基于智能決策CBR技術(shù)的高校網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊厚云，回廣福，付興建，王巧玲，孔德娟

（1.北京信息科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

通訊與網(wǎng)絡(luò)

基于智能決策CBR技術(shù)的高校網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊厚云1，回廣福1，付興建2，王巧玲2，孔德娟2

（1.北京信息科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192）

設(shè)計(jì)了一種智能決策CBR技術(shù)的高校網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用CBR技術(shù)模擬人工網(wǎng)絡(luò)故障解決過(guò)程。此外，本研究還設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策支持系統(tǒng)及其開(kāi)發(fā)流程，并融合智能決策支持系統(tǒng)優(yōu)化人員調(diào)配流程。

網(wǎng)絡(luò)故障；智能決策；CBR

0　引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得校園網(wǎng)已經(jīng)成為高校必備的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，為學(xué)校的教學(xué)、科研、管理與服務(wù)提供運(yùn)行平臺(tái)。隨著校園網(wǎng)不斷延伸，其故障報(bào)修頻率越來(lái)越高，任何一處網(wǎng)絡(luò)故障都會(huì)給用戶學(xué)習(xí)生活帶來(lái)不便。目前校園網(wǎng)故障處理過(guò)程中主要存在兩方面問(wèn)題：1）人員調(diào)度問(wèn)題，故障多層轉(zhuǎn)交和多次重新分析以及責(zé)任互相推諉等問(wèn)題降低了故障管理效率；2）故障分析過(guò)程問(wèn)題，由于故障分析過(guò)程復(fù)雜，需要工作人員具有全面綜合的技術(shù)水平，才能及時(shí)的處理故障問(wèn)題，因此人員的技術(shù)水平直接影響故障處理效率。基于以上網(wǎng)絡(luò)故障處理存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，高校校園網(wǎng)亟需一個(gè)有效的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn)快速判斷，并在第一時(shí)間指定故障處理人員。

目前智能決策支持系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于教育［1］、醫(yī)療［2］、航運(yùn)［3］、公益服務(wù)［4］、供水系統(tǒng)［5］等多個(gè)方面，智能決策正在被越來(lái)越多的運(yùn)用。

1　智能網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)的構(gòu)建

運(yùn)用CBR技術(shù)將北京信息科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)故障分析過(guò)程通過(guò)人工智能進(jìn)行模擬，完成網(wǎng)絡(luò)故障描述、檢索、重用、調(diào)整、學(xué)習(xí)等部分工作，實(shí)現(xiàn)電腦代替人工分析網(wǎng)絡(luò)故障的工作。

1.1基于CBR技術(shù)的智能決策

案例推理又稱CBR（CASE-BASED REASONING），是一種基于案例的類(lèi)比推理法，基本原理是模仿人類(lèi)思維方式，通過(guò)搜索已有案例庫(kù)，找到相似案例后，根據(jù)當(dāng)前案例對(duì)原案例進(jìn)行改編和學(xué)習(xí)，從而尋找到解決當(dāng)前案例的辦法。

1.2案例推理核心技術(shù)

案例推理技術(shù)是人工智能的一個(gè)重要技術(shù)。目前基于案例推理技術(shù)（CBR）的核心技術(shù)分為五個(gè)部分：表示、檢索、重用、調(diào)整、學(xué)習(xí)。CBR在北京信息科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策中的詳細(xì)步驟如下：

1）校園網(wǎng)絡(luò)故障管理案例表示方法

案例表示過(guò)程就是把案例以某種約定形式描述成為知識(shí)，然后編碼成某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過(guò)程，本文采用petri網(wǎng)表示方法完成描述。

圖1　網(wǎng)絡(luò)故障描述框架

將校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策方案用三元組表示：故障問(wèn)題描述；故障解決方案描述；故障解決方案效果描述。網(wǎng)絡(luò)故障案例庫(kù)由故障描述和解決措施兩個(gè)部分組成，針對(duì)校園網(wǎng)絡(luò)故障管理的故障方案描述由故障類(lèi)型、故障范圍、時(shí)間間隔組成。以petri網(wǎng)表示方法［6］建立網(wǎng)絡(luò)故障描述框架如圖1所示。

在案例庫(kù)中一務(wù)案例的內(nèi)容如表1所示。

表1　校園網(wǎng)絡(luò)故障管理案例內(nèi)容

2）校園網(wǎng)絡(luò)故障案例檢索方法

假設(shè)待解決案例為Ax，案例庫(kù)中的案例集表示A=｛A1，A2，…，An｝，根據(jù)索引選出相似案例集B=｛Atp｝，其中tp為索引號(hào)，B∈A。案例檢索匹配就是從B中檢索出與Ax相似度滿足所設(shè)閾值的一個(gè)或者多個(gè)案例的過(guò)程。

