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(1.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化不斷發(fā)展的過程中，人們對于能源的需求也在不斷的增加，并且人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)也在不斷的提高，降低損耗、節(jié)能減排等可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)成為了現(xiàn)代世界各國在發(fā)展過程中面臨的主要問題，世界能源的布局也出現(xiàn)了明顯的變化。為了使電力系統(tǒng)能夠安全且穩(wěn)定的運(yùn)行，有效降低大規(guī)模范圍的停電風(fēng)險(xiǎn)，并且滿足并且適應(yīng)多能源發(fā)電的方式，提高能源的使用率，并且降低環(huán)境污染，就提出了智能電網(wǎng)，其也是未來電網(wǎng)發(fā)展過程中的主要研究方向。智能電網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果，現(xiàn)代我國在研究智能電網(wǎng)方面還處于初級(jí)階段，并且其并沒有統(tǒng)一的定義。世界各國因?yàn)樽陨淼慕?jīng)濟(jì)發(fā)展情況和需求各不相同，所以對于智能電網(wǎng)的研究和理解方式也各不相同。簡單來說，智能電網(wǎng)就是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，通過現(xiàn)代傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)中使用各種現(xiàn)代化的控制、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建的全新電網(wǎng)，其能夠有效提高資源的使用率，降低環(huán)境的污染，保障電網(wǎng)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性、安全性和高效性。對于智能電網(wǎng)接入的安全策略方面，相關(guān)研究人員表示，使用優(yōu)化的效用函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶滿意度及網(wǎng)絡(luò)安全效率之間的平衡；還有相關(guān)人員提出了以博弈論為基礎(chǔ)的切換算法，其主要是以貝葉斯那什均衡點(diǎn)為基礎(chǔ)，有效降低了切換的延遲。雖然研究人員提出了多種切換判決算法，但是現(xiàn)有算法在性能和代價(jià)中還是存在矛盾，無法滿足實(shí)際的需求。所以，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全切換判決技術(shù)還是研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)內(nèi)容。本文就在前人的基礎(chǔ)上，提出了基于效能和性能的智能電網(wǎng)安全策略切換算法。

1 智能電網(wǎng)中現(xiàn)代技術(shù)的使用

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)具有分層、分級(jí)、系統(tǒng)復(fù)雜和規(guī)模龐大的特點(diǎn)，在智能電網(wǎng)提出之后融入了多種能源，從而提供了電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1.1 數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)及管理

因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)中的信息系統(tǒng)具有多樣化的特點(diǎn)，并且具有大量的用戶請求和數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)具有較高的需求。但是傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法滿足其需求。

其中的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)、智能電表等收集的數(shù)據(jù)量在智能電網(wǎng)創(chuàng)建的過程中也會(huì)越來越大。為了實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以使用云計(jì)算中的分布式架構(gòu)，利用冗余存儲(chǔ)的方式提高數(shù)據(jù)的可靠性。GFS文件系統(tǒng)屬于云計(jì)算系統(tǒng)中使用最為廣泛的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中主要包括三類角色節(jié)點(diǎn)，分別為主服務(wù)器、客戶端和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用戶之只需要在存取數(shù)據(jù)過程中利用客戶端對主服務(wù)器進(jìn)行訪問，之后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器信息的交換，客戶端利用數(shù)據(jù)塊服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的操作。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)流都能夠利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器得到，從而降低了主服務(wù)器的負(fù)載，并且有效提高了系統(tǒng)并行度[1]。

1.2 數(shù)據(jù)訪問控制

訪問控制為賦予部分用戶數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，阻止其他用戶的訪問。智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)都在電力云中匯聚，通過存儲(chǔ)、處理使子電網(wǎng)、財(cái)務(wù)中心和調(diào)度中心進(jìn)行調(diào)用，執(zhí)行相應(yīng)的管理及控制命令。根據(jù)電力系統(tǒng)中不同部門的職能需求及權(quán)限，只能夠接入相同的數(shù)據(jù)，如果需要超出權(quán)限數(shù)據(jù)，只需要實(shí)現(xiàn)接入權(quán)限申請就行。能夠通過此種訪問控制管理對數(shù)據(jù)安全及隱私進(jìn)行保護(hù)[2]，圖1為自主訪問控制機(jī)制。

