基于數(shù)據(jù)融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)

肖楠，阮大智，宋凱華

（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司，上海 200232）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心可將來自不同傳感器的信息整合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包，并將多種不同類型數(shù)據(jù)信息參量匯總，以供網(wǎng)絡主機的直接調(diào)取與利用。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，上述處理流程被稱為“數(shù)據(jù)融合”。在網(wǎng)絡主機作用下，已被挑選的數(shù)據(jù)信息參量可與知識庫中存儲的文件自行匹配，一方面輔助故障診斷模塊確定用戶端主機是否連接，另一方面也可將信息反饋至既定數(shù)據(jù)庫主機中[1-2]。由于數(shù)據(jù)融合算法的出現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機中的存儲信息能夠自發(fā)向下級客戶端傳輸，且信息與信息之間的連接映射關系也不會受到任何協(xié)議文件的影響。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行時間的不斷延長，一部分信息參量會表現(xiàn)出異常傳輸行為，從而導致信息參量之間的相對偏差值水平不斷增大。為避免上述情況的發(fā)生，需要準確分辨互聯(lián)網(wǎng)主機所接收到的數(shù)據(jù)，再借助AOP 程序提取與監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸行為[3]。然而，此系統(tǒng)對于異常信息參量的監(jiān)控準確性并不能達到標準，導致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)之間的相對偏差值水平高于理想化數(shù)值。為解決此問題，引入數(shù)據(jù)融合技術，并以此為基礎，設計一種新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由異常識別模塊、多節(jié)點負載均衡模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊三部分組成。

1.1 異常識別模塊

異常識別模塊存在于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心監(jiān)控主機與數(shù)據(jù)庫存儲主機之間，在分析數(shù)據(jù)監(jiān)控任務可行性的同時，將既定指令文件反饋至相關應用元件中，一方面能夠?qū)⒏黝愋彤惓Ｐ袨檫M行區(qū)分，另一方面可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合行為的識別[4-5]。異常識別模塊結(jié)構如圖1 所示。

圖1 異常識別模塊結(jié)構示意圖

通常情況下，異常識別模塊的主體應用結(jié)構能夠同時對數(shù)據(jù)信息融合行為、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行行為、異常行為指標進行識別，且隨著模塊連接時間的增加，數(shù)據(jù)庫主機中存儲的監(jiān)控信息量也會不斷增多。

1.2 多節(jié)點負載均衡模塊

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)中，多節(jié)點負載均衡模塊能夠直接執(zhí)行數(shù)據(jù)融合指令，并可根據(jù)信息參量指標存儲量的不同，確定系統(tǒng)主機所處的運行階段，從而避免運行數(shù)據(jù)偏差值不斷增大[6-7]。整個模塊以monit 元件作為核心結(jié)構，向下則分別連接task 任務主機與load 結(jié)構。

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常行為的表現(xiàn)狀態(tài)有所不同，因此在每一個load 結(jié)構下端附屬兩個work 監(jiān)控設備。其中一個監(jiān)控設備負責記錄數(shù)據(jù)融合指令的運行狀態(tài)，另一個監(jiān)控設備能感知互聯(lián)網(wǎng)運行信息的傳輸形式[8]。多節(jié)點負載均衡模塊結(jié)構如圖2所示。

圖2 多節(jié)點負載均衡模塊示意圖

圖2 中，task 任務主機直接與融合數(shù)據(jù)寄存器設備相連，可對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常數(shù)據(jù)進行初步采集，并將滿足傳輸要求的信息參量反饋至下級應用元件中。

1.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲主機直接相連，可根據(jù)數(shù)據(jù)融合指令的運行狀態(tài)，將已存儲的信息參量整合成多個結(jié)構主體，便于核心監(jiān)控主機的直接調(diào)取與利用[9-10]。一般來說，能夠由模塊主機直接存儲的數(shù)據(jù)信息主要包含EsAggregateData、EsProcessData、EsMethodData三種命名形式，每種數(shù)據(jù)信息的具體字段長度及所屬類型如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)存儲模塊的信息命名機制

