摘 要： 為提高電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)的可靠性和性能，論述了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的架構(gòu)和特點(diǎn)，分析了路由算法研究的必要性，提出了基于遺傳算法的負(fù)載均衡路由算法。該算法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化目標(biāo)并自動(dòng)組網(wǎng)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能為電力線(xiàn)載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)提供有效的自動(dòng)組網(wǎng)方式，保證系統(tǒng)通信的負(fù)載均衡，與傳統(tǒng)編號(hào)順序查詢(xún)路由方式相比，減小網(wǎng)絡(luò)延遲性達(dá)20%以上，提高網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性超過(guò)15%。
    關(guān)鍵詞： 電力線(xiàn)載波通信；遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)；路由算法；負(fù)載均衡；遺傳算法

    近年來(lái)，電力行業(yè)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)蓬勃發(fā)展。抄表系統(tǒng)從應(yīng)用環(huán)境劃分，可以分為面向企業(yè)的用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)和面向居民的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)RMS(Remote Meter-Reading System)。對(duì)于用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)，由于企業(yè)用戶(hù)每月的用電量巨大，除了抄讀用電現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)外，還需要具有防竊電以及用電調(diào)度等功能。在實(shí)際的應(yīng)用中，用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是1個(gè)電表配備1個(gè)終端，終端通過(guò)GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將用電現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器。對(duì)于面向居民的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，如果也像用電現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)與管理系統(tǒng)一樣在每個(gè)電表上使用一個(gè)具有GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)通信功能的終端，昂貴的設(shè)備費(fèi)用會(huì)令客戶(hù)無(wú)法承受。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，面向居民的RMS常常使用電力線(xiàn)載波通信PLC(Power Line Communication)技術(shù)，從而形成了基于電力線(xiàn)載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)RMSPLC(Remote Meter-Reading System based on Power Line Communication)[1]。電力線(xiàn)載波通信通常根據(jù)電壓分為高(>100 kV)、中(1 kV～100 kV)、低(<1 kV)電壓網(wǎng)絡(luò)[2]，其中以低壓電力線(xiàn)載波通信的應(yīng)用最為廣泛。在家庭自動(dòng)化和智能建筑里，電力線(xiàn)載波通信為各種傳感以及報(bào)警設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)鏈接。龐大的低壓電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為通信提供了良好的基礎(chǔ)，然而，電力線(xiàn)載波的信道很復(fù)雜，電力線(xiàn)對(duì)于通信感興趣的頻率衰減非常大，而且電力線(xiàn)載波網(wǎng)絡(luò)的噪聲會(huì)隨著接入電網(wǎng)儀器的數(shù)量和阻抗特性而改變[3-4]。因此，在基于電力線(xiàn)載波的集中抄表系統(tǒng)中，其通信網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)變性、頻率選擇性、強(qiáng)干擾性等問(wèn)題。所以，設(shè)計(jì)出有效的基于電力線(xiàn)載波的集中抄表系統(tǒng)有效的自動(dòng)路由算法對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性起到重要的作用[5]。
    目前，對(duì)于PLC網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究不多，少量的研究成果只考慮到了路由算法的智能化而忽略了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的實(shí)際計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量，因此，這些算法不宜使用在實(shí)際工程中。本文提出了基于遺傳算法的負(fù)載均衡路由算法。
1 基于電力線(xiàn)載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)以及相關(guān)定義
    基于電力線(xiàn)載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、集中器SN(Sink Node)、采集器DCN(Data Collection Node)構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)服務(wù)器位于電力系統(tǒng)管理部門(mén)，用來(lái)存儲(chǔ)居民用電相關(guān)數(shù)據(jù)；集中器位于小區(qū)變壓器區(qū)，用來(lái)控制采集器采集電表數(shù)據(jù)并通過(guò)GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)服務(wù)器；采集器被安裝在電表箱中，通過(guò)RS485接口或者脈沖接口采集1個(gè)或者多個(gè)電表。集中器和采集器、采集器與采集器之間通過(guò)電力線(xiàn)載波進(jìn)行通信。在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中，采集器的主控制芯片采用Atmega16L，集中器的主控制芯片采用Atmega64L，路由路徑和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用AT45DB161B芯片。

