基于动态推送时间优先级的电力通信现场运维信息推送方法
2019-07-05张辉段寒硕施健张文豪
张辉 段寒硕 施健 张文豪
摘 要：随着电力通信网络快速发展，运维人力资源不足、现场运维信息化程度低等问题日益突出。根据电力通信现场运维的实际情况，针对不同的运维任务和运维人员，推送不同的运维相关信息，在保证运维质量的情况下，尽可能的推送较少的信息，以此保证服务器资源的有效利用。同时对于多个客户端请求，根据每类推送内容的重要程度，确定每个推送信息的权值，根据动态权值加权循环调度方法，为每个客户端提供相关服务。对提出的算法进行了模拟实验，实验结果表明，改进的策略减少了消息发送的整体时延，提高了移动推送平台的消息发送效率。
关键词：电力通信网;现场运维;信息推送;动态权值
中图分类号：TP273.5 文獻标识码：A
Power Communication Field Operation and Maintenance
Information Pushing Method Based on Dynamic Push Time Priority
ZHANG Hui1？覮，JIN Shen1，DUAN Han-shuo1，QIAN Qi2，SHI Jian2，ZHANG Wen-hao3
（1.State Grid Jibei Electric Power Co.，Ltd，Beijing 100053，China;
2.Nanrui Group Company，Nanjing，Jiangsu 210003，China;
3.Institute of Network Technology Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）
Abstract：With the rapid development of power communication networks，the lack of human resources for operation and maintenance and the low degree of on-site operation and maintenance information are becoming more and more prominent. According to the actual situation of power communication field operation and maintenance，different operation and maintenance tasks and operation and maintenance personnel，different the operation and maintenance related information is pusheoc，in the case of guaranteeing the quality of operation and maintenance，push as little information as possible to ensure the effective use of server resources. At the same time，for multiple client requests，the weight of each push information is determined according to the degree of importance of each type of push content，and related services are provided for each client according to a dynamic weighted round-robin scheduling method. Simulation experiments are carried out on the proposed algorithm. Experimental results show that the improved strategy reduces the overall time delay of message transmission and improves the message sending efficiency of the mobile push platform.
Key Words： power communication network;on-site operation and maintenance;information push;dynamic weighted
