基于SDN+策略梯度算法的電力物資調(diào)控方案

辛銳

摘要：提出基于SDN的虛擬化調(diào)控技術(shù)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理配置，全面梳理流程與數(shù)據(jù)間的映射關(guān)系，提供虛擬化數(shù)據(jù)資源池，形成物資管理數(shù)據(jù)集成過程的業(yè)務(wù)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享的支持平臺，并在流程處理過程中通過深度學(xué)習(xí)的策略梯度算法進(jìn)一步提升處理過程的時效性。通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證算法的合理性，提出的方法將有助于電網(wǎng)物資管理手段性能得到進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞：配置；調(diào)控；梯度；物資；SDN

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2019）01-65-4

0引言

電力物資管理從2008年開始重點(diǎn)優(yōu)化建設(shè)，電網(wǎng)從過去的物資科到現(xiàn)在的物資公司，在規(guī)模上逐步發(fā)展壯大。新形勢下的管理模式有利于對電力資產(chǎn)合理部署，借助統(tǒng)一物資管理平臺，監(jiān)控各部門避免重復(fù)采購，建立一種責(zé)任權(quán)利對等的集中采購管控模式，充分發(fā)揮管理體系的效益最大化作用。但集中化管控隨之帶來的瓶頸就是物資管理數(shù)據(jù)信息的爆發(fā)，物資管理流程中各環(huán)節(jié)，包括采購?fù)稑?biāo)、采購、物料編碼、設(shè)備基礎(chǔ)信息管控、集中監(jiān)造、采購評估和評標(biāo)專家管理等，采用常規(guī)的人工被動獲取信息手段會與集約化特性相違背，增加了總部管理的數(shù)據(jù)處理壓力，需要依靠先進(jìn)的數(shù)據(jù)分類分析手段，將復(fù)雜的物資管理流程演變成精簡的數(shù)據(jù)管理模型，物資設(shè)備及人員映射為數(shù)據(jù)信息，流程性結(jié)構(gòu)映射為數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，美化直觀的數(shù)據(jù)展示結(jié)果便于工作人員快捷地管理物資[1]。

1電力物資信息化管理現(xiàn)狀

電力物資管理效率直接影響電網(wǎng)整體實(shí)施進(jìn)度，傳統(tǒng)的物資管控手段在數(shù)據(jù)處理流程中缺乏智能性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法為電網(wǎng)運(yùn)行提供有效的解決方案。目前存在的問題有：

①物資設(shè)備流動性較大，缺乏對不確定因素的管理。物資流程中信息會頻繁變動，例如在設(shè)備采購時，市場行情變動、供求計劃變更、設(shè)備入庫/報廢等情況發(fā)生時，物資信息平臺數(shù)據(jù)都會發(fā)生變更。目前采用人工方式逐一根據(jù)現(xiàn)場回傳報表信息更改系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)，容易造成數(shù)據(jù)填報失誤，且更改信息的效率低下，時間周期太長。

②物資管理流程復(fù)雜度強(qiáng)，缺少關(guān)聯(lián)性分析手段，將各環(huán)節(jié)統(tǒng)籌決策。物資管理流程幾乎含括電網(wǎng)設(shè)備全周期管理各個環(huán)節(jié)，不同環(huán)節(jié)實(shí)施過程涉及不同的部門和人員，目前各環(huán)節(jié)互聯(lián)互通方式落后導(dǎo)致信息交換速度太慢，辦理項(xiàng)目申請流程經(jīng)常受到阻礙，嚴(yán)重的會影響電網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)施開展。

③物資涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容龐大，無法對數(shù)據(jù)多維度管控分析。目前數(shù)據(jù)僅僅是設(shè)備靜態(tài)的屬性居多，對物資基本屬性進(jìn)行描述；但物資管控靜態(tài)數(shù)據(jù)肯定是不夠的，需深度多維度地了解設(shè)備的關(guān)聯(lián)及執(zhí)行過程中產(chǎn)生的動態(tài)屬性，動態(tài)性能全面展示設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對于管理人員來說動態(tài)數(shù)據(jù)可能更便于資產(chǎn)間的調(diào)用和管控，動態(tài)數(shù)據(jù)的量級比較靜態(tài)數(shù)據(jù)要提升很多，面對如此龐大的數(shù)據(jù)群，單一的分析方法無法支撐變化的數(shù)據(jù)性能，需通過聯(lián)合分析手段為物資管控提供精準(zhǔn)的決策分析。

