刁少嵐，張 偉

(1.山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013;2.中國人民保險公司山西省分公司，山西太原030001)

光纜通信由于具有抗電磁干擾能力較強、傳輸頻帶很寬和損耗比較小等優(yōu)點，已經(jīng)是目前電力通信系統(tǒng)中的主要通信形式。但是在實際使用中也出現(xiàn)一定問題:長途光纜的任何一點斷裂都會引起通信的中斷;在電磁環(huán)境中運行，會有電磁干擾現(xiàn)象。一旦系統(tǒng)中斷，無法正常通信，將會對經(jīng)濟生產(chǎn)等各領(lǐng)域造成無法預(yù)估的損失，以及對各行各業(yè)的正常工作、生產(chǎn)產(chǎn)生極其惡劣的影響。所以必須重視電力系統(tǒng)中光纜通信的安全性以及風(fēng)險性工作。

然而，電力特種通信系統(tǒng)和一般的通信系統(tǒng)有很大不同:系統(tǒng)范圍更為廣闊，導(dǎo)致電力特種光纜線路距離更長，工作環(huán)境更惡劣;所承載業(yè)務(wù)除了正常通信業(yè)務(wù)外還包含遠動信號、繼保信號等多種業(yè)務(wù)，這就造成了電力光纖通信系統(tǒng)的設(shè)備更為復(fù)雜。所以，無論是電力光纜通信的線路還是設(shè)備都更容易發(fā)生故障或損毀。這些直接用好或壞的標(biāo)準來評價一個系統(tǒng)是否安全其實不太合理。所以對系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力判定不能是簡單二值的，而是應(yīng)該有程度的。應(yīng)該是用定性語言值［1］來描述這種程度。例如:保持系統(tǒng)全部功能的正常運行，即無任何系統(tǒng)故障;保持系統(tǒng)主要功能正常，即有弱系統(tǒng)故障;保持系統(tǒng)基本功能正常，即有系統(tǒng)故障，但尚能維持工作;保持系統(tǒng)最低功能正常的能力，即故障已達臨界，再嚴重則不能容忍;系統(tǒng)失去最低功能，即系統(tǒng)出現(xiàn)了致命故障。

當(dāng)然，如果考慮到不同的側(cè)重點，還可以有其他的利用定性語言值的描述方法來表達系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。然而，因為一般來說，系統(tǒng)都是復(fù)雜的，顯然用比較模糊的定性語言值會比使用精確的數(shù)值方法描述更加準確。因此，定性和定量之間的轉(zhuǎn)換是非常重要而又有意義的。

云模型是在傳統(tǒng)模糊數(shù)學(xué)和概率統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出的定性、定量互換模型，它把模糊性和隨機性有機地綜合在一起，并且實現(xiàn)了定性語言與定量數(shù)值之間的自然轉(zhuǎn)換［1］。以云模型表示自然語言中的基元——語言值，用云的數(shù)字特征——期望Ex，熵En和超熵He表示語言值的數(shù)學(xué)性質(zhì)。

本文提出了基于云模型的一種綜合指標(biāo)評估算法，并對待研究的電力光纜通信網(wǎng)絡(luò)進行安全性評估，采用大量實際數(shù)據(jù)，利用matlab軟件根據(jù)實際情況建模計算，得出評估結(jié)果并進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了電力光纜通信網(wǎng)絡(luò)安全方面的一些改進建議。

1 基于云模型的綜合指標(biāo)評估算法

1.1 原理

基于云模型理論的綜合指標(biāo)評估法，就是運用云模型描繪定性指標(biāo)，按照層次結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，綜合評估系統(tǒng)的性能。這個算法有三個要素:指標(biāo)集(U)、權(quán)重因子集(W)和評價集(V)三個要素。其中，評價指標(biāo)按需要劃分為多級層次樹結(jié)構(gòu)，那么每一層均需有隸屬于本層的指標(biāo)集、權(quán)重因子集和評價集。然而在實際工作中對某一系統(tǒng)的評估通常是采用多種指標(biāo)來綜合評價的。由此，當(dāng)假設(shè)在評估某一系統(tǒng)時有p個指標(biāo)，那么就有指標(biāo)集U=(u1，u2，…，up)。根據(jù)AHP(層次分析法)原理，當(dāng)評價指標(biāo)集規(guī)模較大時，可先將K個指標(biāo)按其性質(zhì)分成S個子集，設(shè)第i個子集為Ui=(ui1，ui2，…，uip)，i=1，2…，S，且滿足條件:

這樣就能夠構(gòu)成一個多層次的樹狀結(jié)果的綜合性能指標(biāo)評價體系，按照性質(zhì)將樹狀結(jié)構(gòu)分層。同層的指標(biāo)因為性質(zhì)相同或者相近，可以相互比較。而不同層次之間的指標(biāo)，因為性質(zhì)不同不具有可比性。比較的順序是從下到上，從底層到高層逐層比較，每層比較后將結(jié)果上傳到上一層，最終將比較結(jié)果匯總到第n－1層。然后再針對每一層單獨進行性能的評估分析，得到需要評價的那一層指標(biāo)的結(jié)果為止。(其中權(quán)重等級和評價等級都可以用定性語言值利用云模型擬合而成)。

1.2 算法步驟

基于云理論的綜合指標(biāo)評估法的算法步驟如下［2］:

(1)根據(jù)指標(biāo)層次樹，建立指標(biāo)集U。經(jīng)過實際調(diào)研，確定采用的方法為各層指標(biāo)確定權(quán)重因子。權(quán)重因子也均采用語言值描述，如“非常重要”，“重要”，“一般重要”，“不重要”等。對調(diào)研結(jié)果擬合成一個云。

(2)歸一化指標(biāo)值。在指標(biāo)層次樹中，各項指標(biāo)在物理屬性上區(qū)別較大，根據(jù)是否具有量綱等，可將指標(biāo)一般性的分為三類:第一類是無量綱指標(biāo)，第二類是有量綱指標(biāo)，第三類是定性指標(biāo)。第三類指標(biāo)可直接用一個云來表示。第一、二類指標(biāo)則需要先進行簡化計算，即將有量綱的表達式，經(jīng)過變換，化為無量綱的表達式，成為純數(shù)值，也就是規(guī)一化，再用云表示。

(3)確定評價集。通常，采用由n個評語所組成的第i層評價集:

將每個評價值都用正態(tài)隸屬云來表示，全部放置于一個連續(xù)的語言值標(biāo)尺上，據(jù)此可以構(gòu)成一個評價集的云發(fā)生器。

(4)按照從上到下的順序來計算每層指標(biāo)相對于根指標(biāo)的權(quán)重(根指標(biāo)的權(quán)重和組合權(quán)重均為1)，稱為組合權(quán)重。

設(shè)第i層指標(biāo)與第i+1層指標(biāo)的關(guān)系矩陣為:

其中，k為第i層的指標(biāo)數(shù)，m為第i+1層的指標(biāo)數(shù)。當(dāng)?shù)趇層的指標(biāo)s與第i+1層的指標(biāo)t是父子關(guān)系時，rst為(1，0，0)，否則為(0，0，0)。又設(shè)第 i層的組合權(quán)重因子集為Wi'第i+1層的權(quán)重因子集為Wi+1。Wi+1與Ri一樣，也是k×m矩陣，rst不為0，表示第i+1層t指標(biāo)是第i層s指標(biāo)的兒子。則第i+1層的組合權(quán)重因子集

該結(jié)果向下一層指標(biāo)傳遞，直到最底層。

(5)確定目標(biāo)層評價集V=(v1，v2，…，vn)。目標(biāo)層的評價集由底層各評價集加權(quán)和得到，即:

其中w'j為底層第j個指標(biāo)的組合權(quán)重。

(6)計算頂層指標(biāo)值。由下而上計算每層的評價結(jié)果集Ai，直到頂層為止。

其中，k為第i層的指標(biāo)數(shù)，bsj表示第i層指標(biāo)s的第j個子指標(biāo)的評估值，w'sj表示對應(yīng)的組合權(quán)重因子。

(7)輸出評估結(jié)果云集A。

2 安全風(fēng)險評估實例——某省供電公司光纜通信線路的安全性能評估分析

2.1 確立指標(biāo)體系

建立一套針對電力光纖通信線路的安全風(fēng)險評估的指標(biāo)體系應(yīng)遵循以下原則［4］:

(1)科學(xué)性和適用性:要求能夠科學(xué)、客觀的反映評估對象的內(nèi)容和目的，目標(biāo)是明確、普遍適用的;

(2)完備性和簡要性:既要全面反映電力光纖通信安全，又要層次分明，簡潔扼要，能夠把握宏觀;

(3)操作性和獨立性:一般要求從現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)中總結(jié)出所需的指標(biāo)數(shù)據(jù)，需重新統(tǒng)計的少量指標(biāo)應(yīng)是確定的、方便收集的，且指標(biāo)間盡量減少交叉、重疊。

本文中，電力光纖通信線路的安全評估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 電力光纖通信線路的安全評估指標(biāo)體系

