CN112200263B - 一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法 - Google Patents

一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，所提自组织联邦学习框架完全克服了因数据传输带来的一系列安全和隐私问题，使设备状态监测准确。利用自组织图聚类算法，所提模型能够很好地利用配电物联网中的海量数据进行学习，在数据不断变化的物联网中具有很好的应用效果。配电物联网中的智能终端种类繁多且交互复杂，运用深度学习思想的模型可以自动去学习复杂数据背后的更深层次的关系，提高了聚类的可靠性。所提启发式算法可以在平衡数据的传输时间和本地处理效率的同时选择最佳聚头。

Description

一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法
技术领域
本发明涉及配电物联网技术领域，具体涉及一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法。
背景技术
配电物联网作为连接用户的一个主要桥梁其承载的功能已由传统的单向电能提供向双向能量流动转变，基于机器学习的设备状态监测模型可以对诸如配电柜、配电变压器等配电设备单元的状态进行实时监测，提前感知配电主设备的状态信息，一旦监测到设备状态表现异常，电网系统可以直接启动预警机制解决存在的隐患。基于此，设备状态监测已成为配电物联网的经典应用场景之一。然而传统的基于机器学习的设备状态监测模型是将数据从终端设备迁移到集中位置进行训练的，数据从智能终端传输到集中位置会遇到很多的安全隐私问题，一旦这些数据被恶意者攻击，状态监测模型很有可能不能监测到设备的真实状态，不能及时采取预防措施，从而给电网和国民经济带来很大危害。
在解决这一问题上，现有的应用于配电物联网的智能终端状态监测方法已经不能有效应对，迫切地需要研发一种新的状态监测方法来解决这一问题。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种设备检测准确、实现良好的聚类效果、处理计算时间短的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，包括如下步骤：
a)在配电物联网中设置至少一个中心服务器及配电设备单元，配电设备单元由若干主设备及若干从设备构成，中心服务器与配电设备单元相互通信；
b)采集配电物联网中配电设备单元的历史数据，将采集的历史数据建立无向加权图和社交关系表；
c)利用自组织图聚类算法将配电设备单元进行聚类；
d)寻找聚类后的每一个分组的聚头，将其作为主设备，其余设备作为从设备，形成配电物联网中中心服务器、主设备及从设备构成的关系网；
e)当中心服务器发送指令给主设备时，主设备将命令传输到从设备，从设备授权中心服务器的模型访问本地数据，中心服务器中的模型在从设备空闲时对本地数据进行训练；
f)训练结束后，训练结果由从设备发送到主设备，主设备将结果传输给中心服务器。
进一步的，步骤b)中无向加权图和社会关系表随历史数据的变化而变化。
进一步的，步骤c)的步骤为：
c-1)将步骤b)中采集的历史数据建立无向加权图进行预处理后将其转换为二维矩阵Aij＝{a00,a01,...a0j,...aij,...}，aij为权重，表示设备i与j之间的社交关系数，将二维矩阵Aij分为训练样本A1、测试样本A2及验证样本A3，A1占Aij的80％，A2占Aij的10％，A3占Aij的10％；
c-2)将训练样本A1作为图卷积神经网络GCN的输入，经过基于谱的图卷积进行卷积运算后得到特征图谱F，
Figure BDA0002736692600000021
C为特征的数量，H×W为一个像素面；
c-3)利用Spatial Attention模型平滑处理特征图谱F，得到特征图谱F在空间上的特征权重W；
c-4)将特征权重W作为K近邻算法KNN的输入进行半监督聚类，得到聚类结果C1＝{c1,c2,c3,...}，C2＝{c4,c5,c6,...}，C3＝{c7,c8,c9,...}，...，其中Ci为第i个聚类块，ci为第i个聚类块中的配电设备单元中设备的序号。
进一步的，步骤c-3)的步骤为：
c-3.1)在通道维度上对特征图谱F做最大池化后得到
Figure BDA0002736692600000022
对特征图谱F做平均池化处理后得到
Figure BDA0002736692600000023
c-3.2)对
Figure BDA0002736692600000024
及
Figure BDA0002736692600000025
使用字符链接运算得到特征的二维数组
Figure BDA0002736692600000031
c-3.3)利用公式
Figure BDA0002736692600000032
计算特征权重W，式中
Figure BDA0002736692600000033
fn×n为n×n卷积核。
