時空勢大數據關聯的電力應急分布式通信會商系統①

鄧 創

(國網四川省電力公司 電力應急中心,成都 610094)

“堅強智能電網”(Strong Smart Grid,SSG)是國家電力“十三五”發展規劃的重要建設內容[1],其注重可靠性和智能化的動態平衡,通過將電力流、信息流和業務流的深度融合關聯,在大幅提升電網運營效率的同時,著重增強電網的魯棒性和安全性. 由于狀態和事故的不確定性,電力網絡的運行存在不可避免的“失能”態勢,因此從全局性穩態控制出發,應急預警和控制是堅強智能電網的必要反饋環路和自適應狀態調整的重要支撐部分.

時間和空間是電力網絡建設的基礎依據,使得電網運行狀態和事故都與時空緊密關聯,國內外科研機構都將基于地理空間信息作為電力應急系統的重點突破思路,其主要集中在全局網絡隨時控制、地域網絡脆弱性、電力負荷特征管制等時、空、電多元因素.全局網絡隨時控制主要是以電力系統發電、輸電、變電、配電、用電和調度的單一步驟信息抓取[2],每一步驟的狀態緊密依靠前一步驟的態勢發展,因此,采集數據量大、傳輸時延長,反饋控制效果差. 地域網絡脆弱性是基于GIS (Geographic Information System)映射到電力傳輸網絡,構建以地理信息關聯集群調度指揮信息、應急移動視頻會商數據、應急單兵需求等,使得電力應急態勢以地圖形式顯示在可視化的平臺中[3],大幅提升了電網應急系統的信息可用性.

通過與靈通度結合,構建電力通信網絡的抗毀性模型,設計可靠性測度指標[4],能夠對電力通信網絡的保障能力進行有效評估. 但是純物理網絡概念需要進一步擴展到實際電力運營元素中才能具有實質性指導意義. 因此引入態勢標繪系統,融合地理信息系統[5],構建一體化的應急態勢多維特征表達平臺,將能在不同異構網絡下多源平臺態勢融合分析和協調. 基于實體模型的二維軍標標繪技術[6]進一步從地理信息角度提升應急處理的精細度. 路徑選擇算法[7]、跨平臺符號轉換[8]、態勢標繪元素分類體系[9]等新技術和方法的提出,優化了電力應急系統的適應能力和基準.

NG (Next Generation)112 Crossroads應急通信項目[10]于2016年被提出,面向異構網絡融合以及服務聚合的需求,提出了新型的應急通信架構,其包括應急服務路由代理ESRP (Emergency Service Routing Proxy),應急呼叫路由功能ECRF (Emergency Call Routing Function)、邊界控制功能BCF (border control function)、傳統網關LNG (Legacy Network Gateway)以及位置信息服務器LIS (Location Information Server). 由此,可以以OTT(Over The Top)和VoLTE (Voice on Long Term Evolution)的模式接入到應急通信網絡中,從而提供更便捷的應急通信服務. KE Markakis等提出了EMYNOS下一代應急通信項目[11],其設計了分離交互關聯的應急通信網絡架構,融合了位置管理、互操作管理以及內容感知管理等功能形成服務中間價,為業務監測點以及應急通信節點提供快速的網絡管理服務. 學習增強型的應急通信架構RescueNet[12]設計了自適應節點用于感知應急通信區域的網絡流量,并構建了強交互的知識共享代理,有效提升了特定任務下流量突發劇增的通信服務效率.

然而,在實際電力應急通信事件中,跨域、跨網、跨時的多地區、多部分協同應急指揮和會商具有更高的實用需求,因此實際應用中主要存在以下兩方面的問題.

(1)異質應急信息缺乏等效時空基準,難以支撐分布式應急協作和管理. 傳統的多方在線會商基于流媒體協議進行網域內單維傳輸,語音、文字和視頻中缺乏統一的地理信息標志,異質數據難以在數據層進行基于時空信息的融合.

(2)對象間的空間關系在應用層中表征效率低,態勢信息的可用程度依賴于決策者原有的知識庫,難以提升電力應急信息的作用效果. 由此電力網絡的事故發生隨機性、隨域性、隨時性嚴重,因此決策者很難從已過濾的數據中獲得具體的參考信息,事件發生的地點、周邊地理環境、現場路網分布、故障影響范圍、應急資源的分布以及搶修隊伍力量部署位置等信息關聯關系弱.

