基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法技術

本發明專利技術屬于網絡優化問題，涉及電力通信網絡中的業務路由分配方案的優化，特別涉及基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法。本發明專利技術從電力通信網絡總體風險度和節點與業務風險均衡度出發，采用了層次分析法，結合定性與定量方法，把復雜的決策系統層次化，通過逐層比較各種關聯因素的重要性來為分析、決策提供定量的依據，從而提出了評價通信網絡好壞的一個標準。再以此標準為目標，采用改進的遺傳算法，提出了新的編碼方式和變異方式，解決了傳統遺傳算法二進制編碼對此問題表達能力不足的問題，對通信網進行優化。

Optimization method of communication network based on analytic hierarchy process and genetic algorithm

The invention belongs to the network optimization problem, and relates to the optimization of the service route allocation scheme in the electric power communication network, especially the communication network optimization method based on the analytic hierarchy process and the genetic algorithm. The invention of the electric power communication network from the overall risk and business risk node and equilibrium degree, using hierarchical analysis method, combining qualitative and quantitative methods, the hierarchical decision system is complex, the importance of the factors by comparison to provide quantitative analysis and decision-making, thus put forward a standard evaluation the quality of communication network. This standard as the goal, using the improved genetic algorithm, put forward a new encoding method and variation method, to solve the traditional binary encoding genetic algorithm this problem is to express the problem of insufficient capacity of communication network optimization.

【技術實現步驟摘要】
基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法
本專利技術屬于網絡優化問題，特別涉及電力通信網絡中的業務路由分配方案的優化。
技術介紹
電力通信網是電力生產智能化與自動化的基礎設施，作為一種保障電網安全、穩定、經濟運行的一種重要手段，電力通信網在電力系統中占據舉足輕重的地位。同時，電力通信網作為承載電力系統間交互信息的基礎設施，電力通信網一旦發生安全事件，首先將直接影響電力通信系統的服務質量，其次還可能對電網的安全穩定運行構成威脅。近些年來，隨著電力系統規模日益擴大，在維護和管理方面雖然有很大提升，但電力通信網的故障率和事故次數并沒有相應的減少。同時，資源利用率偏低也是電力通信網絡中普遍存在的問題。其主要表現為各類電網業務通道組織不合理，不同類型業務的通道組織沒有劃分清晰的管理界面，采用迂回轉接路由的情況大量存在；缺乏業務的預見性，建設過程中多次開展網絡業務割接、擴容導致電路時隙散亂，業務應急搶通占用的資源沒有及時釋放等，造成傳輸設備交叉資源的浪費。通信網優化作為通信網建設的重要組成部分，其目的在于，為電力通信的發展提供正確的航向，能夠在網絡結構優化、提高各類電網業務承載能力方面實現最大程度節約，獲得最大的效益。