基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時鐘診斷服務系統(tǒng)設計

引 言

公共時鐘系統(tǒng)能為人員和設備提供統(tǒng)一的標準時間，廣泛應用于機場、地鐵、高鐵、車站、場館、核電、電廠、教育等行業(yè)領域，是一種重要的基礎設備。其服務應用的領域很多是國家的命脈領域，如果時間服務出現(xiàn)問題，將可能導致火車追尾、核電停堆等重大安全事故。但隨著設備自動化程度的提高以及營運速度的加快，對時鐘同步系統(tǒng)的故障診斷提出了極高的快速性要求。高效率的診斷可以快速恢復功能，節(jié)省停機、拆裝、測試時間，減輕設備損耗和人員工作量，是滿足日益提高的用戶要求的重要方式[1]。

時鐘系統(tǒng)是一個龐大而復雜的通信計時系統(tǒng)，隨著用戶群的不斷增大，診斷服務成為日益嚴峻的現(xiàn)實問題。目前，幾乎每套時鐘系統(tǒng)都需要在當?shù)嘏嘤枌ｉT的維護人員，出現(xiàn)故障還需要生產廠家派專業(yè)人員進行維修，費時費力。因此迫切需要改變專業(yè)人員診斷的服務模式，縮短診斷時間、提高效率。

利用鐘聯(lián)網(wǎng)能夠實時獲取時鐘系統(tǒng)的狀態(tài)，并使現(xiàn)場維 護人員、領域專家及大數(shù)據(jù)之間相互協(xié)作，形成一個廣義的“智 能團”，從而及時進行各項問題的診斷，以更短的時間來做出 更好、更安全的決策，為解決時鐘系統(tǒng)當前面臨的診斷服務困 難，本文設計了一種基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時鐘診斷服務系統(tǒng)。介 紹了鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提出了診斷服務系統(tǒng)的邏輯，并設計了基于 鐘聯(lián)網(wǎng)的診斷服務系統(tǒng)。

經過近三年的運行，結果證明，本文設計的診斷服務系 統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，對公共時鐘進行快速準確的診斷減少了運營 成本，發(fā)揮了重要作用，達到了設計目標。

1 鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是把移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等信息技術與公共時鐘相融合，搭建一個時間服務平臺，實現(xiàn)對全世界所有時鐘終端的隨時隨地感知和實時控制，為用戶提供實用便利的服務，觸發(fā)行業(yè)從產品模式向服務模式的變革。鐘聯(lián)網(wǎng)的體系結構分為四層[2] ：

(1) 感知控制層主要負責相關數(shù)據(jù)的采集，并實施云平臺要求的控制；

(2) 網(wǎng)絡層建立在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡等的基礎上， 負責數(shù)據(jù)傳輸；

(3) 時間同步層用來對公共用鐘對時；

(4) 應用層包括云平臺的各種數(shù)據(jù)服務。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構如圖 1所示。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由GPS/北斗時鐘接收器、時鐘服務器、云平臺、通信網(wǎng)、用戶終端以及眾多的公共時鐘等組成。公共時鐘和用戶終端通過移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式接入云平臺。時鐘服務器能夠通過網(wǎng)絡提供標準時間輸出，采用北斗 GPS 等時間源接入。Web 服務器可提供Web 服務，使用戶通過瀏覽器監(jiān)控、控制設備。數(shù)據(jù)庫用于存儲各種數(shù)據(jù)。用于文件服務器存儲公共時鐘圖片、配置等文件。平臺管理系統(tǒng)對云平臺進行監(jiān)測、配置等管理[3]。其運行的基本過程如下：

(1) 時鐘服務器從導航衛(wèi)星（GPS和北斗）接收標準時間，通過通信網(wǎng)將時間傳輸給各公共時鐘；

(2) 公共時鐘把自身傳感器數(shù)據(jù)傳送到應用服務器；

(3) 運營和保障人員的信息通過用戶終端傳送到云平臺；

(4)應用服務器處理上傳的數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)；

(5) 用 戶通過Web服務器查詢數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)，獲取各種服務，如查看公共時鐘狀態(tài)服務；故障數(shù)據(jù)保存服務；故障通知服務：通過短信、郵件等方式發(fā)送故障信息到用戶；公共時鐘控制服務等。