因此,針對電力應急通信指揮系統存在的異質數據融合難和信息關聯關系表征效率低的問題,本文研究了時空勢大數據關聯的電力應急分布式通信會商系統,設計了業務無關的動態分布式電力應急隨域架構,使得系統架構能夠適應電力應急通信的特定需求,隨時擴展系統功能. 提出了時空勢大數據異質基準,設定的融合基準能夠有效將不同數據轉換到地理時空坐標上. 制定了電力應急通信協商態勢標繪元素分類基礎,準確地評估跨地區、跨部門的業務應急能力,減少了數據維護和地圖統一的難度. 通過在ArcGIS和Linux上搭建的電力應急協商系統進行實驗驗證,本文方法能夠有效提升協同響應時間和系統態勢可視化的成功性.

1 業務無關的動態分布電力應急隨域架構

業務無關的動態分布式電力應急隨域架構設計首先是借鑒了軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)的控制與傳輸相分離思想,將電力應急通信網絡的業務與控制分離,通過與業務無關的軟件可編程組件進行網絡構造[10],同時將應急通信網絡設備完成某一區域的互聯共享,基于應用、用戶、會話的實時變化來實現不同的細粒度控制. 由此,將電力應急通信網絡從功能層面上虛擬劃分為應用層、控制層和設備層三個維度,如圖1所示.

圖1 業務無關的動態分布式電力應急隨域架構

1.1 隨域電力應急通信應用層

由于電力應急通信具有隨時發生、優先處理的特性,使得其對于網絡利用流量分時不均以及處理時延過大的問題.

隨域接入和通信的需求,要求電力應急通信業務能夠依托于可編程按需定制,且無須通過繁瑣的底層設備配置,即可完成事故發生處到控制中心的端到端可靠實時傳輸.

因此,在電力應急分布式通信會商系統中設定了增強現實、快速響應和預警處理,響應對電力搶險、線路故障、設備檢修、突發供電和系統崩潰等情況進行歸一化處理. 在服務平臺端,設置對線路監控的高清攝像設備,并與虛擬監控平臺的場景和對象進行快速關聯和表達,由此能夠在會商系統中實現增強現實的應急狀態感知. 同時,在服務處以下設定了應急事件庫,將能夠預知或者是已經發生的電力網絡故障的應急通信服務狀態、流程和需求進行操作記錄. 當故障發生時,能夠實現應急通信的實時響應以及預警.

1.2 全局集中管理控制層

由于電網數據中心和SDN的建設,使得電力應急通信首次具備了協調全局網絡資源的控制器. 通過對北向接口的實體化定義,首先在與隨域電力應急通信設定一個應用服務請求解釋和分發處理的模塊,能夠將服務級別的原語快速轉換為網絡控制原語. 設計優先級管理、路由控制、帶寬配準、質量控制以及安全認證,有效向應急通信服務提供分發與控制分離的網絡交換. 通過南向接口,實現openflow控制精確感知當前電力通信網絡的數據傳輸狀態,最快傳輸路徑能夠在控制器完成最優規避,同時通過拓撲管理和表項下發為應急通信業務提供應急通道.

1.3 業務無關的動態接入設備層

業務無關、動態接入將是電力應急通信網絡底層設備建設的重點. 電力應急通信的場景復雜,在實際演練過程中,通信網絡被損毀的可能性很大,網絡通信設備地域上也是隨機的,因此往往承載在各種網絡設備上,如固話、衛星、基站、互聯網或者傳感器網絡. 因此,為了實現在應急事故中無差別隨遇傳輸要求,設計了位置管理、互操作兼容以及內容感知功能模塊,利用基于地理位置的位置管理,實現關聯區域的底層設備快速接入,通過互操作兼容降低由于不同標準和架構的設備兼容問題,利用內容感知功能,為應急通信服務選定最優的底層設備.

2 時空勢大數據異質基準

傳統的多方在線會商基于流媒體協議進行網域內單維傳輸,語音、文字和視頻中缺乏統一的地理信息標志,異質數據難以在數據層進行基于時空信息的融合. 因此本文將提出了時空勢大數據異質基準,設定的融合基準能夠有效將不同數據轉換到地理時空坐標上,如圖2所示.

2.1 情境事件的態勢模型

計算機可以根據當前不同角色所處的不同地點、不同時間基于不同事件前提,提供按時按需按點的信息服務,這是情境感知賦予到普適計算中能力,其能夠有效適應電力事故和業務發生的隨機隨時隨域處理需求.

首先給定情境空間Cn,a1,a1,a2,a3,…,ak為k個線性不相關的事件,且有事件組合b=a1^a2^,…,ak,由此將原先單維事件向量向多維度任意擴展,而a1與ak之間具有相對的自主性,使得每一個事件都能有自身發展、成長和消亡過程,可以相互影響也可以相對獨立. 同時,b作為分事件合集的效能必然不等于情境空間Cn的總效能.

