彭 龍 化振謙 黨三磊 趙炳輝 張永旺

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心 廣州 511547)

1 引言

隨著電力技術(shù)的飛速發(fā)展，電力營銷管理業(yè)務(wù)的范圍逐漸擴(kuò)大，其包括多種業(yè)務(wù)形式，比如抄表、繳費(fèi)、電力營銷作業(yè)、電力故障維修、計(jì)量點(diǎn)管理、電力信息服務(wù)等[1-4]。在應(yīng)用時(shí)，由于電力營銷系統(tǒng)具有較廣的業(yè)務(wù)分布，并且大量的項(xiàng)目分布分散，業(yè)務(wù)形式繁多，電力信息采集量大，相鄰系統(tǒng)件的耦合關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)[5-7]。用戶在進(jìn)行業(yè)務(wù)處理就顯得不夠及時(shí)，時(shí)效性較差，系統(tǒng)之間的互聯(lián)性不佳。因此，如何便捷、實(shí)時(shí)使用電力營銷系統(tǒng)、提高電力營銷系統(tǒng)的使用效率就成為當(dāng)前電網(wǎng)用戶亟待解決的問題。電力營銷管理信息系統(tǒng)(Material management information system，MMIS)是供電企業(yè)提高經(jīng)營管理效能和決策水平，向客戶提供“優(yōu)質(zhì)、方便、規(guī)范、真誠”服務(wù)的重要條件[8-12]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個工業(yè)中的應(yīng)用，這就為電力營銷管理系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的技術(shù)方向。通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力營銷業(yè)務(wù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)電力營銷各項(xiàng)業(yè)務(wù)的集中化、實(shí)時(shí)化、精細(xì)化管理，使用戶可以跨地域、跨業(yè)務(wù)范圍地使用、管理電力系統(tǒng)[13]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能夠使各種應(yīng)用終端與電力營銷管理系統(tǒng)形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大提高了電力營銷數(shù)據(jù)的傳輸和交互能力[14]。基于此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建出電力營銷管理信息系統(tǒng)(MMIS)，增加了電力營銷管理應(yīng)用的范圍。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于可擴(kuò)展性、可用性、穩(wěn)定性、安全性和互聯(lián)性原則，構(gòu)建出如圖1 所示的架構(gòu)圖。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，MMIS 基于智能用電服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺而建立電力信息管理平臺，其根據(jù)國家電力公司《電力營銷管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》的要求[15]，將電力營銷管理信息系統(tǒng)大致劃分4 個層面，分別為客戶服務(wù)層、營銷業(yè)務(wù)層、營銷工作質(zhì)量管理層和營銷管理決策支持層。將MMIS 與物聯(lián)網(wǎng)連接通信，通過物聯(lián)網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)信息互通。在物聯(lián)網(wǎng)中，其包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及用戶層。

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將物聯(lián)層大致劃分為三層，即物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層。其中物聯(lián)網(wǎng)感知層包含有不同的營銷終端，用戶通過營銷終端使用、利用電力設(shè)備，并與電力設(shè)備進(jìn)行通信。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，其應(yīng)用了不同的通信方式(比如無線通信或者有線通信)。通過這種方式與不同的終端和移動營銷平臺實(shí)現(xiàn)信息互通(遠(yuǎn)程通信和近距離通信)，如圖2 所示。在常規(guī)電力通信中，通常采用基站、交換機(jī)和路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并采用以太網(wǎng)TCP/IP 通信協(xié)議。

在本文設(shè)計(jì)的方案中，可以采用多種通信方式。遠(yuǎn)程無線通信方式可以為CDMA、GPRS、2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)、Mobitex 無線網(wǎng)絡(luò)等。在移動營銷終端內(nèi)，通常還可以設(shè)置Mobitex 無線調(diào)制解調(diào)器，通過該解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與Mobitex 基站的通信，Mobitex 基站還能夠與以太網(wǎng)交換機(jī)以TCP/IP 方式互通信息，通信方式是通過Mobitex 協(xié)議包的形式完成。近程無線 通信可以為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)、RFID 射頻識別、藍(lán)牙通信、紅外通信、WiFi 通信等?；诙喾N通信的方式有利于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)電力營銷管理系統(tǒng)，從而構(gòu)建出信息暢通的互聯(lián)模式。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中，主要實(shí)現(xiàn)與移動終端、移動營銷互動平臺之間的通信，其中包括移動作業(yè)、移動獲知、移動服務(wù)和移動通信等。從而更有效地獲取業(yè)務(wù)客戶的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)客戶與支撐平臺之間的通信[16-17]。

