0 引言

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,電力通信在電網(wǎng)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)中的作用越來(lái)越重要,繼而對(duì)通信的業(yè)務(wù)保障水平提出了更高要求,傳統(tǒng)的事后檢修模式（即出現(xiàn)故障后再檢修的模式）已經(jīng)無(wú)法滿足運(yùn)維需求。如果能在光傳輸設(shè)備或光路出現(xiàn)故障前,或有故障趨勢(shì)和故障隱患時(shí)就安排隱患排查或計(jì)劃?rùn)z修,將能進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)保障水平。

狀態(tài)檢修是一種基于設(shè)備狀態(tài)的檢修模式,它以數(shù)據(jù)為依據(jù)作出檢修決策^[1-2]。光傳輸設(shè)備網(wǎng)管系統(tǒng)中存儲(chǔ)大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),網(wǎng)管系統(tǒng)本身卻只有業(yè)務(wù)配置和告警上報(bào)功能,并沒(méi)有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,這為科學(xué)檢修提供了條件。目前,國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)開(kāi)展了一些對(duì)通信光傳輸網(wǎng)的評(píng)估工作,并取得了一定的研究成果。但是,這些研究基本上都是只給出一個(gè)是否需要檢修的結(jié)論,不能直觀地反映光通信網(wǎng)絡(luò)的具體缺陷和薄弱環(huán)節(jié),無(wú)法為科學(xué)檢修指明方向。

為此,國(guó)網(wǎng)溫州供電公司研發(fā)了通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng),開(kāi)展基于大數(shù)據(jù)的電力通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、性能趨勢(shì)分析、故障預(yù)警分析等智能化分析研究,提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與防范的水平,為科學(xué)安排運(yùn)維檢修提供數(shù)據(jù)支撐。

 1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 技術(shù)架構(gòu)

通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用了Hadoop體系與列式數(shù)據(jù)庫(kù)融合架構(gòu),具體如圖1所示。

圖1 Hadoop體系與列式數(shù)據(jù)庫(kù)融合架構(gòu)Fig.1 Integration framework of Hadoop system and column database

1）采用Hadoop體系進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算。海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)匯總,是大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)要求^[3-5],而傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算方式要求數(shù)據(jù)一次裝載后再進(jìn)行運(yùn)算,無(wú)法滿足對(duì)實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)的匯總要求,且運(yùn)行成本高。將待運(yùn)算的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)加載到Hadoop平臺(tái),利用MapReduce框架進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、匯總及特征值等運(yùn)算,可滿足大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性的運(yùn)算要求。

2）采用列式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢。列式數(shù)據(jù)庫(kù)按列存儲(chǔ)的特性使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有極高的數(shù)據(jù)壓縮比,單位存儲(chǔ)空間可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是其他存儲(chǔ)方式無(wú)法比擬的;列式數(shù)據(jù)庫(kù)具有很高的海量數(shù)據(jù)檢索查詢效率,可滿足分析應(yīng)用的查詢要求;同時(shí),列式數(shù)據(jù)庫(kù)本身支持完整的SQL規(guī)范,有利于應(yīng)用的開(kāi)發(fā)與維護(hù)。

1.2 功能架構(gòu)

系統(tǒng)從下到上依次是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層以及應(yīng)用層,系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.2 Framework of system function