圖2 基于時空勢的大數據處理狀態

根據幾何代數空間理論,內積和外積運算滿足加法的分配律和結合率,分事件合集的效能b與單一事件ak之間的關系如下：

由此,我們可以通過將電力通信應急事故劃分為不同特征單事件,每一個事件中可以由時間、空間、態勢等組成,時間和空間可以與任一事件進行組合,從而實現事件中的態勢特征嵌套. 設定的融合基準能夠有效將不同數據轉換到地理時空坐標上.

2.2 基于時空勢的大數據處理模型

基于時空勢的大數據關聯的首要任務,是從電力應急信息系統的原始數據中抽取出事故演進態勢,由此首先以情境事件態勢模型構建出單區域P、單時段T和單事件E的態勢發展參數,由此可以得到：

其中,p,t,e為電力應急通信事故的地點、根據電力應急通信的發生規律,可以得到時空勢的零階特征和二階特征,其中某一時刻的電力應急通信事件的時空勢數據為,某一特定事件的時空勢數據可以具體化為為電力事故發生的具體地點和場所,為了網格化管理,可以進一步轉化為網格號,即：

2.3 基于k-means的電力事故大數據稀疏過程

假設電力事故的數據特征可以抽象為n個數據集合,則有,其中每一個數據可以具有q個屬性,. 利用k-means算法可以將這個目標數據群分為個簇.

步驟2. 根據歐氏距離公式,計算每個數據到簇的距離,將各數據分到最小距離的簇中,其中計算距離公式為：是第j個數據到第n個聚類中心的距離.

步驟4. 若迭代次數等于m,則結束聚類,否則判斷聚類結果是否滿足小于給定參數T,如果滿足則結束,不滿足重復步驟2、3.

3 電力應急分布式通信會商系統設計

基于業務無關的動態分布式電力應急隨域架構,能夠實現基于應用、用戶、會話的實時變化來實現不同的細粒度控制,同時,構建時空勢大數據異質基準,可將不同數據轉換到地理時空坐標上. 因此,電力應急分布式通信指揮系統采用B/S模式,由GIS服務器、在線會商服務端、在線會商客戶端、數據庫服務器構成. 系統采用分布式部署方式,現場移動應急平臺通過在線會商系統,快速將事故現場故障信息分發給各應急平臺的會商者,同時將后方多部門的輔助決策信息及時交匯到應急處置現場,后方多部門之間也能實現信息的交換.

依據業務無關的動態分布式電力應急隨域架構,可將電力應急分布式通信指揮系統劃分為九個功能層次,分別是電網業務地理信息服務層、電力通信基礎網絡傳輸層、異構多元數據轉換層、圖元標注繪制協同處理層、系統運行日志管理層、網間網元實時通訊層、數據分布式共享層、電力業務動態表現層,簡明架構如圖3所示.

圖3 電力應急分布式通信指揮系統架構

電網業務地理信息服務層向依據地理信息系統所制定的電網空間元素特征提供地理信息服務接口,形成針對電網基礎設施的標注和繪制圖形基礎. 電力通信基礎網絡傳輸層與網間網元實時通訊層主要對電網通信設施進行統一管理,實現電網控制信令和數據業務連接、保持的安全性和可靠性傳輸. 異構數據在格式和結構上均存在明顯的差異性,因此將數據轉換為超鏈接文本方式,以比特流通過網頁數據通道. 圖元標注繪制協同處理層負責電力地理信息系統中的電力元素溝通協作,從而確保地理圖上的對象能夠交互通信.為了統一管理電力應急通信系統的復雜元素,需要依賴于系統運行日志管理層對通信、運行、計算、處理的狀態記錄和管理. 數據分布式共享層和電力業務動態表現層能夠有效協同電力應急通信服務的并發式處理需求.

4 電力應急通信協商態勢標繪與協同管理

應急統一態勢標繪元素分類體系是指由在線會商發起者或參與會商的其他數據擁有者提供基礎地圖數據,會商參與者基于基礎地圖進行標繪,通過文字、地圖、標繪符號、語音、視頻等信息的交互,共同商討電力故障應對措施.

電力應急態勢標繪是對電力故障救援現場的過去、現在以及未來的隨時間變化的現場態勢進行標注分析. 電力應急態勢圖主要是由應急地圖和應急趨勢圖構成. 它在應急一張圖基礎上,采用圖形符號標繪電力應急指揮部署、應急處置方案、搶險進行線路和維修經過,形成專業態勢圖.