④物資數(shù)據(jù)流程化管理，沒有統(tǒng)一的管理規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。物資管理規(guī)范整體較混亂，各部門自理章程，按照各自特色的方式行事，往往出現(xiàn)上下級無法溝通，同級部門間交流困難的局面。為便于集中管控，應(yīng)從上層制定統(tǒng)一的物資數(shù)據(jù)化管理流程及規(guī)范，一切動作都按照章法有條不紊地開展管理工作。其次物資管理某些規(guī)范要求太過落后，例如物資編號仍然采用編碼制，人工編碼機(jī)制效率太低，且覆蓋的物資種類有限，不能全面地反應(yīng)設(shè)備的品質(zhì)及屬性等，需要更先進(jìn)的編碼標(biāo)準(zhǔn)來精益化標(biāo)識設(shè)備特性。

⑤人員處理數(shù)據(jù)素質(zhì)條件不一致，整體有待提升。物資部門人員更新?lián)Q代緩慢，缺乏創(chuàng)新的管理能力，面對新的發(fā)展局面無法解決出現(xiàn)的新管理難題，應(yīng)引入更多具有一定資質(zhì)和水平的高科技管理人才，并通過強(qiáng)大的管控工具，輔助決策復(fù)雜的管理工作[2]。

2 SDN資源編排及控制器設(shè)計原理

通過調(diào)研物資管理信息化系統(tǒng)存在的問題，重點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)物資編碼及智能化管控功能。因此，綜合研究多種技術(shù)，采用SDN技術(shù)較全面地解決以上困擾，再輔助先進(jìn)的大數(shù)據(jù)算法，可提升系統(tǒng)的整體管控范圍及效率。下面介紹SDN技術(shù)基于哪些基礎(chǔ)原理來實(shí)現(xiàn)資源的合理管控。

2.1資源編排技術(shù)

SDN數(shù)據(jù)編排技術(shù)如圖1所示。以“應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)感知資源”的基本原理來進(jìn)行錄入的資源數(shù)據(jù)合理編排。上層的應(yīng)用數(shù)據(jù)直接決定下層采集數(shù)據(jù)的劃分和編排，電網(wǎng)物資數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)中的可視化展示應(yīng)用包括計劃平臺、招采流程、專家管理、結(jié)算平臺和需求預(yù)測等應(yīng)用子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用配置合理的資源容量及連接方式，以軟件程序的形式自動實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度和分配，并將應(yīng)用和資源實(shí)現(xiàn)一定優(yōu)先順序的映射編排，底層會采集物資設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)、專家名單、物流公司基本信息等數(shù)據(jù)參數(shù)，通過南向和北向接口編排資源管理流程，將上層應(yīng)用和底層資源可動態(tài)映射和配置交付，提升了資源管理的靈活性和便利性[3]。

2.2虛擬資源池態(tài)勢調(diào)控技術(shù)

傳統(tǒng)的物資管控過程屬于半自動狀態(tài)，物資數(shù)據(jù)部署工具中固有的映射模板自適應(yīng)更新能力差。常規(guī)流程是先經(jīng)過自動化模板匹配，如果沒有完全匹配還需再通過人工匹配再次確認(rèn)，傳統(tǒng)方式智能性太差，本文利用SDN的虛擬資源態(tài)勢感知技術(shù)來優(yōu)化模板的固化性。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的全自動化調(diào)控，管控系統(tǒng)具備強(qiáng)變化感知的能力，并可智能化精準(zhǔn)更新模板，形成一個有效的閉循環(huán)過程。SDN控制器利用態(tài)勢檢測、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測、態(tài)勢呈現(xiàn)和態(tài)勢利導(dǎo)等關(guān)鍵技術(shù)，能夠協(xié)調(diào)子數(shù)據(jù)集間的合理調(diào)配。首先利用態(tài)勢檢測發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的拓?fù)浠蛐阅茏兏?，?jīng)過態(tài)勢利導(dǎo)和態(tài)勢理解給初始的關(guān)聯(lián)映射模板提供有用的信息支撐，形成新的物資數(shù)據(jù)配置模板，準(zhǔn)確對上層應(yīng)用調(diào)用做出決策。