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取和收集工作,由配置數(shù)據(jù)采集、性能數(shù)據(jù)采集2個(gè)模塊組成,從設(shè)備廠商專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)中直接采集網(wǎng)元的配置、性能數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、提純和加工工作,由數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、指標(biāo)計(jì)算3個(gè)服務(wù)和列式數(shù)據(jù)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。其中,數(shù)據(jù)清洗服務(wù)主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去重和沖突處理;數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)主要負(fù)責(zé)對(duì)清洗后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、壓縮和索引化處理;指標(biāo)計(jì)算服務(wù)主要負(fù)責(zé)依據(jù)指標(biāo)模型周期性地從原始數(shù)據(jù)中抽取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行指標(biāo)運(yùn)算,以獲得預(yù)期的指標(biāo)數(shù)值;列式數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)預(yù)處理后的原始數(shù)據(jù);關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)指標(biāo)數(shù)值等加工后的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要負(fù)責(zé)為系統(tǒng)應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)檢索和推送服務(wù),由指標(biāo)發(fā)布服務(wù)、專題分析服務(wù)、專題監(jiān)視服務(wù)和工況監(jiān)視服務(wù)4個(gè)服務(wù)組成。其中,指標(biāo)發(fā)布服務(wù)主要提供指標(biāo)數(shù)值的發(fā)布功能,除向系統(tǒng)用戶界面提供數(shù)據(jù)外,還可通過(guò)擴(kuò)展向其他系統(tǒng)提供指標(biāo)數(shù)據(jù);專題分析服務(wù)主要提供專題分析結(jié)果的數(shù)據(jù)檢索能力;專題監(jiān)視服務(wù)主要提供對(duì)專題監(jiān)視內(nèi)容的數(shù)據(jù)推送能力;工況監(jiān)視服務(wù)主要提供對(duì)系統(tǒng)自身各構(gòu)件運(yùn)行情況的監(jiān)視結(jié)果推送能力。

4）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)為用戶提供可視化交互界面,是用戶可直接接觸的系統(tǒng)功能集,主要由設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、性能異常統(tǒng)計(jì)、專題監(jiān)視等模塊
組成。

 2 光傳輸設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

對(duì)光傳輸設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)必須準(zhǔn)確可信地估計(jì)或預(yù)測(cè)通信網(wǎng)狀況^[6]。根據(jù)缺陷性質(zhì)和概率統(tǒng)計(jì)分析,借鑒以往發(fā)現(xiàn)、處理缺陷的方法和經(jīng)驗(yàn)^[7-11],本文以狀態(tài)量的表述方式,通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取狀態(tài)信息,對(duì)全網(wǎng)光傳輸設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。

通過(guò)光接口運(yùn)行情況、設(shè)備級(jí)保護(hù)、電接口運(yùn)行情況、設(shè)備板卡生命周期等4個(gè)方面建立狀態(tài)量對(duì)光傳輸設(shè)備進(jìn)行評(píng)估,并制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。之所以選定這4個(gè)維度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),是因?yàn)楣鈧鬏斁W(wǎng)管系統(tǒng)中包含這些數(shù)據(jù),且這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新,能準(zhǔn)確反映設(shè)備的狀態(tài)信息^[12-14];其次,這4個(gè)維度的信息量作為設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的指標(biāo),已經(jīng)能較全面地評(píng)估出一臺(tái)設(shè)備的健康程度,可為設(shè)備維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。本文評(píng)估涉及的4個(gè)方面及其狀態(tài)量權(quán)重分配主要是基于運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)^[15-16],該評(píng)分模型可作為一種參考,實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象的不同進(jìn)行權(quán)重值調(diào)整。

2.1 光接口運(yùn)行情況

1）儲(chǔ)備電平。光接口實(shí)際收光功率不能高于過(guò)載光功率,也不能低于接收機(jī)靈敏度,否則該光路失效,不能正常通信。在設(shè)備投運(yùn)之初,收光功率基本都能滿足以上條件,隨著運(yùn)行年限的增加,設(shè)備逐步老化,光纜性能也逐步劣化,收光功率會(huì)慢慢降低。當(dāng)收光功率降低到接收機(jī)靈敏度及以下時(shí),通信誤碼會(huì)增多以致通信中斷。因此,本文提出了儲(chǔ)備電平的概念,儲(chǔ)備電平就是實(shí)際收光功率減去光接收機(jī)靈敏度。儲(chǔ)備電平可反映光傳輸設(shè)備光路的健康程度,因此有必要對(duì)儲(chǔ)備電平進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)儲(chǔ)備電平值降低到一定區(qū)間時(shí)給出預(yù)警提示。儲(chǔ)備電平概念圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)備電平概念圖Fig.3 Reserve level concept

2）光接口溫度。對(duì)光接口模塊壽命影響最大的因素是光接口溫度,光接口溫度也能一定程度上反映設(shè)備的環(huán)境溫度以及設(shè)備的散熱情況,因此有必要對(duì)光接口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)溫度升高到一定區(qū)間時(shí)給出預(yù)警提示。