具體可通過深入分析通信傳輸網現狀和業務模型，從網絡結構、承載業務、帶寬管理和調度等多方面，提出對新建網絡的合理規劃方案以及針對現有網絡的優化整改方案，在該方面已有相應研究成果。例如，曾慶濤等人提出面向業務的風險均衡路由分配機制來降低通道段和網絡整體風險，HaoWang等人提出了一個電力網格與服務中心的二級問題來解決網絡中的負載均衡問題，TornatoreM等人指出了通道統計可用性與實際可用性的差距，提出了改進的可用性路由分配算法(3W-availabilityAwareRouting,3WAR)，有效地縮小了實際可用性與目標可用性的差距。雖然該法能夠提高業務通道的可用性，但是可用性路由(Availability-AwareRouting,AAR)算法無法避免重要電力通信業務過于集中的現象，進而增大網絡運行風險。在負載均衡方面，LiuNian-zuandChenXiao利用啟發式算法(CompactTree,CT)求出兩點之間的前k條最短路徑，通過將可用帶寬最大的路徑作為業務路由的方式實現負載均衡。然而，該算法僅僅從帶寬的角度進行對業務的均衡分布，并沒有將業務重要度考慮其中，從而導致其不適用與解決電力通信網中基于業務重要度的業務風險分布問題。另外，施繼紅等人提出了基于節點重要性的平衡度網絡拓撲優化算法，但該算法沒有從業務層面對電力通信網的可靠性進行評估。為了全面的評估優化后的方案，本專利技術引入了層次分析法。AHP是一種分析多目標、多準則、多因素、復雜大系統的定性與定量相結合的系統分析方法，它將復雜的決策系統層次化，通過逐層比較各種關聯因素的重要性來為分析、決策提供定量的依據。應用該方法,在一定程度上檢驗和減少了主觀的影響,使評價更趨于科學化，從而為選擇最佳的決策提供依據。另一方面，隨著通信網絡的擴大，尋找最優路由方案的計算負載度迅速增加。數值計算結果表明，隨著網絡集群的增長，遺傳算法相比窮舉搜索能使拓撲優化提高兩個數量級[7]。本專利技術針對通信網優化問題，改進遺傳算法，提出了一種新的編碼方式。與傳統的啟發式算法相比，能夠增大搜索空間，找到更優的解。
技術實現思路
隨著城市發展，通信網絡變得越來越龐大。節點多樣性和業務多樣性也使得通信網的優化成為一個難題。本專利技術從網絡總體風險度和節點與業務風險均衡度出發，提出了評價通信網絡好壞的一個標準。并以此標準為目標，改進了遺傳算法，提出了新的編碼方式和變異方式，對通信網進行優化。一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，包括：步驟1，從業務類型和業務調度等級出發，為每條業務計算業務權值w；電力通信網業務類型主要有配電自動化，調度自動化，繼電保護，網管業務，全自動裝置，調度電話，頻控業務等等；業務調度等級，可分為一級網、二級網、三級網、四級網和五級網；業務權值w為業務類型權值wT與調度等級權值wD的加權之和；步驟2，分析計算設備與光纖故障率；經數據研究，設備故障率與設備所承載的業務數量的關系函數為一個分段函數，當業務數小于某值時，故障率為一個穩定值，當業務數超過某數量后，故障率與設備承載的業務數量呈非線性關系；光纖故障率不隨業務數量的變化，只和其固有屬性有關，可由歷史數據求得；步驟3，計算評價通信網可靠性的標準，用網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度三個指標來評價通信網絡的可靠性，基于設備風險度、光纖風險度、業務風險度來獲取網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度；步驟4，基于改進遺傳算法，采用新的編碼方式與變異方式，對網絡路由方案進行優化；步驟5，利用步驟4中改進后的遺傳算法，根據步驟3中評價網絡可靠性的標準，對通信網進行優化。在上述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，步驟1具體操作方法是：分別給業務類型{配電自動化，調度自動化，繼電保護，網管業務，全自動裝置，調度電話，行政電話，綜合數據網，調度數據，電視電話會議，保護PCM，通信PCM，視頻業務，頻控業務}和業務調度等級{一級網，二級網，三級網，四級網，五級網}進行打分，打分區間為[1,10]，該分數由相關專家給出；w＝0.7×wT+0.3×wD其中，wT為業務類型打分，wD為業務調度等級打分，wT∈[1,10]，wD∈[1,10]；通過每條業務的業務類型和調度等級可以計算出每條業務的分數，即權值w。