基于成本分析的HEMS系统网关配置方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于成本分析的HEMS系统网关配置方法，该方法的步骤包括基于HEMS系统，获取电力信息的相关数据；分别基于等待制排队规则和混合制排队规则，对电力信息的数据包到达网关的过程和队列服务状态情况进行分析；基于数据包到达网关的过程和队列服务状态情况，建立HEMS系统的总成本z(s)，并求解最小总成本z(s*)和对应的网关数量s*；基于最小成本，对HEMS系统中选用的网关数量进行优化配置。本发明专利技术能准确判断使HEMS系统花费最小的网关数目，对于不同的环境，改变相应参数即可得到对应的使系统花费最小的最优网关数目。从而保证在HEMS系统总花费成本最低的情况下，配置最佳网关数目，以降低系统总花费，节省网关使用，提高数据包传输速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及智能电网技术，特别是涉及一种在不同排队机制下，基于成本分析的 HEMS系统网关配置方法。
技术介绍
如图1所示，智能电网是将电网和信息、通信技术整合起来，以提高现有电网的性 能和可靠性，拥有自我控制和发生故障时能自愈的自动输配电网络。M2M通信的想法是利用 低成本、可扩展及可靠的技术让M2M组件互连，实现网络化和远程控制。自动化的M2M通信 可以弥补传统业务的间接成本，从而促进其广泛应用在配备了嵌入式处理器和传感器的移 动平台中。智能电网中的家庭能源管理系统（HEMS)采用"可视化"设计，能够及时掌握家 庭的用电情况，除了能让用户通过家里的电视或监视器简单地了解自家的用电信息之外， 还能通过对于能源消耗的统一管理，根据用户的行为习惯和天气信息向用户提出高效用电 的可行性建议。对于一些先进的家电可以主动的向智能电表发送信息（例如，未来电力消 费需求）。智能电表是用来从家电中收集功耗需求数据的设备。在一个区域所有住房的智 能电表间建立一个邻域网（NAN)来支持HEMS。一个NAN有一个集中器（即网关）使用短程 通信技术（如ZigBee)来采集数据包（即HEMS流量）。 数据特性对达到M2M应用的QoS要求是非常重要的。预计M2M网络将支持大量的 设备，为了提高数据吞吐量，需要为数据集中模式引入新的算法或修改信息传送模式。以前 的方法主要集中在如何放置或定位接收节点上。例如家庭局域网中的M2M网络，研究了其 系统架构和服务质量的提高。在电力需求变化时，HAN设备只能与控制器通信，数据显示该 技术在家庭网络中无缝的支持更多的设备。载有用电信息的数据包通过网关传送到控制 中心进行分析，在传送的过程中，数据包的延迟和丢失会造成信息不准确及成本的提高，网 关的优化配置对于降低HEMS系统成本而言至关重要。在无线Mesh网络中有很多网关放置 方法，这些方法的目的是找到一个最佳的网络吞吐量，成本最小化，满足服务质量和负载均 衡。例如设置越多的网关，网络生存时间就会越长。但是网关的铺设成本较高，不能满足 成本最小化。有文献提出一种基于生存时间与花费比率的最优网关设置，但算法复杂度较 尚。 因此，需要提供一种新的HEMS系统中的网关配置的方法，以降低整个HEMS系统的 成本，优化HEMS系统网关。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种在不同排队机制下，基于成本分析的HEMS 系统网关配置方法，以解决现有技术中由于网关所能容纳的数据包数有限，在数据传输过 程中数据包发生延迟和丢失，致使数据不准确而导致的消费者花费较高的问题，同时解决 由于网关的部署成本较高，在满足服务质量的前提下如何达到系统成本最小的网关配置问 题。 为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案： 基于成本分析的HEMS系统网关配置方法，该方法的步骤包括 基于HEMS系统，获取电力信息的相关数据； 分别基于等待制排队规则和混合制排队规则，对电力信息的数据包到达网关的过 程和队列服务状态情况进行分析；基于数包据到达网关的过程和队列服务状态情况，建立HEMS系统的总成本z(S)， 并求解最小总成本z(S)和对应的网关数量S% 基于最小成本，对HEMS系统中选用的网关数量进行优化配置。 优选的，所述HEMS系统的总成本z(s)为：z=scs+aLdelay(s) + 0Llc]SS(s)，其中，s 是网关数目，（^表示单位时间内单个网关服务台的安装服务成本，a为每个数据包在网关 内停留单位时间的费用，0为丢失一个数据包的费用，Ldelay为网关中等待的数据包平均数， Llc]SS为丢失的数据包数。