圖1 自主訪問控制機(jī)制

2 智能電網(wǎng)安全策略切換判決算法

模糊邏輯在處理不確定模糊信息的過程中具有優(yōu)勢，所以多數(shù)研究人員都提出了以模糊邏輯為基礎(chǔ)的安全切換判決算法。比如一種優(yōu)化的基于模糊邏輯的安全切換判決算法，在隸屬度函數(shù)優(yōu)化中使用遺傳算法，通過結(jié)果表示此優(yōu)化算法能夠確保用戶滿意度的基礎(chǔ)上降低切換的次數(shù)，并且還避免出現(xiàn)乒乓效應(yīng)。但是此種方法只是考慮了接收信號(hào)的強(qiáng)度、數(shù)據(jù)率和網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用三種參數(shù)，并沒有對終端屬性進(jìn)行考慮。相關(guān)研究人員就提出了基于多屬性的模糊神經(jīng)安全切換判決算法，此算法使用用戶數(shù)量、終端移動(dòng)速度、可用帶寬、能耗和接受信號(hào)的強(qiáng)度作為輸入的參數(shù)，利用模糊神經(jīng)實(shí)現(xiàn)安全切換判決。此算法對多參數(shù)進(jìn)行了全面的考慮，通過自學(xué)習(xí)能力模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效提高了用戶QoS滿意度，但是具有較高的算法復(fù)雜率，無法在真實(shí)環(huán)境中使用[3]。

本文通過分析，提出了基于效率及性能的安全策略切換判決算法，其和傳統(tǒng)算法的主要區(qū)別就是：其一，以四個(gè)安全業(yè)務(wù)分類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)QoS得分的計(jì)算；其二，以網(wǎng)絡(luò)輔助切換方式為基礎(chǔ)，降低了終端的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并且有效提高了算法的可靠性和實(shí)用性；其三，使用網(wǎng)絡(luò)預(yù)判決和預(yù)篩選，能夠?qū)⒉粷M足條件的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刪除，降低候選網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，并且還能夠降低計(jì)算復(fù)雜度，和安全切換判決時(shí)間。于判決能夠?yàn)榻K端用戶提供網(wǎng)絡(luò)切換判決，從而有效提高用戶使用過程中的滿意度[4]?；谛屎托阅艿陌踩呗郧袚Q判決算法主要包括四個(gè)步驟，分別如下。

2.1 預(yù)處理

預(yù)處理是安全策略切換判決算法中的第一階段，其在整個(gè)算法性能中具有主導(dǎo)性的作用，本文研究的處理階段主要包括切換預(yù)判決和候選網(wǎng)絡(luò)篩選兩個(gè)任務(wù)。切換預(yù)判決主要是通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及預(yù)計(jì)的駐留時(shí)間進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)安全切換判決；候選網(wǎng)絡(luò)篩選能夠?qū)崿F(xiàn)終端移動(dòng)速度及駐留時(shí)間的預(yù)先篩選，將不滿足條件網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刪除，從而能夠降低候網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和算法的復(fù)雜性[5-6]。

2.2 切換預(yù)判決

在終端感知到現(xiàn)代服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接受信號(hào)的強(qiáng)度比其中閾值要低的時(shí)候，就要被迫進(jìn)行切換。這個(gè)時(shí)候?yàn)榱吮苊夥?wù)在運(yùn)行過程中終端，就要實(shí)現(xiàn)快速切換，所以就會(huì)選擇網(wǎng)路中之前較好的網(wǎng)路，使其成為目標(biāo)切換網(wǎng)絡(luò)。另外，在接收信息強(qiáng)度無法滿足需求的基礎(chǔ)上，如果預(yù)計(jì)終端就要離開目前的網(wǎng)絡(luò)， 也就是預(yù)計(jì)駐留的時(shí)間要比閾值小，那么就會(huì)提前執(zhí)行下一步，計(jì)算模糊邏輯網(wǎng)絡(luò)，之后就是預(yù)測模型網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，提前實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換，有效提高用戶在使用過程中的滿足度[7-8]。圖2為切換預(yù)判決階段的流程。