    為了對(duì)系統(tǒng)的路由算法進(jìn)行描述，下面對(duì)算法相關(guān)的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義。
    (1)采集器編號(hào)。每個(gè)采集器有一個(gè)類(lèi)似于IP網(wǎng)絡(luò)的采集器編號(hào)，在一個(gè)集中器控制的電力線(xiàn)載波通信網(wǎng)絡(luò)中，集中器的編號(hào)是唯一的。
    (2)中繼。由于電力線(xiàn)載波通信的距離不遠(yuǎn)，因此集中器不能和每一個(gè)采集器進(jìn)行直接通信。當(dāng)集中器通過(guò)采集器A去讀取采集器B的數(shù)據(jù)時(shí)，稱(chēng)采集器A為采集器B的中繼。
    (3)中繼級(jí)數(shù)。采集器A通過(guò)N個(gè)采集器中繼后才能與集中器進(jìn)行通信，則采集器A的中繼級(jí)數(shù)為N。
    (4)中繼序號(hào)。采集器A是采集器B的中繼，則A的采集器編號(hào)是采集器B的中繼序號(hào)。
    (5)采集器負(fù)載。采集器A被N個(gè)另外的采集器當(dāng)作中繼，則采集器A的采集器負(fù)載為N。
1.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)
    由于電力線(xiàn)載波通信具有時(shí)變性、頻率選擇性、強(qiáng)干擾性等特點(diǎn)，基于電力線(xiàn)載波的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)有自己的組網(wǎng)特點(diǎn)：
    (1)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差，通信丟包率高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。這些特點(diǎn)要求網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的容錯(cuò)能力加強(qiáng)，在網(wǎng)絡(luò)的采集器出現(xiàn)通信失敗、增加新的采集器以及撤除了采集器后，通信協(xié)議要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理。
    (2)低成本要求導(dǎo)致的弱計(jì)算能力。由于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的用戶(hù)是面向普通居民，所以成本必須被控制。低成本導(dǎo)致了硬件的計(jì)算能力很弱。這樣，路由算法只有在集中器實(shí)現(xiàn)，采集器不用保存路由路徑。
    (3)路由算法的工程實(shí)現(xiàn)要求簡(jiǎn)單。大部分智能路由算法其實(shí)是目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，而目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的代表算法包括遺傳算法和蟻群算法等[6-8]。這些算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程大多是經(jīng)過(guò)多次迭代，這樣導(dǎo)致計(jì)算資源被大量占用。所以弱計(jì)算能力的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)需要占用計(jì)算資源少的簡(jiǎn)化路由算法。
1.3 路由算法對(duì)系統(tǒng)的作用
    由于系統(tǒng)環(huán)境和硬件的特點(diǎn)，研究出易于實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)越的路由算法，對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性和通信的有效性是十分重要的。其作用主要體現(xiàn)在：
　　(1)系統(tǒng)的靈活性在路由算法的支持下得到提高。由于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)備是動(dòng)態(tài)地增加或者減少的過(guò)程，一方面，采集器個(gè)數(shù)隨著用戶(hù)的增多而增加，另一方面，采集器可能隨著使用時(shí)間的變化而更新。這樣，電力線(xiàn)通信設(shè)備的拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化的，只有動(dòng)態(tài)的路由算法才能滿(mǎn)足拓?fù)渥兓男阅芤蟆?br /> 　　(2)系統(tǒng)的適用性在路由算法的支持下加強(qiáng)。由于電力線(xiàn)載波通信的強(qiáng)衰減性，其直接通信距離十分有限。在路由算法的支持下，電力線(xiàn)載波通信網(wǎng)絡(luò)將具有無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳路由功能[9-10]。這樣，電力線(xiàn)載波網(wǎng)絡(luò)的通信距離被延長(zhǎng)，系統(tǒng)的適用性得到加強(qiáng)。
　　(3)系統(tǒng)的抗干擾能力提高。電力系統(tǒng)的信道性能具有時(shí)變性，在信道存在較強(qiáng)的干擾源時(shí)，距離干擾源近的采集器的通信受到嚴(yán)重影響。當(dāng)某采集器通信因?yàn)槭芨蓴_而被中斷時(shí)，路由算法將對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由表進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，減少由于通信中斷采集器帶來(lái)的連鎖通信故障。
2 電力線(xiàn)載波抄表系統(tǒng)的路由算法
2.1 電力線(xiàn)載波抄表系統(tǒng)的路由算法流程
　　電力線(xiàn)載波抄表系統(tǒng)的路由算法分為集中器路由算法和采集器路由算法。集中器路由算法需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由路徑進(jìn)行選擇和存儲(chǔ)，并在與采集器進(jìn)行通信時(shí)，在數(shù)據(jù)報(bào)中指明路由路徑采集器之間進(jìn)行通信。采集器路由算法不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的路由路徑，只需要按照2.4節(jié)的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
    集中器路由算法的流程圖如圖2所示。在圖2中，適應(yīng)度值的定義和遺傳算法的染色體選擇分別如2.2節(jié)和2.3節(jié)中描述。傳送數(shù)據(jù)按照2.4節(jié)的通信協(xié)議來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包。

