本發(fā)明涉及區(qū)域通信局域網(wǎng)，更具體地說，它涉及一種基于數(shù)字孿生的區(qū)域通信局域網(wǎng)構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的飛速發(fā)展，區(qū)域通信局域網(wǎng)在現(xiàn)代社會中變得愈發(fā)重要。無論是在企業(yè)辦公、教育機構(gòu)還是在城市的基礎(chǔ)設(shè)施中，局域網(wǎng)都承擔(dān)著關(guān)鍵的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的普及，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量和數(shù)據(jù)流量的激增使得高效、穩(wěn)定的局域網(wǎng)成為保障信息流暢傳遞的核心基礎(chǔ)設(shè)施。人們對局域網(wǎng)的需求已經(jīng)從簡單的連接轉(zhuǎn)向了對高帶寬、低延遲、高可靠性和靈活可擴展性的全面追求。

2、目前，區(qū)域通信局域網(wǎng)的構(gòu)建主要依賴于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與部署技術(shù)。這些技術(shù)通常包括：需求分析、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備選型與配置、物理備線、網(wǎng)絡(luò)測試與優(yōu)化等步驟，在設(shè)計過程中，網(wǎng)絡(luò)工程師會利用專業(yè)網(wǎng)絡(luò)模擬軟件進行仿真驗證，并使用測試工具來評估網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性。這些方法依賴于工程師的豐富經(jīng)驗和專業(yè)工具的相關(guān)功能，能夠在一定程度上滿足局域網(wǎng)的建設(shè)需求。

3、然而，隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性增加，這種傳統(tǒng)方法的缺點也逐漸顯現(xiàn)。首先，傳統(tǒng)的局域網(wǎng)構(gòu)建方式通常基于靜態(tài)模型，難以動態(tài)反映實際運行中網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化，無法實時應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)事件；其次，面對大規(guī)模和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，依賴人工經(jīng)驗和傳統(tǒng)仿真工具，可能導(dǎo)致設(shè)計與實際部署效果之間出現(xiàn)差異，以及資源配置的不合理；此外，傳統(tǒng)方法在故障預(yù)測和預(yù)防方面存在不足，主要依賴于事后檢測和反應(yīng)式維護，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷和服務(wù)質(zhì)量下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于數(shù)字孿生的區(qū)域通信局域網(wǎng)構(gòu)建方法，解決相關(guān)技術(shù)中不能動態(tài)反映實際運行中的網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化、不合理的資源配置以及不能預(yù)防設(shè)備故障的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的區(qū)域通信局域網(wǎng)構(gòu)建方法，包括以下步驟：

3、步驟s101，按照預(yù)設(shè)時間間隔t采集預(yù)設(shè)時間段t內(nèi)區(qū)域g內(nèi)的m個設(shè)備的設(shè)備信息、性能數(shù)據(jù)和故障記錄，并將每個設(shè)備的設(shè)備信息、性能數(shù)據(jù)和故障記錄通過第一特征序列表示；

4、第m個設(shè)備的第一特征序列的第n個序列單元表示第m個設(shè)備在第n個時間點的設(shè)備信息、性能數(shù)據(jù)和故障記錄，其中1≤m≤m，1≤n≤n，n=t/t；

5、設(shè)備包括：交換機、路由器、服務(wù)器和終端設(shè)備；

6、設(shè)備信息包括：設(shè)備類型、中央處理器型號、內(nèi)存容量、硬盤類型、接口類型、連接線纜類型、ip地址和端口號；

7、性能數(shù)據(jù)包括：上行流量、下行流量、延遲、吞吐量和丟包率；

8、故障記錄包括：設(shè)備故障的故障類型、故障時間；

9、步驟s102，對m個設(shè)備的設(shè)備信息、性能數(shù)據(jù)和故障記錄進行預(yù)處理，將每個設(shè)備的第一特征序列轉(zhuǎn)換為第二特征序列表示；

10、步驟s103，根據(jù)m個設(shè)備的第二特征序列構(gòu)建拓撲圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；

11、拓撲圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括：節(jié)點、節(jié)點的初始特征和邊；

12、設(shè)備與節(jié)點間建立映射關(guān)系；

13、節(jié)點的初始特征通過與其建立映射關(guān)系的設(shè)備的第二特征序列表示；

14、步驟s104，根據(jù)拓撲圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建局域網(wǎng)評分模型；

15、局域網(wǎng)評分模型的輸入為拓撲圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，輸出為拓撲圖結(jié)構(gòu)的每個邊的評分；

16、步驟s105，通過改進后的冠豪豬優(yōu)化算法結(jié)合局域網(wǎng)評分模型生成區(qū)域g內(nèi)局域網(wǎng)的配置方案；

17、區(qū)域g內(nèi)局域網(wǎng)的配置方案表示m個設(shè)備間的連接關(guān)系。

18、進一步地，t、t、g、m、n、m和n為自定義參數(shù)。

19、進一步地，預(yù)處理的步驟包括：

20、步驟s201，對于缺失的數(shù)據(jù)，使用n個序列單元的平均值進行填充；

21、步驟s202，計算上行流量、下行流量、延遲、吞吐量和丟包率在預(yù)設(shè)時間段內(nèi)的平均值，創(chuàng)建時間序列特征，并拼接在經(jīng)過上述步驟處理后的數(shù)據(jù)之后；