优选的，采用边际分析法对总成本z(s〇进行分析，并使其满足： 优选的，基于等待制排队规则，对电力信息的数包据到达网关的过程和队列服务 状态情况进行分析的步骤包括 在等待制排队规则下，具有s个网关的HEMS系统服从Poisson分布，其中，入n = 网关的负荷水平P； S：y￡/； 在等待制排队规则下，网关的缓冲区中有n个数据包的概率为 .y?-切P，基于有限状态生灭过程的极限获得：1 ； Isis 在网关缓冲区内排队等待的数据包数Lq:平均队长 Ldelay^ delay L q+ P〇 优选的，基于数包据到达网关的过程和队列服务状态情况，建立HEMS系统的总成 本Z(S)，并求解最小总成本Z(S，和对应的网关数量f的步骤包括 等待制排队规则下的HEMS系统总成本为：z=scs+aLdelay，经简化得到优化条件： 依次求解s= 1，2, 3,…时Ldelay的值，并计算相邻两个L^，的值之差，根据|落 入上述不等式的区域确定获得最小总成本的网关数s' 优选的，基于混合制排队规则，对电力信息的数包据到达网关的过程和队列服务 状态情况进行分析的步骤包括 在混合制排队规则下，网关缓冲区间最多可容纳K个数据包，s个网关充当服务台 进行独立地平行工作，当K个位置已被数据包占用时，新到的数据包就自动离开，当系统中 有空位置时，新到的数据包就进入系统排队等待服务； 平均等待的数据包数yn: 基于有限状态生灭过程的极限，求得网关的缓冲区中有n个数据包的概率： 网关缓冲区内排队等待的数据包数Lq S：!....... 平衡时正在被服务的顾客数] 时刻t时的平均等待的数据包数： 一 优选的，基于数包据到达网关的过程和队列服务状态情况，建立HEMS系统的总成 本Z(S)，并求解最小总成本Z(S，和对应的网关数量f的步骤包括 计算系统的延迟的花费：Cdelay=aLdelay，其中，a表示每个数据包在缓冲区停留 单位时间的费用； 计算缓冲区数据包总数St:St=min{K,max{0,St「y} +At}; 在t时刻被丢弃的数据包数：Llciss=max{0,At_K+max{0,St「y}}; 基于系统的延迟花费、缓冲区数据包总数和在t时刻被丢弃的数据包包数，确定 优化条件： a <cs<MLl0SS(s*-l)+Ll0SS(s*+l)_2Ll0SS (s*)]; 依次求解s= 1，2, 3,…时LdelajPLlc]SS的值，根据cs落入上述不等式的区域确定 获得最小总成本的网关数s' 优选的，基于两种不同排队规则，对系统网关进行优化配置的步骤包括 计算一个簇中的每个节点的平均发花费； 将上述簇分为第一簇和第二簇，并计算划分完毕后的每个节点的花费； 将第一簇和第二簇的花费进行对比，若划分后的每个节点的平均花费小于原来簇 中每个节点的平均花费，则将划分后的花费方案替换原花费方案，若划分后的每个节点的 平均花费大于或等于原来簇中每个节点的平均花费，则继续采用原来的花费方案； 重复上述步骤，直到每个节点划分成最小单元的簇信息，并对所有节点的花费比 较完毕，则完成网关配置优化。 本专利技术的有益效果如下： 本专利技术所述技术方案能准确判断使HEMS系统花费最小的网关数目，对于不同的 环境，改变相应参数即可得到对应的使系统花费最小的最优网关数目。在实际场景中能达 到良好的应用效果。【附图说明】 下面结合附图对本专利技术的【具体实施方式】作进一步详细的说明； 图1示出智能电网的M2M网络架构的示意图； 图2示出排队模型的示意图； 图3示出等待制排队规当本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于成本分析的HEMS系统网关配置方法，其特征在于，该方法的步骤包括基于HEMS系统，获取电力信息的相关数据；分别基于等待制排队规则和混合制排队规则，对电力信息的数据包到达网关的过程和队列服务状态情况进行分析；基于数包据到达网关的过程和队列服务状态情况，建立HEMS系统的总成本z(s)，并求解最小总成本z(s*)和对应的网关数量s*；基于最小成本，对HEMS系统中选用的网关数量进行优化配置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军辉，姜婷婷，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11