基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法.pdf

第 卷第期年月计算技术与自动化C o m p u t i n gT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o nV o l ,N o J u n 收稿日期:作者简介:王公晗(),男,江苏泗阳人,硕士研究生,工程师,研究方向:信息通信运维检修.通信联系人,E m a i l:z h u i q u e c o m文章编号:()D O I:/j c n k i j s j s y z d h 基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法王公晗,姜胜兰(国网沭阳县供电公司,江苏 沭阳 )摘要:针对电网运行数据堵塞程度较高,传输安全性较差的问题,提出了基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法.通过电力通信网络的通道模型与路由监测协定,凭借波特间隔均衡法优化节点布局,结合自适应偏差补充调整反馈,均衡通道.针对储存空间、带宽容量、C P U处置功能等主要拥塞因素,分析数据密度估计值,并在带宽函数中加入邻域平均距离得到局部密度,推导出数据的局部离群点,通过调节离群点大小断定和控制电力通信网络.实验证明,所提方法能够精准检测出电力通信网络是否拥塞,及时调节通信数据,降低堵塞程度,保证信息可以安全传输.关键词:局部离群点检测算法;电力通信;拥塞安全控制;带宽容量;缓存空间中图分类号:T N 文献标识码:AC o n g e s t i o nS e c u r i t yC o n t r o lM e t h o do fP o w e rC o mm u n i c a t i o nN e t w o r kB a s e do nL o c a lO u t l i e rD e t e c t i o nA l g o r i t h mWANGG o n g h a n,J I ANGS h e n g l a n(S t a t eG r i dS h u y a n gP o w e rS u p p l yC o m p a n y,S h u y a n g,J i a n g s u ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e m so f h i g hc o n g e s t i o na n dp o o r t r a n s m i s s i o ns e c u r i t yo f p o w e r g r i do p e r a t i o nd a t a,a c o n g e s t i o ns e c u r i t yc o n t r o lm e t h o do fp o w e rc o mm u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nl o c a lo u t l i e rd e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d T h r o u g ht h ec h a n n e lm o d e l a n dr o u t em o n i t o r i n gp r o t o c o l o f p o w e r c o mm u n i c a t i o nn e t w o r k,t h en o d e l a y o u t i so p t i m i z e db yb a u d i n t e r v a l e q u a l i z a t i o nm e t h o d,a n dt h ec h a n n e l i sb a l a n c e db yc o m b i n i n ga d a p t i v ed e v i a t i o ns u p p l e m e n t a r ya d j u s t m e n tf e e d b a c kA i m i n ga t t h em a i nc o