電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)影響因素的相關(guān)性分析

丁慧霞,陳希,王法寧,張穎,劉革,高會(huì)生

(1.中國電力科學(xué)研究院,北京 100192; 2.華北電力大學(xué),河北保定 071003;3.四川省電力公司信息通信公司,成都 610041)

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電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)影響因素的相關(guān)性分析

丁慧霞1,陳希1,王法寧2,張穎3,劉革3,高會(huì)生2

(1.中國電力科學(xué)研究院,北京 100192; 2.華北電力大學(xué),河北保定 071003;
3.四川省電力公司信息通信公司,成都 610041)

摘要:電力OTN(光傳送網(wǎng))的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與鏈路和節(jié)點(diǎn)的失效概率以及業(yè)務(wù)路徑配置類型存在復(fù)雜的依賴關(guān)系。為了確定不同因素對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,需要采用有效的方法對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)及其影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析。文章首先給出了電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)模型和分析方法,并針對(duì)鏈路和節(jié)點(diǎn)失效場(chǎng)景進(jìn)行了業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析;然后確定了6項(xiàng)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)影響指標(biāo),并采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對(duì)影響指標(biāo)與業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)間的相關(guān)性進(jìn)行了分析;最后實(shí)例驗(yàn)證了風(fēng)險(xiǎn)分析和相關(guān)性分析算法的可行性。研究結(jié)論對(duì)電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及業(yè)務(wù)路徑優(yōu)化配置具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析;電力通信網(wǎng);光傳送網(wǎng);風(fēng)險(xiǎn)影響因素;相關(guān)性分析

0　引 言

OTN(光傳送網(wǎng))發(fā)揮同步數(shù)字體系和波分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢(shì),擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高了管理維護(hù)能力,并且可以對(duì)以太網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行高效透明傳輸。電力通信網(wǎng)利用OTN的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在地區(qū)調(diào)度與省調(diào)度之間構(gòu)建了大容量骨干網(wǎng)。隨著OTN技術(shù)在電力通信網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用,人們研究了電力OTN的傳輸性能[1]、交叉技術(shù)[2]、保護(hù)機(jī)制[3]和故障定位[4]等問題。電力OTN作為骨干通信網(wǎng),承載著大容量的電力通信業(yè)務(wù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或鏈路的失效會(huì)造成業(yè)務(wù)的嚴(yán)重?fù)p失,進(jìn)一步影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,從而使電力OTN存在業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)OTN的風(fēng)險(xiǎn)管理問題,文獻(xiàn)[5]闡述了通信網(wǎng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段考慮業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的必要性。骨干通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)研究包括基于風(fēng)險(xiǎn)的光網(wǎng)絡(luò)彈性設(shè)計(jì)[6],基于風(fēng)險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)配置策略優(yōu)化[7],網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均衡[8]和電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法[9]。上述研究成果在一定程度上解決了OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的分析與評(píng)估問題,但是沒有涉及業(yè)務(wù)配置方式給定條件下的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析和影響因素相關(guān)性分析問題。本文給出了電力OTN的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)模型和風(fēng)險(xiǎn)分析方法;統(tǒng)計(jì)了鏈路失效直接影響和間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)失效直接影響和間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量等風(fēng)險(xiǎn)影響因素指標(biāo);對(duì)OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與指標(biāo)作了相關(guān)性分析,得到不同指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。

1　電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)性分析

1.1電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)模型

電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)事件是指光纖鏈路或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效事件組合。第i個(gè)事件組合的發(fā)生概率為psi,失效事件發(fā)生后導(dǎo)致電力OTN的業(yè)務(wù)損失為ci。考慮到電力OTN屬于高可靠性網(wǎng)絡(luò),在同一時(shí)刻僅有一條鏈路或一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效,這樣全網(wǎng)可能出現(xiàn)的失效事件組合數(shù)量N近似等于鏈路和節(jié)點(diǎn)數(shù)之和。風(fēng)險(xiǎn)事件場(chǎng)景si與鏈路或節(jié)點(diǎn)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系,si可以表示為第i個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)失效而其他均正常的事件。電力OTN的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)可表示為

式中,R為網(wǎng)絡(luò)整體業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn),Ri為風(fēng)險(xiǎn)事件場(chǎng)景si的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。si發(fā)生的概率為

式中,pi和pj為鏈路或節(jié)點(diǎn)的失效概率;NE為鏈路數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)之和。

考慮光放大器的影響,電力OTN第i條光纖鏈路的失效概率LFPi可表示為

式中,rL為單位長(zhǎng)度光纜的平均不失效概率,rA為光放大器的不失效概率,mAi為光纖鏈路上光放大器的配置個(gè)數(shù),li為光纜長(zhǎng)度(單位為km)。

節(jié)點(diǎn)是指電力OTN中的光通信設(shè)備。由于光通信設(shè)備失效后可以通過維修使其功能得以恢復(fù),所以第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效概率NFPi可表示為

式中,λi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效率,μi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的修復(fù)率。

