高速公路機電設(shè)備運維專家系統(tǒng)研究

劉陽　杜文良

摘要：隨著廣西高速公路機電設(shè)備日益增多，運維養(yǎng)護工作也日益繁重和重要。文章介紹了應(yīng)用SNMPv3和FINS通信協(xié)議、Drools規(guī)則引擎、UI框架構(gòu)建高速公路機電設(shè)備運維專家系統(tǒng)，通過構(gòu)建高速公路機電設(shè)備運維專家系統(tǒng)對機電設(shè)備運行狀態(tài)信息進行采集和分析，可以實現(xiàn)機電設(shè)備故障的智能診斷，縮短機電設(shè)備的故障發(fā)現(xiàn)及修復(fù)時間，提高養(yǎng)護效率。

關(guān)鍵詞：智慧交通;專家系統(tǒng);故障診斷

中國分類號：U495文獻標識碼：A

0 引言

高速公路機電設(shè)備種類繁多，工作環(huán)境惡劣，分布分散。傳統(tǒng)的人工維護手段對個人的機電運維水平要求比較高，而且出現(xiàn)故障時難以準確定位故障原因，響應(yīng)速度慢，增加了故障修復(fù)時間，嚴重影響了設(shè)備的養(yǎng)護水平。

對機電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并通過基于規(guī)則的智能運維專家系統(tǒng)模塊，將人判斷故障、處置故障的過程整理成計算機能識別的規(guī)則，對設(shè)備故障進行智能輔助診斷和提供維修建議，實現(xiàn)智能派單，可大大縮短高速公路機電設(shè)備的故障停機時間，提高設(shè)備運行效能和高速公路機電系統(tǒng)養(yǎng)護能力。同時，系統(tǒng)將設(shè)備位置信息、拓撲連接信息直觀地顯示在GIS地圖上，并可通過互聯(lián)網(wǎng)、移動端隨時隨地查看設(shè)備狀態(tài)。

1 數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議

高速公路上的機電設(shè)備支持多種通信協(xié)議，如SNMP、FINS協(xié)議等。目前廣西高速公路隧道的部分機電設(shè)備的通信是基于FINS進行通信的，其他大部分設(shè)備都是需要通過IP網(wǎng)絡(luò)來進行通信的，而SNMP是基于TCP/IP協(xié)議族的網(wǎng)絡(luò)管理標準，是一種在IP網(wǎng)絡(luò)中管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的標準協(xié)議。對于支持SNMP協(xié)議的機電設(shè)備，本方案采用SNMP協(xié)議，通過snmpwalk（SNMP的一個工具）對可網(wǎng)管設(shè)備的OID信息進行采集，從而獲得設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如交換機、路由器、服務(wù)器等的IP地址、內(nèi)存使用率等。為了增加系統(tǒng)的安全性，采用SNMPV3版本，與SNMPv1和SNMPv2相比，SNMPv3增強了設(shè)備訪問的安全性，它采用了USM（基于用戶的安全模型，提供認證、加密功能）和VACM（基于視圖的訪問控制模型，確保用戶有特定MIB對象的訪問權(quán)限）技術(shù)。

2 應(yīng)用Drools構(gòu)建專家系統(tǒng)

2.1 Drools介紹

專家系統(tǒng)通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等構(gòu)成[1]。要使計算機能夠理解專家領(lǐng)域知識，需要使用一定的規(guī)則來表示知識，基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是比較常用的方法。其由綜合數(shù)據(jù)庫、知識庫和推理機3個主要部分組成，綜合數(shù)據(jù)庫包含求解問題的世界范圍內(nèi)的事實和斷言[2]。