通過(guò)字段匹配技術(shù)［7］實(shí)現(xiàn)檢索過(guò)程，字段匹配公式如下：

匹配度=匹配字?jǐn)?shù)/［（M的字?jǐn)?shù)+N的字?jǐn)?shù)）/2］，其中M、N分別代表當(dāng)前案例中某索引下字?jǐn)?shù)與案例庫(kù)中所檢索案例的相同索引下字?jǐn)?shù)。

根據(jù)表1所示內(nèi)容，案例庫(kù)中一務(wù)完整的案例應(yīng)包含序號(hào)、標(biāo)題、故障類(lèi)型、故障范圍、檢測(cè)情況、故障原因、解決措施、指導(dǎo)故障處理人員8項(xiàng)，而與當(dāng)前待解決案例匹配時(shí)只需匹配故障類(lèi)型、故障范圍、檢測(cè)情況這三個(gè)字段。假設(shè)當(dāng)前案例與表1具有相同索引情況，如表2所示。

表2　當(dāng)前案例內(nèi)容

計(jì)算當(dāng)前案例與表1中案例匹配度：

故障類(lèi)型匹配度計(jì)算：“輸入網(wǎng)址無(wú)法打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)”與“輸入網(wǎng)址打開(kāi)緩慢”匹配字?jǐn)?shù)=6，M=10，N=8，所以匹配度=6/［（10+8）/2］=0.67。按照此方法計(jì)算故障范圍匹配度為0.83，檢測(cè)情況匹配度為1，三者平均匹配度為（0.83+0.67+1）/3=0.83。若設(shè)定閾值為0.6，則0.83＞0.6，表示表2中案例與當(dāng)前案例匹配。

3）校園網(wǎng)絡(luò)故障案例重用

案例重用是指在匹配到案例庫(kù)中的舊案例后，通過(guò)舊案例故障解決措施來(lái)解決當(dāng)前案例問(wèn)題的過(guò)程。但是通常情況下舊案例與新案例不會(huì)完全匹配，這就需要通過(guò)案例編輯和修改來(lái)調(diào)整出與當(dāng)前案例更加匹配的案例。CBR中案例庫(kù)設(shè)計(jì)為可視化界面，用戶通過(guò)人機(jī)界面可直接對(duì)匹配到的舊案例進(jìn)行修改。

4）校園網(wǎng)絡(luò)故障案例調(diào)整

校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)中，首先要通過(guò)案例檢索來(lái)匹配出與當(dāng)前案例最匹配的舊案例，然后根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行修改，使檢索出的舊案例能夠解決當(dāng)前的案例問(wèn)題。

基于規(guī)則推理又稱RBR（Rule-Based Reasoning）技術(shù)是專(zhuān)家系統(tǒng)的一種推理形式，其過(guò)程是錄入事故信息后在規(guī)則庫(kù)中檢索出適合當(dāng)前案例的專(zhuān)家規(guī)則，對(duì)每務(wù)專(zhuān)家規(guī)則進(jìn)行修正判斷，如果需要修正，則把專(zhuān)家規(guī)則添加到故障處理預(yù)案中。如果不需要修正，則判斷下一務(wù)規(guī)則，直到判斷完所有規(guī)則，RBR案例調(diào)整流程如圖2所示。

圖2　RBR案例調(diào)整流程示意圖

5）校園網(wǎng)絡(luò)故障案例學(xué)習(xí)

在每次進(jìn)行CBR運(yùn)算出當(dāng)前案例故障處理的措施并成功解決問(wèn)題后，是否考慮將此次案例添加到案例庫(kù)中，是案例學(xué)習(xí)的目的。若所有新案例在計(jì)算后都添加到案例庫(kù)，會(huì)造成案例庫(kù)檢索時(shí)效率降低。通過(guò)案例學(xué)習(xí)更加科學(xué)地將有價(jià)值案例添加到案例庫(kù)中，使案例庫(kù)在完善的同時(shí)且不降低檢索效率。

設(shè)案例集A=｛A1，A2，…，An｝，Ax表示當(dāng)前案例，將Ax與案例集中的源案例進(jìn)行匹配，同樣采用案例檢索中字段匹配技術(shù)，計(jì)算出Ax與A中案例匹配度，并設(shè)定一個(gè)閾值w，當(dāng)Ax與A中所有原案例匹配度小于w時(shí)，將新案例添加到案例庫(kù)中；當(dāng)Ax與A中任意案例匹配度大于w時(shí)，刪除當(dāng)前案例。