為使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常數(shù)據(jù)得到準確監(jiān)控，存儲模塊中所有信息參量字段長度需要保持一致。

2 系統(tǒng)軟件設計

在系統(tǒng)硬件支持下，按照SEP 路由協(xié)議連接、異常信息剔除、相似度矩陣加權值計算流程，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設計，完成基于數(shù)據(jù)融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)設計。

2.1 SEP路由協(xié)議

SEP 路由協(xié)議是執(zhí)行數(shù)據(jù)融合指令時遵循的唯一信息編碼條件。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)中，該協(xié)議定義模式越完善，系統(tǒng)主機對數(shù)據(jù)的編碼能力越強。在不考慮其他干擾條件下，SEP 路由協(xié)議編碼指令的命名行為同時受到數(shù)據(jù)信息傳輸系數(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常行為特征的直接影響[11-12]。

數(shù)據(jù)信息傳輸系數(shù)長表示為λ，該項物理指標的取值區(qū)間存在一定局限，其起始值必須大于自然數(shù)“1”，而終止值則必須小于自然數(shù)“e”。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常行為特征存在最大值rmax和最小值rmin，由其值決定單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)信息的平均融合能力。聯(lián)立上述物理量，可將SEP 路由協(xié)議的編碼條件表示為：

式中，y表示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常數(shù)據(jù)的常規(guī)融合權限，表示待融合數(shù)據(jù)的檢測特征值，d表示特定的融合數(shù)據(jù)標記系數(shù)。

在數(shù)據(jù)融合約束下，所有待剔除的異常信息需要滿足SEP 路由協(xié)議的編碼的要求。

2.2 異常信息剔除

異常信息剔除是執(zhí)行數(shù)據(jù)融合算法的執(zhí)行環(huán)節(jié)，可在已知數(shù)據(jù)參量傳輸目的的前提下，確定監(jiān)控主機與核心融合信息之間的傳輸距離，避免不必要傳輸指令的出現(xiàn)，從根本上控制數(shù)據(jù)融合算法的執(zhí)行時長[13-14]。在數(shù)據(jù)融合指令單位執(zhí)行時間ΔT內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行權限指征χ的取值結(jié)果越小，則表示待剔除的異常信息數(shù)據(jù)越多，反之則越少。

設a表示互聯(lián)網(wǎng)異常運行指令的執(zhí)行系數(shù)，在實際應用過程中，該項指標的最小取值為1。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將監(jiān)控系統(tǒng)主機所遵循的異常信息剔除原則表示為：

式中，w、c表示兩個不同的數(shù)據(jù)信息融合深度指標，I表示與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常行為相關的監(jiān)控指令執(zhí)行系數(shù)項。對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫主機中存儲的所有信息參量需要滿足異常信息剔除的要求。

2.3 相似度矩陣加權值

相似度矩陣加權值計算是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)構建中的重要環(huán)節(jié)，可在數(shù)據(jù)融合算法支持下，分辨兩個監(jiān)控信息參量之間的相似性，不僅滿足數(shù)據(jù)庫主機對于傳輸數(shù)據(jù)參量的實時需求，也可避免異常運行數(shù)據(jù)對系統(tǒng)監(jiān)控指令傳輸中出現(xiàn)的問題[15-16]。

設X1、X2表示兩個不同的相似度量指標，若考慮數(shù)據(jù)融合算法的作用能力，則X1≠X2的不等式條件恒成立。?表示數(shù)據(jù)融合矩陣中已知信息參量的相似度量系數(shù)，在選取作為加權標準值的情況下，可將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)中的相似度矩陣加權值計算結(jié)果表示為：

式中，c表示互聯(lián)網(wǎng)運行異常信息在數(shù)據(jù)融合矩陣中的偏移系數(shù)項。

3 實例分析

為驗證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行主機對異常數(shù)據(jù)信息的提取與監(jiān)控能力，設計如下對比實驗。具體實驗步驟如下：