n g e s t i o nf a c t o r ss u c ha ss t o r a g es p a c e,b a n d w i d t hc a p a c i t ya n dC P Up r o c e s s i n gf u n c t i o n,t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ee s t i m a t e dv a l u eo f d a t ad e n s i t y,a d d s t h ea v e r a g ed i s t a n c eo fn e i g h b o r h o o dt o t h eb a n d w i d t hf u n c t i o nt oo b t a i nt h e l o c a l d e n s i t y,d e d u c e s t h e l o c a l o u t l i e r so f d a t a,a n dd e t e r m i n e s a n dc o n t r o l s t h ep o w e r c o mm u n i c a t i o nn e t w o r kb ya d j u s t i n gt h es i z eo fo u t l i e r s E x p e r i m e n t s s h o wt h a t t h ep r o p o s e dm e t h o dc a na c c u r a t e l yd e t e c tw h e t h e r t h ep o w e r c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i s c o n g e s t e d,t i m e l ya d j u s t t h e c o mm u n i c a t i o nd a t a,r e d u c e t h ed e g r e eo f c o n g e s t i o n,a n de n s u r e t h e s a f et r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n K e yw o r d s:l o c a lo u t l i e rd e t e c t i o na l g o r i t h m;p o w e rc o mm u n i c a t i o n;c o n g e s t i o ns e c u r i t yc o n t r o l;b a n d w i d t hc a p a c i t y;c a c h es p a c e电力企业内大量服务器聚集管理,令网络线路承载责任加重.电力通信网络中产生拥塞会导致系统出现各种危机问题,例如吞吐量降低、速度变慢等,都会致使通信网络传输下降,严重的计算技术与自动化 年月还会产生崩溃.只有规划合理,才能确保电力通信网络系统平稳运行.基于此,董丽梅利用冲突规避分析通信网络拥塞,从而进行网络拓扑说明和预判,规避网络拥塞程度.任智等提出L C o C C(受限应用协议拥塞控制)算法,利用强弱与失败信息使用时长判断网络情况,预估出重传时间,依照重传数和信息时间抖动数进行控制,减少重传现象,降低网络拥塞程度.但是以往的研究结果,并未考虑数据等候队列情况,容易造成信息丢失.因此,提出了一种基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法.离群点检测算法被应用到众多领域,例如网络入侵、工业损伤以及网络通信等检测技术中,主要功能是去除噪声或是检测异常数据.局部离群点检测算法应用在电力通信网络时,可检测出全部离群点,控制数据集内节点对通信的干扰,实现传输稳定,数据接收完整.电力通信模型和均衡处理为了保证能够实现电力通信网络的拥塞安全控制,利用GV,E 代表通信链路结构,V表示电力通信网络的节点集合,E表示时间窗口集合,应用路由转发掌控协议构成电力通信网络通道模型,考虑到节点k需要实行信息传输与比特包转发控制,可得出数据包P输出的电力节点i的成功率公式为:p(tk)kektk,p(tg)gegtg()公式中,tk表示电力通信网络传输信道的初始时间;tg表示终止时间;k表示为发送起始位置;e表示为失真值;g表示为接收终点位置.