电力通信网是电力企业生产运行中重要的支撑网络，是智能电网建设的主要平台，对电力系统安全稳定运行起着重要作用。电力企业通常要安排专业的电力通信运维人员对其进行检修与维护工作，保障电力系统的安全稳定运行。但随着电力通信网快速发展，运维人力资源不足、现场运维信息化程度低等问题日益突出。
现场运维是电力通信运维的重要组成部分，其安全、质量和效率直接关系到电力通信运维工作的成效，面临着更为严格的要求[1]。国家电网公司要求实现智能化现场运维，满足运维作业标准化和自动化、运维资料电子化、运维支撑手段智能化、运维管理精细化和科学化等需求[2，3，4]。目前电力通信网运维现场信息管理缺失，具体区分场景的特定运维现场运维信息缺乏，运维作业现场管理数据获取手段和利用较少，缺乏对不同运维场景中现场和后端系统间有效信息交互的研究。同时，缺乏对现场信息感知隐含的运维作业的现状和特性分析，无法合理分析和利用现场反馈信息，不能有效的对现场运维实施准确的远程判定和指导，现场运维工作存在漏洞和隐患，不能满足国网公司要求[5]。
随着电网的不断扩大，电力通信网架构日趋复杂，需要更为高效、可靠的运维管理模式。现有的电力通信运维管理模式存在运维地址分散、运维环节脱节、现场运维信息缺失等问题。随着移动通信信息技术的不断发展、电力通信网络基础设施应用软件和运维工具的不断升级，现阶段亟需建立新的电力通信运维模式，使运维人员能够更好地掌握电力通信设备的实时运行情况，及时有效地做好检修和维护工作，且方便管理人员更好地分析处理和监督指导现场运维工作，降低通信设备故障给电力生产运行带来的影响。
为解决上述问题，通过电力通信移动运维方法，利用信息推送技术，为现场运维人员推送符合运维现场情况的个性化信息，保证运维人员任务完成质量，同时，推送尽可能少的运维信息。研究电力通信网现场运维信息推送技术，有利于运维现场与后端系统的信息交互，提高运维质量和效率。为此，研究基于动态推送时间优先级的信息推送方法，动态的为各类信息分配服务器资源，减少整体排队时间，实现通信网现场运维管理系统对通信资源数据有效使用，提高通信资源管理和通信网运维管理效率和水平。
结构如下：第二章介绍电力通信网现场运维信息推送相关工作。第三章介绍面向电力通信网现场运维的信息推送。第四章提出基于动态推送时间优先级的信息推送方法。第五章进行仿真实验。第六章进行总结。
1 相关工作
Push技术由美国PointCast Network公司于1996年提出，目的是提高基于计算机网络的信息获取效率[6]。信息推送是依据一定的技术标准和约定，自动从信息资源中选择特定的信息，通过一定的方式有规律地将信息传递给用户的一种技术[7]。信息推送主要分三个阶段：数据采集、数据加工和推送[8]，主要思想是将用户主动搜索信息变为被动地、有目的地接受信息，大大提高了用户获取信息的效率。信息推送技术目前应用比较广泛，呈现出了很多技术特点，如信息处理主动性、针对用户的个性化、信息易获性、搜索智能化、系统集成化、数据处理高效化[7]。
信息推送的關键问题就是推送内容选择和推送方式。推送内容选择需要对用户进行分析，针对不同用户提供个性化服务。目前许多文献提及了信息推送服务方式，主要有邮件式和频道式。王培风[9]认为图书馆开展信息推送服务的具体方式为： 邮件式推送服务、网络化定题服务、图书馆专业信息服务频道。信息推送服务方式分为两大类：由智能软件完成的全自动化信息推送服务;借助于电子邮箱并依赖人工参与的信息推送服务[10]。其他的研究大多在这两种基础上细化研究推送服务技术。
目前国内外实现推送功能主要为自主搭建和引用第三方推送平台两种方案。自主搭建推送平台技术主要有三种：客户端使用http轮循获取信息，部署成本较低，但实时性差[11];使用XMPP协议，协议比较成熟和完善、扩展性好，但协议较复杂和冗余、部署成本高[12];使用MTQQ协议，协议结构清晰简单、扩展性强，但不够成熟、实现较复杂、部署成本也较高[13]。国内外还存在许多第三方信息推送平台，主要是手机应用、手机用户及开发者提供相应的推送服务和推送接口。国外如Google推出的云消息服务GCM（Google Cloud Messaging）、APNS（Apple Push Notification Service）、Urban Airship、Pubnub。国内较好的有个推、极光、云巴等公司。
2 面向电力通信现场运维的信息推送
2.1 基于信息推送的现场运维流程
