吳佳 蘇丹 袁衛(wèi)國(guó) 楊延

摘? ?要：針對(duì)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)繁多、用戶應(yīng)用困難的技術(shù)問(wèn)題，提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，并設(shè)計(jì)出基于云計(jì)算軟件平臺(tái)管理智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。通過(guò)采用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練、學(xué)習(xí)，建立多個(gè)數(shù)據(jù)處理模型。根據(jù)決策樹(shù)算法能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)不同屬性數(shù)據(jù)的分類，使得用戶快速?gòu)暮棋脑贫藬?shù)據(jù)庫(kù)中獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)保存，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久性存儲(chǔ)。不同用戶通過(guò)簽發(fā)密鑰實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，使得數(shù)據(jù)應(yīng)用和管理更為便捷有效。本方案為智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng);大數(shù)據(jù);驅(qū)動(dòng);數(shù)據(jù)挖掘;區(qū)塊鏈

中圖分類號(hào)：TP393.09? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003—6199（2020）02—0184—05

Abstract：Aimed at the technical problems of smart grid data and user application difficulties，a smart grid big data driving method is proposed，and a system based on cloud computing software platform to manage smart grid big data is designed. This paper uses data mining algorithms to train and learn smart grid big data samples and build multiple data processing models，according to the decision tree algorithm，the classification of different attribute data of the smart grid data can be realized，so that the user can quickly obtain the target data from the vast cloud database，and the processed data is saved by the blockchain system to realize the permanent storage of data. Different users can share the data by issuing the secret key，which makes the data application and management more convenient and effective. The scheme designed provides technical reference for smart grid big data processing and application.

Key words：smart grid;big data;driver;data mining;blockchain

云計(jì)算作為一種特殊的計(jì)算方式，是軟件即服務(wù)（SasS）、平臺(tái)即服務(wù)（PasS）、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IasS）、虛擬化Virtualization等技術(shù)的躍進(jìn)或者商業(yè)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果[1-3]。通過(guò)云計(jì)算，使用戶能夠快速、便捷地處理智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)。云計(jì)算的形態(tài)通常包括私有云、公有云和混合云，私有云是集群企業(yè)內(nèi)部的云計(jì)算，使得企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)集中存放，各部分可提取使用。公有云是通過(guò)搜索引擎的方式尋找數(shù)據(jù)，借助于各種網(wǎng)盤、迅雷進(jìn)行離線下載以獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)等，滿足大眾的要求?；旌显颇軌蚪Y(jié)合私有云和公有云，既能滿足企業(yè)內(nèi)部的需要，又能滿足普通大眾使用云計(jì)算的需要?；谠朴?jì)算在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使得軟硬件的使用率大大提高，企業(yè)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和管理資源也相應(yīng)降低[4-6]。

隨著IT行業(yè)在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，云計(jì)算軟件平臺(tái)也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，使得用戶暢享云計(jì)算超快的運(yùn)算能力（每秒10萬(wàn)億次），比如目前在市場(chǎng)發(fā)揮重要作用的H3C CAS云計(jì)算管理平臺(tái)、AbiCloud企業(yè)級(jí)開(kāi)源云計(jì)算平臺(tái)、AbiCloud企業(yè)級(jí)開(kāi)源云計(jì)算平臺(tái)、Eucalyptus 開(kāi)源云計(jì)算平臺(tái)、Nimbus云計(jì)算平臺(tái)等。云計(jì)算軟件平臺(tái)由于其應(yīng)用模式呈現(xiàn)多樣化，并且根據(jù)用戶的管理形式呈彈性變化，使得數(shù)據(jù)應(yīng)用模式也呈不同的形態(tài)。在智能電網(wǎng)應(yīng)用中，由于其底層采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和多樣性，業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間互相交互，就需要采用不同的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)滿足不同的用戶需求[7-8]?；诖?，介紹一種基于云計(jì)算軟件平臺(tái)處理智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、智能存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等應(yīng)用，還增加了數(shù)據(jù)的加密性，大大提高了用戶數(shù)據(jù)的隱私效果。