利用约束规则对网络实行控制,获得通信网络簇首节点状况的判决函数为:S LiLii fiN e wio t h e r w i s e()公式中,N e wi(ei,ei,eiD)表示电力通信网络的簇首节点集合;Li表示第i个节点L阶;依照传输的通道模型实行路由下发协定控制,获得通道的单位冲激响应公式为:h(t)iai(t)(ti T s)()公式中,ai(t)表示t时间下节点t的控制增益;表示缓存器容量;T表示运行总时长.电力通信网络的路由节点的测量距离表述为:r miriv(i)wrmv(m)()公式中,m、n表示正整数;w表示信息发送量;表示尺度参变量.在路由链路构成电力通信网络的通道传输模型与路由监测条约,并采取通道均衡处理,增强传输性能.通过转发协议对电力通信网络的通道均衡处理,得到通道传输的均衡模型迭代表达式为:fi j(n)fi j(n)M CMAJM CMA(n)fi j(n)()公式中,M CMA表示电力节点最初路由位置;JM CMA表示初始节点信道容量.利用波特间隔均衡方式开展节点优化布局,按照极大似然估计获得L阶均衡器判决公式:fi j(n)f()i j(n),f()i j(n),f(L)i j(n)T()利用最速下降法实行信号干扰抑制,获得均衡控制表达式为:JM CMA(n)fi j(n)(mjJR,j(n)fi j(n)mjJi,j(n)fi j(n)()公式中,Ji,j表示节点i和节点j之间通道的吞吐量;JR,j表示输出变量;R表示信号源传输率;y表示期望值.电力通信网络发出数据包的失真传输函数表示为:eR,j(yR,j(n)R,R)yR,j(n)()通过自适应偏差补充形式实行反馈调整,获得均衡器输出ss,s,smT,调整矢量vv,v,vmT.假设网络通道具有信号干扰,那么电力通信网络的信道单位冲激响应变成:xi(n)mjhi j(n)Tsj(n)vi(n)()由此,经过通道均衡处置之后,电力通信网络的传输信号模型表述为:yj(n)mjfi j(n)Txi(n)()公式中,fi j表示单位冲激响应函数;x表示信道响应.第 卷第期王公晗,等:基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法电力通信网络拥塞分析当网络中的数据报文数量较多时,网络带宽没有办法全部负载,容易致使网络在传输中数据包出现极大延时,此状况被叫作拥塞.假设电力通信网络中的多条信息一起抵达路由器,但信息需要分批或一条一条处理,那么部分数据就要在节点缓存位置进行等候.在节点缓存空间容量不足或消耗殆尽时,就会出现通信网络拥塞.图中能够看出,拥塞出现时电力网络情况为:随着网络产生拥塞,信息传输成功数量减少,网络承载能力下降.图拥塞产生时网络状态示意图导致拥塞的因素有:)缓存空间不够:各数据抵达时需要从一个端口输送,并按照次序列队.当路由器内的队伍的缓存容量不够时,最先抵达的数据会被抛弃.为了确保信息包不会因太早被遗弃,则需要扩充节点存储容量.虽然路由器缓存空间充裕,但是路由等候时间是固定的,超时间的数据包会被误以为是没有价值的,从而被舍弃.为此数据包需要不停地向下个路由设备转发,就会造成网络资源消耗.)带宽容量缺少:速度低的网络链路在传输时碰到速度高的信息流极会导致拥塞.所有通道带宽极大值为通道容量CBl o g(S I N),全部信号源传输率R一定小于或等于通信容量C,若是RC,那么传输就会存在错误,致使缓冲区内的数据抵达速度超过传输率,较多的数据停留在缓冲区内,容易发生内存消耗殆尽,产生拥塞.)C P U处置功能不足:重要路由器的C P U储存不能满足数据列队,在路由等性能情况下处置的速度相对迟缓,此时会导致拥塞.)电力通信网络拓扑构成和路由选取的不适宜,容易引起拥塞.基于局部离群点检测的网络拥塞安全控制局部离群点检测算法的基本思想是,计算数据点的局部可达密度,利用其相邻区域内全部对象局部可达密度平均值和自身密度值的比例,此为局部离群点,能够了解数据是不是在密度接近的局部范围中.