CN113536738A - 一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置 - Google Patents

Abstract

一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置，能够智能识别不同设备的通信协议特征码并自动配置新协议规约，实现了配电物联网多规约智能识别及转换，解决配电网设备通信协议差异大导致的海量设备难以互联协作的问题。具有多种规约自适应匹配功能，能够适配多种接口类型的配用电终端，有利于实现配电网接入网的标准化，降低配电网通信系统的运维工作量。在通信接入单元与多个通信终端之间采用微功率无线通信技术，能够将低压载波覆盖不到的配用电终端节点接入配电网通信主站，能够很好地适应配电网覆盖面积大、低压电力设备采用的通信类型与总线不匹配的特点。所提供的无线通信装置成本低、部署方便。

Description

一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置

技术领域

本发明涉及配电网络技术领域，具体涉及一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置。

背景技术

配电网处于电力系统末端，覆盖面积大，设备种类和数量多，当前实际配电业务中的低压电力设备所采用的通信类型往往无法与总线相匹配，造成通信壁垒，致使安全风险增大，对设备的协议具有兼容性、可扩展性、轻量级等需求。

我国电网中存在的通信规约版本较多，比如IEC版本、电力行业协会版本、国家电网公司版本、南方电网公司版本、企业标准版本以及电力公司各省份版本等。各个规约版本之间差异极大，系统之间难以协同合作，导致配电物联网馈线终端、配变终端及远方终端通信系统开发难度大，无法适用于多类型的通信规约。目前，规约处理的一般做法是：利用规约转换器将二进制数据流按照报文头、地址域、用户数据标识、用户数据、报文尾等帧结构组合进行解析或组包。现有规约转换器具有的通信接口类型较少，存在通信壁垒缺陷,缺少对无线通信功能的考虑，限制了物联网上行规约、下行规约及其变种规约之间的转换，不能很好地适配于配电物联网的兼容性、可扩展性等通信需求。

发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种能够识别不同设备的通信协议特征码并自动配置新协议规约的基于神经网络的多协议规约无线转换装置。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置，包括：

中央处理单元；

通信接口模块，安装于配电网主干线上有无线公网或光线或中压载波信号覆盖的地方，其连接于中央处理单元，通信接口模块用于接收不同通信规约的配电设备发送的配置数据、参数及参数值；

通信规约库，其与中央处理单元相连，用于存储通讯规约、通讯规约转换规则、通讯规约所对应的源码解析规则、通讯规约所对应的程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则、统一源码形成统一通讯规约的形成规则、配电网终端地址标识与配电网终端所用的通讯规约的对应关系以及统一源码在统一通讯规约下，统一源码与模拟量数据信息、参数及参数值的翻译规则；

协议转换模块，其与中央处理单元相连，用于配电物联网中进行多种规约的识别和转换；

协议转换管理模块，其与中央处理单元相连，用于存储通信规约转换规则、通信规约所对应的源码解析规则和程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则，协议转换管理模块用于协议转换模块进行管理；

微功率无线通信模块，安装于集中器上，其与中央处理单元相连；

电源模块，其分别与中央处理单元、通信接口模块、微功率无线通信模块、通信规约库、协议转换模块、协议转换管理模块供电。

进一步的，上述协议转换模块包括：

实时数据库，用于存放上行规约和下行规约，实时数据库用于数据的缓存和传递，采集侧的各个下行规约将自身采集到的数据写入实时数据库中，转发侧的上行规约需要某个数据时，直接从实时数据库中读取；

神经网络识别模块，通过神经网络识别算法对不同协议中的特征码进行识别，并获取规约报文中的监测数据，并将监测数据存入实时数据库。

进一步的，协议转换管理模块对协议转换模块进行管理内容包括：新通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约转换规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约所对应的源码解析规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出、通讯规约所对应的程序语法规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的规约源码的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；规约源码翻译成的通用语言的设置；翻译规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出。

进一步的，神经网络为反向传播网络学习算法，该网络到第1层为输入层，第Q层为输出层，第1层与第Q层之间为N层隐层，第q层的神经元个数为n_q，q∈{1,2,...,Q}，通过公式