3）光口誤碼率。誤碼率是數(shù)字傳輸系統(tǒng)中最重要的指標(biāo),光傳輸系統(tǒng)引起誤碼的因素很多,比如抖動(dòng)、色散、交叉復(fù)用、電磁干擾、設(shè)備故障、電源瞬態(tài)干擾、人為活動(dòng)等。按照ITU-T G.826建議指標(biāo),對(duì)光口的誤塊秒（Errored Second,ES）、嚴(yán)重誤塊秒（Severely Errored Second,SES）、不可用秒（Unavailable Time,UAS）、背景誤塊（Background Block Error,BBE）進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)不同的誤碼類型給出預(yù)警提示。

根據(jù)以上3個(gè)指標(biāo),光接口狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分細(xì)則見(jiàn)表1所列。

表1 光接口狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分細(xì)則Tab.1 The state evaluation standard and scoring rubric of the optical interface

2.2 設(shè)備級(jí)保護(hù)

由于電力系統(tǒng)的特殊性,因此對(duì)電力通信業(yè)務(wù)的保障要求特別高,通信設(shè)備的任意硬件故障都不允許造成業(yè)務(wù)中斷。電力光傳輸設(shè)備必須具備兩個(gè)及以上的光接口板,用來(lái)保證光傳輸設(shè)備正常運(yùn)行的重要板卡必須通過(guò)硬件保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。重要板卡一般包括主控板、交叉矩陣板、電源板以及電接口板,有必要對(duì)這些重要板卡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),任意一塊板卡失效時(shí)都要給出預(yù)警提示。

針對(duì)以上4類板卡,提出的設(shè)備級(jí)保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分細(xì)則見(jiàn)表2所列。

表2 設(shè)備級(jí)保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)分細(xì)則Tab.2 The state evaluation standard and scoring rubric of the device level protection

2.3 電接口運(yùn)行情況

鑒于光傳輸設(shè)備的重要性,有必要對(duì)每條通信通道進(jìn)行誤碼監(jiān)測(cè),并列出存在誤碼的通信通道,對(duì)誤碼原因進(jìn)行排查。電接口狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)細(xì)則見(jiàn)表3所列。

表3 電接口狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)細(xì)則Tab.3 The state evaluation standard and scoring rubric of the electrical interface

2.4 設(shè)備板卡生命周期

任何電子設(shè)備都是有生命周期的,隨著運(yùn)行年限的增加,設(shè)備性能將逐步減低,故障率逐步提高,最后需要報(bào)廢更換。電力系統(tǒng)對(duì)光傳輸設(shè)備的壽命設(shè)計(jì)年限為10年,將新投運(yùn)光傳輸設(shè)備板卡質(zhì)量按照滿分100分計(jì)算,將10年內(nèi)板卡分為4檔進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最后取加權(quán)平均就是這臺(tái)設(shè)備的評(píng)價(jià)得分。板卡質(zhì)量與運(yùn)行年限關(guān)系如圖4所示。

圖4 板卡質(zhì)量與運(yùn)行年限關(guān)系Fig.4 The relationship between board quality and operating life

設(shè)備級(jí)生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)細(xì)則見(jiàn)表4所列。

表4 設(shè)備級(jí)生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)細(xì)則Tab.4 The state evaluation standard and scoring rubric of the device life cycle

 3 根據(jù)評(píng)估結(jié)果生成檢修建議

根據(jù)以上設(shè)備評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),分3檔對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)區(qū)分：得分≤80分為“異常”,80分<得分≤90分為“注意”,得分>90分為“正常”。然后再根據(jù)設(shè)備現(xiàn)象安排不同級(jí)別檢修,根據(jù)檢修的影響程度分為“A類檢修”、“B類檢修”、“C類檢修”、“D類檢修”。檢修分類規(guī)則及現(xiàn)象描述見(jiàn)表5所列。

表5 檢修分類規(guī)則及現(xiàn)象描述Tab.5 The classification rules and phenomena description of the overhaul

 4 系統(tǒng)應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)溫州供電公司通信光傳輸設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)檢修系統(tǒng)自2016年10月投入試運(yùn)行以來(lái),共處理狀態(tài)檢修工作50余次,計(jì)劃外檢修次數(shù)顯著減少。

根據(jù)