(fù)載聚能方法具有高效性與實(shí)時(shí)性，保證負(fù)載均衡處理速度的同時(shí)，優(yōu)化了通信網(wǎng)主、備份鏈路的傳輸路徑，提高了電力通信網(wǎng)整體的通信效率。

在本文設(shè)計(jì)方法具有高效性的基礎(chǔ)上，檢測(cè)其負(fù)載均衡效果。與上述試驗(yàn)條件一致，隨機(jī)選取5組不同大小的業(yè)務(wù)量作為試驗(yàn)對(duì)象，分別利用3種方法進(jìn)行負(fù)載的優(yōu)化均衡處理，記錄不同方法的均衡結(jié)果，計(jì)算鏈路負(fù)載的均衡度，進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1所示。

圖1 不同方法的鏈路負(fù)載均衡度對(duì)比

由圖1可知，對(duì)于5組不同大小業(yè)務(wù)量，試驗(yàn)組方法的鏈路負(fù)載均衡度均低于對(duì)照組1、對(duì)照組2，試驗(yàn)組方法的鏈路負(fù)載均衡度的平均值為0.028 5。表明本文設(shè)計(jì)方法的負(fù)載均衡效果更加優(yōu)秀，可以更加精確地選擇鏈路負(fù)載均衡度最低的傳輸路徑，從而提高電力通信網(wǎng)路由流量的傳輸效率，降低鏈路的業(yè)務(wù)承載量，為電力通信網(wǎng)的高效運(yùn)行提供了有效的技術(shù)支持。

5 結(jié) 論

電力通信網(wǎng)絡(luò)作為電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性是保證電網(wǎng)主、配網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要部分。為了提高智能電網(wǎng)整體運(yùn)營(yíng)的安全性，必須加強(qiáng)研究電力通信網(wǎng)絡(luò)路由流量負(fù)載的均衡方法，提高電力通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行性，促進(jìn)電力工程領(lǐng)域的良性循環(huán)發(fā)展。