进一步的，步骤c-3.3)中n取值为3。
进一步的，步骤d)包括如下步骤：
d-1)根据步骤c)中的聚类结果重新划分社交关系表，将同属于一个聚内的设备关系存放于同一张社交关系表中；
d-2)分别将社交关系表中社交关系数值w(s1)的取值设置为0.5，设备剩余可用资源w(s2)取值设置为0.4，数据传输时间的权重w(s3)的取值设置为0.1；
d-3)通过公式scorei＝si1*w(s1)+si2*w(s2)+si3*w(s3)计算得到同一聚内第i个成员设备的分值scorei，式中si1为第i个设备的社交关系值，si2为第i个设备的设备剩余可用资源，si3为第i个设备的数据传输时间；
d-4)对同一聚内每一个设备的分值进行排序，选取分值最大的设备作为聚头。进一步的，将测试样本A2及验证样本A3输入步骤c-2)中的图卷积神经网络GCN中分别进行测试和验证。
本发明的有益效果是：自组织联邦学习框架完全克服了因数据传输带来的一系列安全和隐私问题，使设备状态监测准确。利用自组织图聚类算法，所提模型能够很好地利用配电物联网中的海量数据进行学习，在数据不断变化的物联网中具有很好的应用效果。配电物联网中的智能终端种类繁多且交互复杂，运用深度学习思想的模型可以自动去学习复杂数据背后的更深层次的关系，提高了聚类的可靠性。所提启发式算法可以在平衡数据的传输时间和本地处理效率的同时选择最佳聚头。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，包括如下步骤：
a)在配电物联网中设置至少一个中心服务器及配电设备单元，配电设备单元由若干主设备及若干从设备构成，中心服务器与配电设备单元相互通信。
b)采集配电物联网中配电设备单元的历史数据，将采集的历史数据建立无向加权图和社交关系表。
c)利用自组织图聚类算法将配电设备单元进行聚类。
d)寻找聚类后的每一个分组的聚头，将其作为主设备，其余设备作为从设备，形成配电物联网中中心服务器、主设备及从设备构成的关系网。
e)当中心服务器发送指令给主设备时，主设备将命令传输到从设备，从设备授权中心服务器的模型访问本地数据，中心服务器中的模型在从设备空闲时对本地数据进行训练。
f)训练结束后，训练结果由从设备发送到主设备，主设备将结果传输给中心服务器。
通过自组织联邦学习框架完全克服了因数据传输带来的一系列安全和隐私问题，使设备状态监测准确。利用自组织图聚类算法，所提模型能够很好地利用配电物联网中的海量数据进行学习，在数据不断变化的物联网中具有很好的应用效果。配电物联网中的智能终端种类繁多且交互复杂，运用深度学习思想的模型可以自动去学习复杂数据背后的更深层次的关系，提高了聚类的可靠性。可以在平衡数据的传输时间和本地处理效率的同时，选择最佳聚头。
进一步的，步骤b)中无向加权图和社会关系表随历史数据的变化而变化。
进一步的，步骤c)的步骤为：
c-1)将步骤b)中采集的历史数据建立无向加权图进行预处理后将其转换为二维矩阵Aij＝{a00,a01,...a0j,...aij,...}，aij为权重，表示设备i与j之间的社交关系数，将二维矩阵Aij分为训练样本A1、测试样本A2及验证样本A3，A1占Aij的80％，A2占Aij的10％，A3占Aij的10％。
c-2)将训练样本A1作为图卷积神经网络GCN的输入，经过基于谱的图卷积进行卷积运算后得到特征图谱F，
Figure BDA0002736692600000041
C为特征的数量，H×W为一个像素面。
c-3)利用Spatial Attention模型平滑处理特征图谱F，得到特征图谱F在空间上的特征权重W。
c-4)将特征权重W作为K近邻算法KNN的输入进行半监督聚类，得到聚类结果C1＝{c1,c2,c3,...}，C2＝{c4,c5,c6,...}，C3＝{c7,c8,c9,...}，...，其中Ci为第i个聚类块，ci为第i个聚类块中的配电设备单元中设备的序号。
Spatial Attention模型是一种池化模型，具体的，步骤c-3)的步骤为：
c-3.1)在通道维度上对特征图谱F做最大池化后得到
Figure BDA0002736692600000051
对特征图谱F做平均池化处理后得到
Figure BDA0002736692600000052
c-3.2)对
Figure BDA0002736692600000053
及
Figure BDA0002736692600000054
使用字符链接运算得到特征的二维数组
Figure BDA0002736692600000055
c-3.3)利用公式
Figure BDA0002736692600000056
计算特征权重W，式中
Figure BDA0002736692600000057
fn×n为n×n卷积核。
优选的，步骤c-3.3)中n取值为3。
进一步的，步骤d)包括如下步骤：
d-1)根据步骤c)中的聚类结果重新划分社交关系表，将同属于一个聚内的设备关系存放于同一张社交关系表中。