(1)光纜線路的運行率

(2)光纖設(shè)備的運行率

(3)光纜故障時間和次數(shù)

光纜故障指的是光纜線路本身斷裂(同一部位纖芯全部斷裂或者部分纖芯斷裂只算1處)或者線路中的光纖連接器件故障所造成的通信中斷。

光纜故障時間是指從發(fā)現(xiàn)通信中斷的時刻開始一直到光纜線路完全搶修好，經(jīng)驗證確實可用為止，而不是單純的以恢復(fù)通信作為截止時刻。

(4)光纖設(shè)備故障時間和次數(shù)

設(shè)備故障的概念是相對于光纜故障而言的，指的是由于光纖通信設(shè)備的故障所導(dǎo)致的通信中斷，設(shè)備包含除線路外發(fā)送接收終端的相關(guān)設(shè)備以及配套電源設(shè)備和設(shè)備間連線等等。設(shè)備故障時間則是指從發(fā)現(xiàn)電路阻斷，一直到電路或設(shè)備修復(fù)完全為止。

因為設(shè)備故障是針對除了光纖線路外的設(shè)備引起的通信中斷，而一般來說，通信設(shè)備都是在終端站內(nèi)，所以，又可以成為站內(nèi)設(shè)備故障。

(5)PCM終端設(shè)備的安全性

PCM設(shè)備實現(xiàn)的是從64 kbit/s到PDH系統(tǒng)E1速率再到SDH系統(tǒng)STM-N傳輸模塊的轉(zhuǎn)換功能，以便于將64 kbit/s的話音信號轉(zhuǎn)換為可以直接在光纖通信線路上傳輸?shù)腟DH信號。因此，PCM設(shè)備必不可少，在工作中需保證以下性能指標(biāo)來滿足光纖保護通道的安全性要求:PCM設(shè)備的凈衰減頻率、音頻四線接口間的群時延、音頻二線接口間的群時延、冗余信道的噪聲、信道間的干擾串音等。

(6)光纖保護通道復(fù)接的分離性

當(dāng)采用SDH數(shù)字同步光纖通信方式時，信號的復(fù)接是以通道為單位進行的同步復(fù)接。其中保護通道的配置應(yīng)該包含下列包括相關(guān)的安全裝置，諸如繼保裝置、E/O和O/E轉(zhuǎn)換裝置、脈沖編碼調(diào)制復(fù)用設(shè)備、同步數(shù)字傳輸網(wǎng)相關(guān)設(shè)備和設(shè)備電源等等。而分離性是指，一條線路具有兩套或兩套以上相互獨立的保護系統(tǒng)，所謂獨立是指這些系統(tǒng)之間無論物理上，還是電氣上，都是相互隔離的。

(7)各種電源的配置合理性

通信電源系統(tǒng)是通信行業(yè)的最基礎(chǔ)設(shè)施，為通信系統(tǒng)提供能源，是通信安全的根本保障之一。對于電力系統(tǒng)通信來說，可靠性要求更為迫切，要求對于省級以上干線通信，對于同一條輸電線路，除了包含光通信設(shè)備，還必須配備兩套完全獨立的繼保裝置、安全自動裝置和通信電源。這兩套設(shè)備是同時供電、同時工作的，互為主備［5］，即雙傳輸通道保護方式。

(8)備品備件管理

雖然大多數(shù)時候，光纖通信線路都是在穩(wěn)定運行的，但是為了日常檢修和應(yīng)對故障出現(xiàn)，通信班組的技術(shù)人員應(yīng)該在平時就做好相關(guān)設(shè)備線路的備品備件的準備和管理工作，以便于一旦出現(xiàn)故障能夠及時為搶修提供有力保障。

(9)通信機房的管理

為了向光纖通信終端設(shè)備提供合適的工作環(huán)境，保證設(shè)備穩(wěn)定運行，光纖通信的機房應(yīng)做到:(1)合適的工作溫度和濕度，為光纖通信終端設(shè)備提供合適的工作環(huán)境;(2)穩(wěn)定安全的設(shè)備供電系統(tǒng)，尤其為了應(yīng)對交流電源臨時斷電，應(yīng)配置UPS電源，最好是通信專用的蓄電池組;(3)注意預(yù)防靜電;(4)重視雷擊帶來的危害，認真執(zhí)行有關(guān)防雷規(guī)程，符合相關(guān)規(guī)定的指標(biāo)。

