基于云模型的电力光纤通信线路安全评估

刁少岚，张 伟

(1.山西大学工程学院，山西太原030013;2.中国人民保险公司山西省分公司，山西太原030001)

光缆通信由于具有抗电磁干扰能力较强、传输频带很宽和损耗比较小等优点，已经是目前电力通信系统中的主要通信形式。但是在实际使用中也出现一定问题:长途光缆的任何一点断裂都会引起通信的中断;在电磁环境中运行，会有电磁干扰现象。一旦系统中断，无法正常通信，将会对经济生产等各领域造成无法预估的损失，以及对各行各业的正常工作、生产产生极其恶劣的影响。所以必须重视电力系统中光缆通信的安全性以及风险性工作。

然而，电力特种通信系统和一般的通信系统有很大不同:系统范围更为广阔，导致电力特种光缆线路距离更长，工作环境更恶劣;所承载业务除了正常通信业务外还包含远动信号、继保信号等多种业务，这就造成了电力光纤通信系统的设备更为复杂。所以，无论是电力光缆通信的线路还是设备都更容易发生故障或损毁。这些直接用好或坏的标准来评价一个系统是否安全其实不太合理。所以对系统完成规定功能的能力判定不能是简单二值的，而是应该有程度的。应该是用定性语言值［1］来描述这种程度。例如:保持系统全部功能的正常运行，即无任何系统故障;保持系统主要功能正常，即有弱系统故障;保持系统基本功能正常，即有系统故障，但尚能维持工作;保持系统最低功能正常的能力，即故障已达临界，再严重则不能容忍;系统失去最低功能，即系统出现了致命故障。

当然，如果考虑到不同的侧重点，还可以有其他的利用定性语言值的描述方法来表达系统完成规定功能的能力。然而，因为一般来说，系统都是复杂的，显然用比较模糊的定性语言值会比使用精确的数值方法描述更加准确。因此，定性和定量之间的转换是非常重要而又有意义的。

云模型是在传统模糊数学和概率统计的基础上提出的定性、定量互换模型，它把模糊性和随机性有机地综合在一起，并且实现了定性语言与定量数值之间的自然转换［1］。以云模型表示自然语言中的基元——语言值，用云的数字特征——期望Ex，熵En和超熵He表示语言值的数学性质。

本文提出了基于云模型的一种综合指标评估算法，并对待研究的电力光缆通信网络进行安全性评估，采用大量实际数据，利用matlab软件根据实际情况建模计算，得出评估结果并进行了分析，根据分析结果提出了电力光缆通信网络安全方面的一些改进建议。

1 基于云模型的综合指标评估算法

1.1 原理

基于云模型理论的综合指标评估法，就是运用云模型描绘定性指标，按照层次结构的性能指标，综合评估系统的性能。这个算法有三个要素:指标集(U)、权重因子集(W)和评价集(V)三个要素。其中，评价指标按需要划分为多级层次树结构，那么每一层均需有隶属于本层的指标集、权重因子集和评价集。然而在实际工作中对某一系统的评估通常是采用多种指标来综合评价的。由此，当假设在评估某一系统时有p个指标，那么就有指标集U=(u1，u2，…，up)。根据AHP(层次分析法)原理，当评价指标集规模较大时，可先将K个指标按其性质分成S个子集，设第i个子集为Ui=(ui1，ui2，…，uip)，i=1，2…，S，且满足条件:

这样就能够构成一个多层次的树状结果的综合性能指标评价体系，按照性质将树状结构分层。同层的指标因为性质相同或者相近，可以相互比较。而不同层次之间的指标，因为性质不同不具有可比性。比较的顺序是从下到上，从底层到高层逐层比较，每层比较后将结果上传到上一层，最终将比较结果汇总到第n－1层。然后再针对每一层单独进行性能的评估分析，得到需要评价的那一层指标的结果为止。(其中权重等级和评价等级都可以用定性语言值利用云模型拟合而成)。

1.2 算法步骤

基于云理论的综合指标评估法的算法步骤如下［2］:

(1)根据指标层次树，建立指标集U。经过实际调研，确定采用的方法为各层指标确定权重因子。权重因子也均采用语言值描述，如“非常重要”，“重要”，“一般重要”，“不重要”等。对调研结果拟合成一个云。

(2)归一化指标值。在指标层次树中，各项指标在物理属性上区别较大，根据是否具有量纲等，可将指标一般性的分为三类:第一类是无量纲指标，第二类是有量纲指标，第三类是定性指标。第三类指标可直接用一个云来表示。第一、二类指标则需要先进行简化计算，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为纯数值，也就是规一化，再用云表示。

