摘 要： 為提高電力線載波通信系統的可靠性和性能，論述了遠程抄表系統的架構和特點，分析了路由算法研究的必要性，提出了基于遺傳算法的負載均衡路由算法。該算法通過網絡節點變化、拓撲結構動態優化目標并自動組網。仿真與試驗結果表明，該算法能為電力線載波遠程抄表系統提供有效的自動組網方式，保證系統通信的負載均衡，與傳統編號順序查詢路由方式相比，減小網絡延遲性達20%以上，提高網絡聯通性超過15%。
關鍵詞： 電力線載波通信；遠程抄表系統；路由算法；負載均衡；遺傳算法
近年來，電力行業的遠程自動抄表技術蓬勃發展。抄表系統從應用環境劃分，可以分為面向企業的用電現場服務與管理系統和面向居民的遠程抄表系統RMS(Remote Meter-Reading System)。對于用電現場服務與管理系統，由于企業用戶每月的用電量巨大，除了抄讀用電現場的相關數據外，還需要具有防竊電以及用電調度等功能。在實際的應用中，用電現場服務與管理系統的結構是1個電表配備1個終端，終端通過GPRS/CDMA無線通信網絡將用電現場數據實時地傳送到數據服務器。對于面向居民的遠程抄表系統，如果也像用電現場服務與管理系統一樣在每個電表上使用一個具有GPRS/CDMA無線通信功能的終端，昂貴的設備費用會令客戶無法承受。因此，在實際應用中，面向居民的RMS常常使用電力線載波通信PLC(Power Line Communication)技術，從而形成了基于電力線載波的遠程抄表系統RMSPLC(Remote Meter-Reading System based on Power Line Communication)[1]。電力線載波通信通常根據電壓分為高(>100 kV)、中(1 kV～100 kV)、低(<1 kV)電壓網絡[2]，其中以低壓電力線載波通信的應用最為廣泛。在家庭自動化和智能建筑里，電力線載波通信為各種傳感以及報警設備提供網絡鏈接。龐大的低壓電力線網絡為通信提供了良好的基礎，然而，電力線載波的信道很復雜，電力線對于通信感興趣的頻率衰減非常大，而且電力線載波網絡的噪聲會隨著接入電網儀器的數量和阻抗特性而改變[3-4]。因此，在基于電力線載波的集中抄表系統中，其通信網絡存在時變性、頻率選擇性、強干擾性等問題。所以，設計出有效的基于電力線載波的集中抄表系統有效的自動路由算法對提高系統的可靠性起到重要的作用[5]。
目前，對于PLC網絡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硬件平臺的實際計算能力和存儲容量，因此，這些算法不宜使用在實際工程中。本文提出了基于遺傳算法的負載均衡路由算法。
1 基于電力線載波的遠程抄表系統
1.1 系統的架構以及相關定義
基于電力線載波的遠程抄表系統由數據服務器、集中器SN(Sink Node)、采集器DCN(Data Collection Node)構成，其拓撲結構如圖1所示。在該系統中，數據服務器位于電力系統管理部門，用來存儲居民用電相關數據；集中器位于小區變壓器區，用來控制采集器采集電表數據并通過GPRS/CDMA無線網絡傳送相關數據到數據服務器；采集器被安裝在電表箱中，通過RS485接口或者脈沖接口采集1個或者多個電表。集中器和采集器、采集器與采集器之間通過電力線載波進行通信。在實際的工程實現中，采集器的主控制芯片采用Atmega16L，集中器的主控制芯片采用Atmega64L，路由路徑和數據存儲采用AT45DB161B芯片。
為了對系統的路由算法進行描述，下面對算法相關的術語進行定義。
(1)采集器編號。每個采集器有一個類似于IP網絡的采集器編號，在一個集中器控制的電力線載波通信網絡中，集中器的編號是唯一的。
(2)中繼。由于電力線載波通信的距離不遠，因此集中器不能和每一個采集器進行直接通信。當集中器通過采集器A去讀取采集器B的數據時，稱采集器A為采集器B的中繼。
(3)中繼級數。采集器A通過N個采集器中繼后才能與集中器進行通信，則采集器A的中繼級數為N。
(4)中繼序號。采集器A是采集器B的中繼，則A的采集器編號是采集器B的中繼序號。
(5)采集器負載。采集器A被N個另外的采集器當作中繼，則采集器A的采集器負載為N。