该算法安全控制原则有:原则,数据si的k距离,kd i s(si):针对所有小于n的正整数k,siS,数据si的k距离,表示为kd i s(si),被称之为si和sj的距离d(si,sj),另外sjS,而且sj还需要保证下列前提:()最少具有k个数据对象slSsi,令d(si,sl)d(si,sj);()最多具有(k)个数据对象slSsi,令d(si,sl)d(si,sj).原则,数据si的k拓扑邻域,Nk(si):siS,预先设定si的k距离,si的k拓扑邻域具有数据集内全部和si的距离小于k距离的剩余信息,便有:Nk(si)sj|sjSsid(si,sj)kd i s(si)()原则,数据si与sj可达距离比较,r e a c hd i sk(si,sj):事先给予自然数k且si,sjS,得出表达式为:r e a c hd i sk(si,sj)m a xkd i s(sj),d(si,sj)()原则,数据si的局部可达密度l r d(si):设siS,则表达式为:l r d(si)/sjNk(si)r e a c hd i sk(si,sj)|Nk(si)|,ij()原则,数据si的离群点,L O F(si):设定siS,得到公式为:L O F(si)sjNk(si)r a d(si)|Nk(si)|/l r d(si),ij()局部离群点检测算法在算出数据集内全部数据对象的因子后,需要对数值实行列队,传输比较大的因子z个数据对象当作是S的离群点集合,z是按照各种数据集给予的参变量.控制电力通信网络拥塞安全方法,可以在不明计算技术与自动化 年月确数据集布局的前提下,通过数据本身的资料,预计不详的密度函数,从而获得全部数据的预测密度.给定的估计公式为:p(si)nnj(h(sj)mK(sisjh(sj),ij()公式中,sisj表示两个数据对象的距离,且sisj d(si,sj);h(sj)为平滑函数,也表示带宽,在选择时最简便的形式为h(sj)h,则是固定带宽;K表示满足积分是,预期是,带宽是h(sj)的m维函数.针对实际数据集,各种数据站的局部密度或许具有不同,固定带宽无法完全适合此状况,因此还需加入尺度参变量.针对随意两个数据si和sj,二者之间的距离为d(si,sj),如果d(si,sj),那么二者之间的雷同性相近;如果d(si,sj),则反之.当数据集内具有各种密度不一样的簇,局部尺度参变量能够很好地衡量相似数据,在集中的簇内,需要设置较小的尺度参变量,较大的稀落参变量,参变量的取值大小可以按照数据本身布局状况实行调节.加入k拓扑邻域平均距离权衡数据所处范围的节点环境:数据si的k拓扑邻域平均距离,Nka d i s t(si)的表达公式为:Nka d i s t(si)sjNk(si)d(si,sj)|Nk(si)|,ij()预期值通常能够反馈出特殊性质空间内数据的整个布局状况.Nka d i s t(si)表示数据si的k拓扑邻域中剩余数据至si的平均数,能够反馈数据si和k拓扑邻域Nk(si)的整个偏离水平,按照集中范围的数据k拓扑邻域平均距离较短、稀落的较长的特质,得到局部尺度参变量为:iNka d i s t(si),jNka d i s t(sj)()便能够设定带宽函数表达式为:h(sj)ij,ij()将采样点的拓扑邻域数据代入带宽函数中,令带宽能够按照集中和稀落状况自行调节.根据公式(),选取高斯函数当作是局部离群点估计的内核函数,得到表达式为:Ksisjh(sj)()me x p sisjh(sj),ij()因为需要利用局部离群点检测电力通信网络拥堵,需要顾虑节点附近区域内的信息布局环境,所以把公式()中的求和控制在节点的k邻域区域,把公式()中引入公式()、公式(),能够得到数据si的局部密度l e d(si):l e d(si)|Nk(si)|sjNk(si)(ij)me x pd(si,sj)ij()公式()能够转化为:l e d(si)(i)m|Nk(si)|sjNk(si)mje x pd(si,sj)ij()获得数据点的密度之后,能够利用估计数判定网络是否拥塞,还能进一步控制拥塞情况.电力通信网络布局通常是较为密集的,一个数据集内恐怕具有多个分簇,且密度有所不同.当数据集内的一个分簇比较稀落,其数据密度较小,但此点不一定拥塞.通过数据点的局部密度估计平均数,能够得出局部离群点表达式为:L O F(si)sjNk(si)l e g(sj)|Nk(si)|/l e g(si),ij()预期状态下,L O F(si)越趋于,代表数据si和k邻域平均局部密度相似度越贴近,si和自身邻域为一个分簇的概率越高.