鐘聯(lián)網(wǎng)對時鐘系統(tǒng)的管控發(fā)揮了重要作用，但還缺少對時鐘系統(tǒng)的診斷服務支持，導致其維修耗時長，維修資源成本昂貴。因此，亟需在應用服務器上部署診斷服務系統(tǒng)[4]。

2 診斷服務邏輯框架

故障診斷（Fault Diagnosis，F(xiàn)D）有廣義和狹義之分，廣義上它作為故障檢測、隔離和辨識的總稱，狹義上是指故障隔離與辨識或是指故障檢測和故障隔離。本文中故障診斷是指狹義上的后者，即指使用硬件、軟件和規(guī)定的方法確定系統(tǒng)故障，查明其原因的技術和需進行的操作[5]。故障診斷過程如圖 2 所示。故障診斷分為如下幾步：

(1) 從檢測點獲取信號和數(shù)據(jù)；

(2) 獲取信息中的特征信息，即故障征兆；

(3) 按規(guī)定的功能要求和性能指標判斷系統(tǒng)是否存在故障，即故障檢測；

(4) 運用與診斷要求相適應的故障診斷方法判定發(fā)生故障的原因，即故障定位[6]。

檢測點之間的關系分為兩種，即串聯(lián)關系與并聯(lián)關系。如圖 2 中，t1、t4、t3 是串聯(lián)關系，t3、t4 是并聯(lián)關系。

對時鐘系統(tǒng)可做如下基本假設：

1)以檢測值的閾值來判斷時鐘系統(tǒng)是否存在故障 ；

2)若檢測值滿足閾值要求，則無故障 ；若檢測值超出閾值范圍，則說明有故障；

3)因為時鐘系統(tǒng)可靠性很高，假設兩個以上（含兩個） 被測部件不會同時出現(xiàn)故障。

4)故障部件與檢測值間的關聯(lián)分為以下兩種情況：

①確定性的。即某故障部件關聯(lián)的檢測值是唯一的，可利用故障信號的可達性假設，根據(jù)檢測點的串并聯(lián)關系來判斷故障部件[7] ；

②不確定性的。即不同故障部件關聯(lián)的檢測值相同，可利用概率形式對故障部件進行定位[8]。

根據(jù)上述過程、結構和假設，時鐘系統(tǒng)診斷服務邏輯框架如圖 4 所示。

診斷服務框架包括時鐘系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)檢測點、檢測設備、現(xiàn)場診斷設備、現(xiàn)場診斷人員、通信網(wǎng)、信息中心、診斷大數(shù)據(jù)、診斷服務系統(tǒng)及領域專家等，可完成本地方式診斷和遠程方式診斷[9]。檢測設備部署在現(xiàn)場，通過各檢測點采集時鐘系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；診斷設備一般部署在用戶終端上，用于確定性的故障診斷；診斷大數(shù)據(jù)部署在云平臺的數(shù)據(jù)服務器上；診斷服務系統(tǒng)部署在云平臺的應用服務器上，為不確定性的故障提供診斷支持。診斷服務的大體過程如下[10] ：

1檢測設備通過檢測點獲得時鐘系統(tǒng)狀態(tài) ；

2若狀態(tài)異常，由診斷設備判斷是否為確定性故障；

3若故障為不確定性，則檢測值發(fā)送給云平臺；

4診斷服務系統(tǒng)，依據(jù)概率規(guī)則，如統(tǒng)計樣本值及 D-S 證據(jù)等，融合診斷大數(shù)據(jù)和領域專家知識，隔離出可能性最大的故障；

5把故障診斷結果發(fā)送給診斷設備，指示現(xiàn)場診斷人員通過切換和更換等手段，確認診斷結果是否正確；

6若結果不正確，則通過診斷設備通知診斷服務系統(tǒng)；

7診斷服務系統(tǒng)取可能性大的故障，并發(fā)送診斷設備；

8診斷設備，現(xiàn)場診斷人員再次確認故障結果 ；

9如此反復，直至確認出正確的診斷結果。此時，把相關數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，包括領域專家、時鐘系統(tǒng)型號、檢測值和診斷結果等[11]。

3  診斷服務系統(tǒng)