考慮到外部環(huán)境的影響以及人為因素，安全風(fēng)險性能指標(biāo)還應(yīng)包括:(1)工作人員因素指標(biāo)，諸如工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)、學(xué)歷構(gòu)成、人員變動情況以及和工作人員的勞動報酬的變化等;(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量類指標(biāo)，諸如網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和自我修復(fù)能力、線路傳輸時間延遲，損耗與色散情況、同步問題等。本文忽略了一些次要因素以便于更清楚地闡明問題。

2.2 確定權(quán)重等級以及評估結(jié)果等級

通過對各相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业恼{(diào)研后，為了符合人們?nèi)粘５恼J知和一般表達習(xí)慣，擬將指標(biāo)的權(quán)重等級用以下幾個等級的語言值來形容:“很重要”，“較重要”，“一般重要”，“次重要”，“不重要”。并將其用云算法在Matlab仿真后表示為:(1，0.080，0.002)，(0.77，0.080，0.004)，(0.53，0.080，0.005)，(0.27，0.080，0.004)，(0.011，0.080，0.002)。如圖2所示:

圖2 權(quán)重級別的云表示

評價結(jié)果等級采用語言值:“優(yōu)”、“良好”、“一般”、“差”來描述，將其分別用云來表示，坐標(biāo)分別為:(1，0.125，0.002)、(0.77，0.125，0.005)、(0.59，0.125，0.005)、(0.008，0.125，0.002)、(0.012，0.125，0.002)。用云模型將各評價結(jié)果的等級計算出，如圖3所示。

圖3 評估結(jié)果的云表示

評價指標(biāo)體系的確定，包含各個指標(biāo)所占權(quán)重以及評估結(jié)果，為了減少人為因素的干擾，本文采用Delphi法。Delphi法的核心在于具體實施步驟如下:(1)按照涉及到的領(lǐng)域，在相關(guān)部門中遴選出15位專業(yè)技術(shù)人員作為參評專家;(2)向各專家詳細講解本次預(yù)測的意義與作用，保證每個人都認真對待，以提高本次評估的有效性;(3)下發(fā)調(diào)查問卷，并附上相關(guān)背景材料，以便于各個專家對各指標(biāo)尤其是同層指標(biāo)之間兩兩進行比較，以確定指標(biāo)的重要性，并在問卷上備注判斷原因;(4)對回收問卷進行統(tǒng)計分析，總結(jié)成圖表，再次分發(fā)給各專家，做第二次修改;(5)各專家在參考借鑒他人反饋信息的基礎(chǔ)上，對第一次的評估意見進行相關(guān)修正，并再次注明修改原因;(6)如此反復(fù)收集意見和信息反饋三到四輪，直到專家意見不再修改，將最終的專家意見綜合整理(為減少人為因素影響，以上全程均不說明發(fā)表各種意見的專家的具體姓名)。最后將利用Delphi法得到的結(jié)果，代入本文之前提出的基于云理論的綜合指標(biāo)評估法的算法，利用Matlab編程仿真，得到一組各個指標(biāo)的權(quán)重以及評價結(jié)果，見表1。

表1 權(quán)重及評價結(jié)果

最后，利用以上算法輸出該光纖通信線路的安全評估值:(0.73，0.057，0.002)。從圖 3 的結(jié)果可以看出:其安全性能介于一般和良好之間，更接近于良好。

3 總結(jié)

綜上，該電力光纜通信線路的安全性能介于一般和良好之間，偏向良好。說明總體性能尚可，業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量基本可以得到保障。但是，整個系統(tǒng)的性能并未達到優(yōu)，問題出在以下幾方面:PCM設(shè)備、光纜線路以及工作人員對于備品備件的管理等。說明在今后的工作中，工作人員應(yīng)對設(shè)備和線路的巡檢維護、消缺以及安評整頓各方面足夠重視，并且一絲不茍地按照單位相關(guān)規(guī)定嚴格執(zhí)行，同時提高管理要求，以便于使電力光纜通信系統(tǒng)的整體可靠性得以提高。

［1］李德毅，于全，江光杰.C3I系統(tǒng)可靠性、抗毀性和抗干擾的統(tǒng)一評測［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，1997，17(3):23－27.

［2］李德毅，孟海軍，史雪梅.隸屬云和隸屬云發(fā)生器［J］.計算機研究與發(fā)展，1995，32(6):15 －21.

［3］王聰，江光杰.通信系統(tǒng)性能仿真評估算法的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004(3):390－392.

［4］高會生，孫逸群，冉靜學(xué).電力光纖保護通道安全風(fēng)險評估指標(biāo)的研究［J］.繼電器，2007，35(3):61 －65.

［5］DL/T5344－2006，電力光纖通信運工程驗收規(guī)范［S］.2006.