基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略

薛宏利，蔡澤祥，胡凱強(qiáng),王薇，劉媛媛

(1國網(wǎng)益陽供電公司，湖南 益陽 413000；2華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

隨著能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的推進(jìn)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，海量分布式能源和配用電系統(tǒng)智能設(shè)備大量接入配電網(wǎng)。在異構(gòu)多源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長的同時(shí)，配用電業(yè)務(wù)呈現(xiàn)體量大、種類多、通信要求各異等顯著特點(diǎn)，傳統(tǒng)配用電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)難以滿足新形勢下配用電業(yè)務(wù)通信實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等需求[1-3]。

配用電物聯(lián)網(wǎng)作為新形勢下配用電自動(dòng)化系統(tǒng)的解決方案，利用物聯(lián)網(wǎng)“云管邊端”架構(gòu)和先進(jìn)的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接入，可有效提升配用電系統(tǒng)、終端的信息化、智能化水平[4-5]。邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚接入和處理轉(zhuǎn)發(fā)的中轉(zhuǎn)站，具有數(shù)據(jù)協(xié)議識(shí)別、數(shù)字標(biāo)簽和優(yōu)先級(jí)調(diào)度等功能，是配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通信過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在海量異構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)突發(fā)接入時(shí)，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)面臨著巨大的通信壓力，如何有效保障配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信需求是亟需研究的問題[6]。

目前針對(duì)保障電力業(yè)務(wù)通信需求的研究集中在業(yè)務(wù)帶寬分配、數(shù)據(jù)包調(diào)度等方面。文獻(xiàn)[7]提出基于M/M/1/k排隊(duì)模型的帶寬計(jì)算方法，根據(jù)各類配用電信息采集業(yè)務(wù)的通信需求預(yù)測最佳分配帶寬，計(jì)算方法簡單但未對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，分析精度低。文獻(xiàn)[8-11]理論分析配用電業(yè)務(wù)在介質(zhì)訪問控制(media access control，MAC)接入過程中的性能指標(biāo)，并將其作為業(yè)務(wù)通信調(diào)度的決策依據(jù)；該方法分析精度高但計(jì)算模型復(fù)雜，實(shí)用性差。對(duì)于電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法，傳統(tǒng)方法如先進(jìn)先出(first input first output，F(xiàn)IFO)算法、動(dòng)態(tài)價(jià)值密度(dynamic value density，DVD)算法、最早截止期優(yōu)先(earliest deadline first，EDF)算法等[12-13]，均只考慮單一業(yè)務(wù)特性，難以應(yīng)對(duì)海量異構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)突發(fā)接入時(shí)的通信需求。文獻(xiàn)[14]結(jié)合數(shù)據(jù)報(bào)文的重要度及最大等待時(shí)間，提出一種復(fù)雜度較低且可保證不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的公平性隊(duì)列調(diào)度算法，這種方法采用靜態(tài)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，但沒有考慮業(yè)務(wù)通信的時(shí)效性。文獻(xiàn)[15-18]建立改進(jìn)加權(quán)公平隊(duì)列模型，用于需求響應(yīng)業(yè)務(wù)各類信息的通信隊(duì)列調(diào)度，在保證實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)接入的情況下，盡量減少非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的等待延時(shí)；這種方法僅針對(duì)電力需求響應(yīng)場景下的業(yè)務(wù)接入，應(yīng)用范圍小。文獻(xiàn)[19]提出多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QOS)保障的資源分配策略，以最大化基于有效容量的系統(tǒng)總效用為目標(biāo)進(jìn)行業(yè)務(wù)接入，但未考慮業(yè)務(wù)之間的動(dòng)態(tài)搶占，系統(tǒng)業(yè)務(wù)的整體接入成功率不高。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文提出一種基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略。首先根據(jù)配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信需求和重要性評(píng)估業(yè)務(wù)通信價(jià)值，作為業(yè)務(wù)通信調(diào)度的重要參考；然后基于業(yè)務(wù)通信價(jià)值建立多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型，分析邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處理轉(zhuǎn)發(fā)各類業(yè)務(wù)的平均排隊(duì)延時(shí)，為業(yè)務(wù)調(diào)度提供理論支撐；其次，綜合考慮業(yè)務(wù)剩余價(jià)值密度和業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切性，建立業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子，并結(jié)合業(yè)務(wù)搶占機(jī)制和設(shè)置搶占閾值，提出基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)調(diào)度策略；最后，通過OPNET仿真分析驗(yàn)證該調(diào)度策略的有效性。