d-2)分别将社交关系表中社交关系数值w(s1)的取值设置为0.5，设备剩余可用资源w(s2)取值设置为0.4，数据传输时间的权重w(s3)的取值设置为0.1。
d-3)通过公式scorei＝si1*w(s1)+si2*w(s2)+si3*w(s3)计算得到同一聚内第i个成员设备的分值scorei，式中si1为第i个设备的社交关系值，si2为第i个设备的设备剩余可用资源，si3为第i个设备的数据传输时间。
d-4)对同一聚内每一个设备的分值进行排序，选取分值最大的设备作为聚头。将测试样本A2及验证样本A3输入步骤c-2)中的图卷积神经网络GCN中分别进行测试和验证。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)在配电物联网中设置至少一个中心服务器及配电设备单元，配电设备单元由若干主设备及若干从设备构成，中心服务器与配电设备单元相互通信；
b)采集配电物联网中配电设备单元的历史数据，将采集的历史数据建立无向加权图和社交关系表；
c)利用自组织图聚类算法将配电设备单元进行聚类；
d)寻找聚类后的每一个分组的聚头，将其作为主设备，其余设备作为从设备，形成配电物联网中中心服务器、主设备及从设备构成的关系网；
e)当中心服务器发送指令给主设备时，主设备将命令传输到从设备，从设备授权中心服务器的模型访问本地数据，中心服务器中的模型在从设备空闲时对本地数据进行训练；
f)训练结束后，训练结果由从设备发送到主设备，主设备将结果传输给中心服务器；
步骤c)的步骤为：
c-1)将步骤b)中采集的历史数据建立无向加权图进行预处理后将其转换为二维矩阵Aij＝{a00,a01,...a0j,...aij,...}，aij为权重，表示设备i与j之间的社交关系数，将二维矩阵Aij分为训练样本A1、测试样本A2及验证样本A3，A1占Aij的80％，A2占Aij的10％，A3占Aij的10％；
c-2)将训练样本A1作为图卷积神经网络GCN的输入，经过基于谱的图卷积进行卷积运算后得到特征图谱F，
Figure FDA0003747558240000011
C为特征的数量，H×W为一个像素面；
c-3)利用Spatial Attention模型平滑处理特征图谱F，得到特征图谱F在空间上的特征权重W；
c-4)将特征权重W作为K近邻算法KNN的输入进行半监督聚类，得到聚类结果C1＝{c1,c2,c3,...}，C2＝{c4,c5,c6,...}，C3＝{c7,c8,c9,...}，...，其中Ci为第i个聚类块，ci为第i个聚类块中的配电设备单元中设备的序号。
2.根据权利要求1所述的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于：步骤b)中无向加权图和社会关系表随历史数据的变化而变化。
3.根据权利要求1所述的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于，步骤c-3)的步骤为：
c-3.1)在通道维度上对特征图谱F做最大池化后得到
Figure FDA0003747558240000021
对特征图谱F做平均池化处理后得到
Figure FDA0003747558240000022
c-3.2)对
Figure FDA0003747558240000023
及
Figure FDA0003747558240000024
使用字符链接运算得到特征的二维数组
Figure FDA0003747558240000025
c-3.3)利用公式
Figure FDA0003747558240000026
计算特征权重W，式中
Figure FDA0003747558240000027
fn×n为n×n卷积核。
4.根据权利要求3所述的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于：步骤c-3.3)中n取值为3。
5.根据权利要求1所述的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于，步骤d)包括如下步骤：
d-1)根据步骤c)中的聚类结果重新划分社交关系表，将同属于一个聚内的设备关系存放于同一张社交关系表中；
d-2)分别将社交关系表中社交关系数值w(s1)的取值设置为0.5，设备剩余可用资源w(s2)取值设置为0.4，数据传输时间的权重w(s3)的取值设置为0.1；
d-3)通过公式scorei＝si1*w(s1)+si2*w(s2)+si3*w(s3)计算得到同一聚内第i个成员设备的分值scorei，式中si1为第i个设备的社交关系值，si2为第i个设备的设备剩余可用资源，si3为第i个设备的数据传输时间；
d-4)对同一聚内每一个设备的分值进行排序，选取分值最大的设备作为聚头。
6.根据权利要求1所述的应用于配电物联网的自组织联邦聚类方法，其特征在于：将测试样本A2及验证样本A3输入步骤c-2)中的图卷积神经网络GCN中分别进行测试和验证。
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