若是数值小于,证明数据si的周围密度小于局部密度,网络拥塞可能性较低;反之则高.根据合理计算节点密度,调整通信信道,实现网络拥塞安全控制.仿真实验 模拟环境为了验证本文算法对电力通信网络拥塞安全控制的有效性,在当前实验中,设置电力通信网络的服务器缓存器为 个与 个,将电力通信基站和核心网相关G T P数据流进行本地分流,部分数据流转发到M E C服务器进行处理,部分数据流按照原路径转发,进行G T P解析封装,即将低时延业务的I P数据流封装成G T P数据流,并转发给核心网和基站;实时接收并解析基站转发的G T P数据流,以I P包的形式转发给电力物联网低时延业务应用,具体流程如图所示.第 卷第期王公晗,等:基于局部离群点检测算法的电力通信网络拥塞安全控制方法图电力通信基站和核心网数据解析与封装使用本文方法后,网络控制前后示意图如图、图所示.网络运行时间/m s(a)本文算法控制网络运行时间/m s(b)无控制图缓存器为 个的有无控制变化通过观察图、图,能够看出,本文算法控制下曲线波动较为规律,分布较为均匀,图在 m s出现的剧烈浮动是因为数据突然增多冲击系统导致的,没有控制的曲线波动杂乱、毫无规律,网络自身调节明显不佳,网络极易出现拥塞,导致系统崩溃或瘫痪.说明本文算法下通信网络系统控制效果较好,稳定性较佳.网络运行时间/m s(a)本文算法控制网络运行时间/m s(b)无控制图缓存器为 个的有无控制变化计算技术与自动化 年月 突然事件拥塞在电力通信网络传输过程中,若是网络稳定性好,发生拥塞的情况就少.当通信网络内很多信息突然拥入也会导致拥塞.对于此状况进行实验.模拟突然事件发生率为,如果突然达到概率是随机的 倍,网络队例变化如图所示.网络运行时间/m s图 突发率 倍的网络队列变化图是突发率为 时,到达率增加 倍网络控制情况.从本文算法能够看出队列平均数较低,方差较小,网络较为稳定,保证数据传输顺畅;冲突规避算法相比L C o C C算法结果较好,相对有规律,能够确保信息传输.但相对本文算法来说,存在明显不足,队列中信息等待时间较长,容易出现数据丢失;L C o C C算法控制后队列变化较大,控制效果较差,网络状况不稳定,容易导致数据传输过程中出现卡顿,造成信息不完整或者需要二次重传,发生资源浪费.网络运行时间/m s(a)本文算法网络运行时间/m s(b)冲突规避算法网络运行时间/m s(c)L C o C C算法图三种控制算法对比综上所述,本文算法在电力通信网络拥塞安全控制中具有明显优势,能够确保数据完整传输,减少资源浪费,保证电网企业的稳定运行.结论随着电力企业的不断发展,各种业务和用户数持续增加,必定会引起网络拥塞.如果电力通信网络传输各种数据出现拥塞,那么会造成网络发送接收信息延时、数据包遗失等情况,导致系统运行出现问题.通过局部离群点检测算法对拥塞安全实行控制,提高了网络的稳定性,保证传输通畅.但是文中只是在模拟环境下,无法完全与真实环境相符,需在接下来的研究中不断完善,使网络更加稳定,将网络拥塞控制得更好.参考文献张倩倩,于炯,李梓杨,等基于近邻传播的离群点检测算法J计算机应用研究,():江峰,王凯郦,于旭,等基于粗糙熵的离群点检测方法及其在无监督入侵检测中的应用J控制与决策,():杨挺,侯昱丞,赵黎媛,等基于时频域混合特征的变电站通信网异常流量 检测方法J电 力系统自动化,():樊冰,郑陈熹,唐良瑞,等基于多属性决策的电力通信网的节点重要度计算 方法J电力系 统保护与控制,():陈旺虎,田真,张礼智,等基于插值的高维稀疏数据离群点检测方法J计算机工程与科学,():董丽梅基于冲突规避的工控通信网络拥塞控制仿真J计算机仿真,():任智,吴本源,周舟,等基于C o A P协议的泛在电力物联网拥塞控制算法J计算机工程,():梅林,张凤荔,王瑞锦,等基于网格划分加权的分布式离群点检测算法J电子科技大学学报,():唐宇坤,邓松,许梦雅,等基于几何特征的学生评教数据离群点检测算法J江西师范大学学报(自然科学版),():闫机超基于EM算法的海上A I S网络数据传输拥塞抑制方法J舰船科学技术,():刘道远,孙科达,周君良,等模糊综合评判法在电力企业网络信息 安 全 评 估 中 的 应 用 J电 信 科 学,():曾军,刘雪冰,马庆峰,等考虑全局风险均衡度的电力通信网最优安全链路选择方法J数学的实践与认识,():