基于模糊映射的電力通信網路由流量負載均衡方法

許 劍

（北京中電飛華通信有限公司，天津 100070）

0 引 言

現今，電網正在全方位地朝著自動化、智能化的方向發展，智能電力系統在人們日常生活、生產以及工作當中的應用越來越廣泛[1]。在新興科學技術不斷發展的時代背景下，以往的電力系統正在不斷向著智能化、全球化的方向升級與進步[2]。在電力系統中，電力通信網是保證整個電網主網、電網配網穩定高效運行的重要部分，也是智能電網的基礎承載模塊。其中，電力通信網路由流量負載的均衡性與電力系統中相關電力節點的生產、傳輸、配置以及控制等環節，有著非常直接的關系。因此，對電力通信網路由流量負載進行動態均衡調控技術的研究，對電力系統的良性循環與長久發展具有重大的積極意義和價值[3]。模糊映射理論是一種對具有多維性、異構性、模糊性數據信息的分析處理方法，可以找尋到數據信息內在的規律性與分類結構[4]。基于以上背景，本文研究了一種基于模糊映射理論的電力通信網路由流量負載均衡方法，希望可以提高電力通信網路由流量負載的均衡程度，降低電力通信網運行過程中遇到安全風險的概率，以此來保證電力網絡整體運行的安全性，為電力工程領域的穩定、高效、持續、良性循環發展奠定良好的技術基礎。

1 設計電力通信網路由流量負載均衡的約束條件

電力通信網路由流量負載的均衡，可以通過調節電力通信網部分節點鏈路的承載業務，有效地提高通信網的傳輸、處理、監測效率，保證電力網路整體的安全性[5]。為了實現電力通信網路由流量負載均衡方法，現結合電力通信網的拓撲關系，設計相關的約束條件。確定路由流量業務得到傳輸延時約束條件為

式中：Ai表示路由流量業務i的傳輸時延；Bmn表示路由鏈路；A'表示中繼節點對應的轉發時延；Lmn表示路由鏈路Bmn的長度；η表示路由光纖芯區的折射率；v表示在真空環境下光的傳播速度；A0表示所有通信網業務的時延上限。確定路由節點不相交的約束條件為

式中：φi表示路由業務i經過主路徑的中繼節點集合；φi'表示路由業務i經過備份路徑的中繼節點集合。確定路由鏈路正常運行的可靠度與風險度的約束條件為

式中：?(Bmn)表示路由鏈路Bmn正常運行的可靠度；c1表示鏈路的歷史故障間隔時間；c2表示鏈路的歷史故障修復時間；?(Bmn)表示路由鏈路的風險度；e(zmn)表示路由鏈路的風險度曲線，其中zmn表示鏈路Bmn的占用率；s(Bmn)表示鏈路Bmn當前承載業務量的總帶寬；t(Bmn)表示鏈路的極限承載帶寬。與鏈路風險度同理，得到路由節點yi的風險度ω(yi)，表示為

式中：fmn表示路由節點對應業務重要度的占用率；?(yi)表示路由節點正常運行的可靠度。通過上述對電力通信網路由流量負載均衡相關約束條件的確定，為后續負載的優化均衡，提供了可靠的理論依據。

2 建立負載優化均衡模型

在負載均衡約束條件的基礎上引入電通信網路由流量的風險均衡度，作為目前電力通信網留有流量的負載均衡程度。基于此，綜合分析通信網路由鏈路與路由節點對網路流量業務風險均衡度的影響，建立電力通信網路由流量負載優化均衡模型，表示為

式中：γi表示電力通信網路由流量負載的風險均衡度；γB表示路由鏈路Bmn的風險度標準差值；γy表示路由節點yi的風險度標準差值；G表示電力通信網路由流量負載優化均衡模型的目標函數。

