機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制在校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

成波

[摘 要] 針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法在處理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)故障診斷方面的局限性，把機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)結(jié)構(gòu)、知識(shí)獲取及知識(shí)獲取方法等運(yùn)用于校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)中，既擴(kuò)充和完善了現(xiàn)有的知識(shí)庫(kù)，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的專(zhuān)家系統(tǒng)在故障診斷、知識(shí)獲取及自學(xué)習(xí)能力等方面的不足， 很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)故障診斷的技術(shù)性和專(zhuān)業(yè)難度。經(jīng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，得出了機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制在校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷方面的優(yōu)勢(shì)，也為校園網(wǎng)絡(luò)故障的及時(shí)、準(zhǔn)確定位提供了重要的支撐保障。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)故障診斷； 知識(shí)獲取

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 19. 066

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP393；TP181 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）19- 0153- 03

0 引 言

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，信息的飛速發(fā)展在給人們提供便利的同時(shí)也給人們提出了新的機(jī)遇和新的挑戰(zhàn)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息化建設(shè)與管理中心結(jié)合學(xué)校新一輪全員聘任，在全面梳理單位各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)上，參照國(guó)際信息化服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（ITIL），建立面向新城、金川兩校區(qū)統(tǒng)一的呼叫中心、統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控中心、統(tǒng)一信息化服務(wù)知識(shí)庫(kù)的IT綜合服務(wù)體系， 建成統(tǒng)一規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的全業(yè)務(wù)受理一站式服務(wù)大廳。呼叫中心服務(wù)人員通過(guò)Eservices收集校園網(wǎng)絡(luò)故障并進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)。本文將機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制運(yùn)用于校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)中，基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障診斷的知識(shí)自動(dòng)獲取及自動(dòng)回復(fù)功能。

1 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制的知識(shí)結(jié)構(gòu)

機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制就是要使計(jì)算機(jī)模擬人的學(xué)習(xí)行為，對(duì)各類(lèi)特征知識(shí)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，幫助用戶(hù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障特征定位，一方面降低了故障診斷的技術(shù)性和專(zhuān)業(yè)難度，另一方面提高了處理實(shí)際問(wèn)題的能力。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，就是從相關(guān)環(huán)境中獲得有關(guān)信息內(nèi)容，并依據(jù)這些信息內(nèi)容和執(zhí)行環(huán)節(jié)反饋回來(lái)的相關(guān)信息內(nèi)容，修改特征知識(shí)庫(kù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類(lèi)并做出決策來(lái)提高系統(tǒng)的執(zhí)行能力。根據(jù)數(shù)據(jù)信息的特征信息內(nèi)容，執(zhí)行環(huán)節(jié)根據(jù)知識(shí)庫(kù)完成任務(wù)的具體情況，再把獲得的信息內(nèi)容反饋給學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制實(shí)際上是一個(gè)能自動(dòng)處理不確定數(shù)據(jù)信息，并能自動(dòng)完善、調(diào)整數(shù)據(jù)知識(shí)的一種信息處理方式。

機(jī)器學(xué)習(xí)的目的就是通過(guò)一系列實(shí)踐環(huán)節(jié)，最終獲得最好的執(zhí)行結(jié)果。機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)庫(kù)包括樣本特征知識(shí)、操作性知識(shí)和推理性知識(shí)三個(gè)方面的內(nèi)容。知識(shí)庫(kù)里面的樣本特征知識(shí)是指有依據(jù)的數(shù)據(jù)信息知識(shí)，如樣本、數(shù)據(jù)分類(lèi)、模型、決策等。操作性知識(shí)是指對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理規(guī)則及具體的執(zhí)行方法。推理性知識(shí)是指通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)、執(zhí)行結(jié)果、知識(shí)庫(kù)樣本特征等相關(guān)信息，運(yùn)用推理規(guī)則進(jìn)行分析，增加、修改或刪除知識(shí)庫(kù)里的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。

2 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制工作流程

當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)， 首先要采集現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象和診斷信息。系統(tǒng)要進(jìn)行判斷該故障是曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的故障還是新的故障，若是前者，根據(jù)診斷結(jié)論對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，并同步更新知識(shí)庫(kù)。若是后者，系統(tǒng)提取故障現(xiàn)象并存入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制在獲取新知識(shí)的同時(shí)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充和完善。故障診斷模塊是根據(jù)故障的表征現(xiàn)象，利用診斷知識(shí)進(jìn)行深刻的推理。針對(duì)推理成功的故障，系統(tǒng)會(huì)顯示故障原因及建議性的解決方案。針對(duì)推理失敗的故障，系統(tǒng)會(huì)顯示相關(guān)問(wèn)題解答情況，并為后臺(tái)管理員提供診斷依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到新的維修記錄存入知識(shí)庫(kù)時(shí)，啟動(dòng)自學(xué)習(xí)模塊，調(diào)整已有規(guī)則的置信度或生成的新規(guī)則，并通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行全方位的展示。其工作流程如圖2所示。

3 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)獲取

機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制分為知識(shí)修正、知識(shí)抽取、知識(shí)精化和知識(shí)聯(lián)想四類(lèi)[1]。知識(shí)抽取就是通過(guò)具體案例的學(xué)習(xí)，來(lái)獲得各種新概念和新規(guī)則的一種方法。本系統(tǒng)以故障現(xiàn)象為“前件”，以引起故障的最終原因?yàn)椤昂蠹?，生成預(yù)備規(guī)則，以預(yù)備規(guī)則的“前件”為已知事實(shí)、以“后件”為結(jié)束條件，在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行推理匹配。當(dāng)匹配不成功時(shí)，系統(tǒng)以啟發(fā)提問(wèn)的方式進(jìn)行自動(dòng)知識(shí)抽取，從故障現(xiàn)象、故障原因到故障解決，形成一組規(guī)則，這一組規(guī)則要求后臺(tái)工程師給出或默認(rèn)“前件”與“后件”的置信度，產(chǎn)生的新規(guī)則自動(dòng)經(jīng)知識(shí)庫(kù)檢驗(yàn)后放入推理規(guī)則庫(kù)，最終完成知識(shí)的獲取。