计算得到第p组数据的输入样本

式中

为第p组输入样本的第i个神经元，i∈{1,2,...,n_Q}，n_Q为第p组输入样本中的神经元的总数，

为输出样本，

为第p组输出样本的第i个神经元，通过公式

计算第p组数据下第q层网络神经元与第q-1层网络神经元的映射关系y，

为第p组数据下其q层中第i个神经元的变换函数，a为变换函数的系数，通过公式

建立神经网络的输入输出关系，其中i为第q层的第i个神经元，j为第q-1层的第j个神经元，i∈{1,2,...,n_q}，j∈{1,2,...,n_q-1}，

为输入到第q层的第i个神经元与第第q-1层的第j个神经元的连接权值系数，

为第p组数据下第q层中第i个神经元的变换函数，

为第p组数据下第q层神经网络输出样本的第i个神经元，

为第p组数据下第q-1层神经网络输出样本的第j个神经元。

进一步的，上述协议转换模块进行规约的识别和转换的方便包括如下步骤：

a)主动上传式规约的实际数据经物理通道获取，获取后经过数据预处理形成待识别数据文件，问答式规约的数据文件依次经建立常用命令、依次查询、自动生成数据获得，获得后经预处理形成待识别数据文件，数据预处理完成特征码提取及特征码规格化；

b)对配电物联网终端施加某一命令时，响应数据中的固定长度的报文头、控制域、链路地址域、结束字符均视为特征码，提取帧头开始的一定长度的数据，完成特征码提取；

c)将通讯速率作为所支持规约配置方案的待选参量，利用常用命令表对各类规约进行查询，并记录查询结果，完成通讯速率自动识别；

d)根据新规约的规定建立一张包含标准设置的常用命令表，完成添加新规约。本发明的有益效果是：能够智能识别不同设备的通信协议特征码并自动配置新协议规约，实现了配电物联网多规约智能识别及转换，解决配电网设备通信协议差异大导致的海量设备难以互联协作的问题。具有多种规约自适应匹配功能，能够适配多种接口类型的配用电终端，有利于实现配电网接入网的标准化，降低配电网通信系统的运维工作量。在通信接入单元与多个通信终端之间采用微功率无线通信技术，能够将低压载波覆盖不到的配用电终端节点接入配电网通信主站，能够很好地适应配电网覆盖面积大、低压电力设备采用的通信类型与总线不匹配的特点。所提供的无线通信装置成本低、部署方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的协议转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。

一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置，包括：

中央处理单元，其作为整个装置的控制中枢，用于协调各个模块，处理各模块之间的信息传递并下达相应地命令指示；按照系统程序赋予的功能接收并存储数据，监测各模块的状态，并能诊断程序中的语法错误，实现配电网通信主站和通信终端的无线通信交互功能。

通信接口模块，安装于配电网主干线上有无线公网或光线或中压载波信号覆盖的地方，其连接于中央处理单元，通信接口模块用于接收不同通信规约的配电设备发送的配置数据、参数及参数值。为配电网通信主站及外围设备通信提供多种连接方式，方便集成到各种系统中，用于接收不同通信规约的配电设备发送的配置数据、消息、参数及参数值，可实现对上行控制命令和下行状态信息的独立处理。通信规约库，其与中央处理单元相连，用于存储通讯规约、通讯规约转换规则、通讯规约所对应的源码解析规则、通讯规约所对应的程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则、统一源码形成统一通讯规约的形成规则、配电网终端地址标识与配电网终端所用的通讯规约的对应关系以及统一源码在统一通讯规约下，统一源码与模拟量数据信息、参数及参数值的翻译规则。

协议转换模块，其与中央处理单元相连，用于配电物联网中进行多种规约的识别和转换；

协议转换管理模块，其与中央处理单元相连，用于存储通信规约转换规则、通信规约所对应的源码解析规则和程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则，协议转换管理模块用于协议转换模块进行管理；

微功率无线通信模块，安装于集中器上，其与中央处理单元相连。具体的，包括安装在各个设备终端上的设备无线通信模块和安装在集中器上的集中器微功率无线通信模块，设备无线通信模块用于与对应的设备终端连接，集中器微功率无线通信模块用于与集中器连接，集中器微功率无线通信模块作为本地自组织网络的中心节点接入配电网通信主站，设备无线通信模块用于和其他通信终端进行无线通信，可自适应选择多种数据传送速率，适用于各种无线数据采集通信网络电源模块，其分别与中央处理单元、通信接口模块、微功率无线通信模块、通信规约库、协议转换模块、协议转换管理模块供电。

能够智能识别不同设备的通信协议特征码并自动配置新协议规约，实现了配电物联网多规约智能识别及转换，解决配电网设备通信协议差异大导致的海量设备难以互联协作的问题。具有多种规约自适应匹配功能，能够适配多种接口类型的配用电终端，有利于实现配电网接入网的标准化，降低配电网通信系统的运维工作量。在通信接入单元与多个通信终端之间采用微功率无线通信技术，能够将低压载波覆盖不到的配用电终端节点接入配电网通信主站，能够很好地适应配电网覆盖面积大、低压电力设备采用的通信类型与总线不匹配的特点。所提供的无线通信装置成本低、部署方便。

