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        基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求預(yù)測(cè)探析

        2022-02-06 07:17:38中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司
        電力設(shè)備管理 2022年23期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)帶寬用戶數(shù)量偏差

        中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司 黃 晶

        由于信息技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)的電力行業(yè)也加快了信息化建設(shè),網(wǎng)絡(luò)集約化的管控力度在逐步增強(qiáng),大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能電網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,而隨著信息化技術(shù)的逐漸深入,有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的通信需求也快速提高。網(wǎng)絡(luò)通信作為實(shí)現(xiàn)電力信息化非常關(guān)鍵的通路,其使用的需求是否能得到滿足與其建設(shè)水平存在較大關(guān)聯(lián),所以需針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)開展合理的帶寬需求預(yù)測(cè),以更好地開展信息系統(tǒng)建設(shè)。

        1 網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)技術(shù)分析

        自網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)出現(xiàn)以來(lái),利用因特網(wǎng)對(duì)信息進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)量增長(zhǎng)速度非???,對(duì)數(shù)據(jù)信息量進(jìn)行預(yù)測(cè),現(xiàn)階段較常使用的方法是線性預(yù)測(cè)法。如,針對(duì)一些業(yè)務(wù)簡(jiǎn)單的情況可采取累加平均值的方法,也可通過(guò)一定歷史時(shí)期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)。在流量預(yù)估中較常使用的是業(yè)務(wù)流量累加法,實(shí)際上也是針對(duì)業(yè)務(wù)方面累加其每天的均值或是最大值,然后預(yù)估某一接口上的最大值或平均值[1]。

        然而實(shí)際上,兩項(xiàng)業(yè)務(wù)一天中的流量分布狀況可能存在差異,所以使用這種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性較低。而后依照電話業(yè)務(wù)特點(diǎn)發(fā)展來(lái)的泊松模型預(yù)測(cè)方法,對(duì)電話網(wǎng)中的業(yè)務(wù)特性能較為精準(zhǔn)的描述,且對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的研究也適合,在網(wǎng)絡(luò)的性能分析、設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)等方面都有良好的效用,因而得到了較為廣泛地使用。但對(duì)數(shù)據(jù)通信流量而言具有一定的突發(fā)性,與電話通信的平穩(wěn)性存在較大差異,所以在使用方面存在一定局限性。

        自回歸滑動(dòng)平均模型主要是對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行研究,結(jié)合滑動(dòng)平均模型可用來(lái)預(yù)測(cè)市場(chǎng)規(guī)模和消費(fèi)行為。小波分析主要是針對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行幾何運(yùn)算,在語(yǔ)音分析、信號(hào)處理及圖像處理等方面進(jìn)行應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要指的是以偏差反向傳播方式為核心進(jìn)行不斷訓(xùn)練的一種多層網(wǎng)絡(luò),可學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)較多的輸入輸出模式映射關(guān)系,而不涉及針對(duì)有關(guān)映射開展數(shù)學(xué)表達(dá),在現(xiàn)階段得到較廣泛使用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可基于業(yè)務(wù)建立對(duì)應(yīng)的流量模型,對(duì)合理選取的函數(shù)進(jìn)行激活,就可將最優(yōu)方程模擬出來(lái),同時(shí)能進(jìn)行自學(xué)習(xí)和自我修正,可使偏差控制在最小范圍內(nèi),因而在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的流量預(yù)測(cè)方面可使用這一技術(shù)。

        2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        這一模型主要是對(duì)偏差進(jìn)行反向傳播的不斷學(xué)習(xí)過(guò)程,其中包含信息的雙向傳播。在輸入層中,將有關(guān)信息輸入后會(huì)由相關(guān)的神經(jīng)元進(jìn)行接收,同時(shí)向中間層的各神經(jīng)元進(jìn)行傳遞。中間層主要是進(jìn)行信息交換,這一層的設(shè)置可依照信息變化能力需求決定其結(jié)構(gòu)是單層還是多層。經(jīng)過(guò)中間層的傳遞將信息轉(zhuǎn)至輸出層,這樣就是算法的一次正方向信息傳遞過(guò)程。假設(shè)最后輸出的值和預(yù)先設(shè)置的不相符合時(shí),則會(huì)針對(duì)偏差進(jìn)行反方向的傳遞。實(shí)際的偏差信息會(huì)從輸出層依照偏差梯度下降的方式對(duì)各層權(quán)值進(jìn)行調(diào)整,而后進(jìn)行反向傳遞,這就是對(duì)各層權(quán)值的一個(gè)不斷調(diào)整,是這一算法模型不斷訓(xùn)練的過(guò)程,一直到偏差降低到允許的范圍內(nèi)為止。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要有輸入輸出模型、誤差計(jì)算模型、作用函數(shù)模型和自學(xué)習(xí)模型。

        3 電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求預(yù)測(cè)