1? ?大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)體系構(gòu)架

介紹智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)在云計(jì)算軟件平臺(tái)上的一種應(yīng)用模式，通過(guò)該模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類和加密，便于用戶管理和使用。在本系統(tǒng)構(gòu)架中，在筆記本/計(jì)算機(jī)（下文簡(jiǎn)稱PC機(jī)）上安裝云計(jì)算軟件，本文采用的云計(jì)算平臺(tái)為云端智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)SP-DPP（smart power system big data processing platform in cloud environment）[1-3]，在該云計(jì)算軟件中設(shè)置數(shù)據(jù)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在輸出端連接區(qū)塊鏈系統(tǒng)，區(qū)塊鏈采用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，將其引入智能電網(wǎng)大處理應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的永久性存儲(chǔ)，還將具有數(shù)據(jù)保密的特點(diǎn)，能夠便捷地在用戶之間共享數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要包括PC機(jī)，在PC機(jī)上集成有云計(jì)算軟件平臺(tái)，云計(jì)算軟件平臺(tái)包含有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)管理單元、分類單元、數(shù)據(jù)計(jì)算單元、人機(jī)交互單元、數(shù)據(jù)分配單元等。如圖1所示。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)智能電網(wǎng)中的各種的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)管理單元主要負(fù)責(zé)接收、分配、計(jì)算、處理、分發(fā)接收到的各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理單元可以包括分類單元、計(jì)算單元、數(shù)據(jù)分配單元等。在本設(shè)計(jì)中，分類單元為基于數(shù)據(jù)挖掘算法的分類單元，計(jì)算單元根據(jù)分類模型運(yùn)行大數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算單元使得接收到的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則和算法輸出，計(jì)算出的最終數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)置在輸出單元輸出，最終處理的數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)交互單元選擇性地處理，處理數(shù)據(jù)還可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與區(qū)塊鏈系統(tǒng)通訊。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通過(guò)區(qū)塊鏈簽發(fā)私鑰，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久性存儲(chǔ)，在簽發(fā)私鑰時(shí)，通過(guò)授權(quán)電子數(shù)字證書(shū)并簽名的CA服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶之間通過(guò)區(qū)塊鏈共享數(shù)據(jù)，在不同服務(wù)站便可獲取智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)在云計(jì)算軟件平臺(tái)上處理結(jié)果。

2? ?數(shù)據(jù)處理方案

2.1? ?基于數(shù)據(jù)挖掘算法的數(shù)據(jù)分類方法

在對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先將數(shù)據(jù)按照一定的屬性分類，基于數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)現(xiàn)智能大數(shù)據(jù)的分類。數(shù)據(jù)挖掘算法包含很多種算法，比如關(guān)聯(lián)算法、回歸分析、聚類算法、異常檢測(cè)等，其中每種算法又包括多個(gè)算法，比如分類算法包括諸如決策樹(shù)算法、貝葉斯算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法，聚類分析算法包括諸如k-means? SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、FCM聚類算法等的算法。在本設(shè)計(jì)中，選擇使用決策樹(shù)算法中的ID3算法構(gòu)建決策樹(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類。結(jié)合圖2對(duì)決策樹(shù)的構(gòu)建做進(jìn)一步說(shuō)明。

（1）數(shù)據(jù)獲?。簭臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元獲取不同種類的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù);

（2）數(shù)據(jù)訓(xùn)練：從所選的智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)組中計(jì)算數(shù)據(jù)集的經(jīng)驗(yàn)熵，選擇信息增益最大的特征作為當(dāng)前分裂特征，選擇信息增益最大的特征作為

當(dāng)前分裂特征;其中數(shù)據(jù)組經(jīng)驗(yàn)熵H（D）的計(jì)算公式為：

其中，i為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，|D|是數(shù)據(jù)集中所有樣本個(gè)數(shù)，k是目標(biāo)變量的類別數(shù)，|Ck |是該分類下的樣本個(gè)數(shù)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，在所有的特征中，假設(shè)A，計(jì)算特征A對(duì)數(shù)據(jù)集D的經(jīng)驗(yàn)條件熵H（D|A），其中計(jì)算特征A的信息增益公式為：