实施例1：

上述协议转换模块包括：

实时数据库，用于存放上行规约和下行规约，实时数据库用于数据的缓存和传递，采集侧的各个下行规约将自身采集到的数据写入实时数据库中，转发侧的上行规约需要某个数据时，直接从实时数据库中读取。配电物联网需要进行多种规约及其变种的识别和转换，并方便地增加所支持的规约的种类，然而仅靠字符串比较等常规方法实现起来非常繁琐和困难，因此考虑在协议智能转换模块中添加实时数据库。通常，规约转换器下方的智能设备规约统称为下行规约。下行规约主要用于采集各种传感器设备的实时数据。上行规约主要负责把采集来的数据转发给主站。上行规约通常和主站(远端调度中心、当地后台监控计算机等)通讯，把下行规约采集的设备数据转换成上行规约要求的格式，再传送给主站。此外，上行规约还要把主站的控制命令传递给下行规约，再由下行规约发送到具体的传感器设备，最后由传感器设备执行。上行规约和下行规约的转换是通过实时数据库来实现的。由于上行规约和下行规约的命令、以及报文发送时序不是完全对等的。在上行规约和下行规约添加实时数据库后，该实时数据库可用于数据的缓存和传递，采集侧的各个下行规约只需要负责将自己采集到的数据写入实时数据库中，不用关心数据如何转换成其他规约。转发侧的上行规约需要某个数据时，直接从实时数据库中读取即可，实现采集侧和转发侧协调运行。

神经网络识别模块，通过神经网络识别算法对不同协议中的特征码进行识别，并获取规约报文中的监测数据(即实际采集所得数据)，并将监测数据存入实时数据库。当其他规约需要此监测数据时，直接从实时数据库中取用即可，从而实现多种规约的转换。

实施例2：

协议转换管理模块对协议转换模块进行管理内容包括：新通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约转换规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约所对应的源码解析规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出、通讯规约所对应的程序语法规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的规约源码的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；规约源码翻译成的通用语言的设置；翻译规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出。

实施例3：

本发明采用的神经网络识别算法为反向传播(Back Propagation,BP)网络学习算法，利用多组采集数据作为输入样本，并对其进行矩阵运算，从而训练神经网络并得到输出样本。在网络中，该网络到第1层为输入层，第Q层为输出层，第1层与第Q层之间为N层隐层，第q层的神经元个数为n_q，q∈{1,2,...,Q}，通过公式

计算得到第p组数据的输入样本

式中

为第p组输入样本的第i个神经元，i∈{1,2,...,n_Q}，n_Q为第p组输入样本中的神经元的总数，

为输出样本，

为第p组输出样本的第i个神经元，通过公式

计算第p组数据下第q层网络神经元与第q-1层网络神经元的映射关系y，

为第p组数据下其q层中第i个神经元的变换函数，a为变换函数的系数，通过公式

建立神经网络的输入输出关系，其中i为第q层的第i个神经元，j为第q-1层的第j个神经元，i∈{1,2,...,n_q}，j∈{1,2,...,n_q-1}，

为输入到第q层的第i个神经元与第第q-1层的第j个神经元的连接权值系数，

为第p组数据下第q层中第i个神经元的变换函数，

为第p组数据下第q层神经网络输出样本的第i个神经元，

为第p组数据下第q-1层神经网络输出样本的第j个神经元。利用该样本集首先对BP网络进行训练，也即对网络的连接权系数进行学习和调整，以使该网络实现给定的输入输出映射关系。经过训练的BP网络，对于不是样本集中的输入也能给出合适的输出。

实施例4：

上述协议转换模块进行规约的识别和转换的方便包括如下步骤：

a)实际数据获取：规约类型分为主动上传式和问答式，主动上传式规约的实际数据经物理通道获取，获取后经过数据预处理形成待识别数据文件，问答式规约的数据文件依次经建立常用命令、依次查询、自动生成数据获得，获得后经预处理形成待识别数据文件，数据预处理完成特征码提取及特征码规格化。

b)特征码提取：对配电物联网终端施加某一命令时，响应数据中的固定长度的报文头、控制域、链路地址域、结束字符均视为特征码，特征码提取即提取帧头开始的一定长度的数据。

c)通讯速率自动识别：将通讯速率作为所支持规约配置方案的待选参量，利用常用命令表对各类规约进行查询，并记录查询结果。假定支持的规约为n种，支持的通讯速率为m种，则可以形成m×n组数据。记录上述m×n组数据，选择其中逻辑最适配的一组作为确定通讯速率，写入通讯配置文件。此外，可采用查询与判断并行的方法加快识别速度，即找到一组逻辑适配的数据后马上停止查询过程，记录通讯速率并转向识别模块。

d)根据新规约的规定建立一张包含标准设置的常用命令表，完成添加新规约。其大致流程为：根据常用命令表获得实际数据→数据预处理→训练人工神经网络→自动识别并配置规约。