1.2 系統的特點
由于電力線載波通信具有時變性、頻率選擇性、強干擾性等特點，基于電力線載波的遠程抄表系統有自己的組網特點：
(1)網絡穩定性差，通信丟包率高，網絡拓撲變化大。這些特點要求網絡通信協議的容錯能力加強，在網絡的采集器出現通信失敗、增加新的采集器以及撤除了采集器后，通信協議要對網絡進行動態的管理。
(2)低成本要求導致的弱計算能力。由于遠程抄表系統的用戶是面向普通居民，所以成本必須被控制。低成本導致了硬件的計算能力很弱。這樣，路由算法只有在集中器實現，采集器不用保存路由路徑。
(3)路由算法的工程實現要求簡單。大部分智能路由算法其實是目標優化問題，而目標優化問題的代表算法包括遺傳算法和蟻群算法等[6-8]。這些算法的實現過程大多是經過多次迭代，這樣導致計算資源被大量占用。所以弱計算能力的遠程抄表系統需要占用計算資源少的簡化路由算法。
1.3 路由算法對系統的作用
由于系統環境和硬件的特點，研究出易于實現、性能優越的路由算法，對于提高系統的可靠性和通信的有效性是十分重要的。其作用主要體現在：
(1)系統的靈活性在路由算法的支持下得到提高。由于遠程抄表系統的設備是動態地增加或者減少的過程，一方面，采集器個數隨著用戶的增多而增加，另一方面，采集器可能隨著使用時間的變化而更新。這樣，電力線通信設備的拓撲是動態變化的，只有動態的路由算法才能滿足拓撲變化的性能要求。
(2)系統的適用性在路由算法的支持下加強。由于電力線載波通信的強衰減性，其直接通信距離十分有限。在路由算法的支持下，電力線載波通信網絡將具有無線自組織網絡的多跳路由功能[9-10]。這樣，電力線載波網絡的通信距離被延長，系統的適用性得到加強。
(3)系統的抗干擾能力提高。電力系統的信道性能具有時變性，在信道存在較強的干擾源時，距離干擾源近的采集器的通信受到嚴重影響。當某采集器通信因為受干擾而被中斷時，路由算法將對網絡的路由表進行動態調整，減少由于通信中斷采集器帶來的連鎖通信故障。
2 電力線載波抄表系統的路由算法
2.1 電力線載波抄表系統的路由算法流程
電力線載波抄表系統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整個網絡的路由路徑進行選擇和存儲，并在與采集器進行通信時，在數據報中指明路由路徑采集器之間進行通信。采集器路由算法不需要維護網絡的路由路徑，只需要按照2.4節的通信協議進行數據傳送。
集中器路由算法的流程圖如圖2所示。在圖2中，適應度值的定義和遺傳算法的染色體選擇分別如2.2節和2.3節中描述。傳送數據按照2.4節的通信協議來對數據進行組包。
2.2 網絡適應度函數
在電力線載波網絡的拓撲被確定后，網絡就具有了無線自組織網絡的一些特點。為了對網絡的性能進行評價，需要對采集器中繼適應度函數、采集器存活適應度函數、鏈路負載適應度函數以及網絡適應度函數進行計算，這些函數值被計算出來后，將作為遺傳算法相關操作的依據。這些適應度函數的定義如下：
采集器中繼適應度函數RF(Relay Fitness)用來評價采集器與集中器通信路徑的優劣，其定義為：
式中，ρn是采集器的下一級子采集器個數，ρ是中繼級數相同的采集器的下一級平均采集器個數，其定義為：
式中，N1是同級的采集器個數，N2是下一級采集器總數。
網絡適應度函數NF(Network Fitness)是由節點選擇適應度函數、節點存活率適應度函數和鏈路負載適應度函數通過加權而得到的評價函數，用來評價網絡性能的優劣，其定義為：
2.3 遺傳算法的染色體選擇
在本系統研究的路由算法中，采用簡化的遺傳算法進行路由路徑的優化選擇。遺傳算法是模擬自然界生物進化機制發展起來的隨機全局搜索和優化方法。遺傳算法中的個體或當前近似解被編碼為由字母組成的串，即染色體，染色體的值被稱之為基因。基因能在域決策變量上被唯一地描述。在本系統的路由算法中，用1個8 bit二進制數字表示采集器的中繼編號，這個8 bit二進制數字被選為遺傳算法的基因。如果對應采集器的中繼為集中器，其基因則為00000000。在集中器中，所有的基因根據采集器編號順序構成一個染色體，基因所在染色體中的字節位置代表對應采集器的編號。通過染色體，可以計算出采集器中繼適應度函數、采集器存活適應度函數、鏈路負載適應度函數以及網絡適應度函數的函數值，以供遺傳算法的選擇等操作中使用。同時，當網絡的染色體確定后，電力線載波遠程抄表系統的網絡拓撲也被確定下來。例如，如果電力線載波網絡的染色體為字符串a：0000000 00000000 00000000 00000001 00000010 00000011 00000011 00000100，其對應的網絡拓撲如圖3所示。
