蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法在智能用電信息管理 系統(tǒng)中的應(yīng)用方法研究

陳洪雨 李春海 蘆 斌 劉曉龍 崔振偉

（石家莊科林電氣股份公司，石家莊 050222）

目前國(guó)家大力發(fā)展智能電網(wǎng)，制定了“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”的總體目標(biāo)，用電信息管理系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分之一。國(guó)內(nèi)的用電信息管理系統(tǒng)的采集方式主要有RS-485 方式抄表、電力線載波方式抄表、微功率無(wú)線方式抄表等幾種方案[1-2]。隨之產(chǎn)生的是網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量問(wèn)題,包括丟包率增加，通信線路不通等。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外OLT（optical line terminal，光線路終端）設(shè)備采用的QoS 算法一般是是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法、數(shù)據(jù)副本放置算法等[3]，這些算法主要是針對(duì)一般的應(yīng)用，并沒(méi)有考慮用電信息采集領(lǐng)域的特殊性：一般應(yīng)用具備視頻、語(yǔ)音等業(yè)務(wù)的處理，而這些在用電信息采集領(lǐng)域中不涉及，其涉及的通信業(yè)務(wù)包括終端抄表、主站遠(yuǎn)程維護(hù)、居民用戶遠(yuǎn)程登錄主站進(jìn)行業(yè)務(wù)處理（例如電量查詢、遠(yuǎn)程繳費(fèi)）等。根據(jù)上述算法做出的帶寬分配在數(shù)據(jù)傳輸中缺陷主要表現(xiàn)在誤差大、穩(wěn)定性差、線路延遲時(shí)間長(zhǎng)、丟包率高等。為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法，根據(jù)用電信息采集的不同業(yè)務(wù)種類和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，并以此為依據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配。

1 蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法

蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法采用六角形的蜂巢穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對(duì)QoS 進(jìn)行算法優(yōu)化。其流程是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，在滿足延遲條件下找到滿足最小耗費(fèi)、最小丟包率的最優(yōu)解[4]。

蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法的步驟如下：

1）對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸入信息進(jìn)行歸一化預(yù)處理，即將其對(duì)應(yīng)處理為0 到1 之間的數(shù)，因?yàn)槿魯?shù)據(jù)的范圍較大，不利于蜂巢結(jié)構(gòu)算法的學(xué)習(xí)，故將輸入數(shù)據(jù)都 置于0 到1 范圍內(nèi)，具體公式為：式中，xi為第i項(xiàng)輸入信息，xmin為輸入信息的最小值，xmax為輸入信息的最大值。注意對(duì)于每層有n個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的情況，即i=1,2,…,n，j=1,2,…,n，對(duì)于第k層的第i個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，有n個(gè)權(quán)值系數(shù)wi1,wi2,…,win，并且在輸入樣本x時(shí)取x=(x1,x2,…,xn)。

2）賦值權(quán)值wij的初值。對(duì)各層的權(quán)值wij置一個(gè)較小的非零隨機(jī)數(shù)。

3）選擇傳遞函數(shù)。本蜂巢結(jié)構(gòu)采用穩(wěn)定性較好的高斯型傳遞函數(shù)。

設(shè)第k層的i個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的輸入總和為uik，輸出為yik，從k-1 層的第j個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)到第k層的第i個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的權(quán)系數(shù)為wij，各個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)為f，對(duì)于第k層的第i個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的輸出yik，有

步驟4）設(shè)置誤差期望值和誤差函數(shù)。定義誤差函數(shù)e，取期望輸出和實(shí)際輸出之差的3/2 次平方和作為誤差函數(shù)，則有

式中，yi為輸出單元的期望值；xim為實(shí)際輸出，期望輸出也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，m為第m層，誤差期望值設(shè)置為1e-5。

5）計(jì)算各層的輸出，將對(duì)應(yīng)的權(quán)重值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入傳遞函數(shù)中進(jìn)行優(yōu)化輸出。

6）根據(jù)輸出和步驟四中的計(jì)算公式計(jì)算誤差，誤差滿足需求條件時(shí)，優(yōu)化處理結(jié)束；誤差不滿足需求條件，修正權(quán)重值。是否滿足需求條件就是誤差是否小于設(shè)定的誤差期望值。