电力通信现场运维整体流程如下：运维人员登录运维终端上的运维APP，依据定位模块实现现场运维人员的实时定位;结合GIS数据，识别具体运维场所信息，诸如变电站通信机房、配电房等;利用登录账号信息，识别运维角色（巡视、检修人员等）和操作权限（班组负责人、班组成员、外部人员等）;运维人员利用运维终端扫描运维设施（设备、线缆等）的二维码，访问通信运维管理系统，获取该运维对象的各类信息，包括TMS系统的基础资产信息、业务承载信息以及下发的工单信息等;通信运维管理系统综合分析位置、人员、设施、工单信息，并根据运维现场信息和工单信息，推送所需信息;运维人员根据推送信息完成相关的运维操作。其流程如图1所示。
2.2 信息推送服务
电力通信现场运维信息推送服务器向运维终端推送信息的过程，可看作一个服务器提供多种运维信息查询和推送原子服务并根据运维作业属性服务匹配和选择的过程。具体而言，分为基于现场运维信息的推送服务模型，以及根据业务信息服务匹配和组合选择的方法，实现信息推送内容精确选择。服务类型包括触发式服务和主动式服务。触发式服务通过感知的现场业务信息的变化，在服务器中触发执行，例如，收到当前工单相关告警信息后，不需要客户端请求，自动触发服务，将告警相关信息发送至运维人员现场终端。主动式服务根据客户端与服务器间的信息交互执行，分为两大类：操作辅助类信息服务和反馈类信息服务。
电力通信现场运维中，推送的信息大致可分为3大类：告警信息、反馈信息和操作辅助类信息。告警信息是实时产生的，反馈信息是对现场运维人员操作结果的确认信息（任务是否成功，操作是否规范等），操作辅助类信息包括操作流程、注意事项、视频指导、配置文件、设备历史故障信息、设备厂家信息、设备年限信息等，是重点筛选对象。
由于操作辅助类信息种类繁多，可进一步细化成多个子服务：操作信息推送服务、配置信息推送服务、设备信息推送服务等。操作信息推送服务负责推送操作流程、注意事项、视频指导等信息;配置信息推送服务负责推送配置文件;设备信息推送服务负责推送设备历史故障信息、设备厂家信息、设备年限信息等。同一运维业务，不同运维人员现场操作时，需要的服务是不同的。如果是技能较强的熟练工，则不需要操作信息推送服务。如果是检修任务，设备使用年限等信息可能就比较重要，需要重点提供设备信息推送服务。因此，针对不同运维场景和人员，保证运维质量的前提下减少推送信息量，研究推送更符合实际的信息，是很有必要的。
3 基于动态时间优先级的信息推送方法
不同运维作业具有不同处理优先级需求，推送平台需要建立多优先级信息推送队列和合适的消息推送策略实现此功能。
加权循环队列调度算法是面向所有业务队列服务的调度算法，根据业务特性为各个消息队列分配一个静态权值，表示获取调度器服务时间的比重。多个队列调度循环进行，首先处理高优先级队列，当该队列分配的权值耗尽时，转到次低优先级队列，最低优先级服务完后循环到最高优先级队列。当某个队列为空时，马上循环到下一队列调度。加权循环队列调度能够实现带宽分享的公平性，确保每个优先级用户都不会过分占用带宽。
消息推送环境下，服务器需保持多条运维终端连接，一条信息会被重复推送到多个客户端，权值不适合以发送消息的字节数为单位。考虑到推送消息长度较短，记录字节数会增加算法复杂度，改为记录发送次数。调度器可能会在当前队列发送次数将要超过权值时跳转到下一队列，需要记录每条消息的未发送用户，将增大系统开销。为了节省开销，本文设定一条消息不中断地发送到所有客户端，使调度器在各消息队列中的时间分配不再严格遵循设置权值。为弥补造成的权值偏差，采用一种动态权值加权循环队列，每个队列所占权值比重根据实际需要确定并根据初始权值和消息发送次数动态改变权值。当某一队列的消息发送次数超过设定权值时，其余队列权值会相应地增加，使调度器服务时间分配受影响较小。步骤如下：
（1）分配初始权值Qi（i为队列序号）和超额比值Ri，初始为1。优先级越高，Qi越大。
（2）调度器按优先级从高到低循环访问，Nsent为记录当前队列发送消息次数的计数器。
（3）调度器访问到消息队列j时，若该队列有消息发送，则取出发送，直到该信息发送到对应的所有用户，每被发送到一个客户端，Nsent加1。
（4）该消息发送完后，若Nsent
（5）跳转到下一优先级队列k后，Nsent重置为0，所有队列权值Qi = Qi /Rk，Rk重置为1，如此循环。
（6）当所有消息队列都没有待发消息时，停止调度，直到队列中存在待发消息为止。
推送平台不再需要时刻记录消息发送情况，减少系统开销。消息发送不再因为权值限制而中断，更符合推送平台的实际情况。
本文使用层次分析法设置步骤（1）中的优先级队列初始权值。如表1所示，采用1-9标度法，求出每层因素相对于评价目标的权重。首先比较判断各层指标重要性，构造标度判断矩阵;其次进行一致性检验，通过则最大特征值对应特征向量即为权向量;不通过则需重新构造标度判断矩阵。步骤如下：
