電力系統(tǒng)光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：目前光通信網(wǎng)已經(jīng)成為電力通信系統(tǒng)尤其是配用電通信的主要形式。但光通信設(shè)備的脆弱性以及光通信組網(wǎng)方式的復(fù)雜性給電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。此外，配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)信息難以實(shí)時(shí)獲取的問(wèn)題，也影響了電力通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率。為此，有必要在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中建立統(tǒng)一的信息模型和接口，并對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行分析，以提升光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。本文提出了統(tǒng)一的光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型，該模型規(guī)范了配置模型和性能數(shù)據(jù)模型，并實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)接口。同時(shí)，還建立了光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型，并闡述了利用該模型進(jìn)行質(zhì)量分析的原理。

關(guān)鍵詞：光通信；質(zhì)量分析；信息模型；標(biāo)準(zhǔn)接口

作為整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的核心，配用電網(wǎng)在電力網(wǎng)中扮演著調(diào)度的關(guān)鍵角色，因此配用電網(wǎng)通信的質(zhì)量至關(guān)重要。但迄今為止，配用電網(wǎng)絡(luò)在通信方面仍未形成規(guī)范化的統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，并且電力生產(chǎn)接入網(wǎng)設(shè)備使用的接口技術(shù)和數(shù)據(jù)模型也存在著不一致的情況[1]。傳統(tǒng)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)主要使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，但該方式受到空間距離限制和各種外界干擾的影響。為解決這些問(wèn)題，光通信網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于配用電網(wǎng)絡(luò)中，它能夠克服雙絞線的限制和環(huán)境干擾的問(wèn)題。

然而，光通信設(shè)備的脆弱性以及光通信組網(wǎng)方式的復(fù)雜性給電力通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，這也成為優(yōu)化配用電光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的核心要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要建立統(tǒng)一的信息管理模型，以提高光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。這個(gè)信息管理模型能夠統(tǒng)一監(jiān)控和管理配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中的各種通信和業(yè)務(wù)資源，并支持端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量的管理。

一、光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型及接口

（一）光通信網(wǎng)絡(luò)信息模型

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括集成網(wǎng)管系統(tǒng)（Integrated Network Management System， INMS）、網(wǎng)元管理系統(tǒng)（Element Management System， EMS）、子網(wǎng)管理系統(tǒng)（Sub-Network Management System， SNMS）和多個(gè)配用點(diǎn)光通信子系統(tǒng)。它們共同完成對(duì)配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)控工作。在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，主要資源是各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體設(shè)備和在這些設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。因此，光通信網(wǎng)絡(luò)的信息模型可以分為兩個(gè)主要組成部分[2]：配置模型和性能數(shù)據(jù)模型。

配置模型抽象描述了光通信網(wǎng)絡(luò)資源的活動(dòng)信息。在運(yùn)行過(guò)程中，配置模型會(huì)保存一些性能參數(shù)，以便分析光通信網(wǎng)絡(luò)的整體質(zhì)量和性能。這些保存的性能參數(shù)被稱(chēng)為性能數(shù)據(jù)。

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)決定了其配置模型，包括機(jī)架模型、子架模型、卡槽模型、單元盤(pán)模型和端口模型等[3]。配置模型的過(guò)程是統(tǒng)一光通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以先設(shè)計(jì)一個(gè)通用的配置模型抽象類(lèi)，然后具體的配置模型如機(jī)架模型繼承此抽象類(lèi)，并在抽象類(lèi)的基礎(chǔ)上增加各自特有的屬性。以機(jī)架模型為例，可以用它來(lái)查詢和配置機(jī)架信息。機(jī)架模型的基本配置屬性包括機(jī)架名稱(chēng)、機(jī)架制造廠商、機(jī)架類(lèi)型和機(jī)架版本等。

和機(jī)架模型類(lèi)似，子架模型的配置項(xiàng)包括子架名稱(chēng)、子架設(shè)備制造商、子架類(lèi)型和子架版本；卡槽模型的配置項(xiàng)包括卡槽名稱(chēng)、卡槽設(shè)備制造商、卡槽可接受的單元盤(pán)類(lèi)型和已安裝的單元盤(pán)名稱(chēng)；單元盤(pán)模型的配置項(xiàng)包括單元盤(pán)名稱(chēng)、單元盤(pán)類(lèi)型、提供的端口類(lèi)型和數(shù)量，以及單元盤(pán)的使用狀態(tài)等。

