電力系統(tǒng)光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：目前光通信網(wǎng)已經(jīng)成為電力通信系統(tǒng)尤其是配用電通信的主要形式。但光通信設(shè)備的脆弱性以及光通信組網(wǎng)方式的復(fù)雜性給電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)信息難以實時獲取的問題，也影響了電力通信網(wǎng)絡(luò)的運維效率。為此，有必要在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中建立統(tǒng)一的信息模型和接口，并對光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進行分析，以提升光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。本文提出了統(tǒng)一的光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型，該模型規(guī)范了配置模型和性能數(shù)據(jù)模型，并實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)接口。同時，還建立了光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型，并闡述了利用該模型進行質(zhì)量分析的原理。

關(guān)鍵詞：光通信；質(zhì)量分析；信息模型；標(biāo)準(zhǔn)接口

作為整個電力網(wǎng)絡(luò)的核心，配用電網(wǎng)在電力網(wǎng)中扮演著調(diào)度的關(guān)鍵角色，因此配用電網(wǎng)通信的質(zhì)量至關(guān)重要。但迄今為止，配用電網(wǎng)絡(luò)在通信方面仍未形成規(guī)范化的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，并且電力生產(chǎn)接入網(wǎng)設(shè)備使用的接口技術(shù)和數(shù)據(jù)模型也存在著不一致的情況[1]。傳統(tǒng)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)主要使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，但該方式受到空間距離限制和各種外界干擾的影響。為解決這些問題，光通信網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于配用電網(wǎng)絡(luò)中，它能夠克服雙絞線的限制和環(huán)境干擾的問題。

然而，光通信設(shè)備的脆弱性以及光通信組網(wǎng)方式的復(fù)雜性給電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量帶來了巨大挑戰(zhàn)，這也成為優(yōu)化配用電光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的核心要求。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要建立統(tǒng)一的信息管理模型，以提高光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。這個信息管理模型能夠統(tǒng)一監(jiān)控和管理配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中的各種通信和業(yè)務(wù)資源，并支持端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量的管理。

一、光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型及接口

（一）光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括集成網(wǎng)管系統(tǒng)（Integrated Network Management System， INMS）、網(wǎng)元管理系統(tǒng)（Element Management System， EMS）、子網(wǎng)管理系統(tǒng)（Sub-Network Management System， SNMS）和多個配用點光通信子系統(tǒng)。它們共同完成對配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)控工作。在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，主要資源是各種網(wǎng)絡(luò)實體設(shè)備和在這些設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。因此，光通信網(wǎng)絡(luò)的信息模型可以分為兩個主要組成部分[2]：配置模型和性能數(shù)據(jù)模型。

配置模型抽象描述了光通信網(wǎng)絡(luò)資源的活動信息。在運行過程中，配置模型會保存一些性能參數(shù)，以便分析光通信網(wǎng)絡(luò)的整體質(zhì)量和性能。這些保存的性能參數(shù)被稱為性能數(shù)據(jù)。

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)決定了其配置模型，包括機架模型、子架模型、卡槽模型、單元盤模型和端口模型等[3]。配置模型的過程是統(tǒng)一光通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)過程。為了簡化設(shè)計，可以先設(shè)計一個通用的配置模型抽象類，然后具體的配置模型如機架模型繼承此抽象類，并在抽象類的基礎(chǔ)上增加各自特有的屬性。以機架模型為例，可以用它來查詢和配置機架信息。機架模型的基本配置屬性包括機架名稱、機架制造廠商、機架類型和機架版本等。

和機架模型類似，子架模型的配置項包括子架名稱、子架設(shè)備制造商、子架類型和子架版本；卡槽模型的配置項包括卡槽名稱、卡槽設(shè)備制造商、卡槽可接受的單元盤類型和已安裝的單元盤名稱；單元盤模型的配置項包括單元盤名稱、單元盤類型、提供的端口類型和數(shù)量，以及單元盤的使用狀態(tài)等。

性能數(shù)據(jù)模型定義了一系列必要的性能參數(shù)，包括光物理接口數(shù)據(jù)模型、以太網(wǎng)端口性能數(shù)據(jù)模型和組播性能數(shù)據(jù)模型等[4]。以光物理接口數(shù)據(jù)模型為例，其定義的性能參數(shù)主要包括發(fā)送功率、接收功率和偏置電流等。

（二）光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口

在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和資源實體通過管理接口進行交互。只有接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，才能有效、快速地傳遞數(shù)據(jù)。

為了提高接口的準(zhǔn)確性和高效性，配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的接口是基于TL1（Transaction Language 1）接口規(guī)范完成的。標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)的功能包括對光通信網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)控、故障監(jiān)控、配置監(jiān)控和安全監(jiān)控。

性能監(jiān)控能夠采集光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有性能數(shù)據(jù)，并將其上傳到中控。故障監(jiān)控可以實時監(jiān)測光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電力設(shè)備的運行情況，并及時上報故障定位信息。配置監(jiān)控可以查詢光網(wǎng)絡(luò)終端和光網(wǎng)絡(luò)單元的設(shè)備配置信息，并支持配置信息的同步。安全監(jiān)控能夠控制訪問權(quán)限，并檢測與接口安全性相關(guān)的漏洞。