(3)确定评价集。通常，采用由n个评语所组成的第i层评价集:

将每个评价值都用正态隶属云来表示，全部放置于一个连续的语言值标尺上，据此可以构成一个评价集的云发生器。

(4)按照从上到下的顺序来计算每层指标相对于根指标的权重(根指标的权重和组合权重均为1)，称为组合权重。

设第i层指标与第i+1层指标的关系矩阵为:

其中，k为第i层的指标数，m为第i+1层的指标数。当第i层的指标s与第i+1层的指标t是父子关系时，rst为(1，0，0)，否则为(0，0，0)。又设第 i层的组合权重因子集为Wi'第i+1层的权重因子集为Wi+1。Wi+1与Ri一样，也是k×m矩阵，rst不为0，表示第i+1层t指标是第i层s指标的儿子。则第i+1层的组合权重因子集

该结果向下一层指标传递，直到最底层。

(5)确定目标层评价集V=(v1，v2，…，vn)。目标层的评价集由底层各评价集加权和得到，即:

其中w'j为底层第j个指标的组合权重。

(6)计算顶层指标值。由下而上计算每层的评价结果集Ai，直到顶层为止。

其中，k为第i层的指标数，bsj表示第i层指标s的第j个子指标的评估值，w'sj表示对应的组合权重因子。

(7)输出评估结果云集A。

2 安全风险评估实例——某省供电公司光缆通信线路的安全性能评估分析

2.1 确立指标体系

建立一套针对电力光纤通信线路的安全风险评估的指标体系应遵循以下原则［4］:

(1)科学性和适用性:要求能够科学、客观的反映评估对象的内容和目的，目标是明确、普遍适用的;

(2)完备性和简要性:既要全面反映电力光纤通信安全，又要层次分明，简洁扼要，能够把握宏观;

(3)操作性和独立性:一般要求从现有统计数据中总结出所需的指标数据，需重新统计的少量指标应是确定的、方便收集的，且指标间尽量减少交叉、重叠。

本文中，电力光纤通信线路的安全评估指标体系如图1所示。

图1 电力光纤通信线路的安全评估指标体系

(1)光缆线路的运行率

(2)光纤设备的运行率

(3)光缆故障时间和次数

光缆故障指的是光缆线路本身断裂(同一部位纤芯全部断裂或者部分纤芯断裂只算1处)或者线路中的光纤连接器件故障所造成的通信中断。

光缆故障时间是指从发现通信中断的时刻开始一直到光缆线路完全抢修好，经验证确实可用为止，而不是单纯的以恢复通信作为截止时刻。

(4)光纤设备故障时间和次数

设备故障的概念是相对于光缆故障而言的，指的是由于光纤通信设备的故障所导致的通信中断，设备包含除线路外发送接收终端的相关设备以及配套电源设备和设备间连线等等。设备故障时间则是指从发现电路阻断，一直到电路或设备修复完全为止。

因为设备故障是针对除了光纤线路外的设备引起的通信中断，而一般来说，通信设备都是在终端站内，所以，又可以成为站内设备故障。

(5)PCM终端设备的安全性

PCM设备实现的是从64 kbit/s到PDH系统E1速率再到SDH系统STM-N传输模块的转换功能，以便于将64 kbit/s的话音信号转换为可以直接在光纤通信线路上传输的SDH信号。因此，PCM设备必不可少，在工作中需保证以下性能指标来满足光纤保护通道的安全性要求:PCM设备的净衰减频率、音频四线接口间的群时延、音频二线接口间的群时延、冗余信道的噪声、信道间的干扰串音等。

(6)光纤保护通道复接的分离性

当采用SDH数字同步光纤通信方式时，信号的复接是以通道为单位进行的同步复接。其中保护通道的配置应该包含下列包括相关的安全装置，诸如继保装置、E/O和O/E转换装置、脉冲编码调制复用设备、同步数字传输网相关设备和设备电源等等。而分离性是指，一条线路具有两套或两套以上相互独立的保护系统，所谓独立是指这些系统之间无论物理上，还是电气上，都是相互隔离的。

(7)各种电源的配置合理性

通信电源系统是通信行业的最基础设施，为通信系统提供能源，是通信安全的根本保障之一。对于电力系统通信来说，可靠性要求更为迫切，要求对于省级以上干线通信，对于同一条输电线路，除了包含光通信设备，还必须配备两套完全独立的继保装置、安全自动装置和通信电源。这两套设备是同时供电、同时工作的，互为主备［5］，即双传输通道保护方式。