1 配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及其通信價(jià)值評(píng)估

1.1 配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

根據(jù)配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的功能和特性，總體上將其分為運(yùn)行控制類和信息采集類2大類[20]。其中運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)包括配電網(wǎng)自動(dòng)化、用電負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)和分布式能源調(diào)控等，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)監(jiān)測、控制和快速故障隔離等功能。信息采集類業(yè)務(wù)主要包括低壓集抄、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等，功能包括對(duì)用戶、設(shè)備和環(huán)境等進(jìn)行信息采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

不同配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之間的重要性和通信需求存在差異。運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)影響著配電網(wǎng)中生產(chǎn)、控制等關(guān)鍵步驟，重要性高，突發(fā)性強(qiáng)，但業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量小，發(fā)生頻率低，對(duì)配用電物聯(lián)網(wǎng)的通信帶寬、傳輸延時(shí)、丟包率和安全性等有較高要求。信息采集類業(yè)務(wù)覆蓋的對(duì)象類型和數(shù)量多，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量巨大，周期性強(qiáng)，對(duì)通信的傳輸延時(shí)、丟包率和安全性等要求并不高。

1.2 業(yè)務(wù)通信價(jià)值評(píng)估

業(yè)務(wù)通信價(jià)值不僅能評(píng)估業(yè)務(wù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到目的地所帶來的效益，還能反映當(dāng)業(yè)務(wù)通信存在故障或發(fā)生中斷時(shí)，對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成的損失程度[21]。引入業(yè)務(wù)通信價(jià)值來評(píng)估配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在通信中的重要程度，運(yùn)用特征指標(biāo)法結(jié)合通信需求和重要性來計(jì)算不同配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信價(jià)值[22]，為業(yè)務(wù)調(diào)度提供參考。

定義：B={bi}(i=1,2,…,N)為業(yè)務(wù)集，共N種業(yè)務(wù)；Q={qm}(m=1,2,…,M)為影響業(yè)務(wù)通信價(jià)值的特征指標(biāo)集合，共M個(gè)指標(biāo)。定義si(qm)為業(yè)務(wù)bi在特征指標(biāo)qm下的要求標(biāo)準(zhǔn)：如果bi在指標(biāo)qm下相對(duì)于其他業(yè)務(wù)要求最低，則si(qm)=1；如果bi在指標(biāo)qm下相對(duì)于其他業(yè)務(wù)要求最高，則si(qm)=Sbi。Sbi體現(xiàn)了業(yè)務(wù)集合B在qm下的需求差異程度，表示所有業(yè)務(wù)在qm下有Sbi種不同需求。定義BN(qm,bi)為bi在qm下的排序序號(hào)，B(qm,BN)為在qm下排序序號(hào)為BN的業(yè)務(wù)，定義特征指標(biāo)集Q和業(yè)務(wù)集B到正整數(shù)域的映射f：Q×B→Z+，有

(1)

式中：B(qm,BN)?B(qm,BN-1)表示在特征指標(biāo)qm下，排序序號(hào)為BN的業(yè)務(wù)需求比排序序號(hào)為BN-1的業(yè)務(wù)高；B(qm,BN)?B(qm,BN-1)表示排序序號(hào)為BN的業(yè)務(wù)需求與排序序號(hào)為BN-1的業(yè)務(wù)相同。通過映射f：Q×B→Z+可以獲得業(yè)務(wù)bi在特征指標(biāo)qm下的要求標(biāo)準(zhǔn)si(qm)。根據(jù)指標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各類業(yè)務(wù)之間的相對(duì)通信價(jià)值矩陣A(qm)N×N，其元素

(2)

式中aij(qm)表示bi在qm下相對(duì)于業(yè)務(wù)bj的通信價(jià)值大小，bi∈B、bj∈B。由式(2)可知，aij(qm)有Sbi+1個(gè)取值可能，即bi在qm下相對(duì)于bj的通信價(jià)值有Sbi+1種等級(jí)，其取值與Sbi有關(guān)，aij(qm)值越大，表示bi在qm下相對(duì)于bj的通信價(jià)值越高。對(duì)特征指標(biāo)集合Q中所有指標(biāo)下的業(yè)務(wù)相對(duì)通信價(jià)值矩陣進(jìn)行求和，得到業(yè)務(wù)綜合相對(duì)通信價(jià)值矩陣CN×N，其元素

(3)

