基于地理信息系统的海底光缆路由规划与风险评估技术研究

作     者：王静婷 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高冠军

授予年度：2023年

学科分类：081603[工学-地图制图学与地理信息工程] 081505[工学-港口、海岸及近海工程] 081802[工学-地球探测与信息技术] 07[理学] 08[工学] 070503[理学-地图学与地理信息系统] 0810[工学-信息与通信工程] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0815[工学-水利工程] 0705[理学-地理学] 0816[工学-测绘科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 081001[工学-通信与信息系统] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海底光缆 风险评估 路由规划 蚁群算法 层次分析法 

摘      要：海底光缆系统承载了全球95%以上的国际信息传输业务,是重要的基础设施,为推动全球化经济和信息化发展提供了强大支撑,具有广泛的应用前景和深远的战略意义。和陆地光缆系统相比,海底光缆系统的建设成本高、维修难度大,一旦发生故障将会造成巨大的经济损失和严重的社会影响。因此,海底光缆系统的风险评估和路由规划设计,对提高海底光缆网络的可靠性尤为重要。传统的海底光缆路由规划主要基于专家经验,风险评估难以定量,难以实现精确的风险评估以及综合考虑经济性和可靠性的路由规划设计。因此,建立系统的、科学的海底光缆路由定量风险评估模型和设计多目标路由规划算法,提高海底光缆路由的可靠性具有重要意义。本文基于风险矩阵和层次分析法建立了海底光缆路由定量风险评估模型,实现海底光缆路由可靠性的量化评估。同时,综合考虑经济性和可靠性,建立海底光缆多目标路由规划模型,设计一种基于帕累托(Pareto)最优解集的改进蚁群算法,实现海底光缆路由的优化设计。最后,基于地理信息系统(GIS)对两个模型进行仿真验证。论文完成的主要工作和研究内容如下:一、本文对海底光缆历史损坏统计数据进行分析,选取渔业活动、船运活动、地震、火山、海底斜坡、海底生物六个因素对海底光缆路由进行风险评估,构建了基于风险矩阵和层次分析法的海底光缆路由风险量化评估模型。结合实际地理信息数据,使用地理信息系统进行仿真验证,评估不同防护措施下新跨太平洋(NCP)国际海底光缆S3段路由的风险等级评分。仿真结果显示,该段路由的防护措施提升后,路由的最大风险等级评分由4降到1.9621,平均风险等级评分由1.5336降到1.1071,与原评分相比,下降了 27.8%。二、针对海底光缆路由规划问题,建立以最少基础建造成本和最低风险等级评分为目标的多目标路由规划模型,并提出一种基于帕累托(Pareto)最优解集的改进蚁群算法,重新设计启发函数、信息素更新机制、状态转移规则,定义Pareto极优解的判定方法。仿真结果表明当蚁群数量m=700,最大迭代次数Nc=100,信息素因子α=1,启发函数因子β=1,信息素挥发因子ρ=0.4时算法的求解质量最优。同时,蚁群数量为200时,相较于基本蚁群算法,优化算法的最优基础建造成本和安全等级评分改善最为显著,分别降低了 20.37%和38.73%。三、基于栅格法对大规模海域地形进行建模,使用单元栅格存储高程值、坡度、基础建造成本以及风险等级评分,为海底光缆多目标路由规划模型的应用奠定基础。以大西洋部分海域为例,基于地理信息系统生成栅格地图,使用改进后的蚁群算法对模型进行求解,得出14个可行路由方案,其中Pareto最优路由解集包含3条路由,并根据Pareto最优解判断方法实现优中选优。仿真结果表明,本文选出的极优路由显著避开了基础建造成本和风险等级评分较高的区域,为决策者提供规划参考。