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 (5)

1.一种基于神经网络的多协议规约无线转换装置，其特征在于，包括：

中央处理单元；

通信接口模块，安装于配电网主干线上有无线公网或光线或中压载波信号覆盖的地方，其连接于中央处理单元，通信接口模块用于接收不同通信规约的配电设备发送的配置数据、参数及参数值；

通信规约库，其与中央处理单元相连，用于存储通讯规约、通讯规约转换规则、通讯规约所对应的源码解析规则、通讯规约所对应的程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则、统一源码形成统一通讯规约的形成规则、配电网终端地址标识与配电网终端所用的通讯规约的对应关系以及统一源码在统一通讯规约下，统一源码与模拟量数据信息、参数及参数值的翻译规则；

协议转换模块，其与中央处理单元相连，用于配电物联网中进行多种规约的识别和转换；

协议转换管理模块，其与中央处理单元相连，用于存储通信规约转换规则、通信规约所对应的源码解析规则和程序语法规则、源码转换与统一源码转换的转换规则，协议转换管理模块用于协议转换模块进行管理；

微功率无线通信模块，安装于集中器上，其与中央处理单元相连；

电源模块，其分别与中央处理单元、通信接口模块、微功率无线通信模块、通信规约库、协议转换模块、协议转换管理模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于神经网络的多协议规约无线转换装置，其特征在于，所述协议转换模块包括：

实时数据库，用于存放上行规约和下行规约，实时数据库用于数据的缓存和传递，采集侧的各个下行规约将自身采集到的数据写入实时数据库中，转发侧的上行规约需要某个数据时，直接从实时数据库中读取；

神经网络识别模块，通过神经网络识别算法对不同协议中的特征码进行识别，并获取规约报文中的监测数据，并将监测数据存入实时数据库。

3.根据权利要求1所述的基于神经网络的多协议规约无线转换装置，其特征在于：协议转换管理模块对协议转换模块进行管理内容包括：新通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约转换规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；通讯规约所对应的源码解析规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出、通讯规约所对应的程序语法规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；统一通讯规约的规约源码的创建、删除、查看、编辑、导入和导出；规约源码翻译成的通用语言的设置；翻译规则的创建、删除、查看、编辑、导入和导出。

4.根据权利要求2所述的基于神经网络的多协议规约无线转换装置，其特征在于：神经网络为反向传播网络学习算法，该网络到第1层为输入层，第Q层为输出层，第1层与第Q层之间为N层隐层，第q层的神经元个数为n_q，q∈{1,2,...,Q}，通过公式

(p＝1,2,...,P)计算得到第p组数据的输入样本

式中

为第p组输入样本的第i个神经元，i∈{1,2,...,n_Q}，n_Q为第p组输入样本中的神经元的总数，

为输出样本，

为第p组输出样本的第i个神经元，通过公式

计算第p组数据下第q层网络神经元与第q-1层网络神经元的映射关系y，

为第p组数据下其q层中第i个神经元的变换函数，a为变换函数的系数，通过公式

建立神经网络的输入输出关系，其中i为第q层的第i个神经元，j为第q-1层的第j个神经元，i∈{1,2,...,n_q}，j∈{1,2,...,n_q-1}，

为输入到第q层的第i个神经元与第第q-1层的第j个神经元的连接权值系数，

为第p组数据下第q层中第i个神经元的变换函数，

为第p组数据下第q层神经网络输出样本的第i个神经元，

为第p组数据下第q-1层神经网络输出样本的第j个神经元。

5.根据权利要求1所述的基于神经网络的多协议规约无线转换装置，其特征在于，所述协议转换模块进行规约的识别和转换的方便包括如下步骤：

a)主动上传式规约的实际数据经物理通道获取，获取后经过数据预处理形成待识别数据文件，问答式规约的数据文件依次经建立常用命令、依次查询、自动生成数据获得，获得后经预处理形成待识别数据文件，数据预处理完成特征码提取及特征码规格化；

b)对配电物联网终端施加某一命令时，响应数据中的固定长度的报文头、控制域、链路地址域、结束字符均视为特征码，提取帧头开始的一定长度的数据，完成特征码提取；

c)将通讯速率作为所支持规约配置方案的待选参量，利用常用命令表对各类规约进行查询，并记录查询结果，完成通讯速率自动识别；

d)根据新规约的规定建立一张包含标准设置的常用命令表，完成添加新规约。

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