（S3）確定根節(jié)點(diǎn)：根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算出的經(jīng)驗(yàn)熵選擇決策樹(shù)的根節(jié)點(diǎn);如公式（1）和（2）所示，在選擇目前數(shù)據(jù)集的分割特征屬性時(shí)，使用信息增益度來(lái)計(jì)算。如果在多個(gè)計(jì)算出的信息增益度值很大，則表示在這個(gè)屬性特征上回?fù)p失的純度也就越大，那么結(jié)算出的較大的信息增益度值的屬性就應(yīng)該處于決策樹(shù)的上層，可考慮其作為根節(jié)點(diǎn)。

（S4）確定葉節(jié)點(diǎn)：根據(jù)計(jì)算出的經(jīng)驗(yàn)熵選擇決策樹(shù)的葉節(jié)點(diǎn);根據(jù)上述的方法將信息增益度值較小的屬性選作為葉節(jié)點(diǎn);

（S5）建立數(shù)據(jù)模型：根據(jù)上述方法確定的根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)，建立數(shù)據(jù)模型;

（S6）構(gòu)建決策樹(shù)：根據(jù)數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建決策樹(shù);構(gòu)建出的決策樹(shù)是呈樹(shù)形的結(jié)構(gòu)，最后輸出的是用戶目標(biāo)值;

（S7）根據(jù)構(gòu)建的決策樹(shù)運(yùn)行智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)，輸出運(yùn)行結(jié)果。

2.2? ?區(qū)塊鏈技術(shù)在智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

采用區(qū)塊鏈技術(shù)具有互信度高、數(shù)據(jù)不可篡改、數(shù)據(jù)可追溯性、互聯(lián)互通、分布式存儲(chǔ)、去中心化等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，其結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖3所示。用戶分類后的數(shù)據(jù)通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，用戶之間共享密鑰即可實(shí)現(xiàn)。

區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)呈鏈條式連接，即區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)彼此連接通訊，這些節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)鏈?zhǔn)竭B接，可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)將PC機(jī)和云端數(shù)據(jù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理中心、移動(dòng)式設(shè)備中的各相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息發(fā)布到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。在本上文設(shè)計(jì)中，區(qū)塊鏈系統(tǒng)包含區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)并集成有加密單元、區(qū)域鏈節(jié)點(diǎn)、應(yīng)答節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)單元以及信息釋放單元，區(qū)域鏈節(jié)點(diǎn)與應(yīng)答節(jié)點(diǎn)信息通信，存儲(chǔ)單元與信息釋放單元通信交互，并且存儲(chǔ)單元和信息釋放單元與所述存儲(chǔ)單元通訊交互，如圖4所示。其中加密單元采用加密算法對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，采用的加密算法為DES、 3DES、 Blowfish加密算法、 Twofish加密算法、IDEA、RC6或 CAST5。信息釋放單元是存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)分配程序，其基于malloc函數(shù)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)單元增加多少，信息釋放單元的信息量就釋放多少，在釋放時(shí)，malloc在第一次被調(diào)用時(shí)，從系統(tǒng)中獲取最小為一個(gè)單元的空閑空間（例如有最小單元為1024個(gè)最受限單元塊，當(dāng)x<=1024，獲取1024個(gè)最受限單元塊，否則獲取x個(gè)最受限單元塊，x不等于1024，其中x為信息釋放單元信息釋放量），再根據(jù)用戶需求進(jìn)行下一步的釋放。釋放出多少空間，就釋放出多少信息量，因此，這種方式可以選擇性地對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密。

采用區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行加密的方法包括以下步驟：

（1）選擇待加密的信息：信息接收模塊從區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)信息，采用信息釋放單元對(duì)需要保密的內(nèi)容釋放，信息接收模塊接收信息釋放單元釋放的信息，讀取單元讀取信息釋放單元釋放的信息，對(duì)釋放的信息先用單向加密算法計(jì)算出數(shù)據(jù)的特征碼，得到加密信息串;

（2）簽名：共享數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備用自己的私鑰加密這個(gè)特征碼，并將結(jié)果附加在數(shù)據(jù)后面，對(duì)加密信息串進(jìn)行簽名，通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)接收加密信息串，并進(jìn)行簽名，如果簽名成功，則獲得加密信息串;