3 大數(shù)據(jù)處理方法

大數(shù)據(jù)軟件平臺主要包含客戶服務(wù)層、營銷業(yè)務(wù)層、營銷工作質(zhì)量管理層、營銷管理決策支持層。在本文方案中，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘算法對MMIS 中各種不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，使用戶能夠根據(jù)需求輸出不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)，減少用戶搜索數(shù)據(jù)的時(shí)間[18-19]。然后根據(jù)檢索到的數(shù)據(jù)，再利用隨機(jī)矩陣?yán)碚摻y(tǒng)計(jì)、分析MMIS 中數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，從而有效地分析出數(shù)據(jù)的信息的能譜和本征態(tài)，得出實(shí)際數(shù)據(jù)的隨機(jī)程度，根據(jù)數(shù)值，揭示不同類型數(shù)據(jù)之間包含的事件特征之間的關(guān)系。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、用電業(yè)擴(kuò)管理、電費(fèi)計(jì)算、電費(fèi)審核、計(jì)量管理、工程管理、報(bào)表管理等各種功能，從而便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，圖3 為本系統(tǒng)軟件的總體框圖。MMIS 能夠覆蓋所屬各地、市供電企業(yè)的廣域網(wǎng)絡(luò)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上傳下達(dá)數(shù)據(jù)的目的，滿足用戶獲取數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性。在任務(wù)開始時(shí)，MMIS 通過遠(yuǎn)程無線通信或其他通信方式接收電力設(shè)備底層數(shù)據(jù)，或者接收抄表信息。通信方式請參考上文介紹在此不做詳細(xì)說明，下面針對數(shù)據(jù)的算法處理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 數(shù)據(jù)挖掘算法

MMIS 中的數(shù)據(jù)庫通常包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫以及決策數(shù)據(jù)庫。在對這些數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行處理時(shí)，選擇采用決策樹算法進(jìn)行運(yùn)算的原因在于，這種方法能夠處理數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)，能夠使用戶從大量的數(shù)據(jù)庫中快速選出用戶期望的數(shù)據(jù)。下面對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行說明。如圖4 所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫是各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)中業(yè)務(wù)信息的重要資產(chǎn)信息，它是建立其他數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。共享數(shù)據(jù)庫的使用范圍比較廣，綜合性較強(qiáng)，其包含的數(shù)據(jù)類型也較多。決策數(shù)據(jù)庫使企業(yè)決策者執(zhí)行決策、計(jì)算的常用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫作為電力營銷管理系統(tǒng)的核心部分，各級MMIS 通過物聯(lián)網(wǎng)交互數(shù)據(jù)錯綜復(fù)雜。用戶在使用數(shù)據(jù)時(shí)，操作、處理數(shù)據(jù)的能力顯得不足。

在本文技術(shù)方案中，選擇使用決策樹算法中的ID3 算法來構(gòu)建決策樹，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類。這種算法處理速度快，分類精確，并且能夠根據(jù)用戶選擇的分類屬性進(jìn)行分類，最終輸出分類的具體結(jié)果，下面對該分類步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。在分類時(shí)，首先要訓(xùn)練分類器，再將若干個弱分類器訓(xùn)練成強(qiáng)分類器，如圖5 所示。

在選擇分類器之后，通過確定決策樹的節(jié)點(diǎn)和分支節(jié)點(diǎn)來建立決策樹模型。如圖6 所示，首先介紹數(shù)據(jù)組經(jīng)驗(yàn)熵H(D)的計(jì)算公式

式中，i 為電力營銷數(shù)據(jù)類型的個數(shù)；|D|是數(shù)據(jù)庫集中所有樣本個數(shù)；k 是目標(biāo)變量的種類；|Ck|是該分類下的樣本個數(shù)。

用戶從所選的MMIS 數(shù)據(jù)庫中計(jì)算數(shù)據(jù)庫集的經(jīng)驗(yàn)熵，并選擇信息增益最大的特征作為當(dāng)前分裂特征。

在所有的特征中，假設(shè)計(jì)算特征A 對數(shù)據(jù)庫集 D 的經(jīng)驗(yàn)條件熵H(D|A)，則有計(jì)算特征A 的信息增益公式為

根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)熵選擇決策樹的根節(jié)點(diǎn)。在選擇目前數(shù)據(jù)庫集的分割特征屬性時(shí)，使用信息增益度來計(jì)算。如果出現(xiàn)大信息增益度值的頻率高，則表示在這個屬性特征上，數(shù)據(jù)損失得較少，可將計(jì)算出的較大信息增益度值的屬性置于決策樹的上層，作為根節(jié)點(diǎn)來考慮，將較小信息增益度值的屬性作為葉節(jié)點(diǎn)使用。根據(jù)上述方法確定的根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)，從而建立數(shù)據(jù)模型。

3.2 隨機(jī)矩陣?yán)碚?/h3>

在進(jìn)行了決策樹算法之后，能夠使用戶有效地將不同營銷數(shù)據(jù)類型按照一定的屬性選擇出來。在輸出的數(shù)據(jù)中，如果要考察不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性以及不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，即通過各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行評估電力營銷不同大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，因此引入了隨機(jī)矩陣?yán)碚?。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還能夠統(tǒng)計(jì)、分析不同地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。在應(yīng)用隨機(jī)矩陣?yán)碚撝埃紫纫鱿嚓P(guān)性矩陣公式[9-12]，如式(3)所示