權(quán)值修正具體過(guò)程如下：

由于蜂巢結(jié)構(gòu)算法按誤差e函數(shù)的負(fù)梯度方向修改權(quán)值系數(shù)，故權(quán)值系數(shù)wij的修改量

其中：η為學(xué)習(xí)速度，即步長(zhǎng)，一般取0～1 之間的數(shù)。

由于

故而有

令

從上面可知，求dik的公式：

把xim和期望輸出yi進(jìn)行比較計(jì)算，若兩者不等，則產(chǎn)生誤差信號(hào)e，按下面公式修改權(quán)值系數(shù)：

其中

上面公式中，求取本層dik時(shí)，要用到下一層的dik+1。可見(jiàn)，誤差函數(shù)的求取是從輸出層到輸入層的反向傳播過(guò)程，不斷進(jìn)行遞歸求取誤差，使其最小化。通過(guò)多個(gè)樣本反復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)向誤差逐漸減小的方向修改權(quán)值系數(shù)，最終消除誤差。當(dāng)蜂巢結(jié)構(gòu)的層數(shù)較多時(shí)，所用的計(jì)算量很大，故收斂速度不快。為了加快收斂速度，一般考慮上一次的權(quán)值系數(shù)，并以它作為本次修正的依據(jù)之一，修正公式如下：

式中，η即步長(zhǎng)，一般取0.1～0.4；a為權(quán)值系數(shù)修正常數(shù)，取a=0.7～0.9。

返回步驟5）繼續(xù)執(zhí)行。

在確定算法模型時(shí)，需要計(jì)算處理層數(shù)和各權(quán)值，這時(shí)的算法完全采用上述步驟。在計(jì)算處理層數(shù)時(shí)，使用較少的輸入數(shù)據(jù)就可以得出結(jié)論；在計(jì)算各權(quán)值時(shí)，處理層數(shù)已經(jīng)確定，為了得到最優(yōu)解，需要使用大量輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)算法模型確定后，在實(shí)際應(yīng)用中，算法不再執(zhí)行計(jì)算誤差、優(yōu)化權(quán)值的步驟，只是通過(guò)計(jì)算得到最終的輸出[5-7]。

2 算法仿真分析

2.1 蜂巢結(jié)構(gòu)算法模型建立

智能用電信息管理系統(tǒng)包括主站服務(wù)器、光纖智能用電管理終端和智能光纖電能表。主站服務(wù)器與光纖智能用電管理終端的GEPON 接口通過(guò)光纖連接，這里主站服務(wù)器是OLT 端，進(jìn)行光通信的管理，光纖智能用電管理終端是ONU 端；光纖智能用電管理終端的PON 接口和智能光纖電能表通過(guò)光纖連接[8-9]。如圖1所示。

圖1 智能用電信息管理系統(tǒng)

輸入信息具體指的是根據(jù)研發(fā)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的符合電力系統(tǒng)居民抄表業(yè)務(wù)技術(shù)領(lǐng)域的光纖通信的各種數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大量的數(shù)據(jù)是確定算法模型的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)定義見(jiàn)表1。

表1 輸入數(shù)據(jù)

歸一化后的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 輸入數(shù)據(jù)歸一化

首先確定輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)及輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)：輸入有四個(gè)，分別是發(fā)起源、方向、剩余帶寬和流量速率，輸出只有一個(gè)，因此這里采用常用的確定處理層數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式中，n=4，m=1，a為[3,12]之間的常數(shù)，經(jīng)計(jì)算得出處理層數(shù)n1的范圍為6～15[10]。

將6～15 分別作為算法的處理層數(shù)，使用少量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入給算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 處理層數(shù)

從以上結(jié)果表中可以得到，當(dāng)處理層層數(shù)為13時(shí)，蜂巢結(jié)構(gòu)的誤差最低為1.2387e-007，所以處理層層數(shù)最后確定為13 層。