性能數(shù)據(jù)模型定義了一系列必要的性能參數(shù)，包括光物理接口數(shù)據(jù)模型、以太網(wǎng)端口性能數(shù)據(jù)模型和組播性能數(shù)據(jù)模型等[4]。以光物理接口數(shù)據(jù)模型為例，其定義的性能參數(shù)主要包括發(fā)送功率、接收功率和偏置電流等。

（二）光通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口

在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和資源實(shí)體通過(guò)管理接口進(jìn)行交互。只有接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，才能有效、快速地傳遞數(shù)據(jù)。

為了提高接口的準(zhǔn)確性和高效性，配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的接口是基于TL1（Transaction Language 1）接口規(guī)范完成的。標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)控、故障監(jiān)控、配置監(jiān)控和安全監(jiān)控。

性能監(jiān)控能夠采集光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有性能數(shù)據(jù)，并將其上傳到中控。故障監(jiān)控可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行情況，并及時(shí)上報(bào)故障定位信息。配置監(jiān)控可以查詢光網(wǎng)絡(luò)終端和光網(wǎng)絡(luò)單元的設(shè)備配置信息，并支持配置信息的同步。安全監(jiān)控能夠控制訪問(wèn)權(quán)限，并檢測(cè)與接口安全性相關(guān)的漏洞。

光通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)接口主要由三個(gè)組成部分組成：輸入命令模塊、消息處理模塊和響應(yīng)輸出模塊。標(biāo)準(zhǔn)接口通過(guò)命令操控網(wǎng)元，網(wǎng)元根據(jù)輸入命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，然后返回輸出命令。每條輸入命令消息都以Action Code開(kāi)始，用于說(shuō)明網(wǎng)元應(yīng)采取的動(dòng)作。Staging Block是命令消息的標(biāo)識(shí)塊，其中TID用于標(biāo)識(shí)目標(biāo)網(wǎng)元，AID用于標(biāo)記要訪問(wèn)的實(shí)體（例如槽位、端口等），CTAG用于關(guān)聯(lián)響應(yīng)消息和對(duì)應(yīng)的輸入命令。消息處理模塊是標(biāo)準(zhǔn)接口的核心，它在接收到輸入命令后完成具體的業(yè)務(wù)操作。該模塊的工作包括解析輸入命令消息、處理命令、輸出消息以及向用戶反饋命令執(zhí)行結(jié)果等。

響應(yīng)消息的格式與輸入命令消息類(lèi)似，在生成響應(yīng)消息后將輸入命令的執(zhí)行結(jié)果返回給用戶。響應(yīng)消息包括響應(yīng)頭（Response Header）、響應(yīng)消息標(biāo)識(shí)（Response ID）、響應(yīng)塊（Response Block）和結(jié)束標(biāo)記。響應(yīng)頭標(biāo)記著響應(yīng)消息的開(kāi)始，響應(yīng)消息標(biāo)識(shí)唯一標(biāo)識(shí)一條響應(yīng)消息，與其他響應(yīng)消息進(jìn)行區(qū)分；響應(yīng)塊顯示響應(yīng)消息中的信息，是光終端設(shè)備與用戶之間交互的內(nèi)容；結(jié)束標(biāo)記表示響應(yīng)消息的結(jié)束。

三、光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析

（一）光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)

在配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中，質(zhì)量分析問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多指標(biāo)評(píng)價(jià)模型。在建立此模型時(shí)，需要對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)常用的參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行篩選和分析。

配用電光通信網(wǎng)絡(luò)的通信資源包括光終端設(shè)備、光纖傳輸網(wǎng)和運(yùn)行環(huán)境等。因此，為了全面衡量光通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，需要選擇覆蓋光通信網(wǎng)中所有資源實(shí)體的指標(biāo)。此外，為了提高質(zhì)量分析結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性，還應(yīng)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，以便獲得反映光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的定量分析結(jié)果。