圖2 切換預(yù)判決階段的流程

2.3 候選網(wǎng)絡(luò)的篩選

其一，移動(dòng)終端速度的篩選。不同網(wǎng)絡(luò)所支持的移動(dòng)速度不同，所以如果目前終端的移動(dòng)速度比支持的速度要大，那么就能夠?qū)⑵湓诤蜻x網(wǎng)絡(luò)列表中刪除。

其二，預(yù)計(jì)駐留時(shí)間的篩選。駐留時(shí)間表現(xiàn)了候選網(wǎng)絡(luò)中終端的的預(yù)計(jì)停留時(shí)間，如果停留時(shí)間較短， 那么網(wǎng)絡(luò)的頻換切換就會(huì)降低服務(wù)的質(zhì)量和滿意度。所以要根據(jù)終端在候選網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)計(jì)駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路的篩選，使其在一分鐘以下的網(wǎng)絡(luò)都刪除。圖3為網(wǎng)絡(luò)篩選的流程[9]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)篩選的流程

2.4 基于效率及性能的網(wǎng)絡(luò)QoS得分計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)QoS是對網(wǎng)絡(luò)好壞評價(jià)的主要指標(biāo)，傳統(tǒng)算法都是根據(jù)終端計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，所以在可以使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)量不斷提高的過程中，網(wǎng)絡(luò)QoS的計(jì)算量也在不斷的提高，使終端計(jì)算能力造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)。所以本節(jié)就使用網(wǎng)絡(luò)端的計(jì)算方式，充分使用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力，有效降低終端計(jì)算量，提高算法實(shí)用性，并且充分考慮不同業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的不同要求，嘗試使用四種不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)QoS得分的計(jì)算[10]。以下從隸屬度函數(shù)和模糊邏輯規(guī)則方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)。在通過以上預(yù)處理之后就得到了能夠滿足終端需求的候選網(wǎng)絡(luò)，在此階段中只要全面考慮網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)就可以，比如可用帶寬、誤碼率、抖動(dòng)和端到端延遲。因?yàn)檫@些參數(shù)的模糊性較大，大部分都是通過高低進(jìn)行衡量[11]。

(2)模糊邏輯規(guī)則的設(shè)計(jì)。通過以上我們可以看出來，不同應(yīng)用安全業(yè)務(wù)的類型的QoS需求也是各不相同的，所以就以傳統(tǒng)算法為基礎(chǔ)，對使用安全業(yè)務(wù)的類型在安全切換判決的影響中進(jìn)行了全面的考慮，主要包括四種模糊邏輯規(guī)則，比如流媒體、通話、后臺(tái)及交互式的安全業(yè)務(wù)[12]。表1為不同安全業(yè)務(wù)類型的QoS需求。

表1 不同安全業(yè)務(wù)類型的QoS需求

對于本文來說，每種安全業(yè)務(wù)類型都具有81條規(guī)則，四種安全業(yè)務(wù)類型一共有324條規(guī)則，因?yàn)槲恼缕疚闹皇菍γ總€(gè)安全業(yè)務(wù)中的規(guī)則樣例進(jìn)行簡單的說明，表2為不同安全業(yè)務(wù)類型規(guī)則樣例。

表2 不同安全業(yè)務(wù)類型規(guī)則樣例

通過表2可以看出來，不同的模糊規(guī)則都根據(jù)安全業(yè)務(wù)類型QoS需求的不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，其他規(guī)則也根據(jù)相同的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。

2.5 網(wǎng)絡(luò)模型QoS得分的預(yù)測

QoS得分能夠在終端網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫中記錄，這些得分都會(huì)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不斷變化的過程中變化，目前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并不能夠代表未來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，但是最近網(wǎng)絡(luò)變化的趨勢能夠?qū)ξ磥砭W(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行預(yù)測。所以本文就設(shè)計(jì)預(yù)測模型的網(wǎng)絡(luò)QoS得分，具體為：

假如t時(shí)間中的QoS網(wǎng)絡(luò)真實(shí)得分為RS，預(yù)測QoS得分為PS，n個(gè)樣本數(shù)量，樣本之間具有一個(gè)單位的間隔時(shí)間。

PS+1=GM(RS,RS-1，...,RSn+1)

PS+1表示預(yù)測下一個(gè)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)QoS得分。以下進(jìn)行舉例說明：

