基于竞争性蚁群算法的调度信息传输路径策略研究

基于竞争性蚁群算法的调度信息传输路径策略研究

王禄海1吴明轩2柳水莲3张峻诚4

（1.2.海南电网有限责任公司；3.4.东方电子股份有限公司）

摘要：随着电网调控一体化的快速推进，主站SCADA/EMS系统接入了越来越多的厂站信息。在考虑电力通信网络出现链路失效的情况下，选择合适的主传输路径和备用传输路径是实现调度信息迅速、可靠地相互交互的关键。针对这问题，本文综合时延和可靠性的指标，建立了调度信息的传输路径选择数学模型，并利用竞争性蚁群算法进行模型求解，提出了主传输路径和备用传输路径的选择策略。MATLAB仿真结果表明，利用本文所建立的传输路径选择数学模型以及竞争性蚁群算法，能够可靠性地计算得到对时延性能与可靠性要求不同的主路由和备用路由策略。

关键词：竞争性蚁群算法；传输性能；主路径；备用路径。

0引言

本文综合考虑通信网络的延时指标与可靠性指标，构建了网络传输性能评价指标——延时代价、可靠性代价和传输代价，并建立了信息传输的路由路径选择数学模型，应用于对延时性能与可靠性侧重不同的路由选择场景。本文基于传统的蚁群算法，引进竞争性蚁群，利用本文构建的网络性能定量化分析的统一评价指标，能够可靠地计算得到链路不交叉的主路径路由和备用路径路由的路由选择策略，当调度信息传输的主路径出现链路失效后，可以迅速切换到备用路径，在一定程度上提高了信息传输的可靠性。

1通信网络

1.1通信系统

监控中心SCADA/EMS系统通过电力通信专网接入多个的厂站，监控中心的调度信息以及各个厂站装置获取的遥测、遥信信息通过电力通信专网在监控中心或其它变电站之间进行实时交互，一般需要经过多次的路由选择[10]，如图1所示。为保证遥信、遥测信息能够实时、可靠、安全地传输，选择低传输延时、高可靠性的路径成为关键。

图1通信系统

1.2通信网络拓扑

图2通信网络拓扑

2信息传输路径选择模型

信息的传输路径由若干条链路和若干个节点构成，其传输性能可以用路径的总延时和可靠性两个指标来衡量，如何处理延时和可靠性两个不同属性的传输性能指标，构建网络传输性能定量化分析的统一评价指标，成为建立路径选择模型的关键。

2.1路径的延时与延时代价

传输路径的延时等于各链路和节点的延时总和[11]，其延时表示为：

传输路径的延时T属于加法叠加的负指标。定义延时T的毫秒数为延时代价（DelayCost，DC），用延时代价DC值表征传输路径（链路、节点）的延时T大小，则延时代价DC也属于加法叠加的负指标，如式（2）。延时T为0的传输路径（链路、节点）能够实现零延时传输信息，延时代价DC为0，传输路径（链路、节点）的延时T逐渐增大，其延时代价DC也逐渐增大。

2.2路径的可靠性与可靠性代价

传输路径的可靠性等于各链路和节点的可靠性乘积，其可靠性表示为[12-13]：

路径的可靠性属于乘法叠加的正指标。定义可靠性的负自然对数值为可靠性代价（ReliabilityCost，RC），用可靠性代价RC值表征路径（链路、节点）的可靠性高低，则可靠性代价RC属于加法叠加的负指标，如式（4）。可靠性高的路径（链路、节点），可靠性代价小，可靠性低的路径（链路、节点），可靠性代价大。可靠性为0的路径（链路、节点）无法传输信息，可靠性代价为无穷大；可靠性为1的路径（链路、节点）能安全、可靠地传输信息，可靠性代价为0。

2.3路径的传输性能与传输代价

路径的传输性能表征路径的综合传输性能力，与延时和可靠性密切相关。

延时代价DC值可以表征延时的大小，可靠性代价RC值可以表征可靠性的大小，两者均属于加法叠加的负指标。因此，综合考虑延时和可靠性两个因素，可以用可靠性代价与延时代价的综合值表征传输路径的传输性能。