3 基于模糊映射的模型求解

為了得到最終的負載均衡方案，本文利用模糊映射理論，上文建立的電力通信網路由負載均衡模型求解。模糊映射理論是一種通過將普通集之間的關聯性拓展為模糊集之間的映射關系，從而實現相關信息的模糊分析與優化的聚類算法[6]。為了使模糊映射的關系可以滿足上文所述的負載均衡多維度約束條件， 對多種約束條件之間的映射關系進行優化，得到最終的負載均衡結果。設電力通信網路由流量負載均衡約束條件的功能域為H={h1,h2,…,hr}，對應的物理對象域為D={d1,d2,…,ds}。將功能域與物理對象域之間多維度的關系標記為ζhd。其中，存在一部分h∈H，會使得d∈D，且(h,d)?ζhd。當負載均衡約束條件滿足以上關系時，即表示完成負載均衡條件的功能域到物理對象域的模糊映射關系，表示為

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

式中：m=1, 2, …, r；n=1, 2, …, s。根據模糊關系矩陣計算得到不同負載均衡約束條件之間的關聯度影響，從而確定其對應的權值，代入電力通信網路由流量負載優化均衡模型，就可以得到最終的最優計算結果，在滿足電力通信網路由主、備份鏈路承載業務需求的同時，保證負載的均衡程度，為電力通信網的安全、高效運行提供了技術支持。

4 試驗與檢測

4.1 試驗準備

為檢測本文設計的基于模糊映射理論的電力通信網路由流量負載均衡方法的可行性，設計了仿真模擬對比試驗。根據某地區的電力通信網的基本信息，利用Matlab軟件搭建仿真拓撲作為試驗的基礎條件。相關的參數信息如表1所示。

表1 某地電力通信網仿真拓撲的相關參數表

4.2 檢測結果與分析

在上述試驗準備的基礎上進行電力通信網路由流量負載均衡效果的檢測與分析。隨機選取5組不同的電力通信網路由流量業務量，作為試驗對象。分別采用本文設計的基于模糊映射的負載均衡方法（試驗組）、傳統方法（對照組1）以及基于蟻群算法的負載均衡方法（對照組2）對5組不同大小的業務量進行負載的優化均衡處理。記錄不同方法處理運行時間的平均值以及均衡后主、備份鏈路的傳輸時延的平均值，進行對比分析，如表2所示。

表2 不同方法的運行時間與鏈路傳輸時延對比表

由表2可知，對于5組不同大小的業務量，試驗組完成負載優化均衡處理的運行時間平均值均低于對照組 1、對照組 2，分別低 22.91 s、8.62 s。經過負載均衡處理后，試驗組方法路由流量的主鏈路傳輸時延平均值均低于對照組1、對照組2，分別低0.14 ms、0.06 ms；試驗組方法路由流量的備份鏈路傳輸時延平均值均低于對照組1、對照組2，分別低3.26 ms、1.89 ms。上述試驗結果表明，本文設計的基于模糊映射理論的電力通信網路由流量負載聚能方法具有高效性與實時性，保證負載均衡處理速度的同時，優化了通信網主、備份鏈路的傳輸路徑，提高了電力通信網整體的通信效率。

在本文設計方法具有高效性的基礎上，檢測其負載均衡效果。與上述試驗條件一致，隨機選取5組不同大小的業務量作為試驗對象，分別利用3種方法進行負載的優化均衡處理，記錄不同方法的均衡結果，計算鏈路負載的均衡度，進行對比分析，如圖1所示。

圖1 不同方法的鏈路負載均衡度對比

由圖1可知，對于5組不同大小業務量，試驗組方法的鏈路負載均衡度均低于對照組1、對照組2，試驗組方法的鏈路負載均衡度的平均值為0.028 5。表明本文設計方法的負載均衡效果更加優秀，可以更加精確地選擇鏈路負載均衡度最低的傳輸路徑，從而提高電力通信網路由流量的傳輸效率，降低鏈路的業務承載量，為電力通信網的高效運行提供了有效的技術支持。

5 結 論

電力通信網絡作為電力系統的基礎承載結構，其穩定性是保證電網主、配網穩定運行的重要部分。為了提高智能電網整體運營的安全性，必須加強研究電力通信網絡路由流量負載的均衡方法，提高電力通信網絡的安全運行性，促進電力工程領域的良性循環發展。