Drools 是開放源碼規(guī)則引擎，它是用 Java 語言編寫，使用 Rete 算法對所編寫的規(guī)則求值。Drools 可以使用聲明方式表達業(yè)務(wù)邏輯，并且可以在Java代碼中嵌套規(guī)則。根據(jù)高速公路機電設(shè)備故障以及設(shè)備狀態(tài)信息紛繁復(fù)雜的特點，且設(shè)備故障之間大多有相關(guān)性，本方案采用規(guī)則引擎 Drools構(gòu)建專家系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過Drools規(guī)則引擎，將采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)組成事實，并與規(guī)則相匹配，從而判斷設(shè)備是否存在故障。規(guī)則包含觸發(fā)規(guī)則的條件和規(guī)則指定的操作，由高速公路機電運維工程師根據(jù)平時維護的經(jīng)驗進行歸納總結(jié)并錄入知識庫，在系統(tǒng)運行時作為規(guī)則加入到工作內(nèi)存中。采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)整為標準的事實數(shù)據(jù)格式，作為事實條件加入到工作內(nèi)存中。當(dāng)滿足規(guī)則條件時，規(guī)則引擎將激活并在議程中注冊規(guī)則，然后對優(yōu)先級或沖突的規(guī)則進行排序，為執(zhí)行做準備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 診斷規(guī)則分析和定義

前端采集的機電設(shè)備包括PLC控制的設(shè)備（交通燈，指示燈，風(fēng)機等）、交換機、路由器、服務(wù)器等。對于PLC控制的設(shè)備，通過FINS協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)組成JSON格式。以交通燈為例子分析其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及處理流程：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

{

"采集時間"： "2019-06-01 09：00：16"，

"靜態(tài)信息"： {

"設(shè)備名稱"： "交通燈"，

"設(shè)備編碼"： "xxx"，

"設(shè)備品牌"： "不詳"，

"設(shè)備型號"： "XX - 02"，

"設(shè)備IP" ： "xxx"，

"設(shè)備位置"： "河百段（河池公司）->隧道->新煙（丘莫）隧道->右洞"

}，

"實時狀態(tài)"： {

"設(shè)備溫度" ：45，

"在線狀態(tài)" ： "在線"，

"故障反饋" ：0，

"紅燈指令" ： "開"，

"紅燈反饋" ： "開"，

"黃燈指令" ： "開"，

"黃燈反饋" ： "開"，

"綠燈指令" ： "開"，

"綠燈反饋" ： "開"，

"轉(zhuǎn)向指令" ： "開"，

"轉(zhuǎn)向反饋" ： "開"，

}

}

接下來定義各種機電設(shè)備類型產(chǎn)生告警的條件。以交通燈作為例子，對于交通燈的故障診斷規(guī)則可以作如下定義：

（1）交通燈的控制信息與反饋信息是否匹配，信號是否沖突，如指示燈前后都為綠箭，則得出信號顯示沖突的告警。

（2）設(shè)置狀態(tài)數(shù)據(jù)上、下限，當(dāng)相關(guān)值超過預(yù)設(shè)上、下限時，產(chǎn)生告警。例如為設(shè)備溫度設(shè)置上限，設(shè)備溫度>60 ℃，則產(chǎn)生溫度過高的告警。

（3）某些設(shè)備會有本身故障信息反饋，根據(jù)故障反饋字段來生成設(shè)備故障反饋的告警。

2.4 設(shè)備故障鏈路診斷

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采集機對某些設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接是中斷的，有可能是設(shè)備本身的原因，也有可能是上聯(lián)設(shè)備的故障造成設(shè)備不可訪問。通過定義設(shè)備業(yè)務(wù)鏈，建立診斷規(guī)則，進行系統(tǒng)診斷后，如果是父節(jié)點問題，則故障診斷顯示：“由于設(shè)備號為XX的設(shè)備造成本設(shè)備故障，建議檢查XX設(shè)備”;如果是設(shè)備本身問題，則故障診斷顯示：“本設(shè)備故障，請檢查本設(shè)備”。

2.5 運維知識庫維護

除了規(guī)則庫的定義，還要在運維知識庫定義相應(yīng)故障的維修建議。運維工程師通過運維系統(tǒng)獲取維修設(shè)備的建議，將每次設(shè)備故障診斷結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫，可以作為故障預(yù)警分析的數(shù)據(jù)來源。

