基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時(shí)鐘診斷服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

公共時(shí)鐘系統(tǒng)能為人員和設(shè)備提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、地鐵、高鐵、車站、場(chǎng)館、核電、電廠、教育等行業(yè)領(lǐng)域，是一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。其服務(wù)應(yīng)用的領(lǐng)域很多是國家的命脈領(lǐng)域，如果時(shí)間服務(wù)出現(xiàn)問題，將可能導(dǎo)致火車追尾、核電停堆等重大安全事故。但隨著設(shè)備自動(dòng)化程度的提高以及營運(yùn)速度的加快，對(duì)時(shí)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(fù)功能，節(jié)省停機(jī)、拆裝、測(cè)試時(shí)間，減輕設(shè)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(shí)鐘系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的通信計(jì)時(shí)系統(tǒng)，隨著用戶群的不斷增大，診斷服務(wù)成為日益嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問題。目前，幾乎每套時(shí)鐘系統(tǒng)都需要在當(dāng)?shù)嘏嘤?xùn)專門的維護(hù)人員，出現(xiàn)故障還需要生產(chǎn)廠家派專業(yè)人員進(jìn)行維修，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此迫切需要改變專業(yè)人員診斷的服務(wù)模式，縮短診斷時(shí)間、提高效率。

利用鐘聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)獲取時(shí)鐘系統(tǒng)的狀態(tài)，并使現(xiàn)場(chǎng)維 護(hù)人員、領(lǐng)域?qū)＜壹按髷?shù)據(jù)之間相互協(xié)作，形成一個(gè)廣義的“智 能團(tuán)”，從而及時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)問題的診斷，以更短的時(shí)間來做出 更好、更安全的決策，為解決時(shí)鐘系統(tǒng)當(dāng)前面臨的診斷服務(wù)困 難，本文設(shè)計(jì)了一種基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時(shí)鐘診斷服務(wù)系統(tǒng)。介 紹了鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提出了診斷服務(wù)系統(tǒng)的邏輯，并設(shè)計(jì)了基于 鐘聯(lián)網(wǎng)的診斷服務(wù)系統(tǒng)。

經(jīng)過近三年的運(yùn)行，結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的診斷服務(wù)系 統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，對(duì)公共時(shí)鐘進(jìn)行快速準(zhǔn)確的診斷減少了運(yùn)營 成本，發(fā)揮了重要作用，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是把移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與公共時(shí)鐘相融合，搭建一個(gè)時(shí)間服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全世界所有時(shí)鐘終端的隨時(shí)隨地感知和實(shí)時(shí)控制，為用戶提供實(shí)用便利的服務(wù)，觸發(fā)行業(yè)從產(chǎn)品模式向服務(wù)模式的變革。鐘聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)分為四層[2] ：

(1) 感知控制層主要負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)施云平臺(tái)要求的控制；

(2) 網(wǎng)絡(luò)層建立在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等的基礎(chǔ)上， 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；

(3) 時(shí)間同步層用來對(duì)公共用鐘對(duì)時(shí)；

(4) 應(yīng)用層包括云平臺(tái)的各種數(shù)據(jù)服務(wù)。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

鐘聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由GPS/北斗時(shí)鐘接收器、時(shí)鐘服務(wù)器、云平臺(tái)、通信網(wǎng)、用戶終端以及眾多的公共時(shí)鐘等組成。公共時(shí)鐘和用戶終端通過移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式接入云平臺(tái)。時(shí)鐘服務(wù)器能夠通過網(wǎng)絡(luò)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間輸出，采用北斗 GPS 等時(shí)間源接入。Web 服務(wù)器可提供Web 服務(wù)，使用戶通過瀏覽器監(jiān)控、控制設(shè)備。數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)。用于文件服務(wù)器存儲(chǔ)公共時(shí)鐘圖片、配置等文件。平臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、配置等管理[3]。其運(yùn)行的基本過程如下：

(1) 時(shí)鐘服務(wù)器從導(dǎo)航衛(wèi)星（GPS和北斗）接收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過通信網(wǎng)將時(shí)間傳輸給各公共時(shí)鐘；

(2) 公共時(shí)鐘把自身傳感器數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用服務(wù)器；

(3) 運(yùn)營和保障人員的信息通過用戶終端傳送到云平臺(tái)；

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

鐘聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的管控發(fā)揮了重要作用，但還缺少對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的診斷服務(wù)支持，導(dǎo)致其維修耗時(shí)長(zhǎng)，維修資源成本昂貴。因此，亟需在應(yīng)用服務(wù)器上部署診斷服務(wù)系統(tǒng)[4]。