(8)备品备件管理

虽然大多数时候，光纤通信线路都是在稳定运行的，但是为了日常检修和应对故障出现，通信班组的技术人员应该在平时就做好相关设备线路的备品备件的准备和管理工作，以便于一旦出现故障能够及时为抢修提供有力保障。

(9)通信机房的管理

为了向光纤通信终端设备提供合适的工作环境，保证设备稳定运行，光纤通信的机房应做到:(1)合适的工作温度和湿度，为光纤通信终端设备提供合适的工作环境;(2)稳定安全的设备供电系统，尤其为了应对交流电源临时断电，应配置UPS电源，最好是通信专用的蓄电池组;(3)注意预防静电;(4)重视雷击带来的危害，认真执行有关防雷规程，符合相关规定的指标。

考虑到外部环境的影响以及人为因素，安全风险性能指标还应包括:(1)工作人员因素指标，诸如工作人员的业务素质、学历构成、人员变动情况以及和工作人员的劳动报酬的变化等;(2)网络传输质量类指标，诸如网络拓扑结构和自我修复能力、线路传输时间延迟，损耗与色散情况、同步问题等。本文忽略了一些次要因素以便于更清楚地阐明问题。

2.2 确定权重等级以及评估结果等级

通过对各相关领域专家的调研后，为了符合人们日常的认知和一般表达习惯，拟将指标的权重等级用以下几个等级的语言值来形容:“很重要”，“较重要”，“一般重要”，“次重要”，“不重要”。并将其用云算法在Matlab仿真后表示为:(1，0.080，0.002)，(0.77，0.080，0.004)，(0.53，0.080，0.005)，(0.27，0.080，0.004)，(0.011，0.080，0.002)。如图2所示:

图2 权重级别的云表示

评价结果等级采用语言值:“优”、“良好”、“一般”、“差”来描述，将其分别用云来表示，坐标分别为:(1，0.125，0.002)、(0.77，0.125，0.005)、(0.59，0.125，0.005)、(0.008，0.125，0.002)、(0.012，0.125，0.002)。用云模型将各评价结果的等级计算出，如图3所示。

图3 评估结果的云表示

评价指标体系的确定，包含各个指标所占权重以及评估结果，为了减少人为因素的干扰，本文采用Delphi法。Delphi法的核心在于具体实施步骤如下:(1)按照涉及到的领域，在相关部门中遴选出15位专业技术人员作为参评专家;(2)向各专家详细讲解本次预测的意义与作用，保证每个人都认真对待，以提高本次评估的有效性;(3)下发调查问卷，并附上相关背景材料，以便于各个专家对各指标尤其是同层指标之间两两进行比较，以确定指标的重要性，并在问卷上备注判断原因;(4)对回收问卷进行统计分析，总结成图表，再次分发给各专家，做第二次修改;(5)各专家在参考借鉴他人反馈信息的基础上，对第一次的评估意见进行相关修正，并再次注明修改原因;(6)如此反复收集意见和信息反馈三到四轮，直到专家意见不再修改，将最终的专家意见综合整理(为减少人为因素影响，以上全程均不说明发表各种意见的专家的具体姓名)。最后将利用Delphi法得到的结果，代入本文之前提出的基于云理论的综合指标评估法的算法，利用Matlab编程仿真，得到一组各个指标的权重以及评价结果，见表1。

表1 权重及评价结果

最后，利用以上算法输出该光纤通信线路的安全评估值:(0.73，0.057，0.002)。从图 3 的结果可以看出:其安全性能介于一般和良好之间，更接近于良好。

3 总结

综上，该电力光缆通信线路的安全性能介于一般和良好之间，偏向良好。说明总体性能尚可，业务传输质量基本可以得到保障。但是，整个系统的性能并未达到优，问题出在以下几方面:PCM设备、光缆线路以及工作人员对于备品备件的管理等。说明在今后的工作中，工作人员应对设备和线路的巡检维护、消缺以及安评整顿各方面足够重视，并且一丝不苟地按照单位相关规定严格执行，同时提高管理要求，以便于使电力光缆通信系统的整体可靠性得以提高。

［1］李德毅，于全，江光杰.C3I系统可靠性、抗毁性和抗干扰的统一评测［J］.系统工程理论与实践，1997，17(3):23－27.

［2］李德毅，孟海军，史雪梅.隶属云和隶属云发生器［J］.计算机研究与发展，1995，32(6):15 －21.

［3］王聪，江光杰.通信系统性能仿真评估算法的研究［J］.系统仿真学报，2004(3):390－392.

［4］高会生，孙逸群，冉静学.电力光纤保护通道安全风险评估指标的研究［J］.继电器，2007，35(3):61 －65.

［5］DL/T5344－2006，电力光纤通信运工程验收规范［S］.2006.