（3）互相通訊的各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得加密信息;簽名成功后，數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)臨時(shí)對(duì)稱密鑰，并使用對(duì)稱密鑰加密整個(gè)數(shù)據(jù);

（4）各個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)獲得加密信息;數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備從區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)的公鑰，并使用公鑰加密這個(gè)臨時(shí)的對(duì)稱密鑰，將結(jié)果附加在整個(gè)數(shù)據(jù)后發(fā)送到各個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn);

采用區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行解密的方法包括以下步驟：

（1）有需求的通訊主體獲得解決信息;數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備中任意一者先用自己是私鑰解密加密的對(duì)稱密鑰;

（2）有需求的通訊主體對(duì)所需數(shù)據(jù)解密;數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備用戶獲得用對(duì)稱密鑰解密整個(gè)加密的數(shù)據(jù);

（3）身份驗(yàn)證;數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備用數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上公鑰解密數(shù)據(jù)的特征碼，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備用戶的身份;

（4）解密;數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備用戶再用同樣的對(duì)稱加密算法計(jì)算數(shù)據(jù)的特征碼，并與解密出來(lái)的特征碼進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)管理中心、其他客戶端或移動(dòng)式設(shè)備區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)的完整性，從而使用這種手段保證了保密性和完整性還同時(shí)完成了身份驗(yàn)證。

3? ?方案實(shí)驗(yàn)及分析

假設(shè)表1為給定的數(shù)據(jù)集為D，根據(jù)最大信息增益選擇最優(yōu)特征生成極小熵決策樹(shù)，計(jì)算各特征A1、A2、A3、A4、A5對(duì)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(gè)特征中取值為1、2和3的樣本子集，根據(jù)上文涉及的公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)在表1中的數(shù)據(jù)可得：

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，特征A5的信息增益最大，所以選擇A5為根節(jié)點(diǎn)。根據(jù)A5的取值將樣本分成3個(gè)結(jié)合，S1={2，3，6，8，12，13}，S2={1，5，7， 14}，S3={4，9，10，11，15}，其中集合S2已全部屬于同一個(gè)類，不需要再分，已成為葉子節(jié)點(diǎn)。采用類似的方法可確定其它根節(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(shù)如圖6所示。

在決策樹(shù)建立之后，再建立測(cè)試集來(lái)評(píng)估決策樹(shù)的分類成功率。如圖7所示，建立測(cè)試集的方法為：從比如調(diào)度管理數(shù)據(jù)庫(kù)、配電管理數(shù)據(jù)庫(kù)、用電采集數(shù)據(jù)庫(kù)、營(yíng)銷管理數(shù)據(jù)庫(kù)、客服服務(wù)數(shù)據(jù)等（分別用A-J來(lái)表示）不同數(shù)據(jù)庫(kù)中分別隨機(jī)抽取1000個(gè)數(shù)據(jù)記錄，然后計(jì)算按照上述方法評(píng)估其正確性，根據(jù)記錄不同類別的數(shù)據(jù)，其正確率分布如下：

由分布圖可知，決策樹(shù)分類準(zhǔn)確率平均在90%，正確率較高。

經(jīng)過(guò)決策樹(shù)分類后的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，處于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)中的其他設(shè)備（比如數(shù)據(jù)管理中心、移動(dòng)式設(shè)備或者其他客戶端）便可從區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)簽發(fā)密鑰獲取上述信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，由于區(qū)塊鏈本身固有的技術(shù)特征（比如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、不可篡改、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、永久性保存、共識(shí)機(jī)制、加密算法等），在此處不做詳細(xì)說(shuō)明。

4? ?結(jié)? ?論

通過(guò)建立大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)體系構(gòu)架實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘算法建立分類模型，使得多個(gè)不同類型的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)用戶需求輸出不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)，縮短用戶利用數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)處理效率。分類后的數(shù)據(jù)通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)永久性保存，并使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)支點(diǎn)內(nèi)的用戶通過(guò)生成的密鑰實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有效地提高了數(shù)據(jù)的隱秘性和安全性。本設(shè)計(jì)的方案新穎，將區(qū)塊鏈技術(shù)引入智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用和處理，為智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)參考，為下一步智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的處理提供了重要的技術(shù)支撐。

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