2 診斷服務(wù)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(cè)、隔離和辨識(shí)的總稱，狹義上是指故障隔離與辨識(shí)或是指故障檢測(cè)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(shù)和需進(jìn)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(cè)點(diǎn)獲取信號(hào)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(biāo)判斷系統(tǒng)是否存在故障，即故障檢測(cè)；

(4) 運(yùn)用與診斷要求相適應(yīng)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(cè)點(diǎn)之間的關(guān)系分為兩種，即串聯(lián)關(guān)系與并聯(lián)關(guān)系。如圖 2 中，t1、t4、t3 是串聯(lián)關(guān)系，t3、t4 是并聯(lián)關(guān)系。

對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)可做如下基本假設(shè)：

1)以檢測(cè)值的閾值來判斷時(shí)鐘系統(tǒng)是否存在故障 ；

2)若檢測(cè)值滿足閾值要求，則無故障 ；若檢測(cè)值超出閾值范圍，則說明有故障；

3)因?yàn)闀r(shí)鐘系統(tǒng)可靠性很高，假設(shè)兩個(gè)以上（含兩個(gè)） 被測(cè)部件不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)故障。

4)故障部件與檢測(cè)值間的關(guān)聯(lián)分為以下兩種情況：

①確定性的。即某故障部件關(guān)聯(lián)的檢測(cè)值是唯一的，可利用故障信號(hào)的可達(dá)性假設(shè)，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的串并聯(lián)關(guān)系來判斷故障部件[7] ；

②不確定性的。即不同故障部件關(guān)聯(lián)的檢測(cè)值相同，可利用概率形式對(duì)故障部件進(jìn)行定位[8]。

根據(jù)上述過程、結(jié)構(gòu)和假設(shè)，時(shí)鐘系統(tǒng)診斷服務(wù)邏輯框架如圖 4 所示。

診斷服務(wù)框架包括時(shí)鐘系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)、檢測(cè)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)診斷設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)診斷人員、通信網(wǎng)、信息中心、診斷大數(shù)據(jù)、診斷服務(wù)系統(tǒng)及領(lǐng)域?qū)＜业?，可完成本地方式診斷和遠(yuǎn)程方式診斷[9]。檢測(cè)設(shè)備部署在現(xiàn)場(chǎng)，通過各檢測(cè)點(diǎn)采集時(shí)鐘系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；診斷設(shè)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(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)器上；診斷服務(wù)系統(tǒng)部署在云平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)器上，為不確定性的故障提供診斷支持。診斷服務(wù)的大體過程如下[10] ：

1檢測(cè)設(shè)備通過檢測(cè)點(diǎn)獲得時(shí)鐘系統(tǒng)狀態(tài) ；

2若狀態(tài)異常，由診斷設(shè)備判斷是否為確定性故障；

3若故障為不確定性，則檢測(cè)值發(fā)送給云平臺(tái)；

4診斷服務(wù)系統(tǒng)，依據(jù)概率規(guī)則，如統(tǒng)計(jì)樣本值及 D-S 證據(jù)等，融合診斷大數(shù)據(jù)和領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)，隔離出可能性最大的故障；

5把故障診斷結(jié)果發(fā)送給診斷設(shè)備，指示現(xiàn)場(chǎng)診斷人員通過切換和更換等手段，確認(rèn)診斷結(jié)果是否正確；

6若結(jié)果不正確，則通過診斷設(shè)備通知診斷服務(wù)系統(tǒng)；

7診斷服務(wù)系統(tǒng)取可能性大的故障，并發(fā)送診斷設(shè)備；

8診斷設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)診斷人員再次確認(rèn)故障結(jié)果 ；

9如此反復(fù)，直至確認(rèn)出正確的診斷結(jié)果。此時(shí)，把相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，包括領(lǐng)域?qū)＜?、時(shí)鐘系統(tǒng)型號(hào)、檢測(cè)值和診斷結(jié)果等[11]。

3  診斷服務(wù)系統(tǒng)

根據(jù)圖 4 所示的故障診斷服務(wù)邏輯框架，可設(shè)計(jì)出圖 5所示的診斷服務(wù)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(fù)責(zé)接收鐘聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)；

