基于機器學習lightgbm算法的運營商基站退服預測研究

龍克樹 楊鑫 楊靖

摘要：文章研究目的是將機器學習的前沿技術(shù)應用于通信行業(yè)的基站退服預測模型當中，大幅提高預測精度，降低人工維護成本。本文首先介紹了運營商基站當前的維護現(xiàn)狀及預測退服的必要性，然后對lightgbm算法進行了介紹，最后以告警類型、數(shù)量、時間等作為模型基礎(chǔ)進行退服預測，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：機器學習;基站;退服預測

隨著人民生活水平不斷提高，通信行業(yè)的高速發(fā)展，各運營商為提升服務質(zhì)量不斷加快自身基站建設，服務體驗確實得到了優(yōu)化，但帶來的設備故障維護成本也隨著增加，特別是與基站退服方面相關(guān)的監(jiān)控設備型號眾多、告警類別繁雜、告警次數(shù)頻繁，維護人員無法在海量的告警數(shù)據(jù)中獲取有效價值信息。

（一）運營商基站退服告警現(xiàn)狀

目前各大運營商均擁有基站跨域設備監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)每日產(chǎn)生海量告警數(shù)據(jù)，基站設備告警和故障維護以簡單的“閾值線”判斷為依據(jù)，以工單派發(fā)、人為核實作為主要形式，因各類告警頻繁、無序、關(guān)系復雜等原因，維護人員無法在故障真正來臨前進行維護、勘察。

（二）運營商基站退服預測重要性

基站告警數(shù)據(jù)的分析、管理、應用是維護工作質(zhì)量提升的參考依據(jù)，如能充分挖掘海量歷史告警數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過機器學習模型構(gòu)建、特征分析、模型訓練等流程判斷出即將發(fā)生如“小區(qū)不可用告警”或“網(wǎng)元鏈接中斷”等核心故障現(xiàn)象。

基站退服預測問題實際可轉(zhuǎn)化基于時序數(shù)據(jù)的二分類問題，機器學習中有眾多分類、關(guān)聯(lián)分析算法，如決策樹C4.5、Apriori、FP-growth、Lightgbm等。

本研究采用的是LightGBM算法，它是一種基于Histogram（直方圖）的決策樹算法，是對GBDT（GradientBoostingDecisionTree，梯度提升決策樹）的高效實現(xiàn)，采用損失函數(shù)的負梯度作為當前決策樹的殘差近似值，用于擬合新決策樹，算法通過采用基于梯度的單邊采樣、互斥特征捆綁等方式大幅提高了算法精度，加快了訓練速度，同時還降低了訓練時所需存儲，是目前機器學習領(lǐng)域最為主流的算法之一。

（一）基站數(shù)據(jù)預處理

為提高模型訓練精準度及訓練速度，需要對原始基站告警數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)觀察和預處理，具體過程包括數(shù)據(jù)最大值、最小值、中位數(shù)、均值等進行查看，數(shù)據(jù)去重、填充、排序等特殊處理，原始數(shù)據(jù)僅包括告警開始時間、基站名稱、類型三個字段。

（二）模型特征工程

在模型訓練開始之前，需先進行特征工程構(gòu)建，研究通過告警時間、基站告警類型、基站告警數(shù)量、告警關(guān)系等維度構(gòu)建模型特征。

告警時間維度包括：告警發(fā)生的年、月、日、時、分、秒、上午、中午、下午、晚上、是否周末、月上旬、月中旬、月下旬等;

基站告警類型包括：RRU類、傳輸類、電源類、基站設備類、時鐘源類、數(shù)據(jù)配置類、天饋類等;

基站告警數(shù)量包括：距離目標日前1-N天的告警次數(shù)、故障次數(shù)、告警天數(shù)、故障天數(shù)、單日平均告警次數(shù)、異常類告警數(shù)、射頻類告警數(shù)、BBU告警數(shù)、RHUB告警數(shù)等。

（三）預測模型構(gòu)建

本研究使用的當前機器學習當中的LightGBM算法對樣本數(shù)據(jù)的基站退服情況進行預測分析，模型構(gòu)建過程包括數(shù)據(jù)核查、預處理，創(chuàng)建特征，訓練集、驗證集、測試集構(gòu)建，模型訓練，網(wǎng)格搜索參數(shù)調(diào)優(yōu)等，圖4.1是模型構(gòu)建流程圖，如下：

（四）模型評估及參數(shù)調(diào)優(yōu)

LightGBM可通過指定部分超參數(shù)來優(yōu)化預測效果及訓練速度，具體包括控制參數(shù)、核心參數(shù)、度量參數(shù)等。

當模型參數(shù)取值如表4.1所示時，經(jīng)過5次交叉驗證，模型訓練集的對數(shù)損失率是18.45%，auc達到85.65%;校驗集的對數(shù)損失率是18.45%，校驗集auc達到85.78%，模型準確率達到92.38%，模型精確度取到最大值0.8231，即此模型可在一定條件下有效預測基站退服。

上述研究表明模型通過基站告警發(fā)生的時間、類型、數(shù)量、告警間關(guān)聯(lián)關(guān)系等維度數(shù)據(jù)預測未來某一時段基站發(fā)生退服的概率值，讓廣大員工從海量、無效的告警中得到最有價值的信息，提高了維護效率，實現(xiàn)用戶的無故障感知使用，切實提升品牌服務質(zhì)量，降低潛在用戶投訴風險。

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龍克樹，男，中國移動通信集團貴州有限公司，工程師;楊鑫，男，中國亞信科技有限公司，工程師;楊靖，女，中國移動通信集團貴州有限公司，工程師。