假如算法執(zhí)行周期表示1 s，三個(gè)樣本容量，現(xiàn)在時(shí)間表示t，那么PS+1=GM(RS,RS-1，...,RS-2)。因?yàn)榍叭龝r(shí)間點(diǎn)(T,T+1,T+2)預(yù)測數(shù)據(jù)不夠，所以從T+3時(shí)間預(yù)測值就是通過前三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的QoS得分作為樣本值的預(yù)測得到的。T+4時(shí)間預(yù)測值也是由此得到，這個(gè)模型就是新陳代謝模型[14]。

2.6 網(wǎng)絡(luò)選擇

網(wǎng)絡(luò)選擇是電網(wǎng)安全策略切換判決的最后一步，其具有決定性的作用。本文提出的相關(guān)算法網(wǎng)絡(luò)的選擇因素主要包括QoS真實(shí)值、能耗和QoS預(yù)測值。真實(shí)值能夠?qū)F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)情況全面的反應(yīng)出來，預(yù)測值表示的是未來網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的情況。這個(gè)時(shí)候就要提出切換選擇準(zhǔn)則：如果候選網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值比現(xiàn)在服務(wù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值要大，并且其還比可接受網(wǎng)絡(luò)QoS閾值，那么就執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)切換，否則就在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中停留。以此為基礎(chǔ)提出網(wǎng)絡(luò)過濾規(guī)則，假如候選網(wǎng)絡(luò)真實(shí)值比可接受網(wǎng)絡(luò)QoS閾值要低，就排除。這個(gè)過濾規(guī)則的主要目的就是為了將激進(jìn)網(wǎng)絡(luò)切換排除，激進(jìn)網(wǎng)絡(luò)指的是候選網(wǎng)絡(luò)真實(shí)值比閾值低，預(yù)測值比閾值高，從而出現(xiàn)不可靠網(wǎng)絡(luò)切換。表3為網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)得分和預(yù)測得分，通過表3可以看出來，WLAN在候選網(wǎng)絡(luò)最高以為，但是在網(wǎng)絡(luò)預(yù)測中，其得分有所降低，UMTS網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得分有所提高。以此表示，UMTS網(wǎng)絡(luò)QoS具有不斷上升的趨勢，WLAN具有不斷下降的趨勢，所以在安全切換判決的時(shí)候要切換到UMTS，以此能夠降低切換次數(shù)，避免出現(xiàn)多余的網(wǎng)絡(luò)切換，并且還能夠降低乒乓效應(yīng)[15]。

表3 網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)得分和預(yù)測得分

2.7 算法的使用

使用三臺(tái)計(jì)算機(jī)創(chuàng)建智能電網(wǎng)的仿真平臺(tái)，其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器端，其能夠?qū)崿F(xiàn)命令的接收存儲(chǔ)及驗(yàn)證。另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)客戶端及電力運(yùn)營商的第三方，其主要木的就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。另外計(jì)算機(jī)利用虛擬軟件實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的映射，其主要就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及計(jì)算。圖4為創(chuàng)建的仿真環(huán)境。

圖4 創(chuàng)建的仿真環(huán)境

通過以上分析，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中只包括三方實(shí)體，結(jié)合智能電網(wǎng)的安全存儲(chǔ)模型及算法實(shí)現(xiàn)。將某個(gè)電力部門收集到的用戶電力數(shù)據(jù)信息通過加密處理之后將其在云端存儲(chǔ)，通過數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)整個(gè)過程可以看出來，在數(shù)據(jù)傳輸之前，能夠?qū)﹄p方身份進(jìn)行驗(yàn)證，并且實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)的加密處理，以此有效提高數(shù)據(jù)通信過程中的安全性。在智能電網(wǎng)用戶產(chǎn)生數(shù)據(jù)的過程中，其中通過判決算法加密之后，提高了數(shù)據(jù)的安全能力。因?yàn)槔萌綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)，有效降低客戶端資源消耗，降低計(jì)算資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)的有效檢驗(yàn)。

3 結(jié)束語

本文對基于效能和性能的智能電網(wǎng)安全策略切換判決算法進(jìn)行了分析，對比此算法和其他算法的區(qū)別，并且說明了算法的思想和關(guān)鍵的步驟，充分考慮不同的安全業(yè)務(wù)模型。此算法能夠有效降低終端計(jì)算量，有效提高計(jì)算效率。