對(duì)矩陣C第i行元素求和，得到業(yè)務(wù)bi較其他業(yè)務(wù)的綜合相對(duì)通信價(jià)值

(4)

對(duì)ci,sum進(jìn)行歸一化處理，映射到區(qū)間[X,1]﹝X∈(0,1)﹞上，得到業(yè)務(wù)bi的通信價(jià)值

(5)

根據(jù)所涉及的7類配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，本文取X=0.2，將業(yè)務(wù)最大通信價(jià)值和最小通信價(jià)值的距離設(shè)定為5倍，使得業(yè)務(wù)通信價(jià)值評(píng)估具有良好的區(qū)分性，能夠有效指導(dǎo)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。根據(jù)業(yè)務(wù)通信需求和重要性，按照式(1)—(5)計(jì)算業(yè)務(wù)通信價(jià)值，結(jié)果見表1。

表1 配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征指標(biāo)及其通信價(jià)值

2 配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略

2.1 多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型

從統(tǒng)計(jì)角度來看，配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在某一時(shí)刻成批到達(dá)邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)緩存隊(duì)列，并且數(shù)據(jù)包到達(dá)間隔時(shí)間符合均值為λ的泊松分布，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)以服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ的負(fù)指數(shù)分布處理轉(zhuǎn)發(fā)緩存隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包[23]。

基于多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型的邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將優(yōu)先滿足高通信價(jià)值業(yè)務(wù)的服務(wù)需求，在緩存隊(duì)列里體現(xiàn)為高通信價(jià)值業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包具有高優(yōu)先級(jí)。多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型如圖1所示。業(yè)務(wù)通信價(jià)值越高，數(shù)據(jù)包排名越靠前，具有相同通信價(jià)值的業(yè)務(wù)，按照先到先服務(wù)的策略排隊(duì)。

在時(shí)間T內(nèi)到達(dá)的同一批業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包共有K種類型，即存在K種優(yōu)先級(jí)，緩存隊(duì)列平均長度為L，現(xiàn)分析第k優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的平均排隊(duì)時(shí)間Tk。由圖1可知，Tk分為3個(gè)部分，分別為前一批次數(shù)據(jù)包處理時(shí)間tp、更高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包處理時(shí)間th和同優(yōu)先級(jí)排在前面的數(shù)據(jù)包處理時(shí)間tq。

圖1 多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型

假設(shè)隊(duì)列中包含n個(gè)前一批次到達(dá)的數(shù)據(jù)包，由于n的不確定性，tp可表示為

(6)

式中pn為n取各個(gè)值的概率，且當(dāng)排隊(duì)系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，pn滿足[24]：

(7)

定義Ni為隊(duì)列中第i優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，則

(8)

假設(shè)該第k優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包在隊(duì)列同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包中排第j，則

(9)

式中pj為j取各個(gè)值的概率，且pj=1/Nk。綜合式(6)—(9)，可求得

(10)

根據(jù)Little定律[25]對(duì)本文多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型進(jìn)行分析，可得

(11)

聯(lián)立式(10)、式(11)可以進(jìn)一步求得

(12)

綜上分析可知，各類業(yè)務(wù)在邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)緩存隊(duì)列的平均排隊(duì)時(shí)間與業(yè)務(wù)到達(dá)率、服務(wù)率、排隊(duì)次序以及各類數(shù)據(jù)包數(shù)量有關(guān)。

2.2 基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)調(diào)度策略

當(dāng)海量配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)時(shí)，運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)通信價(jià)值高，通信優(yōu)先級(jí)高，數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，排隊(duì)時(shí)間較短，信息采集類業(yè)務(wù)通信價(jià)值低，通信優(yōu)先級(jí)低，數(shù)據(jù)量大，排隊(duì)時(shí)間較長。在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)突發(fā)接入時(shí)，僅采用業(yè)務(wù)通信價(jià)值作為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，容易造成信息采集類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的大量堆積和丟失，影響業(yè)務(wù)通信整體的實(shí)時(shí)性和可靠性。針對(duì)這些問題，本文在考慮業(yè)務(wù)通信價(jià)值的同時(shí)，結(jié)合業(yè)務(wù)通信的時(shí)效性，提出基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略。

2.2.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包屬性

到達(dá)的同一批次業(yè)務(wù)B={bi}(i=1,2,…,N)數(shù)據(jù)包具有以下屬性，見表2，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)提取識(shí)別數(shù)據(jù)包屬性。