電力OTN業(yè)務(wù)通常采用3種配置類型,分別是單路徑無保護(hù)、完全雙路徑1+1保護(hù)和部分雙路徑1+1保護(hù)。業(yè)務(wù)損失是指業(yè)務(wù)配置路徑中第i個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)NEi由正常轉(zhuǎn)換為失效導(dǎo)致業(yè)務(wù)j不失效概率降低的程度,記為δij,表示為

式中,fj(·)為業(yè)務(wù)j的不失效概率函數(shù),r為業(yè)務(wù)j路徑中所包含鏈路或節(jié)點(diǎn)的不失效概率數(shù)組,fj(r)為業(yè)務(wù)j的不失效概率。0i表示r中第i個(gè)元素取0值時(shí)的不失效概率數(shù)組,fj(0i)為第i個(gè)元素失效時(shí)業(yè)務(wù)j的不失效概率。

當(dāng)鏈路或節(jié)點(diǎn)不屬于業(yè)務(wù)j的路徑集合時(shí), δij=0;當(dāng)鏈路或節(jié)點(diǎn)屬于業(yè)務(wù)j的單路徑集合時(shí), δij=fj(r);當(dāng)鏈路或節(jié)點(diǎn)屬于業(yè)務(wù)j的保護(hù)路徑集合時(shí),δij由業(yè)務(wù)路徑配置方式?jīng)Q定。第i個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)失效造成的OTN總業(yè)務(wù)損失為

式中,M為網(wǎng)絡(luò)配置的業(yè)務(wù)總數(shù)。

1.2業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)影響因素

本文重點(diǎn)考慮LFP、NFP、鏈路失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量、鏈路失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量等6個(gè)影響因素。

鏈路失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量是指導(dǎo)致完全失效的業(yè)務(wù)數(shù)量,記為NLDi;鏈路失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量是指不會(huì)導(dǎo)致完全失效的業(yè)務(wù)數(shù)量,記為NLIi;節(jié)點(diǎn)失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量是指直接導(dǎo)致完全失效的業(yè)務(wù)數(shù)量,記為NNDi;節(jié)點(diǎn)失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量是指不會(huì)導(dǎo)致完全失效的業(yè)務(wù)數(shù)量,記為NNIi。

1.3相關(guān)性分析

設(shè)樣本向量X和Y,其樣本數(shù)均為n,第i個(gè)觀察值Xi和Yi的秩分別為xi和yi,秩的差記為di= xi-yi,X和Y的Spearman秩相關(guān)系數(shù)為

設(shè)電力OTN包含NL條鏈路,第i條鏈路的失效概率為L(zhǎng)FPi,該條鏈路的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)為Ri,秩的差為dLFP,i,那么LFPi與Ri之間的Spear man秩相關(guān)系數(shù)ρLFP可由式(7)求得。同理,可以得到NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等5個(gè)影響因素指標(biāo)與業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)值的Spearman秩相關(guān)系數(shù),分別記為ρNFP、ρNLD、ρNLI、ρNND和ρNNI。

2　算法描述

業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析及影響因素相關(guān)性分析算法包括如下步驟:

(1)統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。鏈路數(shù)據(jù)包括鏈路數(shù)、光纜長(zhǎng)度li、光纜單位長(zhǎng)度的不失效概率rL、每條鏈路上光放大器的個(gè)數(shù)mAi以及光放大器的不失效概率rA等。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包括節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)失效率λi和節(jié)點(diǎn)修復(fù)率μi等。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括業(yè)務(wù)數(shù)M、每條業(yè)務(wù)的配置類型和業(yè)務(wù)路徑與鏈路、節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。

(2)計(jì)算失效概率。根據(jù)式(3)計(jì)算LFPi,則光纖鏈路的不失效概率為1-LFPi。根據(jù)式(4)計(jì)算NFPi,則節(jié)點(diǎn)的不失效概率為1-NFPi。

(3)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)事件概率。根據(jù)式(2)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率,用概率向量P=(psi)N×1表示。

(4)計(jì)算業(yè)務(wù)損失。根據(jù)式(5)計(jì)算第i個(gè)鏈路或節(jié)點(diǎn)失效對(duì)第j條業(yè)務(wù)產(chǎn)生的損失δij,其中,i= 1,2,…,N,j=1,2,…,M;計(jì)算業(yè)務(wù)損失矩陣Δ= (δij)N×M。根據(jù)式(6),對(duì)矩陣Δ按行對(duì)列求和,得到全網(wǎng)業(yè)務(wù)損失向量C=(ci)N×1。

(5)計(jì)算業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)式(1)計(jì)算全網(wǎng)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)R。

(6)統(tǒng)計(jì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)影響指標(biāo)。對(duì)業(yè)務(wù)配置數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到鏈路或節(jié)點(diǎn)的NLDi、NLIi、NNDi和NNIi。