定义传输代价（TransmissionCost，TC）为可靠性代价与延时代价的综合值：

（5）

其中a和b为大于零的系数，且a+b=1，a与b的大小取值取决于传输性能对可靠性与延时的侧重程度。

结合式（2）（4），传输路径的传输代价表示为：

（6）

由式（6）可知，传输路径的传输代价等于各链路和节点的传输代价的总和。

（7）

2.4多路径选择模型

广域保护通信对信息的传输延时、可靠性具有苛刻的要求，用传输代价TC值作为路径（链路、节点）传输性能的统一评价指标，传输代价TC值越大，路径（链路、节点）的传输性能越低[14-16]。因此，在满足通信系统对最大延时和最小可靠性的要求下，将低传输代价TC值作为求解目标，寻找传输代价TC值最小的路径，建立路径选择的数学模型：

步骤2：将蚁群X和蚁群Y放置源节点st。

步骤3：蚁群X中的蚂蚁x按式（9）和（10）计算的转移概率选择前进的节点，蚁群Y中的蚂蚁y按式（10）和（11）计算的转移概率选择前进的节点。

步骤5：循环执行步骤2至步骤4，直到迭代次数达到最大值或连续多次迭代后没出现更好的解。

4算法分析

4.1算例介绍

图3通信网络拓扑

表1链路长度和可靠性参数

4.2仿真结果

本文中的路径（链路、节点）的传输代价TC值是利用路径（链路、节点）可靠性代价RC值与延时代价DC值的归一化值，根据式（9）计算得到的统一评价指标，将传输代价TC值作为路径选择的唯一依据，传输代价TC值越大，路径的传输性能越差，反之路径的传输性能越好。

表2链路、节点的传输代价TC值

取a=b=0.5，路径（链路、节点）的传输性能综合考虑路径的可靠性代价与延时代价两个因素，而且两个因素的侧重程度相等。

取a=0，b=1，路径（链路、节点）的传输性能仅仅考虑路径的可靠性代价，忽略路径的延时代价。

取a=1，b=0，路径（链路、节点）的传输性能仅仅考虑延时代价，忽略可靠性代价。

图4平均传输代价TC变化情况

由图4可知，蚁群X在信息素的正反馈作用下，整体爬行路径的平均传输代价TC值逐渐减小，大约在28次迭代收敛于全局最优路径，即蚁群X集中到最优的路径上。由于在前期的迭代中，链路上的信息素浓度不大，对蚁群Y的抑制作用不强，蚁群X和Y整体爬行路径的平均传输代价TC值相差不大，但随着迭代次数的增加，蚁群X在信息素的正反馈作用下逐渐集中在最优路径上，最优路径的链路上信息素浓度逐渐增大，抑制作用逐渐增强，由式（11）可知，蚁群Y逐渐趋向于与最优路径的链路不交叉的次优路径，并且大约在42次迭代后收敛于与最优解链路不交叉的次优路径，即蚁群Y集中到与最优路径的链路不交叉的次优路径上。

由于前期的迭代，信息素浓度小，蚂蚁的搜索存在一定的盲目性，存在少数蚂蚁无法到达目的节点的情况，如路径1-2-9-7、1-3-6-10-8等，无法达到目的节点的路径均不是可行路径，这些路径的传输代价TC值均为无穷大，因此，前期的迭代，蚁群的整体爬行路径的平均传输代价TC值为无穷大，并没有在图中展示。

具体路径求解的结果如表2所示（表中延时代价DC、可靠性代价RC与传输代价TC均为归一化值）。

表3仿真结果

其他情况的求解结果如表4所示：

表4仿真结果

5结论

本文利用延时代价、可靠性代价和传输代价的网络性能统一评价指标，建立了调度信息传输的路由路径选择数学模型，可以应用于网络性能要求不同的场景，并提出模型的求解方法，提出了链路不交叉的主路径路由和备用路径路由策略，在主路径出现链路失效的情况下，备用路径可以迅速启动，代替主路径继续传输调度信息，有效提高调度信息传输的可靠性。仿真结果表明，本方法能够可靠地求解得到主路径路由和备用路径路由策略。

注：本文受以下海南电网有限责任公司科技项目资助，项目名称：基于多源数据的智能告警系统研究及建设，项目编号：070000KK52170009