光通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口主要由三個組成部分組成：輸入命令模塊、消息處理模塊和響應(yīng)輸出模塊。標(biāo)準(zhǔn)接口通過命令操控網(wǎng)元，網(wǎng)元根據(jù)輸入命令執(zhí)行相應(yīng)的動作，然后返回輸出命令。每條輸入命令消息都以Action Code開始，用于說明網(wǎng)元應(yīng)采取的動作。Staging Block是命令消息的標(biāo)識塊，其中TID用于標(biāo)識目標(biāo)網(wǎng)元，AID用于標(biāo)記要訪問的實體（例如槽位、端口等），CTAG用于關(guān)聯(lián)響應(yīng)消息和對應(yīng)的輸入命令。消息處理模塊是標(biāo)準(zhǔn)接口的核心，它在接收到輸入命令后完成具體的業(yè)務(wù)操作。該模塊的工作包括解析輸入命令消息、處理命令、輸出消息以及向用戶反饋命令執(zhí)行結(jié)果等。

響應(yīng)消息的格式與輸入命令消息類似，在生成響應(yīng)消息后將輸入命令的執(zhí)行結(jié)果返回給用戶。響應(yīng)消息包括響應(yīng)頭（Response Header）、響應(yīng)消息標(biāo)識（Response ID）、響應(yīng)塊（Response Block）和結(jié)束標(biāo)記。響應(yīng)頭標(biāo)記著響應(yīng)消息的開始，響應(yīng)消息標(biāo)識唯一標(biāo)識一條響應(yīng)消息，與其他響應(yīng)消息進行區(qū)分；響應(yīng)塊顯示響應(yīng)消息中的信息，是光終端設(shè)備與用戶之間交互的內(nèi)容；結(jié)束標(biāo)記表示響應(yīng)消息的結(jié)束。

三、光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析

（一）光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)

在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，質(zhì)量分析問題實質(zhì)上是一個多指標(biāo)評價模型。在建立此模型時，需要對配電網(wǎng)內(nèi)常用的參數(shù)和指標(biāo)進行篩選和分析。

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的通信資源包括光終端設(shè)備、光纖傳輸網(wǎng)和運行環(huán)境等。因此，為了全面衡量光通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，需要選擇覆蓋光通信網(wǎng)中所有資源實體的指標(biāo)。此外，為了提高質(zhì)量分析結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，還應(yīng)對指標(biāo)進行量化處理，以便獲得反映光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的定量分析結(jié)果。

配用電光通信網(wǎng)的質(zhì)量分析指標(biāo)模型具有多層次、多角度的特點。根據(jù)光通信網(wǎng)絡(luò)的運行結(jié)構(gòu)和特點，可以將質(zhì)量分析指標(biāo)分為資源使用類指標(biāo)、通信可靠性類指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)運行類指標(biāo)和業(yè)務(wù)支撐類指標(biāo)。

資源使用類指標(biāo)用于衡量光通信網(wǎng)中各種光終端設(shè)備的資源使用率，例如CPU使用率、內(nèi)存使用率和存儲使用率等。這些指標(biāo)直接反映光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、對電力業(yè)務(wù)的承載能力和擴展能力。通信可靠性類指標(biāo)分析光通信網(wǎng)內(nèi)的通信可靠度，判斷網(wǎng)絡(luò)是否存在丟包、網(wǎng)絡(luò)包的錯誤率以及光通信設(shè)備的在線率等。網(wǎng)絡(luò)運行類指標(biāo)確認光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各類光終端設(shè)備的運行情況，包括是否存在故障以及故障次數(shù)等；業(yè)務(wù)支撐類指標(biāo)用于判斷業(yè)務(wù)是否發(fā)生中斷、業(yè)務(wù)中斷的持續(xù)時間和業(yè)務(wù)恢復(fù)的概率等。

可以采用效度系數(shù)法對配用電光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型進行有效性驗證。假設(shè)上述指標(biāo)模型為T={t1， t2， …， tn}，參與對此指標(biāo)模型進行評價的評委數(shù)量為s，如果評委j對每個指標(biāo)的評分Xj={x1j， x2j， …， xnj}，那么某指標(biāo)的效度系數(shù)βi可以計算為：

其中q是指標(biāo)Ti的評分中的最優(yōu)值；

指標(biāo)體系的效度系數(shù)β可以表示為公式2：

由于效度系數(shù)法考慮了在對指標(biāo)進行評價分析時不同專家評價的偏離程度，因此效度系數(shù)值越小越能反映指標(biāo)的有效性。

（二）光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析原理

在光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析中，考慮到多個指標(biāo)可能導(dǎo)致計算量巨大和復(fù)雜度高的問題，可以采用主成分分析方法進行降維處理。主成分分析的實質(zhì)是將原有的多個指標(biāo)重新組合，通過一定的數(shù)學(xué)計算保證各主成份間互不相關(guān)，同時能夠保留原有指標(biāo)中的大部分信息。這樣，在光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型中，就可以將大量指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少數(shù)量的主成分指標(biāo)，而這幾個保留的指標(biāo)就稱為主成分指標(biāo)。