表2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包屬性

2.2.2 業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子

結(jié)合業(yè)務(wù)通信價(jià)值和時(shí)效性，引入剩余通信價(jià)值密度Gi(t)(即在業(yè)務(wù)剩余服務(wù)時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間產(chǎn)生的業(yè)務(wù)通信價(jià)值)，量化業(yè)務(wù)bi數(shù)據(jù)包滯留時(shí)間為t時(shí)的重要程度。bi的通信價(jià)值積累函數(shù)[21]

(13)

(14)

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要在絕對(duì)截止期內(nèi)完成處理轉(zhuǎn)發(fā)，越臨近絕對(duì)截止時(shí)間，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信需求越迫切，因此本文引入業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度來刻畫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的迫切性。定義Hi(t)為業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度，主要由業(yè)務(wù)理論服務(wù)時(shí)間Ei和業(yè)務(wù)處理空閑時(shí)間Di-t之比來決定。Hi(t)可以通過業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度系數(shù)v(v>1)進(jìn)行調(diào)整，如式(15)：

(15)

綜合考慮業(yè)務(wù)剩余通信價(jià)值密度Gi(t)和業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度Hi(t)，本文將業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子Yi(t)作為實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的指標(biāo)，Yi(t)越大，則該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)越高，其計(jì)算公式為：

(16)

根據(jù)業(yè)務(wù)特性和緩存隊(duì)列服務(wù)情況，可通過設(shè)置業(yè)務(wù)通信價(jià)值累計(jì)變化指數(shù)p和業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度系數(shù)v來調(diào)整業(yè)務(wù)調(diào)度中通信價(jià)值和通信時(shí)效性對(duì)優(yōu)先級(jí)的影響程度。

2.2.3 業(yè)務(wù)搶占機(jī)制

在緩存隊(duì)列中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包存在3種狀態(tài)，分別為正在處理、排隊(duì)等待處理和超過絕對(duì)截止期即將被丟棄。當(dāng)同一批業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包到達(dá)邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)緩存隊(duì)列時(shí)，首先處理初始優(yōu)先級(jí)高的業(yè)務(wù)，之后隨著時(shí)間推移或者新一批業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包到達(dá)，隊(duì)列中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)會(huì)發(fā)生變化，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在一定條件下可以搶占正在處理數(shù)據(jù)包的服務(wù)資源。

由式(16)可知，在業(yè)務(wù)等待處理和正在處理的過程中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子隨時(shí)間的變化不同程度地增大，這可能會(huì)造成2個(gè)或者多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)交替上升，發(fā)生業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包反復(fù)搶占，即顛簸現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信性能下降。為了減少顛簸現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)置一個(gè)業(yè)務(wù)搶占閾值β，限制動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子相差較小的業(yè)務(wù)之間發(fā)生服務(wù)資源搶占。例如，正在處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包bk和排隊(duì)等待處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包bj，在t時(shí)刻二者的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子分別為Yk(t)和Yj(t)，則發(fā)生業(yè)務(wù)搶占的條件為

(17)

2.2.4 基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子的業(yè)務(wù)調(diào)度策略

基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)調(diào)度策略

3 仿真分析

3.1 仿真場景與參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略的有效性，選取某智能配電臺(tái)區(qū)為應(yīng)用場景，通過網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)OPNET[26]仿真分析邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處理轉(zhuǎn)發(fā)配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通信性能，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)仿真場景

在網(wǎng)絡(luò)仿真場景中，配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過光纖/WALN匯聚到邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，然后通過光纖轉(zhuǎn)發(fā)至電力物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)[7]。

仿真過程中主要對(duì)業(yè)務(wù)特性參數(shù)和邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)流量特征，業(yè)務(wù)匯聚流量大小設(shè)定為200 Kbit/s～10 Mbit/s，其中運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)和信息采集類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生比例為1:10。運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)采用泊松分布模擬產(chǎn)生隨機(jī)性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，信息采集類業(yè)務(wù)采用均勻分布模擬產(chǎn)生周期性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包長度和上傳頻率參考文獻(xiàn)[27]。邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)能力為5 Mbit/s，緩存隊(duì)列容量為500 MB。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 基本性能分析

為了研究業(yè)務(wù)通信價(jià)值累計(jì)變化指數(shù)p、業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度系數(shù)v和業(yè)務(wù)搶占閾值β對(duì)策略性能的影響，本文設(shè)定業(yè)務(wù)到達(dá)率為10 Mbit/s，通過控制變量法設(shè)置3個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，仿真分析不同p、v、β下的通信性能。