表3中，蜂巢結(jié)構(gòu)實(shí)際誤差為實(shí)際輸出與期望輸出的差值，蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)定誤差是為蜂巢結(jié)構(gòu)理論誤差閥值。

確定了處理層數(shù)后，蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法中處理層數(shù)設(shè)置為13，將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定算法中的權(quán)值。

參看圖2，首先將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，既將所有輸入數(shù)據(jù)處理成0～1 之間的數(shù)值；初始化權(quán)值，將各權(quán)值設(shè)置為小于1 的非零隨機(jī)數(shù)；選擇傳遞函數(shù)：用高斯型傳遞函數(shù)；將對(duì)應(yīng)的權(quán)值和輸入信號(hào)代入傳遞函數(shù)，逐層計(jì)算，得出最后結(jié)果；設(shè)置誤差期望值和誤差函數(shù)，誤差函數(shù)為期望輸出和實(shí)際輸出之差的3/2 次平方和，計(jì)算誤差；如果誤差滿足需求條件確定當(dāng)前權(quán)值，否則修正權(quán)值重新計(jì)算。

圖2 優(yōu)化計(jì)算權(quán)值的流程圖

最后的算法模型如圖3所示。

上面所述的需求條件是指：在電力系統(tǒng)居民抄表業(yè)務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，滿足通信的標(biāo)準(zhǔn)，例如在通信中，64 個(gè)PON 同時(shí)通信，根據(jù)每個(gè)PON 口不同的通信業(yè)務(wù)，需分配不同的帶寬，滿足通信的正常工作；如果具備雙通道通信條件，則選擇最優(yōu)的路徑。針對(duì)應(yīng)用，需設(shè)定最低條件，針對(duì)算法中就是設(shè)定的誤差限定值或誤差期望值[11-13]。

2.2 蜂巢結(jié)構(gòu)算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)比分析

處理層數(shù)13，上述的權(quán)值以及高斯型傳遞參數(shù)等就確定了蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法模型。將算法模型固化到光纖智能用電管理終端的蜂巢結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)算法模塊中。在實(shí)際應(yīng)用中，將實(shí)際數(shù)據(jù)輸入算法，經(jīng)計(jì)算得出優(yōu)先級(jí)，進(jìn)而進(jìn)行動(dòng)態(tài)帶寬分配。將五組輸入數(shù)據(jù)帶入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和蜂巢算法中，經(jīng)過(guò)仿真得到輸出數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由以上表格可知：蜂巢算法較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法誤差小，收斂穩(wěn)定、收斂速度快，驗(yàn)證了蜂巢算法的高效性和適用性。

由仿真圖4、圖5可知，蜂巢算法的誤差數(shù)量級(jí)是10-5，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的誤差數(shù)量級(jí)是100，相比較蜂巢結(jié)構(gòu)算法的誤差較小，而其迭代步數(shù)較多，穩(wěn)定性更好。

圖4 蜂巢算法Matlab 仿真誤差曲線結(jié)果圖

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法Matlab 仿真誤差曲線結(jié)果圖

表5是具體數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法計(jì)算的輸出與期望輸出的比對(duì)。

表5 算法計(jì)算的輸出與期望輸出的比對(duì)

可以看出，經(jīng)本算法計(jì)算的結(jié)果與期望輸出非常接近，符合實(shí)際需求。證明了蜂巢結(jié)構(gòu)算法在用電信息管理系統(tǒng)的可行性和高效性。

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的蜂巢結(jié)構(gòu)算法，對(duì)智能用電信息管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理，相較于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高斯算法，本文提供的算法，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明較傳統(tǒng)的算法可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)計(jì)算出優(yōu)先級(jí)并作為動(dòng)態(tài)帶寬分配的參數(shù)，可以大大降低業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸延遲和丟包率高，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的正常傳輸，并可以針對(duì)不同環(huán)境不同現(xiàn)場(chǎng)情況智能的對(duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行分配，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量，大大提高了數(shù)據(jù)帶寬分配的實(shí)時(shí)性和高效性，同時(shí)也保證OLT 光纖傳輸中重要數(shù)據(jù)的傳輸速率和品質(zhì)。提高了用電信息管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性、高效性[14-15]。

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