根據(jù)圖 4 所示的故障診斷服務邏輯框架，可設計出圖 5所示的診斷服務系統(tǒng)。

系統(tǒng)各組成部分的功能如下：

1狀態(tài)采集模塊負責接收鐘聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)；

2采集控制模塊負責控制鐘聯(lián)網(wǎng)終端的檢測設備；

3采集讀寫模塊負責讀寫采集數(shù)據(jù)庫；

4領域讀寫模塊負責讀寫領域專家的數(shù)據(jù)庫；

5診斷讀寫模塊負責讀寫診斷過程和結果的數(shù)據(jù)庫；

6故障診斷模塊負責利用概率方法、D-S證據(jù)理論等方法，依據(jù)診斷服務過程對公共時鐘進行診斷；

7現(xiàn)場交互模塊負責與現(xiàn)場維修人員交互，指導其對公共時鐘進行操作以確認診斷結果；

8故障通知模塊負責通過短信等手段通知用戶，進行遠程告警；

9消息通知模塊負責通過消息總線在各模塊間進行消息通知；

10領域專家 Web服務系統(tǒng)負責讀寫數(shù)據(jù)庫，與領域專家進行交互；

11采集數(shù)據(jù)庫存放采集的數(shù)據(jù)，包括客戶表、時鐘型號表、當前狀態(tài)表等；

12領域專家數(shù)據(jù)庫存放與領域專家相關的數(shù)據(jù)，包括領域專家基本表、領域專家診斷過程表、領域專家權值表等；

13診斷數(shù)據(jù)庫存放與診斷過程和結果相關的數(shù)據(jù)，包括故障編碼表、故障級別表、診斷操作記錄表、故障記錄表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計表等。

遠程終端的檢測和診斷數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)接入，與服務器建立通信連接，也可與領域專家多媒體互動交流。調取指定系統(tǒng)配置信息及拓撲信息，通過先驗知識對問題判斷定位，故障診斷系統(tǒng)通過案例持續(xù)更新診斷數(shù)據(jù)庫和專家知識數(shù)據(jù)庫， 診斷知識不斷完備，提高對問題的快速準確收斂能力 [12]。

消息通知模塊采用ActiveMQ 技術來實現(xiàn)，ActiveMQ 實現(xiàn)了JMS1.1 規(guī)范的，面向消息（MOM），能夠跨越多語言和多系統(tǒng)的應用集成消息通信中間件，為應用程序提供高效、可擴展的、穩(wěn)定和安全的企業(yè)級消息通信。

領域專家 Web 服務采用Tomcat 實現(xiàn)，Tomcat 是一個免費的開放源代碼的Web 應用服務器，屬于輕量級應用服務器， 在中小型系統(tǒng)和并發(fā)訪問用戶不是很多的場合下被普遍使用， 是開發(fā)和調試 JSP 程序的首選。

數(shù)據(jù)庫采用Oracle 來實現(xiàn)，作為一個通用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 它具有完整的數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)了分布式處理功能。

4 結 語

公共用鐘是保證社會生活和生產有序進行的重要支撐設備。隨著現(xiàn)代技術和工程的發(fā)展，人們對時鐘系統(tǒng)的高效率診斷提出了嚴苛要求。但時鐘系統(tǒng)的復雜性與維護成本產生了尖銳矛盾，迫切需要改變時鐘系統(tǒng)的診斷服務模式，提高診斷效率，滿足核電、地鐵等行業(yè)的要求。只有在鐘聯(lián)網(wǎng)的基礎上進行服務模式創(chuàng)新，才能從根本上解決當前時間服務面臨的快速響應問題。因此，本文設計了一種基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時鐘診斷服務系統(tǒng)，利用鐘聯(lián)網(wǎng)實時獲取時鐘系統(tǒng)的狀態(tài)，使現(xiàn)場人員、領域專家及大數(shù)據(jù)相互協(xié)作，提高各項問題的診斷決策。

經過近三年的運行，結果證明，本文設計的診斷服務系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，為國民經濟和社會生活提供了優(yōu)質的時鐘服務，減輕了維護負擔，每年節(jié)省了大量維護費用，觸發(fā)了公共時鐘行業(yè)的服務模式變革。