實(shí)驗(yàn)1：設(shè)定v=2、β=1.5，并配置不同的p值，仿真分析p對(duì)本文所提策略性能的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可知，當(dāng)p值增大時(shí)，正在被處理業(yè)務(wù)的剩余通信價(jià)值密度增大，不易被搶占，能夠保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包能被順利處理，因此丟包率隨著p值的增大而降低。當(dāng)p值增大到一定程度時(shí)，業(yè)務(wù)通信時(shí)效性對(duì)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響過小，可能會(huì)導(dǎo)致一些業(yè)務(wù)無法及時(shí)完成，丟包率有所回升。隨著p值增大，業(yè)務(wù)剩余通信價(jià)值密度對(duì)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的影響程度增大，業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度對(duì)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的影響程度減小，因此在業(yè)務(wù)調(diào)度過程中大大提高了高通信價(jià)值業(yè)務(wù)的處理成功率，提升了邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信收益，如圖4(b)所示。由圖4(c)可知，隨著p值增加，業(yè)務(wù)之間發(fā)生搶占的次數(shù)減少，能夠降低因業(yè)務(wù)搶占而造成的資源損失?？偟膩碚f，增加p值能夠在一定程度上提高邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信性能，但當(dāng)p值繼續(xù)增大到一定值時(shí)，通信性能趨于穩(wěn)定或有所下降；這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)剩余通信價(jià)值密度對(duì)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響過大，忽略了業(yè)務(wù)時(shí)效性的影響，導(dǎo)致一些業(yè)務(wù)未能在截止期前完成。

圖4 配置不同業(yè)務(wù)通信價(jià)值累計(jì)變化指數(shù)時(shí)算法性能仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)2：設(shè)定p=2、β=1.5，配置不同的v值，仿真分析v對(duì)本文所提算法性能的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 配置不同執(zhí)行迫切度系數(shù)時(shí)的算法性能仿真結(jié)果

由圖5(a)可知，當(dāng)v值增大時(shí)，業(yè)務(wù)通信時(shí)效性對(duì)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響增大，能夠在一定程度上提升業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在截止期前完成的概率，降低丟包率。當(dāng)v值增大到一定程度時(shí)，正在被處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)執(zhí)行迫切度不變，緩存隊(duì)列中等待業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的執(zhí)行迫切性隨著截止期的臨近而不斷增大，業(yè)務(wù)搶占發(fā)生的頻率提高，業(yè)務(wù)搶占次數(shù)不斷上升，如5(c)圖所示。業(yè)務(wù)搶占頻繁發(fā)生，導(dǎo)致邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處理業(yè)務(wù)的效益下降，如圖5(b)所示，并且丟包率也開始上升。總而言之，增大v值能夠促進(jìn)業(yè)務(wù)搶占，在一定程度上增加業(yè)務(wù)調(diào)度的靈活性，但當(dāng)v值繼續(xù)增大到一定值時(shí)，通信時(shí)效性對(duì)業(yè)務(wù)調(diào)度的影響過大，忽略了業(yè)務(wù)通信價(jià)值的影響，業(yè)務(wù)搶占頻繁發(fā)生，反而對(duì)邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的性能造成不利影響。

實(shí)驗(yàn)3：設(shè)定p=2、v=2，配置不同搶占閾值β，仿真分析β對(duì)本文所提算法性能的影響，仿真結(jié)果見表3。

表3 不同搶占閾值下邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信性能

由表3可知，提高搶占閾值能夠明顯減少業(yè)務(wù)搶占次數(shù)，降低業(yè)務(wù)處理的平均延時(shí)，但會(huì)造成業(yè)務(wù)丟包率的上升，且當(dāng)處于β=1和β=∞這2種極端情況時(shí)，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信收益都不理想，相較于β=1.5時(shí)通信效益更低。因此需要綜合考慮業(yè)務(wù)通信需求和通信網(wǎng)絡(luò)狀況，選取合適的搶占閾值，從而滿足業(yè)務(wù)通信需求和提升邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信效益。