在上述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，所述步驟2具體包括以下子步驟：步驟2.1、獲取設備故障率：通過對現有數據的觀察研究發現，當設備所承載的業務數量n小于一定值時，設備故障率為一個穩定值；當業務數量n再增加時，設備使用故障率與業務數量的關系呈非線性關系；非線性回歸模型記為yi＝f(xi,θ)+εi，i＝1,2，...,n其中，yi為因變量；非隨機向量xi＝(xi1,xi2,...,xik)′是自變量；θ＝(θ0,θ1,...,θp)′為未知參數向量；εi為隨機誤差項并且滿足獨立同分布假定；對于非線性回歸模型，使用最小二乘法估計參數θ，即就使達到最小的稱θ為非線性最小二乘估計；在假定f函數對參數θ連續可微時，可以利用微分法建立正規方程組，求使Q(θ)達到最小的將Q函數對參數θj求偏導，并令其為0，得到p+1個方程j＝0,1,2,...,p.非線性最小二乘估計為上式的解；定義設備使用故障率η(n)函數為一個分段函數，即其中，n為業務數量，c為定值，α，β為參數，等價于非線性模型中的步驟2.2、獲取光纖故障率：定義光纖故障率不隨其承載的業務數量變化，只和光纖固有屬性有關；本專利技術中，首先由歷史故障天數與工作天數的比值可求得每個光纖的故障率，再根據光纖型號的不同，計算得出每一種型號光纖的平均故障率即為光纖故障率。在上述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，步驟3，網絡可靠性指標基于以下定義獲得：定義e表示通信網絡總的設備(equipment)，用f表示光纖(fiber)，b表示業務(business)；ne,nf,nb分別表示網絡中設備、光纖和業務的總數；網本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，包括：步驟1，從業務類型和業務調度等級出發，為每條業務計算業務權值w；電力通信網業務類型主要有配電自動化，調度自動化，繼電保護，網管業務，全自動裝置，調度電話，頻控業務等等；業務調度等級，可分為一級網、二級網、三級網、四級網和五級網；業務權值w為業務類型權值wT與調度等級權值wD的加權之和；步驟2，分析計算設備與光纖故障率；經數據研究，設備故障率與設備所承載的業務數量的關系函數為一個分段函數，當業務數小于某值時，故障率為一個穩定值，當業務數超過某數量后，故障率與設備承載的業務數量呈非線性關系；光纖故障率不隨業務數量的變化，只和其固有屬性有關，可由歷史數據求得；步驟3，計算評價通信網可靠性的標準，用網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度三個指標來評價通信網絡的可靠性，基于設備風險度、光纖風險度、業務風險度來獲取網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度；步驟4，基于改進遺傳算法，采用新的編碼方式與變異方式，對網絡路由方案進行優化；步驟5，利用步驟4中改進后的遺傳算法，根據步驟3中評價網絡可靠性的標準，對通信網進行優化。

【技術特征摘要】
1.一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，包括：步驟1，從業務類型和業務調度等級出發，為每條業務計算業務權值w；電力通信網業務類型主要有配電自動化，調度自動化，繼電保護，網管業務，全自動裝置，調度電話，頻控業務等等；業務調度等級，可分為一級網、二級網、三級網、四級網和五級網；業務權值w為業務類型權值wT與調度等級權值wD的加權之和；步驟2，分析計算設備與光纖故障率；經數據研究，設備故障率與設備所承載的業務數量的關系函數為一個分段函數，當業務數小于某值時，故障率為一個穩定值，當業務數超過某數量后，故障率與設備承載的業務數量呈非線性關系；光纖故障率不隨業務數量的變化，只和其固有屬性有關，可由歷史數據求得；步驟3，計算評價通信網可靠性的標準，用網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度三個指標來評價通信網絡的可靠性，基于設備風險度、光纖風險度、業務風險度來獲取網絡總風險度、資源風險均衡度和業務風險均衡度；步驟4，基于改進遺傳算法，采用新的編碼方式與變異方式，對網絡路由方案進行優化；步驟5，利用步驟4中改進后的遺傳算法，根據步驟3中評價網絡可靠性的標準，對通信網進行優化。2.根據權利要求1所述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，步驟1具體操作方法是：分別給業務類型{配電自動化，調度自動化，繼電保護，網管業務，全自動裝置，調度電話，行政電話，綜合數據網，調度數據，電視電話會議，保護PCM，通信PCM，視頻業務，頻控業務}和業務調度等級{一級網，二級網，三級網，四級網，五級網}進行打分，打分區間為[1,10]，該分數由相關專家給出；w＝0.7×wT+0.3×wD其中，wT為業務類型打分，wD為業務調度等級打分，wT∈[1,10]，wD∈[1,10]；通過每條業務的業務類型和調度等級可以計算出每條業務的分數，即權值w。