2.3文件模塊化協(xié)調(diào)控制策略

物資管理平臺數(shù)據(jù)信息內(nèi)容繁雜，包括計劃、投標(biāo)、配送和結(jié)算等各個環(huán)節(jié)，信息間的關(guān)聯(lián)程度也各異，并且區(qū)域性的資產(chǎn)管理模式也會存在異同性，需建立協(xié)同優(yōu)化調(diào)控的目標(biāo)模型，積累不同區(qū)域內(nèi)物資管理過程中發(fā)生的歷史事件經(jīng)驗(yàn)作為歷史數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)梯級功能協(xié)同優(yōu)化策略，采用總分控制器部署模式，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域間物資管理子系統(tǒng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制，在響應(yīng)上級調(diào)控策略要求的同時也能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自治控制。

2.4可視化展示支撐技術(shù)

物資公司技術(shù)人員最終通過服務(wù)器獲取現(xiàn)場物資數(shù)據(jù)信息，因此需一套易懂且多手段的展示方式，但就目前的展示內(nèi)容及范圍來分析，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到客戶需求，物資信息展示平臺需向管理人員提供足夠的交互性、綜合性和邏輯性功能支撐，所展示的內(nèi)容才能符合流程管控要求。數(shù)據(jù)間的互聯(lián)關(guān)系可通過表格、三維圖、動態(tài)圖和Flash等多種形式變現(xiàn)出來。通過SDN架構(gòu)模型中的北向應(yīng)用接口，將物資數(shù)據(jù)抽象接口推送給展示平臺，抽象接口精準(zhǔn)地映射了分布式數(shù)據(jù)庫集合，通過多樣性可視化展示手段，能夠美化表現(xiàn)出變電站設(shè)備功能配置及描述。

3基于SDN技術(shù)的電力物資管理架構(gòu)模型設(shè)計

基于SDN關(guān)鍵技術(shù)的研究確定了SDN技術(shù)在物資管理平臺數(shù)據(jù)配置中應(yīng)用的合理性和優(yōu)越性。本文是在基于SDN技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，架構(gòu)原型和SDN類似，分為4層2列，4層為現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入層、虛擬資源池層、資源協(xié)調(diào)管控層和可視化展示層；2列為流程管理和人員管理，具體架構(gòu)如圖2所示。

從整體架構(gòu)來看，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管控架構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了顛覆性改變，原本流程性復(fù)雜的管控環(huán)境變成了共享交互環(huán)境，綜合實(shí)現(xiàn)物資數(shù)據(jù)的計劃管理、流程管理、結(jié)算管理和采購管理等一系列流程。人員管理和數(shù)據(jù)管理同步進(jìn)行，依靠核心SDN控制器完成全系統(tǒng)的集中管控，這種全局式的布局管理和分布式點(diǎn)式交叉互聯(lián)模式，降低了數(shù)據(jù)管理的輸入輸出錯誤幾率，也提升了管控效率。

虛擬資源池相比傳統(tǒng)映射模型擴(kuò)展性和調(diào)用性更強(qiáng)，映射模型選取的是一對一性能匹配，這種關(guān)系不易改變，而虛擬資源池內(nèi)存儲數(shù)據(jù)分為2部分：一組是數(shù)據(jù)本身，一組是對應(yīng)的屬性接口，因此當(dāng)數(shù)據(jù)拓?fù)浒l(fā)生改變時，可快速完成數(shù)據(jù)匹配；當(dāng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)備描述內(nèi)容發(fā)生更新時，也能定位文件更新部位，迅速完成數(shù)據(jù)補(bǔ)充。南向和北向接口協(xié)議是支撐控制器作用的關(guān)鍵技術(shù)，南向的Openflow接口協(xié)議以流化形式將文件分類采集，形成模塊化文件模型，并存儲于虛擬資源池中；北向的Floodlight接口協(xié)議將應(yīng)用需求和流程化控制模塊緊密結(jié)合，支持統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互及共享。在物資數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)中，參與人員管控也是非常重要的，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管控流程對應(yīng)著不同的實(shí)施和管理機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)調(diào)控流轉(zhuǎn)過程會相當(dāng)復(fù)雜，在新的SDN架構(gòu)下，所有參與人員形成了管理人員資源池，可以共享右側(cè)的數(shù)據(jù)資源池，簡化了繁瑣的流程過程及處理等待時間[4-5]。