3.2.2 應(yīng)用性能分析

當(dāng)邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)采用基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)調(diào)度策略時(shí)，p值和v值均取2，業(yè)務(wù)搶占閾值β取1.5。各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的平均處理時(shí)延和多優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型理論分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著業(yè)務(wù)到達(dá)率增加，配電網(wǎng)自動(dòng)化、分布式能源控制和負(fù)荷需求響應(yīng)等運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)的平均處理時(shí)延分別在0.08～0.20 s、0.14～0.43 s和0.21～0.62 s緩慢上升，而信息采集類業(yè)務(wù)在0.49～1.30 s內(nèi)快速增大，表明本文所提策略能夠有效滿足運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)的通信需求[28]。對(duì)比仿真值與理論分析結(jié)果可知，仿真值雖然有細(xì)微波動(dòng)，但其曲線與理論分析結(jié)果變化趨勢吻合，從而驗(yàn)證了多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)排隊(duì)模型的正確性。由于基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)調(diào)度策略考慮到了業(yè)務(wù)通信價(jià)值和通信時(shí)效性，在保障運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)的通信需求的同時(shí)，可改善業(yè)務(wù)通信的公平性，相較于理論分析結(jié)果在一定程度上降低了信息采集類業(yè)務(wù)的平均排隊(duì)時(shí)間。

圖6 業(yè)務(wù)平均處理時(shí)延

邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)緩存隊(duì)列中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在超過絕對(duì)截止期時(shí)會(huì)有一定的概率發(fā)生丟包，對(duì)比分析FIFO法、DVD法、EDF法和本文策略下邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處理轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的平均丟包率，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 業(yè)務(wù)平均丟包率

在業(yè)務(wù)到達(dá)率小于5.6 Mbit/s時(shí)，EDF方法丟包率最低，因?yàn)槠淇偸悄軌蛟诮^對(duì)截止期前處理最緊迫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包。而在業(yè)務(wù)到達(dá)率進(jìn)一步增加時(shí)，本文策略開始具有明顯優(yōu)勢，能夠合理安排長時(shí)間等待業(yè)務(wù)搶占服務(wù)資源，降低業(yè)務(wù)超過絕對(duì)截止期從而發(fā)生丟包的概率。FIFO方法、EDF方法和DVD方法不能對(duì)前端業(yè)務(wù)進(jìn)行搶占，大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)導(dǎo)致后端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包長時(shí)間等待超過絕對(duì)截止期，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)處理轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的可靠性遇到瓶頸。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包被成功處理轉(zhuǎn)發(fā)則實(shí)現(xiàn)其通信價(jià)值，給邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)創(chuàng)造效益；處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包超過絕對(duì)截止期限則通信價(jià)值喪失，且無效占用邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)資源，造成效益損失[29]。本文仿真分析了不同業(yè)務(wù)調(diào)度策略下的邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信效益，結(jié)果如圖8所示。

圖8 邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信效益

由圖8可知，當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)率較小(≤5 Mbit/s)時(shí)，本文策略相較于EDF方法的通信價(jià)值收益差，這是因?yàn)楫?dāng)通信負(fù)載較低時(shí)，只要能合理安排截止期早的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，EDF方法就能保證絕大部分業(yè)務(wù)能及時(shí)完成，邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信效益最高。當(dāng)業(yè)務(wù)到達(dá)率較高(≥5 Mbit/s)時(shí)，DVD方法優(yōu)先選擇處理高通信價(jià)值的業(yè)務(wù)，可能造成截止期早的業(yè)務(wù)錯(cuò)過截止期而丟失通信價(jià)值，導(dǎo)致邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信收益受損。在海量配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入時(shí)，由于通信資源限制，需要保護(hù)部分關(guān)鍵業(yè)務(wù)的通信需求，而本文策略綜合考慮業(yè)務(wù)通信價(jià)值和通信時(shí)效性，合理安排業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的搶占處理，緩解業(yè)務(wù)通信價(jià)值損失的程度，此時(shí)邊緣物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的通信收益高于EDF方法和DVD方法。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的配用電物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度策略，綜合考慮業(yè)務(wù)通信價(jià)值和業(yè)務(wù)通信時(shí)效性，建立業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)因子作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)調(diào)度的指導(dǎo)依據(jù)，并加入業(yè)務(wù)搶占機(jī)制和設(shè)置搶占閾值，滿足不同業(yè)務(wù)的通信需求。OPNET仿真分析驗(yàn)證了本文所提業(yè)務(wù)調(diào)度策略的有效性，在保障運(yùn)行控制類業(yè)務(wù)的通信需求的同時(shí)，可降低信息采集類業(yè)務(wù)的排隊(duì)延時(shí)，并且在海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)突發(fā)接入時(shí)，相較于傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)調(diào)度算法具有更好的可靠性和效益。