步驟一：以配置數(shù)據(jù)融合算法的互聯(lián)網(wǎng)運行主機作為實驗組研究對象，以配置多源異構應用系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)運行主機作為對照組研究對象；

步驟二：同時閉合實驗組、對照組的互聯(lián)網(wǎng)主機元件，通過人工干預方式，令運行數(shù)據(jù)實時傳輸速率保持一致；

步驟三：確定互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)偏差指標的理想數(shù)值變化情況；

步驟四：分別對比實驗組、對照組偏差指標數(shù)值與理想數(shù)值。

互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)偏差指標的理想數(shù)值變化情況如表2 所示。隨著實驗時間的變化，互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)偏差值均呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化趨勢。就數(shù)據(jù)信息橫向傳輸行為而言，其偏差值指標的上升幅度相對較大，實驗初始值與最終取值之間的物理數(shù)值差為0.15%；就數(shù)據(jù)信息縱向傳輸行為而言，其偏差值指標的數(shù)值水平在40～60 min 的實驗時間內(nèi)，始終保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，實驗最終取值與初始值之間的物理數(shù)值差為0.07%。

表2 互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)偏差的理想數(shù)值

在橫向傳輸情況下，實驗組、對照組運行數(shù)據(jù)偏差指標的實驗數(shù)值變化結(jié)果如圖3 所示。

圖3 運行數(shù)據(jù)偏差的實驗數(shù)值（橫向傳輸）

分析圖3 可知，在數(shù)據(jù)信息保持橫向傳輸行為的情況下，實驗組運行數(shù)據(jù)偏差指標在整個實驗過程中始終保持來回波動，當時間取值為30 min 時，其數(shù)據(jù)偏差指標達到最大值0.36%，與理想最大值0.50%相比，下降0.14%。除時間取值為40 min 的時間節(jié)點外，對照組運行數(shù)據(jù)偏差指標始終呈現(xiàn)不斷上升趨勢，當時間取值為80 min 時，其數(shù)據(jù)偏差指標達到最大值0.56%，與理想最大值0.50%相比上升了0.06%，遠高于實驗組的極大值。

縱向傳輸情況中，實驗組、對照組運行數(shù)據(jù)偏差指標的實驗數(shù)值結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在數(shù)據(jù)信息保持縱向傳輸行為的情況下，當時間取值處于0～50 min 的區(qū)間內(nèi)時，實驗組運行數(shù)據(jù)偏差呈現(xiàn)來回波動的變化態(tài)勢，而當時間取值處于50～80 min 的區(qū)間之內(nèi)時，實驗組運行數(shù)據(jù)偏差則始終保持連續(xù)上升變化狀態(tài)，其全局最大值為0.35%，與理想極大值0.34%相比上升了0.01%。對照組運行數(shù)據(jù)偏差在整個實驗過程中則始終保持連續(xù)波動的數(shù)值變化狀態(tài)，當時間取值為80 min 時，其全局最大值為0.40%，與理想極大值0.34%相比上升了0.06%，整體均值水平高于實驗組。

圖4 運行數(shù)據(jù)偏差的實驗數(shù)值（縱向傳輸）

在數(shù)據(jù)融合算法作用下，互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)偏差的數(shù)值水平在信息橫向傳輸、縱向傳輸情況下，均能得到較好控制，其平均值始終低于理想數(shù)值水平，這在實現(xiàn)對異常信息參量的準確提取與監(jiān)控方面，能夠起到較好的作用。

4 結(jié)束語

與多源異構型應用系統(tǒng)相比，新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行異常監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)融合算法作為切入點，在異常識別模塊、多節(jié)點負載均衡模塊等多個硬件設備支持下，通過構建SEP 路由協(xié)議的方式，對異常信息參量進行剔除，實現(xiàn)對相似度矩陣加權值的準確計算。實驗結(jié)果顯示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行數(shù)據(jù)之間的相對偏差值水平得到有效控制，符合準確提取并監(jiān)控互聯(lián)網(wǎng)運行異常的實際需求。