22、步驟s203，計算預(yù)設(shè)時間段內(nèi)延遲的方差，創(chuàng)建延遲波動特征，并拼接在經(jīng)過上述步驟處理后的數(shù)據(jù)之后；

23、步驟s204，計算兩次故障之間的平均時間間隔，創(chuàng)建故障間隔特征，并拼接在經(jīng)過上述步驟處理后的數(shù)據(jù)之后；

24、步驟s205，對經(jīng)過上述步驟處理后的數(shù)據(jù)通過z分數(shù)歸一化方法進行歸一化處理。

25、進一步地，構(gòu)建邊的方式包括：

26、當(dāng)兩個設(shè)備間物理連接時，在這兩個設(shè)備間構(gòu)建邊；

27、當(dāng)兩個設(shè)備間通過軟件協(xié)議建立連接時，在這兩個設(shè)備間構(gòu)建邊；

28、當(dāng)兩個設(shè)備的型號相同時，在這兩個設(shè)備間構(gòu)建邊。

29、進一步地，局域網(wǎng)評分模型包括：第一隱藏層、第二隱藏層和分類器；

30、第一隱藏層包括：n個第一單元和提取器；

31、第n個第一單元輸入每個節(jié)點的第二特征序列的第n個序列單元，輸出第一更新特征；

32、提取器用于將第n個第一單元輸出的第一更新特征作為節(jié)點的初始特征；

33、第二隱藏層輸入拓撲圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，輸出圖更新特征，圖更新特征的每個行向量對應(yīng)一個節(jié)點的第二更新特征；

34、將每個節(jié)點的第二更新特征輸入分類器，分類器的分類空間表示區(qū)域g內(nèi)拓撲圖結(jié)構(gòu)的每個邊的評分。

35、進一步地，第一單元基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)建。

36、進一步地，第二隱藏層的公式為：

37、；

38、；

39、；

40、；

41、；

42、其中s表示第二隱藏層輸出的圖更新特征，表示第m個節(jié)點的第二更新特征，表示第m個節(jié)點的初始特征，表示第m個節(jié)點對應(yīng)的第一權(quán)重參數(shù)，表示鄰接矩陣第i行第j列的元素值，鄰接矩陣的大小為m×m，鄰接矩陣的元素表示節(jié)點之間的連接關(guān)系，元素值通過0或者1表示，0表示節(jié)點之間不存在連接關(guān)系，否則存在連接關(guān)系，表示加權(quán)鄰接矩陣，表示歸一化后的度矩陣，表示度矩陣，度矩陣的大小為m×m，度矩陣的元素表示與節(jié)點存在邊連接的數(shù)量，和分別表示延遲權(quán)重鄰接矩陣和丟包率鄰接矩陣，α和β為0到1之間的隨機數(shù)，分別表示延遲權(quán)重參數(shù)和丟包率權(quán)重參數(shù)，和分別表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的延遲和丟包率，表示逐點相乘，relu表示relu激活函數(shù)。

43、進一步地，局域網(wǎng)評分模型的損失函數(shù)采用交叉熵損失函數(shù)。

44、進一步地，步驟s104使用的改進的冠豪豬優(yōu)化算法的步驟包括：

45、步驟s301，生成符合約束條件的個體數(shù)量為q的初始化種群，其中q為自定義參數(shù)；

46、約束條件包括：

47、物理距離約束：設(shè)備之間的物理距離有限制，因此節(jié)點之間的距離需要小于一個設(shè)定的閾值maxdist，物理距離約束可表示為：

48、；

49、接口類型和數(shù)量約束：設(shè)備之間連接時需要考慮接口類型和數(shù)量的限制，接口類型和數(shù)量約束可表示為：

50、；

51、連接類型約束：不同的設(shè)備支持的連接類型不同；

52、；

53、設(shè)備兼容性約束：不同的設(shè)備之間存在兼容性問題，設(shè)備兼容性約束可表示為：

54、；

55、單邊連接約束：任意兩個設(shè)備之間最多只能有一條邊，單邊連接約束可以表示為：

56、；

57、其中表示設(shè)備和設(shè)備之間的物理距離，maxdist表示最大允許的物理距離，表示設(shè)備和設(shè)備之間是否存在連接，存在為1，不存在為0，表示設(shè)備?已經(jīng)使用的端口數(shù)量，表示設(shè)備可用的端口數(shù)量，表示設(shè)備和設(shè)備支持的連接類型，c表示所有允許的連接類型集合，表示設(shè)備和設(shè)備是否兼容，兼容為1，不兼容為0，表示設(shè)備和設(shè)備之間的邊的數(shù)量；