3.根據權利要求1所述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，所述步驟2具體包括以下子步驟：步驟2.1、獲取設備故障率：通過對現有數據的觀察研究發現，當設備所承載的業務數量n小于一定值時，設備故障率為一個穩定值；當業務數量n再增加時，設備使用故障率與業務數量的關系呈非線性關系；非線性回歸模型記為yi＝f(xi,θ)+εi，i＝1,2，...,n其中，yi為因變量；非隨機向量xi＝(xi1,xi2,...,xik)′是自變量；θ＝(θ0,θ1,...,θp)′為未知參數向量；εi為隨機誤差項并且滿足獨立同分布假定；對于非線性回歸模型，使用最小二乘法估計參數θ，即就使達到最小的稱θ為非線性最小二乘估計；在假定f函數對參數θ連續可微時，可以利用微分法建立正規方程組，求使Q(θ)達到最小的將Q函數對參數θj求偏導，并令其為0，得到p+1個方程j＝0,1,2,...,p.非線性最小二乘估計為上式的解；定義設備使用故障率η(n)函數為一個分段函數，即其中，n為業務數量，c為定值，α，β為參數，等價于非線性模型中的步驟2.2、獲取光纖故障率：定義光纖故障率不隨其承載的業務數量變化，只和光纖固有屬性有關；首先由歷史故障天數與工作天數的比值可求得每個光纖的故障率，再根據光纖型號的不同，計算得出每一種型號光纖的平均故障率即為光纖故障率。4.根據權利要求1所述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，步驟3，網絡可靠性指標基于以下定義獲得：定義e表示通信網絡總的設備(equipment)，用f表示光纖(fiber)，b表示業務(business)；ne,nf,nb分別表示網絡中設備、光纖和業務的總數；網絡中，一個設備或光纖通常承載多個業務，同樣一個業務也會承載在多個設備和光纖之上；設備ei承載的業務集合用B(ei)表示，|B(ei)|表示該集合中業務的個數，光纖fi承載的業務集合用B(fi)表示；同樣的，承載業務bi的設備集合用E(bi)表示,光纖集合用F(bi)表示；業務bi的權值用wi表示；分析表面，設備的故障率除了與設備固有屬性有關外，還與設備承載的業務數量有關，而光纖的故障率只與光纖的固有屬性相關；因此分別用η(ei，|B(ei)|)和η(fi)表示設備和光纖的故障率；設備ei的風險度ERDi表示該設備發生故障的可能性以及發生故障后對整個網絡的影響；其計算公式為同樣，光纖fi的風險度FRDi的計算公式為業務bi的風險度BRDi，表示該業務發生故障的可能性以及對網絡的影響；而業務發生故障的概率為承載該業務的任一資源發生故障的概率；其計算公式為網絡的總風險度(NRD)為網絡中所有資源的風險度的總和，其計算公式為資源風險均衡度(RRBD)為網絡中設備和光纖風險度的方差和的倒數，其計算公式為2同樣，業務風險均衡度(BRBD)計算公式為通信網的優化需要降低網絡的總體風險度(NRD)，同時提高網絡的資源風險均衡度(RRBD)和業務風險均衡度(BRBD)。5.根據權利要求1所述的一種基于層次分析法和遺傳算法的通信網優化方法，其特征在于，步驟3中，對通信網可靠性的評價方法基于以下步驟進行：步驟3.1、評價指標體系的構建：針對通信網路線方案的可靠性，構建了三層評價指標體系，分別為方案層、因素層和指標層，步驟3.2、構建同一度決策矩陣，具體包括：(1)定義通信網線路規劃有N1,N2,...,Nm共m個方案，每個方案有p1,p2,...,pn個指標，得到多方案評價決策矩陣S，即在m個方案中選取每個類別指標的最優值，形成理想方案A0，A0＝[p01,p02,...,p0n]T其中，網絡總風險度取最小值，資源風險均衡度取最大值，業務風險均衡度取最大值；記A0中第f(f＝1,2,...,n)個指標的值為p0f；(2)構建被評價方案指標與理想方案指標的同一度矩陣：由被評價方案Ai(i＝1,2,...,m)中各指標pij與理想方案A0中對應指標值p0f的同一度aij，可得到同一度矩陣T，即為

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊濟海，伍小生，彭汐單，李東，劉杰，王華，付萍萍，蔡志民，王國歡，巢玉堅，胡游君，邱玉祥，呂順利，鄧偉，施健，馬遠東，陸濤，劉洋，楊旭斌，張璐璠，鄧永康，李石君，余偉，李宇軒，李敏，陳雪蓮，付晨，
申請(專利權)人：國網江西省電力公司信息通信分公司，南京南瑞集團公司，國家電網公司，武漢大學，
類型：發明
國別省市：江西,36