2.4 路由算法的通信協議
由于采集器和集中器的計算能力都是很有限的，因此路由表的維護都是在集中器進行。集中器在網絡初始的時候建立網絡路由表，在網絡正常運行時，對路由表進行動態維護。基于中繼路徑的通信協議數據包的地址域數據描述如圖4所示。
在圖4所示的通信協議數據包中，數據包分為上行數據包(數據從采集器發送到集中器)和下行數據包(數據從集中器發送到采集器)。數據包A為集中器發送的下行命令，其目標地址為中繼地址1，中繼地址1、中繼地址2等是集中器與目標地址采集器通信需要經過的采集器編號，中繼地址n是需要上傳數據的目標采集器地址。數據包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，將數據包格式進行改變后的數據包。數據包C為采集器地址為n的采集器收到采集器地址為n-1的采集器發送的數據包。數據包D是采集器地址為n的采集器將數據回送給集中器的數據包的地址域地址，數據上行的處理過程與下行的處理過程是一樣的。
3 算法仿真
在算法的仿真中，考慮一棟10層樓，每層樓有10個采集器，采集器之間能否進行通信簡化成空間距離。考慮一棟大樓的布局規范，任意2個節點的坐標由A1與A2給定，A1(x1，y，z1)與A2(x2，y，z2)的距離d通過公式(6)給定。假設L是采集器直接通信設定閾值，如果d≤L，則2個采集器之間可以直接進行通信，否則需要通過中繼方式進行通信。
3.1 負載均衡性
考慮到集中器的計算能力比較弱，在遺傳算法的實現過程中，首先對基于電力線載波的網絡拓撲進行確定，以保證公式(1)和公式(2)的要求。算法對拓撲的確定過程是分層進行的，首先通過集中器選擇出能直接與集中器進行通信的采集器，歸為集合J1，然后通過J1選擇出中繼級數為1的采集器，歸為集合J2，依次類推，將所有的采集器接入到網絡中。在仿真中，AF=0。因此，算法的難點是通過動態優化得到最小的LLF。圖(5)和圖(6)是用按順序和簡化遺傳算法進行選擇的采集器負載比較，從結果可以看出，簡化遺傳算法可以很大程度地提高系統的負載均衡性。
3.2 網絡聯通性
采集器序號順序算法沒有考慮網絡發生故障的情況，而簡化遺傳算法充分考慮了網絡的拓撲結構和網絡聯通性。從圖7所示的仿真結果來看，在20%采集器發生故障的情況下，簡化遺傳算法維持100%的聯通性，順序算法只有91%的聯通性；隨著故障點的增加，簡化遺傳算法的網絡聯通性均優于順序算法。
3.3 網絡延遲性
網絡延遲是反映網絡運行狀態的一個直觀指標。在電力抄表系統中如果網絡延遲的閾值越大，抄表數據將不能及時更新。從如圖8所示的仿真結果來看，由于簡化遺傳算法動態考慮到網絡的距離和時間參數，形成中繼器，網絡延遲比順序算法減少了20%以上，網絡性能得到了大大的提高。
仿真的算法在實際系統中的應用，效果證明，該路由算法在不增加系統成本的前提下對提高系統的可靠性和穩定性有很大的作用，已經被應用在浙江省電力企業相關產品中。
在基于電力線載波的抄表系統中，路由算法對中繼的選擇往往沒有考慮到節點的負載均衡問題，選擇中繼一般以編號為順序查詢或隨機選取。這樣建立的路由表，有些采集器的負載很重，當采集器通信發生故障時，大量的采集器通信會受影響。
本文為基于電力線載波的抄表系統提出了一種多目標優化的路由算法。這種路由算法考慮了系統的負載均衡問題并基于簡化的遺傳算法實現，減小了網絡的延遲性，提高了網絡聯通性，非常適用于計算資源和存儲資源都不豐富的硬件平臺。通過仿真和實驗結果分析，算法能很好地提高基于電力線載波的抄表系統的性能。
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