4 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)獲取方法

機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)獲取方法是采用人工和系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制相結(jié)合而獲得的。人工知識(shí)獲取方法就是通過(guò)閱讀相關(guān)故障文獻(xiàn)，與前、后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)工程師交流來(lái)獲取知識(shí)，然后將這些知識(shí)進(jìn)行抽取、整理、轉(zhuǎn)換后形成一系列規(guī)則。以特征知識(shí)庫(kù)中存放的維修記錄作為學(xué)習(xí)對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制，生成新的規(guī)則或修正已有規(guī)則的置信度，從而不斷充實(shí)和完善現(xiàn)有的特征知識(shí)庫(kù)。

5 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制中的知識(shí)獲取實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)是基于Windows 7 系統(tǒng)平臺(tái)， JBuilder 9.0開(kāi)發(fā)工具， Oracle 10g數(shù)據(jù)庫(kù)[2]而設(shè)計(jì)的。以故障現(xiàn)象“網(wǎng)卡未連接”為例，通過(guò)人機(jī)交互界面輸入上述故障現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制在校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)中的知識(shí)獲取，整個(gè)知識(shí)獲取過(guò)程如下：

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)模塊讀取該維修記錄，并生成預(yù)備規(guī)則： Pre-Rule= {“網(wǎng)卡未連接； 1.用戶(hù)的電腦未與入戶(hù)信息插座連接網(wǎng)線；2.網(wǎng)線有故障；3.未使用正確的網(wǎng)卡；4.網(wǎng)卡設(shè)置錯(cuò)誤；5.校園網(wǎng)入戶(hù)線纜發(fā)生故障；6.校園網(wǎng)接入設(shè)備發(fā)生故障；7.用戶(hù)上網(wǎng)行為違規(guī)，管理員關(guān)閉端口； 8.由于用戶(hù)房間內(nèi)網(wǎng)線連接方式錯(cuò)誤，產(chǎn)生了環(huán)路現(xiàn)象，觸發(fā)了校園網(wǎng)交換機(jī)的防護(hù)規(guī)則，導(dǎo)致校園網(wǎng)接入端口關(guān)閉?！眪如圖3所示。

（2）以Pre-Rule的前件“網(wǎng)卡未連接”為已知條件，以“由于用戶(hù)房間內(nèi)網(wǎng)線連接方式錯(cuò)誤，產(chǎn)生了環(huán)路現(xiàn)象，觸發(fā)了校園網(wǎng)交換機(jī)的防護(hù)規(guī)則，導(dǎo)致校園網(wǎng)接入端口關(guān)閉?！弊鳛榻Y(jié)束條件，在特征知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行匹配。

（3）如果匹配失敗，則以“網(wǎng)卡未連接”為前件的規(guī)則沒(méi)有Rule01= {網(wǎng)卡未連接； 網(wǎng)口接觸不良； CF01 }，Rule02={網(wǎng)卡未連接；網(wǎng)絡(luò)匯聚或終端設(shè)備故障； CF02 }。

（4）經(jīng)人機(jī)界面顯示后，后臺(tái)工程師或機(jī)器人從故障現(xiàn)象開(kāi)始，一直推理到故障原因，執(zhí)行整個(gè)推理過(guò)程。

（5）當(dāng)后臺(tái)工程師收到請(qǐng)求后，提供2條經(jīng)驗(yàn)： IF 網(wǎng)卡未連接，THEN 網(wǎng)口接觸不良； IF 網(wǎng)卡未連接，網(wǎng)口接觸良好， THEN 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序已損壞。

（6）由以上得出規(guī)則集： Rule01、Rule02， 其中Rule03= {網(wǎng)卡未連接，網(wǎng)口接觸良好； 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序損壞；CF03 }。

（7）根據(jù)置信度調(diào)整方案，將Rule01的置信度調(diào)整為CF′01，并將新的規(guī)則Rule03加入到特征知識(shí)庫(kù)中，使其更新知識(shí)庫(kù)。

6 機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制的理論驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)試

為了驗(yàn)證本文提出的機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制在校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷方面的有效性，進(jìn)行了多次理論驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)試。經(jīng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，得出機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制被運(yùn)用在校園網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)中，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié) 語(yǔ)

判斷一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)，主要是看它的學(xué)習(xí)能力，通過(guò)不斷的自我學(xué)習(xí)，使得機(jī)器能夠自動(dòng)適應(yīng)不同的學(xué)習(xí)環(huán)境。在今后的研究與應(yīng)用中，主要針對(duì)自學(xué)習(xí)過(guò)程中的知識(shí)進(jìn)行分類(lèi)，自動(dòng)收集各種狀態(tài)、現(xiàn)象、圖像，總結(jié)歸納為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)故障中常見(jiàn)的問(wèn)題和解決辦法，最終形成特征知識(shí)庫(kù)。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制獲取知識(shí)，不斷改善系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)故障診斷功能，降低故障現(xiàn)象與原因之間的關(guān)聯(lián)性對(duì)診斷結(jié)果的影響，從而提高各類(lèi)故障診斷的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和高效性。

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