（1）建立评价系统的递阶层次结构。最高层只有一个元素，是分析问题的预定目标或者理想结果。中间层包括为实现目标涉及的中间环节，可由若干个层次组成，包括所需要考虑的准则、子准则。最低层表示为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等。
（2）构造两两比较判断矩阵。由专家对同一层次指标进行两两比较，给出相对重要性的判断值，全部指标两两判定形成比较判断矩阵。假设某层有n个评价因素 u1，u2，…，un，设cij为ui相对于uj的重要程度值，若
若ui与uj相比属于各级之间，则用中间标度2，4，6，8。采用上述方法，得到判断矩阵：
算组合权重，即求评价指标体系中各层次指标对总目标的权重系数。
计算C的最大特征值λmax，定义一致性指标CI。CI=0，有完全一致性;CI接近于0，有满意的一致性;C越大，不一致越严重。
进一步定义一致性比率CR，其中RI取值参照表如表2所示。
計算对应的特征向量（p1，p2，…，pn），对其元素归一化处理，得到权重集{a1，a2，…，am}。
结合层次分析法与电力通信现场运维的实际情况，初始权重计算流程如图2所示。
首先建立推送信息模型，包括所有可能的信息类别：辅助类信息、设备信息、操作反馈类信息和告警类信息（可细分等级）。不同的运维任务，各类信息的重要程度不尽相同。对于检修业务，设备年限信息，厂家信息可能较为重要;对于工作经验不是很丰富，或者对于业务流程不是特别熟悉的运维人员，操作流程、设备配置信息、注意事项等相关信息比较重要;当然在通常情况下告警类信息都具有较高的重要性，不过有些告警信息级别较低，此时可以适当降低其重要性。
根据经验为每类信息赋予初始化权重（由于告警类信息较为重要，设置初始的优先级较高，紧急任务相关的信息也具有较高的优先级，操作流程、设备厂家信息等的重要程度相对较低，设置的优先级较低），并构造成对比较矩阵初始化各类信息之间的相对关系。例如，经验丰富的运维人员，告警信息相对于操作辅助类信息重要度较高;执行业务开通的经验相对较少的运维人员，配置信息、注意事项等操作辅助类信息相对于设备年限等设备相关信息重要度较高。
对比较矩阵进行一致性检测，判断矩阵是否合理。初始权重是根据经验制定的，并不完全符合实际情况（对于不同运维人员和业务，相同类型的信息重要程度可能不同，仅依靠经验可能不是特别准确），因此需要对比较矩阵进行一致性检测，不符合要求则需要调整部分类型信息的重要程度。计算权向量（最大特征值对应特征向量标准化后得到），权向量代表了各类信息的重要程度，根据权向量计算每个消息实例优先级。权重并不是一成不变的，当业务紧急程度发生变化时，该业务相关信息的权重也会发生变化，以此应对各种突发情况。
4 仿真实验
通过仿真实验验证所提方法的有效性。建立高、中、低3个优先级队列，设定权值比例为5：3：2、权值分别设为540、324、216，满足较高优先级队列占用调度器更多服务时间的原则，并且使权值的大小差距足够明显。再者，经常存在当部分客户端的队列权值耗尽时，其队列当前消息并不一定完全发送完，还存在部分消息有待发送的情况。实验模拟了100至1000个客户端与服务器的连接，分别测试得到了发送100组100条随机优先级消息在加权循环队列调度和动态权值循环队列调度两种策略下的时延，结果如图3，图4，图5和图6所示。当客户端分别为100，500和1000时，时延如表3、表4和表5所示。
从图3至图6可以看出，使用动态权值循环队列调度策略后，3个优先级队列消息的发送时延与原有算法相比都有所减少。可见，动态权值循环队列调度在处理大量消息时相比加权循环队列调度有效减少了消息发送时间，提高了推送平台消息推送性能。而且在实际推送过程中，推送的连接终端数量远远小于理论仿真的数量，队列时延会更小，能够满足推送消息的及时性要求。同时，随之客户端数量的增加，队列的排队时间相应增加，符合实际情况。
5 结 论
根据电力通信现场运维的实际情况，提出了基于动态推送时间优先级的电力通信现场运维信息推送方法。针对不同运维任务和运维人员，推送不同的运维相关信息，在保证运维质量的情况下，尽可能的推送较少的信息，以保证服务器资源的有效利用。同时对于多个客户端请求，根据每类推送内容的重要程度，确定每个推送信息的权值，根据动态权值加权循环调度方法，为每个客户端提供相关服务。该策略在原有加权循环调度算法基础上，采用了动态权值策略，使得推送系统不再需要对消息的发送情况作额外的记录，有效降低了系统开销。对提出的算法进行了模拟实验，实验结果表明，改进的策略减少了消息发送的整体时延，提高了移动推送平台的消息发送效率。
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