        3.1 預(yù)測(cè)方法

        對(duì)一定期間的電力通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求進(jìn)行預(yù)測(cè),需根據(jù)其上一期間的業(yè)務(wù)建立模型展開分析(圖1)。首先,從現(xiàn)有的業(yè)務(wù)情況出發(fā),針對(duì)網(wǎng)絡(luò)能夠承載的總業(yè)務(wù)開展整合工作,對(duì)其中相關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行類型的區(qū)分,以重要業(yè)務(wù)都能涵蓋其中為基礎(chǔ),對(duì)業(yè)務(wù)流量應(yīng)設(shè)置的收集點(diǎn)和區(qū)域進(jìn)行確定,同時(shí)借助相應(yīng)的工具對(duì)數(shù)據(jù)綜合網(wǎng)的流量進(jìn)行收集和分析。

        圖1 網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)流程圖

        收集流量特性數(shù)據(jù)后,將歸入收集范圍的重要業(yè)務(wù)建立模型,對(duì)于信息化系統(tǒng),使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)重要業(yè)務(wù)中的單一用戶流量建立模型,進(jìn)行需求的預(yù)測(cè)。在其業(yè)務(wù)流量預(yù)測(cè)的假設(shè)條件下,對(duì)期間的業(yè)務(wù)范圍進(jìn)行整理,依照業(yè)務(wù)在最大值狀態(tài)時(shí)的帶寬需求情況,使系統(tǒng)的模型能夠得到對(duì)應(yīng)。根據(jù)系統(tǒng)中用戶的具體信息,了解某一時(shí)刻的活躍用戶占比。單用戶流量乘活躍用戶數(shù)量,得到業(yè)務(wù)系統(tǒng)在工作時(shí)間段的總流量。然后依照建立的業(yè)務(wù)模型,依照其路徑對(duì)各數(shù)據(jù)網(wǎng)的帶寬需求進(jìn)行預(yù)測(cè)[2]。

        3.2 限制和假設(shè)條件

        假定其中業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的用戶在瀏覽方面的模式和業(yè)務(wù)工作都不會(huì)出現(xiàn)變化,這樣就能對(duì)單用戶流量分布狀況和活躍用戶分布狀況有大概的掌握。另外,假定有新增的業(yè)務(wù)系統(tǒng),可給出平均流量值或和現(xiàn)有某一系統(tǒng)在架構(gòu)、業(yè)務(wù)內(nèi)容、用戶群體等方面具有較高的相似度。有關(guān)業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng),由于計(jì)劃業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)會(huì)提供更加豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用,預(yù)估業(yè)務(wù)量會(huì)有較大的增長(zhǎng)幅度,如按照30%的增長(zhǎng)量,在不斷發(fā)展的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)新系統(tǒng),假定這一期間新建立5個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)且用戶散落分布,結(jié)合對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的測(cè)算,系統(tǒng)活躍用戶的比例在0.5~0.6%范圍內(nèi),假定按照0.6%計(jì)算而特殊業(yè)務(wù)的活躍用戶占比10%,帶寬需求分析需對(duì)電力企業(yè)信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)業(yè)務(wù)、FTP、語(yǔ)音視頻等進(jìn)行全面考慮。

        3.3 建立業(yè)務(wù)帶寬需求模型

        3.3.1 模型建立方法

        通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量方程進(jìn)行模擬,這個(gè)過(guò)程是不斷學(xué)習(xí)和修正的過(guò)程。最后如果得出的結(jié)果和樣本值偏差在預(yù)期值范圍內(nèi),就能說(shuō)明相關(guān)的方程可較好地體現(xiàn)流量情況。流量預(yù)測(cè)的步驟為:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;選擇激活函數(shù);收集充足的樣本值;進(jìn)行模型推導(dǎo)和仿真;用新樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)過(guò)程實(shí)際上就是反復(fù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、修改,論證之后再修改的重復(fù)循環(huán)。

        3.3.2 數(shù)學(xué)推導(dǎo)

        對(duì)模型的建立主要是為預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)流量,要想達(dá)到這一目的就需在其中體現(xiàn)出業(yè)務(wù)的具體變化情況,所以需通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出流量與時(shí)間、用戶數(shù)量之間的關(guān)系。假設(shè)以y表示某一業(yè)務(wù)流量,x表示業(yè)務(wù)并發(fā)的用戶數(shù)量,t表示一天中的某一時(shí)刻。則y=f(x)(t),其中x=g(A)(t),A表示業(yè)務(wù)總用戶數(shù)量。依照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虻弥?,某一?xiàng)業(yè)務(wù)的總用戶數(shù)量A在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)改變、所以視為常數(shù),則業(yè)務(wù)并發(fā)用戶數(shù)量x是和時(shí)間t有關(guān)的函數(shù)。根據(jù)上述公式,也就是業(yè)務(wù)流量y是和時(shí)間t有關(guān)的函數(shù)。因此對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中某一接口的流量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),只需累加接口上各業(yè)務(wù)的流量。3.3.3 單系統(tǒng)模型