對光通信網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)進行采樣，假設(shè)數(shù)量為P的樣本其指標(biāo)數(shù)量是Q，并構(gòu)造P*Q的樣本矩陣：

假設(shè)Xi表示矩陣X的第i個向量，可以將q個指標(biāo)向量進行線性組合，得到主成份：

Fi= r1iX1+r2iX2+ … + rni Xn （4）

系數(shù)向量ri=（r1i， r2i， ...， rni）T的不同線性組合得到不同的主成分Fi，而且主成分間是不相關(guān)的。主成分間的地位是不同的，F(xiàn)1是所有指標(biāo)向量線性組合中方差最大的一個，因此它包含的信息量最多，在所有主成分中起到最關(guān)鍵的作用；F2是其他和F1不相關(guān)的所有指標(biāo)向量線性組合中方差最大的，以此類推就能夠得到其他所有的主成分。

各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)可能存在較大的差異，如果直接對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理可能會使某些指標(biāo)丟失部分信息。為了減少信息丟失情況，可以對各指標(biāo)的元素數(shù)據(jù)進行均值化處理，即用原始數(shù)據(jù)除以指標(biāo)均值，這一操作并不會改變指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)，因此不會產(chǎn)生信息丟失。

四、系統(tǒng)功能實現(xiàn)

光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析功能可以按照前文描述的算法對收集得到的各項指標(biāo)進行分析，根據(jù)不同指標(biāo)的權(quán)重（主成分分析的結(jié)果）得到光通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量，完成對指標(biāo)的管理、指標(biāo)數(shù)據(jù)的管理、算法管理以及質(zhì)量分析。

指標(biāo)管理是光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的基礎(chǔ)模塊，能夠查詢參與光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的指標(biāo)信息，例如指標(biāo)名稱和內(nèi)容等。當(dāng)光通信網(wǎng)的運行環(huán)境變化時，可能會對參與質(zhì)量分析的指標(biāo)有不同要求。因此，還可以動態(tài)添加指標(biāo)，從而使整個指標(biāo)模型可以隨光通信網(wǎng)運行環(huán)境的變化而動態(tài)調(diào)整。當(dāng)然，也可以刪除無效指標(biāo)。指標(biāo)數(shù)據(jù)管理功能維護數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，并以時間維度展示某指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。還能對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，比如歸一化操作，以方便后續(xù)的主成分分析。算法管理的功能是對質(zhì)量分析采用的算法進行管理及優(yōu)化，比如修改主成分分析的向量系數(shù)等。

光通信質(zhì)量分析采用“瀏覽器/服務(wù)器”架構(gòu)，邏輯上分成表示層、應(yīng)用層和持久層。表示層負責(zé)在瀏覽器前端頁面展示分析結(jié)果，并為用戶提供光通信質(zhì)量分析接口，接受用戶的輸入指令。應(yīng)用層完成具體的業(yè)務(wù)邏輯、質(zhì)量分析操作，并通過持久層獲取數(shù)據(jù)進行處理。持久層借助前文描述的標(biāo)準(zhǔn)接口從設(shè)備采集信息，并保存到數(shù)據(jù)庫中，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，為使前端界面保持良好的界面友好性和高安全性，選擇使用Flex及ActionScript進行開發(fā)。應(yīng)用邏輯代碼使用Java實現(xiàn)，客戶端及服務(wù)端的信息傳遞由Remote Object實現(xiàn)，ibatis負責(zé)完成數(shù)據(jù)持久化。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析邏輯結(jié)構(gòu)圖

在光通信網(wǎng)質(zhì)量分析系統(tǒng)中，分析結(jié)果可以通過客觀評分的方式得出。這些評分是根據(jù)指標(biāo)的權(quán)重和算法計算得出的，用于評估光通信網(wǎng)的運行質(zhì)量?？陀^評分可以幫助用戶快速了解網(wǎng)絡(luò)的整體性能。此外，光通信網(wǎng)質(zhì)量分析系統(tǒng)還提供了自定義質(zhì)量等級的功能，用戶可以根據(jù)自己的需求進行設(shè)定。

五、結(jié)束語

本文對配用電光通信網(wǎng)質(zhì)量提升的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。為了提高光通信網(wǎng)的運行質(zhì)量，文章首先確定了一個統(tǒng)一的信息管理模型和標(biāo)準(zhǔn)接口。并在此基礎(chǔ)上建立了光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的指標(biāo)模型，并介紹了進行質(zhì)量分析的原理。此外，文章還詳細說明了可靠質(zhì)量分析系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和邏輯結(jié)構(gòu)。這樣的系統(tǒng)對提高光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量非常有幫助。它不僅能夠統(tǒng)一監(jiān)控和管理配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中的各種通信和業(yè)務(wù)資源，還能夠支撐光通信網(wǎng)絡(luò)端到端的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

作者單位：許東蛟 河南省電力公司

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許東蛟（1975.01.13-），男，河南鄭州，本科，高級工程師，研究方向：通信和視訊。