2.2 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)
    在電力線(xiàn)載波網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浔淮_定后，網(wǎng)絡(luò)就具有了無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的一些特點(diǎn)。為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要對(duì)采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)、采集器存活適應(yīng)度函數(shù)、鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這些函數(shù)值被計(jì)算出來(lái)后，將作為遺傳算法相關(guān)操作的依據(jù)。這些適應(yīng)度函數(shù)的定義如下：
    采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)RF(Relay Fitness)用來(lái)評(píng)價(jià)采集器與集中器通信路徑的優(yōu)劣，其定義為：

式中，ρ_n是采集器的下一級(jí)子采集器個(gè)數(shù)，ρ是中繼級(jí)數(shù)相同的采集器的下一級(jí)平均采集器個(gè)數(shù)，其定義為：
　　
式中，N₁是同級(jí)的采集器個(gè)數(shù)，N₂是下一級(jí)采集器總數(shù)。
    網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)NF(Network Fitness)是由節(jié)點(diǎn)選擇適應(yīng)度函數(shù)、節(jié)點(diǎn)存活率適應(yīng)度函數(shù)和鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)通過(guò)加權(quán)而得到的評(píng)價(jià)函數(shù)，用來(lái)評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣，其定義為：
　　
2.3 遺傳算法的染色體選擇
    在本系統(tǒng)研究的路由算法中，采用簡(jiǎn)化的遺傳算法進(jìn)行路由路徑的優(yōu)化選擇。遺傳算法是模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制發(fā)展起來(lái)的隨機(jī)全局搜索和優(yōu)化方法。遺傳算法中的個(gè)體或當(dāng)前近似解被編碼為由字母組成的串，即染色體，染色體的值被稱(chēng)之為基因?；蚰茉谟驔Q策變量上被唯一地描述。在本系統(tǒng)的路由算法中，用1個(gè)8 bit二進(jìn)制數(shù)字表示采集器的中繼編號(hào)，這個(gè)8 bit二進(jìn)制數(shù)字被選為遺傳算法的基因。如果對(duì)應(yīng)采集器的中繼為集中器，其基因則為00000000。在集中器中，所有的基因根據(jù)采集器編號(hào)順序構(gòu)成一個(gè)染色體，基因所在染色體中的字節(jié)位置代表對(duì)應(yīng)采集器的編號(hào)。通過(guò)染色體，可以計(jì)算出采集器中繼適應(yīng)度函數(shù)、采集器存活適應(yīng)度函數(shù)、鏈路負(fù)載適應(yīng)度函數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度函數(shù)的函數(shù)值，以供遺傳算法的選擇等操作中使用。同時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的染色體確定后，電力線(xiàn)載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟脖淮_定下來(lái)。例如，如果電力線(xiàn)載波網(wǎng)絡(luò)的染色體為字符串a(chǎn)：0000000 00000000 00000000 00000001 00000010 00000011 00000011 00000100，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

2.4 路由算法的通信協(xié)議
    由于采集器和集中器的計(jì)算能力都是很有限的，因此路由表的維護(hù)都是在集中器進(jìn)行。集中器在網(wǎng)絡(luò)初始的時(shí)候建立網(wǎng)絡(luò)路由表，在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)路由表進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)?；谥欣^路徑的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包的地址域數(shù)據(jù)描述如圖4所示。