        使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具集設(shè)置一個(gè)兩層BP網(wǎng)絡(luò),有關(guān)參數(shù)的內(nèi)容/值如下:隱含層神經(jīng)元數(shù)量/4、隱含層激活函數(shù)/對(duì)數(shù)函數(shù)、輸出層激活函數(shù)/線性函數(shù)、訓(xùn)練次數(shù)/5000、目標(biāo)偏差/0.01。對(duì)之前收集的數(shù)據(jù)需進(jìn)行歸一化處理,流量數(shù)據(jù)前后對(duì)比發(fā)現(xiàn),流量曲線沒(méi)有發(fā)生改變,不過(guò)其范圍縮小到(-1,1)內(nèi),這樣后續(xù)在進(jìn)行計(jì)算時(shí)計(jì)算量有了很大的縮減。在完成了第3038次計(jì)算之后偏差下降到0.01,能夠?qū)?yīng)繪制出函數(shù)曲線,從曲線圖中能夠了解業(yè)務(wù)在一天工作時(shí)間段內(nèi)的流量狀況??偣策x擇8個(gè)經(jīng)典系統(tǒng)建立模型,這是網(wǎng)絡(luò)帶寬需求分析的前提條件。

        3.3.4 模型匹配

        對(duì)指定期間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求進(jìn)行預(yù)測(cè),需對(duì)這一期間業(yè)務(wù)系統(tǒng)的模型進(jìn)行確立。然而現(xiàn)階段有一些系統(tǒng)還沒(méi)有正式上線,根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)類似性假設(shè)以及現(xiàn)有的模型,可確定將已使用的系統(tǒng)模型作為未來(lái)系統(tǒng)的模型。有關(guān)流量模型的選擇:如是已上線的系統(tǒng)就選擇現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立;如是沒(méi)有上線但和現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)具有較高的匹配度,也可確定使用已經(jīng)存在的模型;如是沒(méi)有上線且和現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)匹配度較低的系統(tǒng),需先對(duì)其涵蓋區(qū)域和單一用戶在最大值時(shí)的帶寬信息選擇出來(lái),然后確定與其類似的模型。最后,基于預(yù)留考量的新增加的業(yè)務(wù)系統(tǒng),需選擇其中流量高的模型。根據(jù)模型匹配情況,選擇8個(gè)目前在使用中的經(jīng)典模型,并確定預(yù)測(cè)期間業(yè)務(wù)系統(tǒng)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.3.5 帶寬需求

        模型的獲取是在單一用戶流量模型基礎(chǔ)上得到,同時(shí)對(duì)其承載的活躍用戶數(shù)量進(jìn)行充分考量,帶寬需求值的計(jì)算主要是單一用戶流量乘活躍用戶數(shù)量。從上述分析得知,通常業(yè)務(wù)活躍用戶數(shù)的占比在0.5~0.6%范圍內(nèi),按照最大占比進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)特殊業(yè)務(wù)活躍用戶數(shù)占比10%。得到了單用戶帶寬需求模型和活躍用戶數(shù)后,就能夠?qū)σ?guī)定期間內(nèi)管理信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。

        此外,對(duì)于語(yǔ)音業(yè)務(wù)、視頻、網(wǎng)絡(luò)瀏覽流量以及FTP等也需要做好考量。有關(guān)視頻語(yǔ)音業(yè)務(wù),因?yàn)橐曨l流量大小具有一定的穩(wěn)定性,但業(yè)務(wù)時(shí)間具有不確定性,所以其需求值的計(jì)算主要是累加通信帶寬的最大值。有關(guān)網(wǎng)絡(luò)瀏覽業(yè)務(wù),使用合理的方法確定模型之后再實(shí)施預(yù)測(cè)。有關(guān)FTP,因其中存在不定性因素影響,所以同樣考慮在帶寬峰值上進(jìn)行累加??傊?,在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支持下能對(duì)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行建模,預(yù)估一定時(shí)期內(nèi)信息系統(tǒng)的帶寬需求,同時(shí)也能充分考慮到視頻語(yǔ)音業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)及FTP業(yè)務(wù)的帶寬需求。

        3.4 結(jié)果分析

        針對(duì)信息管理系統(tǒng)的流量,依照業(yè)務(wù)流量建立模型,根據(jù)流量曲線的結(jié)果,與用戶數(shù)進(jìn)行相乘,同時(shí)按照時(shí)間這一類別的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并,最后得到信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)的帶寬需求流量變化結(jié)果,需考慮50%的冗余量,進(jìn)而得出各個(gè)層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求,最后得到的通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求預(yù)測(cè)結(jié)果如表1。

        表1 通信網(wǎng)絡(luò)帶寬需求預(yù)測(cè)結(jié)果

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