58、初始化種群的個體通過矩陣編碼表示，矩陣編碼表示為：

59、；

60、其中分別表示第1個節(jié)點與第1個節(jié)點到第m個節(jié)點之間是否存在邊，分別表示第1個節(jié)點到第m個節(jié)點與第1個節(jié)點之間是否存在邊，表示第m個節(jié)點與第m個節(jié)點之間是否存在邊，矩陣編碼的元素值通過0或者1表示，0表示不存在，1表示存在；

61、步驟s302，通過結(jié)合局域網(wǎng)評分模型構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)計算獲得初始化種群中每個個體的適應(yīng)度值；

62、步驟s303，生成取值范圍為0到1之間的隨機數(shù)，當(dāng)該隨機數(shù)小于第一閾值，則執(zhí)行全局探索，否則執(zhí)行局部開發(fā)；

63、第一閾值為自定義可變參數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加而遞減，第一閾值的公式為：

64、；

65、其中表示種群迭代次數(shù)為k+1時的第一閾值，表示種群迭代次數(shù)為k時的第一閾值，β表示0到1之間的遞減因子；

66、步驟s3041，全局探索時，生成取值范圍為0到1之間的隨機數(shù)，當(dāng)該隨機數(shù)小于第二閾值，采用第一防御策略，否則采用第二防御策略；

67、步驟s3042，局部開發(fā)時，生成取值范圍為0到1之間的隨機數(shù)，當(dāng)該隨機數(shù)小于第二閾值，采用第三防御策略，否則采用第四防御策略；

68、第一防御策略的公式為：

69、；

70、；

71、第二防御策略的公式為：

72、；

73、第三防御策略的公式為：

74、；

75、；

76、；

77、；

78、第四防御策略的公式為：

79、；

80、其中表示迭代次數(shù)為k+1時第i個個體的位置，表示迭代次數(shù)為k時第i個個體的位置，表示服從正態(tài)分布的隨機數(shù)，、、、和rand為0到1之間的隨機數(shù)，表示迭代次數(shù)為k時的全局最優(yōu)解，表示迭代次數(shù)為k時捕食者的位置，r為1到q之間的隨機整數(shù)，表示一個二元向量，該向量全部由0構(gòu)成，則，捕食者不再向冠豪豬移動，當(dāng)中包含1時，第二防御策略根據(jù)兩個隨機個體和來確定捕食者是靠近還是遠離冠豪豬，r1、r2和r3為1到q之間的隨機整數(shù)，表示用于控制搜索方向的第一向量參數(shù)，表示迭代次數(shù)為k時的防御因子，表示迭代次數(shù)為k時的氣味擴散因子，k為當(dāng)前迭代次數(shù)，為最大迭代次數(shù)，表示迭代次數(shù)為k時的第i個個體的適應(yīng)度，為第二參數(shù)，避免除數(shù)為0，是速度收斂因子，exp表示指數(shù)函數(shù)；

81、步驟s305，當(dāng)前迭代完成后，根據(jù)循環(huán)種群減少技術(shù)，減少種群的數(shù)量，并更新第一閾值；

82、循環(huán)種群減少技術(shù)的公式為：

83、；

84、其中表示更新后的種群個體數(shù)量，表示種群的最小值，表示迭代次數(shù)為k時的種群數(shù)量，表示循環(huán)變量，為自定義參數(shù)，表示取余運算；

85、步驟s306，當(dāng)當(dāng)前迭代次數(shù)大于等于最大迭代次數(shù)時，將初始化種群中適應(yīng)度最大的個體作為配置方案，否則返回步驟s302，其中最大迭代次數(shù)為自定義參數(shù)。

86、進一步地，目標(biāo)函數(shù)的計算公式為：

87、；

88、其中fitness表示個體的適應(yīng)度值，表示通過局域網(wǎng)評分模型得到的第m個節(jié)點和第n個節(jié)點之間邊的評分，表示個體編碼第m行第n列的元素值。

89、進一步地，在兩個設(shè)備之間通過發(fā)送測試數(shù)據(jù)包的方式獲取丟包率和延遲，并對丟包率和延遲進行加權(quán)求和獲得第一評分，再對第一評分進行歸一化獲得與兩個設(shè)備建立映射關(guān)系的節(jié)點之間的評分對丟包率和延遲進行加權(quán)求和的權(quán)重參數(shù)均為自定義參數(shù)，并且丟包率對應(yīng)的權(quán)重參數(shù)和延遲對應(yīng)的權(quán)重參數(shù)的總和值為1。

90、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過構(gòu)建局域網(wǎng)評分模型得到設(shè)備間連接的評分，再通過改進的冠豪豬優(yōu)化算法得到延遲最低、丟包率最低的局域網(wǎng)配置，以此實現(xiàn)對區(qū)域通信局域網(wǎng)的動態(tài)模擬，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)測，以及實現(xiàn)對潛在故障的檢測。