2　智能網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在運(yùn)用CBR技術(shù)的智能決策算法分析完成后，需要對(duì)智能決策支持系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)流程規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能分析網(wǎng)絡(luò)故障功能。

2.1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)的修改和補(bǔ)充、管理員管理、操作員數(shù)據(jù)錄入、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)包監(jiān)控、認(rèn)證監(jiān)控、智能決策系統(tǒng)等方面內(nèi)容。在校園局域網(wǎng)環(huán)境下，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，管理員對(duì)決策系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行維護(hù)；用戶提交故障后，操作員根據(jù)受理故障情況，通過(guò)打開(kāi)智能決策支持系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行故障錄入；監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備、數(shù)據(jù)包、認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；決策支持系統(tǒng)首先獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)推理和計(jì)算顯示出故障解決措施。圖3為校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策支持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖3　校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策支持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)功能體系如圖4所示。

校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)管理：專(zhuān)家規(guī)則管理、案例庫(kù)管理、新故障案例庫(kù)管理、方法庫(kù)管理、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理；系統(tǒng)管理：系統(tǒng)用戶管理、系統(tǒng)角色管理、系統(tǒng)日志管理；人員調(diào)用管理；信息處理系統(tǒng)管理。

這些功能共同協(xié)作形成決策系統(tǒng)平臺(tái)，使校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)有效運(yùn)行。數(shù)據(jù)管理是為決策出解決故障技術(shù)措施而設(shè)置，解決方案提出后根據(jù)人員調(diào)用管理功能指定某個(gè)崗位員工進(jìn)行故障處理。系統(tǒng)管理為系統(tǒng)管理員建立管理賬戶、管理登錄用戶名密碼及日志整理提供便利。信息處理系統(tǒng)則提供自然語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言之間轉(zhuǎn)換功能，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.3求解過(guò)程

決策系統(tǒng)平臺(tái)核心任務(wù)即為智能決策，為當(dāng)前故障找出適當(dāng)處理方案，智能決策求解過(guò)程如圖5所示。

圖4　校園網(wǎng)絡(luò)故障管理智能決策系統(tǒng)功能體系

圖5　決策任務(wù)求解流程示意圖

1）錄入故障后，經(jīng)過(guò)人機(jī)接口翻譯為機(jī)器語(yǔ)言；

2）從方法庫(kù)中找到描述方法；

3）在數(shù)據(jù)庫(kù)中分析出當(dāng)前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、認(rèn)證等方面數(shù)據(jù)；

4）當(dāng)前故障與當(dāng)前監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)描述；

5）通過(guò)在案例庫(kù)中檢索、重用、以專(zhuān)家?guī)熘袑?zhuān)家知識(shí)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整等步驟，完成問(wèn)題求解，從而提出解決方案。

執(zhí)行人員對(duì)當(dāng)前方案進(jìn)行評(píng)估，若感覺(jué)方案無(wú)法解決當(dāng)前故障，需要調(diào)整，則進(jìn)行故障重新錄入繼續(xù)上述步驟，若方案可解決當(dāng)前問(wèn)題，系統(tǒng)判斷當(dāng)前案例是否為經(jīng)典案例。若是，則添加到案例庫(kù)中；若不是，則刪除當(dāng)前案例后結(jié)束此次決策。

2.4開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)分為兩個(gè)部分，一部分為將CBR實(shí)現(xiàn)過(guò)程分解對(duì)應(yīng)四個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立管理系統(tǒng)并錄入數(shù)據(jù)，集成各自功能部件。另一部為問(wèn)題控制設(shè)計(jì)，對(duì)人員調(diào)用、編程控制、人機(jī)對(duì)話等功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。最終建立各部件之間接口，使之集成為一個(gè)綜合智能決策支持系統(tǒng)。

3　字段匹配檢索代碼實(shí)現(xiàn)

采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)字段匹配檢索實(shí)現(xiàn)過(guò)程。例如，當(dāng)前案例關(guān)鍵語(yǔ)句“輸入網(wǎng)址無(wú)法打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)”，案例庫(kù)中案例關(guān)鍵語(yǔ)句為“輸入網(wǎng)址打開(kāi)緩慢”，通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)判斷相似度過(guò)程如下：

通過(guò)程序運(yùn)行計(jì)算出結(jié)果如圖6所示，通過(guò)運(yùn)行結(jié)果可看出字符相似度為0.67，通過(guò)設(shè)置閾值判斷是否將此案例檢索出作為備選方案。

圖6　字段匹配技術(shù)代碼實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4　應(yīng)用智能網(wǎng)絡(luò)故障管理系統(tǒng)后效果