在式(3)～(5)中，假設(shè)不同市、地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(諸如A 市MMIS 數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、B 市區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫中的共享數(shù)據(jù)庫、C 市區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫中的決策數(shù)據(jù)庫等)有M 種，數(shù)據(jù)庫集合為：{P1, P2, P3, …, PM}，參數(shù)(如電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等)的數(shù)據(jù)有N 種，數(shù)據(jù)集合為：{Q1, Q2, Q3, …, QN}，在評估時(shí)間窗區(qū)間范圍內(nèi)，連續(xù)測試T 次，其中將構(gòu)成用戶投訴的數(shù)據(jù)構(gòu)建為矩陣D1，矩陣中，數(shù)據(jù)集合元素Pij為第i 個MMIS 數(shù)據(jù)庫在j 時(shí)間下進(jìn)行檢測數(shù)值[20-22]。D2表示電能計(jì)量數(shù)據(jù)，比如電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等。

4 應(yīng)用與分析

下面結(jié)合具體案例，對本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)時(shí)，可采用LoadRunner 性能測試工具[23-25]。測試模型如圖8 所示。

4.1 采用決策樹數(shù)據(jù)驗(yàn)證

假設(shè)用戶選擇的MMIS 數(shù)據(jù)庫集為D，基于上述論述，將最大信息增益作為最優(yōu)特征而選擇，然后生成極小熵決策樹，計(jì)算出各特征A1、A2、A3、A4、A5對數(shù)據(jù)D 的信息增益，如表1 所示。

表1 中的D1和D2，D3分別表示在各個特征中取值為1、2 和3 的樣本子集，基于式(1)計(jì)算出

表1 MMIS 數(shù)據(jù)庫樣本計(jì)算

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，特征A5的信息增益最大，即選擇A5為根節(jié)點(diǎn)。將A5的取值將樣本劃分為3 個集合，S1={2, 3, 6, 8, 12, 13}，S2={1, 5, 7, 14}，S3= {4, 9, 10, 11, 15}，集合S2已全部屬于同一個類，不需要再分支，已成為葉子節(jié)點(diǎn)。采用類似的方法可確定其他根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)。利用上述數(shù)據(jù)集構(gòu)建決策樹如圖9 所示。

通過上述決策樹的建立，用戶可以快速從MMIS 數(shù)據(jù)庫中篩選出稽核表中的故障數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗(yàn)，采用該算法數(shù)據(jù)檢索速度提高了95%以上。

4.2 采用隨機(jī)矩陣數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在Matpower 的IEEE-118 節(jié)點(diǎn)的仿真系統(tǒng)中模擬各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系。在樣本數(shù)據(jù)庫中，假設(shè)選擇矩陣D1=80×150，D2=400×500，根據(jù)公式Dstd=[w1, w2, w3,…,wM+N]T計(jì)算求值，其中D1分別為不同市地區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣。為了便于計(jì)算，將D1組建5 個矩陣，D2為電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等(這些數(shù)據(jù)僅為示例說明)，樣本數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

基于該樣本數(shù)據(jù)表，將式(4)代入計(jì)算，得出

再將式(5)代入計(jì)算，得出

為了更加直接得出電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等與各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系，將其繪成曲線圖，如圖 10～12所示。

通過圖10 可以看出，電費(fèi)電量數(shù)據(jù)與各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系，使用戶獲知電費(fèi)電量數(shù)據(jù)異常情況。通過圖11 可以看出，收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)與各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系，使用戶獲 知收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)的異常情況。通過圖12 可以看出，負(fù)荷管理數(shù)據(jù)與各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系，使用戶獲知負(fù)荷管理數(shù)據(jù)的異常情況。上述僅僅是示例性說明，其他數(shù)據(jù)的評估以類似方法進(jìn)行[26]。通過試驗(yàn)，用戶在終端能夠以最短的時(shí)間接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，效果顯著。

5 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了電力營銷管理信息系統(tǒng)架構(gòu)，具有積極有益的效果。

(1) 用戶通過遠(yuǎn)程/近程無線通信實(shí)現(xiàn)與不同的終端和移動營銷平臺的信息互通，使獲取數(shù)據(jù)的及時(shí)性、實(shí)時(shí)性大大提高。

(2) 在電力營銷管理軟件平臺，又通過數(shù)據(jù)挖掘算法建立數(shù)據(jù)模型，通過決策樹算法對各個市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行樣本學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，使得多個弱分類器訓(xùn)練成強(qiáng)分類器，最終建立起成熟的決策樹算法，使用戶篩選數(shù)據(jù)的能力得到很大提高。

(3) 軟件平臺又采用隨機(jī)矩陣?yán)碚搶MIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，深化了對數(shù)據(jù)的感官認(rèn)知，使得用戶發(fā)現(xiàn)MMIS 數(shù)據(jù)更本質(zhì)的規(guī)律，通過試驗(yàn)，具有明顯的效果，為用戶使用MMIS 提供了技術(shù)參考。

綜上所述，本文采用的技術(shù)方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)，便于用戶綜合處理電力營銷大數(shù)據(jù)。