對采用歷史數(shù)據(jù)進行診斷的策略，需要獲取數(shù)據(jù)庫中的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進行計算，如根據(jù)歷史內(nèi)存占用率、磁盤使用率、系統(tǒng)溫度等指標對設(shè)備性能超限狀態(tài)進行預(yù)警。另外，可以根據(jù)多個設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合診斷。如在多義性路徑識別監(jiān)控應(yīng)用中的輔助校驗?zāi)K，就需要根據(jù)多個設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進行綜合判斷：（1）通過標識點系統(tǒng)和高清卡口系統(tǒng)獲取到車輛通過的流水記錄，對標識點和高清卡口進行流量校核，以輔助校驗標識點和高清卡口點系統(tǒng)的運行質(zhì)量;（2）基于這些流水記錄，輔以從收費系統(tǒng)所獲取的出入口信息后，以作輔助校驗收費系統(tǒng)之用。

3 界面展示模塊

3.1 UI框架選擇

界面展示采用Vaadin框架，它是一個用于構(gòu)建現(xiàn)代web應(yīng)用程序和網(wǎng)站的Java web框架，允許開發(fā)人員非常高效地利用Java創(chuàng)建UI，或者使用HTML模板創(chuàng)建UI，然后使用Java將其綁定到任何后端。

Vaadin具有以下特點：讓開發(fā)人員可以專注于UI的架構(gòu);不需要考慮客戶機-服務(wù)器通信;擁有豐富的UI組件;可以使用Java或HTML模板構(gòu)建可重用的UI組件;有數(shù)據(jù)綁定API，使用類型安全的Java將UI組件連接到任何后端;路由器API可以創(chuàng)建分層的頁面結(jié)構(gòu)。

3.2 界面展示的主要功能

（1）提供運維工程師錄入規(guī)則引擎的知識庫界面，如告警（信息）規(guī)整規(guī)則、診斷規(guī)則、處置方法等，對導(dǎo)入的規(guī)則、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)進行合法性檢驗。

（2）定義設(shè)備告警掃描間隔，接收經(jīng)過智能診斷模塊上報的告警信息，查看所有當(dāng)前及歷史設(shè)備告警信息。

（3）在智能診斷時根據(jù)設(shè)備告警信息對歷史告警處理工單進行自動檢索，顯示歷史處理工單，以供維護人員參考。

（4）以豐富的圖文展示設(shè)備故障率、可用率、報廢率等統(tǒng)計信息。

（5）系統(tǒng)結(jié)合GIS地圖展現(xiàn)機電設(shè)備分布位置，根據(jù)站點的設(shè)備狀態(tài)信息顯示相應(yīng)的顏色，如果設(shè)備存在告警，則圖標顯示紅色。

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

系統(tǒng)在廣西高速公路的河百路段、貴合路段等多個路段進行實際部署測試，根據(jù)設(shè)置的知識庫規(guī)則，系統(tǒng)能夠根據(jù)上報的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，自動診斷出相應(yīng)的故障類型。運維人員還可以根據(jù)設(shè)備名稱、路段、設(shè)備IP等屬性進行告警信息篩選，并激活故障工單流程。

設(shè)備故障也可以在移動端和PC端的GIS地圖上進行展示。站點圖標根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)進行展示，包括正常、故障、在維修狀態(tài)。如果該站點存在設(shè)備告警、維修的情況，則站點顯示相應(yīng)狀態(tài)圖標。

5 結(jié)語

高速公路機電設(shè)備運維專家系統(tǒng)通過采用SNMPv3、FINS等協(xié)議，對高速公路機電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集、匯總，通過構(gòu)建基于Drools引擎的專家系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析診斷，對整體和局部的設(shè)備運行情況做出預(yù)測，判斷故障原因并提供檢修方法，并在展示界面將設(shè)備的運行狀態(tài)以圖、表、警告等方式提示監(jiān)控人員和運維人員，提高高速公路機電設(shè)備運維效率。

參考文獻：

[1]鄭曉波.智能型操作票專家系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].成都：西華大學(xué)，2007.

[2]曹 璐，肖 乾，王 莉.電線電纜的電磁兼容分類專家系統(tǒng)的建立[J].民用飛機設(shè)計與研究，2010（1）：51-53，60.