電力應急態勢信息包括災情信息、應急措施、應急物資儲備、應急人員調配四大類. 協同會商的處理過程如下：

(1)協同會商的數據轉化： 進行協同會商時,系統利用GIS平臺提供的組件,將符號轉化為二進制流存儲在大型關系數據庫BLOB字段,實現符號的檢索、編輯和顯示等功能. 在線會商客戶端利用序列化技術將數據庫中的二進制流解析為符號對象,并在GIS平臺中顯示.

(2)協同會商的消息共享： 在進行在線會商時,需要解決參與各方在跨地區、跨網絡的會商協同問題,協同的內容包括文字信息的協同、地圖標繪的協同、文件信息(預測預警結果、處置參考建議、方案等)的協同. 任何參與者更新、添加、刪除信息后,都需要及時通知其余各方同步信息,實現信息的即時共享.

(3)協同會商的消息發布： 系統采用發布/訂閱模式,通過網絡控制中心,實現一對多的廣播通信和集群控制的新模式,使得訂閱者能夠通過鏈路建立和服務選擇,實現對某一電力應急通信服務的監聽和獲取,并獲得互動通信的權限. 當不同的訂閱者根據自身狀態發布消息時,整體業務會商將實現動態變化. 態勢標繪協同技術邏輯過程如圖4所示.

這種發布訂閱模式[11]可使系統具備更好的開放性和更為動態的網絡拓撲特性.

5 實現與測試

5.1 電力應急通信會商系統實現

系統數據庫采用Oracle數據庫,部署在Linux操作系統上,客戶端以ArcGIS API for Silverlight為GIS二次開發平臺,利用WCF (Windows Communication Foundation)服務構建在線會商服務器,客戶端和服務端均部署在Windows操作系統上,Visual Studio 2012為通用開發工具. 該系統是一個分布式的集成平臺,其功能主要包括地圖共享、多用戶協同標繪及管理、文件上傳下載、文字聊天、用戶管理、系統服務管理、音視頻會議、用戶操作日志記錄等.

圖4 態勢標繪協同技術邏輯過程

5.2 應急通信會商測試

實驗中選取蘆山縣以及寶興縣地震時電力應急通信服務情況,在系統中構建5類角色在應急通信會商系統中,分別設定領導組織應急指揮組、專家支持組、元支持組、物資保障資源組、人員保障資源組等角色. 具體的會商測試參數和配置如表1所示. 可以看出,應急通信會商系統在緊急事件中,數據采集量每天超過4 TB,數據種類多達1200種.

表1 應急通信會商測試狀態配置

5.3 應急通信會商系統運行情況

當設定角色之后,參與者將分配相對應的操作權限,每位參與者的操作過程都能夠被其他參與者看到.在模擬過程中,對系統進行了初步的測試,主要測試協同響應時間和系統可視化的流暢性. 系統運行時的效果如圖5所示.

圖5 事故態勢可視化顯示失敗概率

連續運行應急通信會商系統,并通過設定不同的運行參數值和記錄實際結果,得到系統協同響應時間和系統可視化的實驗數據. 協同響應時間,是電力應急指揮中心發出應急協商后各個分系統完成協同應答,能夠開始應急通信的時間,能夠正確的反映電力應急通信網絡對于應急通信業務的響應能力和資源協調性能. 在本實驗中設置了1～20個分布式系統,進行連續觀察,得到協同響應時間性能如圖6所示.

圖6 系統運行效果圖

如圖6所示,隨著接入系統數量的增加,本文改進后的應急通信會商系統由于采用了隨域電力應急通信應用層和全局集中管理控制層的方案,設備的接入和移除,與電力應急通信業務無關,提升了網絡的重用性.相對于原有方案應急協商連接時間提升近31.5%.

事故態勢可視化是電力應急通信會商系統基于GIS平臺能夠直觀的顯示當前應急事故發展態勢的表達效果. 本實驗中設置不同事故發生數量,記錄不同時段下系統的顯示成功率.

圖7反映了電力應急通信會商系統的事故可視化顯示失敗概率. 由于本文采用了時空勢大數據異質基準,設定的融合基準能夠有效將不同數據轉換到地理時空坐標上,使得原始觀察數據的混雜性和稀疏性降低,在并發事故顯示數量為20個和30個時,均能保障態勢正常顯示.

圖7 協同響應時間性能

6 結論

本文提出了時空勢大數據異質基準,設定的融合基準能夠有效將不同數據轉換到地理時空坐標上. 制定了電力應急通信協商態勢標繪元素分類基礎,準確地評估跨地區、跨部門的業務應急能力,減少了數據維護和地圖統一的難度. 通過在ArcGIS和Linux上搭建的電力應急協商系統進行實驗驗證. 相對于原有方案應急協商連接時間提升近31.5%,且在不同數量事故并發時,均能保障系統的正常運行.

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