    在圖4所示的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包分為上行數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)從采集器發(fā)送到集中器)和下行數(shù)據(jù)包(數(shù)據(jù)從集中器發(fā)送到采集器)。數(shù)據(jù)包A為集中器發(fā)送的下行命令，其目標(biāo)地址為中繼地址1，中繼地址1、中繼地址2等是集中器與目標(biāo)地址采集器通信需要經(jīng)過(guò)的采集器編號(hào)，中繼地址n是需要上傳數(shù)據(jù)的目標(biāo)采集器地址。數(shù)據(jù)包B代表采集器地址為k-1的采集器在收到采集器地址為k-2的采集器的命令后，將數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行改變后的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包C為采集器地址為n的采集器收到采集器地址為n-1的采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包D是采集器地址為n的采集器將數(shù)據(jù)回送給集中器的數(shù)據(jù)包的地址域地址，數(shù)據(jù)上行的處理過(guò)程與下行的處理過(guò)程是一樣的。
3 算法仿真
    在算法的仿真中，考慮一棟10層樓，每層樓有10個(gè)采集器，采集器之間能否進(jìn)行通信簡(jiǎn)化成空間距離?？紤]一棟大樓的布局規(guī)范，任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)由A1與A2給定，A₁(x₁，y，z₁)與A₂(x₂，y，z₂)的距離d通過(guò)公式(6)給定。假設(shè)L是采集器直接通信設(shè)定閾值，如果d≤L，則2個(gè)采集器之間可以直接進(jìn)行通信，否則需要通過(guò)中繼方式進(jìn)行通信。
　　
3.1 負(fù)載均衡性
　　考慮到集中器的計(jì)算能力比較弱，在遺傳算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先對(duì)基于電力線(xiàn)載波的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行確定，以保證公式(1)和公式(2)的要求。算法對(duì)拓?fù)涞拇_定過(guò)程是分層進(jìn)行的，首先通過(guò)集中器選擇出能直接與集中器進(jìn)行通信的采集器，歸為集合J₁，然后通過(guò)J₁選擇出中繼級(jí)數(shù)為1的采集器，歸為集合J₂，依次類(lèi)推，將所有的采集器接入到網(wǎng)絡(luò)中。在仿真中，AF=0。因此，算法的難點(diǎn)是通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化得到最小的LLF。圖(5)和圖(6)是用按順序和簡(jiǎn)化遺傳算法進(jìn)行選擇的采集器負(fù)載比較，從結(jié)果可以看出，簡(jiǎn)化遺傳算法可以很大程度地提高系統(tǒng)的負(fù)載均衡性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性
    采集器序號(hào)順序算法沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況，而簡(jiǎn)化遺傳算法充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性。從圖7所示的仿真結(jié)果來(lái)看，在20%采集器發(fā)生故障的情況下，簡(jiǎn)化遺傳算法維持100%的聯(lián)通性，順序算法只有91%的聯(lián)通性；隨著故障點(diǎn)的增加，簡(jiǎn)化遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性均優(yōu)于順序算法。

3.3 網(wǎng)絡(luò)延遲性
    網(wǎng)絡(luò)延遲是反映網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)直觀(guān)指標(biāo)。在電力抄表系統(tǒng)中如果網(wǎng)絡(luò)延遲的閾值越大，抄表數(shù)據(jù)將不能及時(shí)更新。從如圖8所示的仿真結(jié)果來(lái)看，由于簡(jiǎn)化遺傳算法動(dòng)態(tài)考慮到網(wǎng)絡(luò)的距離和時(shí)間參數(shù)，形成中繼器，網(wǎng)絡(luò)延遲比順序算法減少了20%以上，網(wǎng)絡(luò)性能得到了大大的提高。
    仿真的算法在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，效果證明，該路由算法在不增加系統(tǒng)成本的前提下對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有很大的作用，已經(jīng)被應(yīng)用在浙江省電力企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品中。
    在基于電力線(xiàn)載波的抄表系統(tǒng)中，路由算法對(duì)中繼的選擇往往沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡問(wèn)題，選擇中繼一般以編號(hào)為順序查詢(xún)或隨機(jī)選取。這樣建立的路由表，有些采集器的負(fù)載很重，當(dāng)采集器通信發(fā)生故障時(shí)，大量的采集器通信會(huì)受影響。
    本文為基于電力線(xiàn)載波的抄表系統(tǒng)提出了一種多目標(biāo)優(yōu)化的路由算法。這種路由算法考慮了系統(tǒng)的負(fù)載均衡問(wèn)題并基于簡(jiǎn)化的遺傳算法實(shí)現(xiàn)，減小了網(wǎng)絡(luò)的延遲性，提高了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性，非常適用于計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都不豐富的硬件平臺(tái)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，算法能很好地提高基于電力線(xiàn)載波的抄表系統(tǒng)的性能。
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