配用電光通信網(wǎng)的質(zhì)量分析指標(biāo)模型具有多層次、多角度的特點(diǎn)。根據(jù)光通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，可以將質(zhì)量分析指標(biāo)分為資源使用類(lèi)指標(biāo)、通信可靠性類(lèi)指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行類(lèi)指標(biāo)和業(yè)務(wù)支撐類(lèi)指標(biāo)。

資源使用類(lèi)指標(biāo)用于衡量光通信網(wǎng)中各種光終端設(shè)備的資源使用率，例如CPU使用率、內(nèi)存使用率和存儲(chǔ)使用率等。這些指標(biāo)直接反映光通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量、對(duì)電力業(yè)務(wù)的承載能力和擴(kuò)展能力。通信可靠性類(lèi)指標(biāo)分析光通信網(wǎng)內(nèi)的通信可靠度，判斷網(wǎng)絡(luò)是否存在丟包、網(wǎng)絡(luò)包的錯(cuò)誤率以及光通信設(shè)備的在線率等。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行類(lèi)指標(biāo)確認(rèn)光通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各類(lèi)光終端設(shè)備的運(yùn)行情況，包括是否存在故障以及故障次數(shù)等；業(yè)務(wù)支撐類(lèi)指標(biāo)用于判斷業(yè)務(wù)是否發(fā)生中斷、業(yè)務(wù)中斷的持續(xù)時(shí)間和業(yè)務(wù)恢復(fù)的概率等。

可以采用效度系數(shù)法對(duì)配用電光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。假設(shè)上述指標(biāo)模型為T(mén)={t1， t2， …， tn}，參與對(duì)此指標(biāo)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)的評(píng)委數(shù)量為s，如果評(píng)委j對(duì)每個(gè)指標(biāo)的評(píng)分Xj={x1j， x2j， …， xnj}，那么某指標(biāo)的效度系數(shù)βi可以計(jì)算為：

其中q是指標(biāo)Ti的評(píng)分中的最優(yōu)值；

指標(biāo)體系的效度系數(shù)β可以表示為公式2：

由于效度系數(shù)法考慮了在對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí)不同專(zhuān)家評(píng)價(jià)的偏離程度，因此效度系數(shù)值越小越能反映指標(biāo)的有效性。

（二）光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析原理

在光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析中，考慮到多個(gè)指標(biāo)可能導(dǎo)致計(jì)算量巨大和復(fù)雜度高的問(wèn)題，可以采用主成分分析方法進(jìn)行降維處理。主成分分析的實(shí)質(zhì)是將原有的多個(gè)指標(biāo)重新組合，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算保證各主成份間互不相關(guān)，同時(shí)能夠保留原有指標(biāo)中的大部分信息。這樣，在光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析指標(biāo)模型中，就可以將大量指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少數(shù)量的主成分指標(biāo)，而這幾個(gè)保留的指標(biāo)就稱(chēng)為主成分指標(biāo)。

對(duì)光通信網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，假設(shè)數(shù)量為P的樣本其指標(biāo)數(shù)量是Q，并構(gòu)造P*Q的樣本矩陣：

假設(shè)Xi表示矩陣X的第i個(gè)向量，可以將q個(gè)指標(biāo)向量進(jìn)行線性組合，得到主成份：

Fi= r1iX1+r2iX2+ … + rni Xn （4）

系數(shù)向量ri=（r1i， r2i， ...， rni）T的不同線性組合得到不同的主成分Fi，而且主成分間是不相關(guān)的。主成分間的地位是不同的，F(xiàn)1是所有指標(biāo)向量線性組合中方差最大的一個(gè)，因此它包含的信息量最多，在所有主成分中起到最關(guān)鍵的作用；F2是其他和F1不相關(guān)的所有指標(biāo)向量線性組合中方差最大的，以此類(lèi)推就能夠得到其他所有的主成分。

各個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)可能存在較大的差異，如果直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一處理可能會(huì)使某些指標(biāo)丟失部分信息。為了減少信息丟失情況，可以對(duì)各指標(biāo)的元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，即用原始數(shù)據(jù)除以指標(biāo)均值，這一操作并不會(huì)改變指標(biāo)間的相關(guān)性系數(shù)，因此不會(huì)產(chǎn)生信息丟失。

