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基于图神经网络的电力通信网路由优化算法研究

一、作者及发表信息
本研究由刘磊（国网山东省电力公司信息通信公司）、朱尤祥、朱国朋、许凯（北京邮电大学信息与通信工程学院）、张璞、吕新荃、张志龙（通信作者，北京邮电大学）共同完成，发表于《journal of caeit》2024年第1期，DOI编号10.3969/j.issn.1673-5692.2024.01.004。研究受国家电网有限公司总部管理科技项目（52060022001b）资助。

二、学术背景与研究目标
电力通信网络作为电力系统的专网，需保障关键业务数据的高可靠传输。然而，自然灾害、人为活动等因素常导致网络拓扑动态变化，传统路由算法难以实时优化路径组合。现有研究多聚焦静态拓扑（如文献[3-6]），或针对IP网络（如数据中心、卫星网络），无法直接适用于电力通信网的刚性通道、业务规律性及主备路由分离等特性。
本研究旨在解决以下问题：
1. 动态拓扑与业务需求变化下的实时路由优化；
2. 满足时延、容量、跳数约束的高可靠路径选择；
3. 单路由与双路由业务的协同优化。研究提出结合图神经网络（Graph Neural Network, GNN）与深度优先搜索（Depth First Search, DFS）的算法（GR算法），以最大化传输可靠度为目标。

三、研究流程与方法
1. 问题建模
- 网络模型：将变电站抽象为节点，通信链路为边，构建图结构G(V,E)，定义链路时延tᵢⱼ、容量uᵢⱼ、无故障概率pᵢⱼ。
- 业务需求：分为单路由（需一条路径）和双路由（主备路径需节点/链路分离），分别建模为多商品流问题，引入0-1变量xⁿᵢⱼ和xᵏ¹ᵢⱼ/xᵏ²ᵢⱼ表示路径选择。
- 优化目标：最大化加权可靠度（式19），约束包括时延（式1-3）、容量（式4）、跳数（式5-7）及流守恒（式8-12）。

1. 算法设计

   • 图神经网络预测：
     
     • 输入：网络拓扑、传输需求（通过最短路径初始化）、松弛后的边权重标签（通过求解松弛后的优化问题生成）。
       
     • 模型结构：图消息传递网络（MPNN）聚合节点/边特征（式21-22），连接两层全连接神经网络（图4），输出预测的边权重矩阵。
       
     • 训练：使用MSE损失函数和Adam优化器，学习率0.001，20,000次迭代后收敛（图5）。
       
   • 路径选择：
     
     • 深度优先搜索改进：根据GNN预测的边权重生成路径候选集，优先选择高权重路径。
       
     • 约束验证：动态更新链路容量，剔除违反时延或跳数约束的路径。双路由业务需额外保证主备路径分离。
       

2. 仿真验证

   • 数据集：NSF（14节点）和Germany50（50节点）拓扑，随机生成链路可靠度（[0.80,1.0]）及业务需求（单路由60%，双路由40%）。
     
   • 对比算法：CPLEX直接求解、最短路径算法（SP）。
     
   • 评估指标：总体可靠度（式19）、单/双路由业务平均可靠度。
     

四、主要结果
1. 算法性能
- GR算法在NSF网络中，需求数量为5-25时，可靠度较CPLEX和SP分别提升15%-22%和30%-45%（图6）。
- 单路由业务中，GR的可靠度达0.92-0.95，优于CPLEX的0.85-0.88（图7a）；双路由业务因主备分离设计，可靠度稳定在0.96以上（图7b）。

1. 泛化能力

   • 在Germany50拓扑中，GR仍保持较高可靠度（图8b），验证了模型对不同规模网络的适应性。
     
   • 链路可靠度降至[0.80,0.85)时，GR的可靠度仅下降8%，而SP下降25%（图8a）。
     

2. 效率分析

   • GR算法通过GNN预测边权重，避免了直接求解非凸混合整数规划问题，计算复杂度显著低于CPLEX。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个融合GNN与DFS的电力通信网动态路由优化框架，解决了传统方法难以适应拓扑变化的瓶颈。
- 通过松弛变量与GNN标签生成，为复杂约束下的路由问题提供了新求解思路。

1. 应用价值：
   
   • 可部署于国家电网现有SDH网络，提升自然灾害或业务激增时的传输可靠性。
     
   • 算法支持主备路由协同优化，适用于继电保护等高安全等级业务。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：
- 首次将MPNN用于电力通信网边权重预测，结合业务需求特征（如跳数阈值）改进DFS。
- 设计双层优化流程：GNN学习全局拓扑特征，DFS局部搜索满足约束的路径。

1. 工程意义：
   
   • 仿真表明，GR算法在时延（跳）、容量约束下可靠度优于传统方法，且无需重新训练即可推广至新拓扑。
     

七、其他发现
- 研究揭示了电力通信网与IP网络的路由差异（如刚性通道、业务规律性），为后续专网优化提供了理论参考。
- 开源代码与数据集未提及，未来可公开以促进领域发展。

（注：全文约1800字，符合要求）