通過(guò)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)中心應(yīng)用智能決策前后業(yè)務(wù)流程及故障分析過(guò)程加以研究，以列舉實(shí)例、測(cè)速故障處理時(shí)間，分析出應(yīng)用智能決策支持系統(tǒng)后對(duì)人員調(diào)配影響和故障分析過(guò)程的影響。

4.1智能決策應(yīng)用對(duì)人員調(diào)配影響

智能決策支持系統(tǒng)應(yīng)用后對(duì)故障管理流程，在崗位的數(shù)量、技術(shù)水平的要求、人員調(diào)配等方面都有很大的變化。

1）崗位變化

故障管理方式改變使得不同崗位要求技術(shù)等級(jí)有所改變。綜合服務(wù)部?jī)?nèi)的智能決策系統(tǒng)操作員，作為核心人員，要求技術(shù)等級(jí)提高，原來(lái)工作是負(fù)責(zé)咨詢、查詢、故障分類(lèi)并轉(zhuǎn)交等業(yè)務(wù)，應(yīng)用智能決策系統(tǒng)后操作員的工作在原工作基礎(chǔ)上增加以下三務(wù)：

（1）故障分析能力。受理到網(wǎng)絡(luò)故障后有一個(gè)總體判斷，對(duì)故障分類(lèi)要求較高，做到在一開(kāi)始對(duì)故障有個(gè)大概定性，可以為輸入智能決策系統(tǒng)語(yǔ)言做好準(zhǔn)備。

（2）故障輸入表達(dá)能力。當(dāng)接受到故障后，可以將故障時(shí)間節(jié)點(diǎn)、故障影響范圍、故障類(lèi)型等情況用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)表達(dá)出來(lái)，并迅速輸入系統(tǒng)。

（3）故障解決措施判斷能力。當(dāng)智能決策支持系統(tǒng)輸出故障解決方案時(shí)，操作員可以對(duì)解決措施作出初步判斷，判定是否可以解決問(wèn)題。若可以，則聯(lián)系解決措施方案中指定技術(shù)人員解決問(wèn)題，若不可以，則增加或者轉(zhuǎn)換輸入務(wù)件，重新錄入故障描述，再次進(jìn)行分析，并得到新解決方案。

原網(wǎng)絡(luò)部和系統(tǒng)部技術(shù)人員原工作為項(xiàng)目建設(shè)、故障分析、故障修復(fù)，應(yīng)用智能決策系統(tǒng)后可以省去故障分析這一重要工作，故而對(duì)技術(shù)等級(jí)要求相對(duì)降低。

2）人員調(diào)配變化

應(yīng)用智能決策支持系統(tǒng)后，即解決了技術(shù)人員之間工作相互干擾、業(yè)務(wù)互相推諉現(xiàn)象。當(dāng)操作員判定系統(tǒng)決策出來(lái)的解決方案可行時(shí)，則會(huì)直接指定技術(shù)人員處理故障，快速、便捷。

4.2智能決策對(duì)設(shè)備故障管理影響

智能決策支持系統(tǒng)模擬人的思維，決策過(guò)程中有兩處正是人類(lèi)思維模擬的體現(xiàn)：

1）將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為案例表示中的一部分。這一行為即為模擬技術(shù)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定故障節(jié)點(diǎn)的過(guò)程。

2）通過(guò)案例推理庫(kù)推理方式，找到相似案例，經(jīng)過(guò)修正后決策出當(dāng)前案例解決方案。這一行為正是模擬人類(lèi)利用工作經(jīng)驗(yàn)根據(jù)當(dāng)前故障現(xiàn)象找出故障節(jié)點(diǎn)。

因此判斷故障時(shí)不再需要高水平的專(zhuān)業(yè)技能、不再需要豐富的網(wǎng)絡(luò)故障處理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備故障的管理更加精準(zhǔn)和高效。

5　結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是根據(jù)高校信息網(wǎng)絡(luò)中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障管理相關(guān)流程、故障分析過(guò)程特征等信息多年積累后，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)決策系統(tǒng)模擬人工處理網(wǎng)絡(luò)故障過(guò)程，實(shí)現(xiàn)快速分析診斷決策出故障解決方案并指導(dǎo)人員調(diào)配，從而使網(wǎng)絡(luò)故障管理逐漸由經(jīng)驗(yàn)型向智能型發(fā)展，最終達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)故障管理效率，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的目的。

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The design of university network failure management system based on intelligent decision-making CBR technology

YANG Hou-yun1， HUI Guang-fu1， FU Xing-jian2， WANG Qiao-ling2， KONG De-juan2

TP391

A

1009-0134（2016）10-0056-05

2016-07-27

楊厚云（1978 -），女，黑龍江佳木斯人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。