四、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析功能可以按照前文描述的算法對(duì)收集得到的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，根據(jù)不同指標(biāo)的權(quán)重（主成分分析的結(jié)果）得到光通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量，完成對(duì)指標(biāo)的管理、指標(biāo)數(shù)據(jù)的管理、算法管理以及質(zhì)量分析。

指標(biāo)管理是光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的基礎(chǔ)模塊，能夠查詢參與光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的指標(biāo)信息，例如指標(biāo)名稱(chēng)和內(nèi)容等。當(dāng)光通信網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境變化時(shí)，可能會(huì)對(duì)參與質(zhì)量分析的指標(biāo)有不同要求。因此，還可以動(dòng)態(tài)添加指標(biāo)，從而使整個(gè)指標(biāo)模型可以隨光通信網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)然，也可以刪除無(wú)效指標(biāo)。指標(biāo)數(shù)據(jù)管理功能維護(hù)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，并以時(shí)間維度展示某指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，比如歸一化操作，以方便后續(xù)的主成分分析。算法管理的功能是對(duì)質(zhì)量分析采用的算法進(jìn)行管理及優(yōu)化，比如修改主成分分析的向量系數(shù)等。

光通信質(zhì)量分析采用“瀏覽器/服務(wù)器”架構(gòu)，邏輯上分成表示層、應(yīng)用層和持久層。表示層負(fù)責(zé)在瀏覽器前端頁(yè)面展示分析結(jié)果，并為用戶提供光通信質(zhì)量分析接口，接受用戶的輸入指令。應(yīng)用層完成具體的業(yè)務(wù)邏輯、質(zhì)量分析操作，并通過(guò)持久層獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。持久層借助前文描述的標(biāo)準(zhǔn)接口從設(shè)備采集信息，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為使前端界面保持良好的界面友好性和高安全性，選擇使用Flex及ActionScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)。應(yīng)用邏輯代碼使用Java實(shí)現(xiàn)，客戶端及服務(wù)端的信息傳遞由Remote Object實(shí)現(xiàn)，ibatis負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)持久化。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析邏輯結(jié)構(gòu)圖

在光通信網(wǎng)質(zhì)量分析系統(tǒng)中，分析結(jié)果可以通過(guò)客觀評(píng)分的方式得出。這些評(píng)分是根據(jù)指標(biāo)的權(quán)重和算法計(jì)算得出的，用于評(píng)估光通信網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。客觀評(píng)分可以幫助用戶快速了解網(wǎng)絡(luò)的整體性能。此外，光通信網(wǎng)質(zhì)量分析系統(tǒng)還提供了自定義質(zhì)量等級(jí)的功能，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)定。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)配用電光通信網(wǎng)質(zhì)量提升的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。為了提高光通信網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，文章首先確定了一個(gè)統(tǒng)一的信息管理模型和標(biāo)準(zhǔn)接口。并在此基礎(chǔ)上建立了光通信網(wǎng)質(zhì)量分析的指標(biāo)模型，并介紹了進(jìn)行質(zhì)量分析的原理。此外，文章還詳細(xì)說(shuō)明了可靠質(zhì)量分析系統(tǒng)應(yīng)具備的功能和邏輯結(jié)構(gòu)。這樣的系統(tǒng)對(duì)提高光通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量非常有幫助。它不僅能夠統(tǒng)一監(jiān)控和管理配用電光通信網(wǎng)絡(luò)中的各種通信和業(yè)務(wù)資源，還能夠支撐光通信網(wǎng)絡(luò)端到端的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

作者單位：許東蛟 河南省電力公司

參考文獻(xiàn)

[1] 趙振江.光通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用探討[J].中國(guó)信息化，2023（03）：61-62.

[2] 佘靜，胡睿.基于信號(hào)時(shí)變性的空間光通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究[J].激光雜志，2022（09）：129-133.

[3] 趙偉，王文娟.基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的光通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)異常識(shí)別研究[J].激光雜志，2023（01）：174-178.

[4] 李室昆，王強(qiáng).可見(jiàn)光通信與WiFi融合下的智能控制技術(shù)研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2022（11）：173-178.

許東蛟（1975.01.13-），男，河南鄭州，本科，高級(jí)工程師，研究方向：通信和視訊。