2采集控制模塊負(fù)責(zé)控制鐘聯(lián)網(wǎng)終端的檢測(cè)設(shè)備；

3采集讀寫模塊負(fù)責(zé)讀寫采集數(shù)據(jù)庫；

4領(lǐng)域讀寫模塊負(fù)責(zé)讀寫領(lǐng)域?qū)＜业臄?shù)據(jù)庫；

5診斷讀寫模塊負(fù)責(zé)讀寫診斷過程和結(jié)果的數(shù)據(jù)庫；

6故障診斷模塊負(fù)責(zé)利用概率方法、D-S證據(jù)理論等方法，依據(jù)診斷服務(wù)過程對(duì)公共時(shí)鐘進(jìn)行診斷；

7現(xiàn)場(chǎng)交互模塊負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)維修人員交互，指導(dǎo)其對(duì)公共時(shí)鐘進(jìn)行操作以確認(rèn)診斷結(jié)果；

8故障通知模塊負(fù)責(zé)通過短信等手段通知用戶，進(jìn)行遠(yuǎn)程告警；

9消息通知模塊負(fù)責(zé)通過消息總線在各模塊間進(jìn)行消息通知；

10領(lǐng)域?qū)＜?Web服務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)讀寫數(shù)據(jù)庫，與領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)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(shí)鐘型號(hào)表、當(dāng)前狀態(tài)表等；

12領(lǐng)域?qū)＜覕?shù)據(jù)庫存放與領(lǐng)域?qū)＜蚁嚓P(guān)的數(shù)據(jù)，包括領(lǐng)域?qū)＜一颈怼㈩I(lǐng)域?qū)＜以\斷過程表、領(lǐng)域?qū)＜覚?quán)值表等；

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

遠(yuǎn)程終端的檢測(cè)和診斷數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)接入，與服務(wù)器建立通信連接，也可與領(lǐng)域?qū)＜叶嗝襟w互動(dòng)交流。調(diào)取指定系統(tǒng)配置信息及拓?fù)湫畔ⅲㄟ^先驗(yàn)知識(shí)對(duì)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(shí)數(shù)據(jù)庫， 診斷知識(shí)不斷完備，提高對(duì)問題的快速準(zhǔn)確收斂能力 [12]。

消息通知模塊采用ActiveMQ 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，ActiveMQ 實(shí)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(yīng)用集成消息通信中間件，為應(yīng)用程序提供高效、可擴(kuò)展的、穩(wěn)定和安全的企業(yè)級(jí)消息通信。

領(lǐng)域?qū)＜?Web 服務(wù)采用Tomcat 實(shí)現(xiàn)，Tomcat 是一個(gè)免費(fèi)的開放源代碼的Web 應(yīng)用服務(wù)器，屬于輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器， 在中小型系統(tǒng)和并發(fā)訪問用戶不是很多的場(chǎng)合下被普遍使用， 是開發(fā)和調(diào)試 JSP 程序的首選。

數(shù)據(jù)庫采用Oracle 來實(shí)現(xiàn)，作為一個(gè)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(shí)現(xiàn)了分布式處理功能。

4 結(jié) 語

公共用鐘是保證社會(huì)生活和生產(chǎn)有序進(jìn)行的重要支撐設(shè)備。隨著現(xiàn)代技術(shù)和工程的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的高效率診斷提出了嚴(yán)苛要求。但時(shí)鐘系統(tǒng)的復(fù)雜性與維護(hù)成本產(chǎn)生了尖銳矛盾，迫切需要改變時(shí)鐘系統(tǒng)的診斷服務(wù)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(chǔ)上進(jìn)行服務(wù)模式創(chuàng)新，才能從根本上解決當(dāng)前時(shí)間服務(wù)面臨的快速響應(yīng)問題。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于鐘聯(lián)網(wǎng)的公共時(shí)鐘診斷服務(wù)系統(tǒng)，利用鐘聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取時(shí)鐘系統(tǒng)的狀態(tài)，使現(xiàn)場(chǎng)人員、領(lǐng)域?qū)＜壹按髷?shù)據(jù)相互協(xié)作，提高各項(xiàng)問題的診斷決策。

經(jīng)過近三年的運(yùn)行，結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的診斷服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活提供了優(yōu)質(zhì)的時(shí)鐘服務(wù)，減輕了維護(hù)負(fù)擔(dān)，每年節(jié)省了大量維護(hù)費(fèi)用，觸發(fā)了公共時(shí)鐘行業(yè)的服務(wù)模式變革。