(7)相關(guān)性分析。利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析法對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)R與LFPi、NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。由式(7)得到6個(gè)影響因素的Spearman秩相關(guān)系數(shù)ρLFP、ρNFP、ρNLD、ρNLI、ρNND和ρNNI。

3　算 例

本文以國家電網(wǎng)大容量骨干傳輸網(wǎng)為例對(duì)所提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證。全網(wǎng)共有289個(gè)站點(diǎn),其中包括164個(gè)OTN站點(diǎn)和125個(gè)線路光放站點(diǎn)。光纜有206條,主要以24芯光纜為主,少部分線路采用16、36或48芯光纜。全網(wǎng)共配置153條業(yè)務(wù),其中單路徑業(yè)務(wù)45條,完全雙路徑1+1保護(hù)業(yè)務(wù)57 條,部分雙路徑1+1保護(hù)業(yè)務(wù)51條。

3.1業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)式(3),并設(shè)rL=0.999 99、rA=0.999 99,已知每條光纖配置的光放大器數(shù)量和長(zhǎng)度,可計(jì)算光鏈路的失效概率和不失效概率。節(jié)點(diǎn)的不失效概率服從[0.999,0.999 9]范圍內(nèi)的均勻分布。根據(jù)算法步驟(1)～(5),得到鏈路和節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1　鏈路的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)變化

從圖1可以看出,不同鏈路具有不同的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn),大部分業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)值集中在0～0.005之間。鏈路業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均值為0.001 8,均方差為5.85×10-6。由圖2可以看出,大部分節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)值集中在0～ 0.003之間。節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)均值為0.001 4,均方差為1.60×10-6。

圖2　節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)變化

3.2影響因素相關(guān)性分析

根據(jù)算法步驟(6)和(7),對(duì)全網(wǎng)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)R與LFPi、NFPi、NLDi、NLIi、NNDi和NNIi等影響因素之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。利用SPSS軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　Spearman秩相關(guān)系數(shù)

經(jīng)顯著性檢驗(yàn),表1中給出的Spearman秩相關(guān)系數(shù)均在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。可以看出,LFP和NND對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)分別為0.788和0.715,在0.5～0.8之間,屬于中度相關(guān)。其他4個(gè)相關(guān)系數(shù)均<0.5,屬于弱相關(guān)。由相關(guān)系數(shù)的大小可知,鏈路對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度由強(qiáng)到弱依次為ρLFP>ρNLD>ρNLI;節(jié)點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度由強(qiáng)到弱依次為ρNND> ρNFP>ρNNI,影響最為顯著的是配置業(yè)務(wù)數(shù)量最多的節(jié)點(diǎn),而不是NFPi。

4　結(jié)束語

本文通過電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析,研究了LFP、NFP、鏈路失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量、鏈路失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)失效直接影響業(yè)務(wù)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)失效間接影響業(yè)務(wù)數(shù)量等6項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)影響因素指標(biāo)與業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性。研究表明,在單路徑上的LFP和節(jié)點(diǎn)承載的業(yè)務(wù)數(shù)量對(duì)電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)具有最為顯著的影響,而在主備用路徑上的鏈路和節(jié)點(diǎn)承載的業(yè)務(wù)數(shù)量對(duì)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)卻具有較弱的影響。研究結(jié)論對(duì)電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及業(yè)務(wù)路徑優(yōu)化配置具有參考價(jià)值。下一步工作是根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果建立業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,簡(jiǎn)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程,實(shí)現(xiàn)有效的電力OTN業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理。

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Correlation Analysis of Electric Power OTN Service Riskfactors

DING Hui-xia1,CHEN Xi1,WANG Fa-ning2,ZHANG Ying3,LIU Ge3,GAO Hui-sheng2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China; 2.North China Electric Power University, Baoding 071003,China; 3.Information and Communication Company of Sichuan Grid,Chengdu 610041,China)

Abstract:There exist complex dependencies between electric power Optical Transport Network(OTN)service risk factors and link or node failure probability and type of service path configuration.In order to determine the influence degree of different factors on the service risks,it is necessary to adopt effective methods to analyze the correlation of service risks and their influence factors.This paper first gives the service risk model and the analytical approaches and analyzes the service risks in the failure scenario of the links or nodes.Then,it defines six service risk influence indicesand analyzes the correlation between the influence indices and the service risks using the Spearman’s rank correlation coefficient method.Finally,it verifies the feasibility of risk analysis and correlation analysis algorithmin practical cases.The research conclusions have certain reference value to OTN service risk assessment and service path optimized configuration.

Key words:service risk analysis;electric power communication network;OTN;risk influence factor;correlation analysis

中圖分類號(hào):TN915

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0001-03

收稿日期:2015-07-20

基金項(xiàng)目:國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目資助(XX71-14-046)

作者簡(jiǎn)介:丁慧霞(1981-),女,河南新鄉(xiāng)人。高級(jí)工程師,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娏饫w通信技術(shù)的研究應(yīng)用。

通信作者:王法寧,碩士研究生。E-mail:wfn_ncepu@163.com

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.001