4基于SDN并行資源處理框架下設(shè)備管控優(yōu)化算法研究

物資管理平臺是一個隨著現(xiàn)場設(shè)備及流程變更而發(fā)生變化的平臺，主要由各個獨(dú)立的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)組成，并形成配置文件供物資部門獲取現(xiàn)場各流程實(shí)施情況，當(dāng)設(shè)備類型、行業(yè)報價和評標(biāo)流程等發(fā)生變化時，整個過程需要重新更新，物資管控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在周而復(fù)始文件更新過程中。采用SDN共享交互的并行式資源處理模型，在面對復(fù)雜的文件更新、調(diào)用等過程時，可充分體現(xiàn)其高效性優(yōu)勢。本文在SDN資源調(diào)控子模塊中引入策略梯度算法，進(jìn)一步提升文件并行處理時效的優(yōu)越性。

梯度算法模型如圖3所示，SCD文檔處理分為不同的步驟，而在SDN架構(gòu)下，某些步驟的執(zhí)行過程是同步的，通過梯度算法來預(yù)估下一步過程執(zhí)行的時間概率值，來督促本步執(zhí)行所需的時間間隔，通過最大函數(shù)選取并行步驟中耗時最長的時間間隔作為輸出值，并且本次迭代后得到的輸出值還需指導(dǎo)下一步迭代過程的權(quán)重值調(diào)整，循環(huán)系統(tǒng)處于不斷優(yōu)化狀態(tài)，保障輸出值的有效性，當(dāng)?shù)螖?shù)越多時，得到的最終結(jié)果越精準(zhǔn)。

將梯度算法融入到SDN架構(gòu)中，數(shù)據(jù)處理流程將會提速很多，將步驟處理時間間隔進(jìn)行梯度算法訓(xùn)練，來觀察采用梯度算法后系統(tǒng)響應(yīng)時間的變化。通過加權(quán)值，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況不斷更新，可使間隔時間達(dá)到最小化效果。由于梯度算法具有自學(xué)習(xí)特性，將本時刻的輸出反饋到下一時刻運(yùn)行，起到監(jiān)督并更新狀態(tài)的作用，通過反復(fù)訓(xùn)練權(quán)值的優(yōu)化，輸出值會越靠近實(shí)際運(yùn)行值，在系統(tǒng)提速前提下也保障了數(shù)據(jù)處理過程的安全性和準(zhǔn)確性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法的可行性和有效性，選用在Matlab7.0神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法仿真平臺上運(yùn)行程序，加載SDN架構(gòu)中不同仿真組件，選擇某地市公開的物資管理中心內(nèi)部數(shù)據(jù)作為輸入，分別選擇更改計劃平臺、招標(biāo)系統(tǒng)、配送系統(tǒng)和結(jié)算系統(tǒng)中某個數(shù)據(jù)，測試次數(shù)選擇13次，編寫策略梯度算法進(jìn)行加權(quán)訓(xùn)練，得到試驗(yàn)圖形如圖4所示。

由測試結(jié)果可以看出，使用了SDN架構(gòu)的梯度算法系統(tǒng)響應(yīng)時間要略低于傳統(tǒng)管控系統(tǒng)，雖有3次訓(xùn)練結(jié)果要略微高一點(diǎn)，但不影響整體的系統(tǒng)性能判斷，采集點(diǎn)數(shù)共13點(diǎn)，測試平臺計算二者測試間隔差，Δ1=7.32 ms，Δ2=10.09 ms，Δ3=3.27 ms，...，Δ13=5.34 ms，并取平均Δ=5.77 ms，系統(tǒng)處理效率略有提高。由于屬于實(shí)驗(yàn)室仿真測試階段，下一步將在現(xiàn)場的變電站主控平臺上進(jìn)行實(shí)測，數(shù)據(jù)可能會受到一些影響，因此未來將深入優(yōu)化SDN架構(gòu)，在算法類型和性能能力上的提升，滿足智能變電站現(xiàn)場運(yùn)營需求，證明了本文提出的方法的可行性。

5結(jié)束語

對目前電網(wǎng)物資數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)存在的系列問題進(jìn)行優(yōu)化改造，將傳統(tǒng)的串行流程化管控方法改進(jìn)為以SDN為基礎(chǔ)架構(gòu)的并行共享調(diào)用的管控方法，對管理模型進(jìn)行了徹底的改造，SDN的虛擬化自適應(yīng)管理技術(shù)不但提升了數(shù)據(jù)處理過程的效率，而且也保障了過程中的精準(zhǔn)性，通過靈活的配置模型和實(shí)時的監(jiān)控手段加強(qiáng)了系統(tǒng)的智能性，并將策略梯度算法引入SDN核心控制器內(nèi)，大大提升流程化處理過程時效性，凸顯了新型文檔管控系統(tǒng)的優(yōu)越性[6-7]。

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