基于云計算的設備故障診斷系統研究

徐飛

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安710032）

基于云計算的設備故障診斷系統研究

徐飛

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安710032）

通過對云計算的特點以及系統結構和功能的分析，提出了一種將云計算技術應用到設備故障診斷中的方法。討論了實現過程中的技術及方法。實踐應用表明云計算這種全新網絡模式技術為設備故障的實時在線監測與故障診斷提供了很好的解決方案和技術支持。

云計算；故障診斷；網絡模式；在線監測

設備故障診斷技術是一門集多個領域知識于一體的專業性很強的技術，在保障設備安全、穩定、長周期、滿負荷運行方面起到了巨大的作用，近年來正以令人難以想象的速度蓬勃發展。但是隨著現代科學技術的發展，各種機械設備日益趨于大型化、高速化、高效化、節能化、復雜化，這對于設備的安全運行提出了更高的要求，同時為了解決生產現場機組故障征兆的實時性和大量信息的分析和處理等問題[1]，對機械設備診斷工程提出了更大挑戰[2]。

隨著網絡技術的飛速發展，尤其是伴隨著基于Internet/Intranet的普及和云計算的發展，構建基于云計算技術的設備故障診斷系統具有無可比擬的優越性，具體來說有以下特點：

1)實時性。可以使人們擺脫空間限制，讓數據傳輸代替人的移動，在互聯網上實時杳看設備的運行信息，實現數據的網絡傳輸代替人在地域上的奔波，大大提高了解決工程實際問題的實時性。

2)共享性。眾多用戶可以同時分享數據資源，實現科研機構和企業的交流和技術合作，從而使理論研究與技術突破、生產現場與工程實踐的聯系更加緊密，避免了單一用戶承擔高額的專家費用。

3)專業性。設備故障診斷系統由專業人員進行實時管理和維護，不斷改善故障診斷專家系統的性能和智能診斷水平。

4)經濟性。云計算的基礎設施由第三方提供，用戶只需要租用云計算平臺，從而大大減少了對軟硬件和設備的投入成本，而且云計算的使用具有很強的伸縮性。

5)可靠性。云計算服務平臺是由商用計算機集群提供并同時向用戶提供并行計算、海量數據存儲服務，而當節點或設備出現異常時可以自行檢測和自動修復。

1 云計算技術概述

云計算（Cloud Computing）這個概念的直接起源是亞馬遜EC2（Elastic Compute Cloud的縮寫）產品和Google-IBM分布式計算項目。這兩個項目直接使用到了“Cloud Computing”這個概念之所以采用這樣的表述形式，很大程度上是由于這兩個項目與網絡的關系十分密切，而“云”的形象又常常用來表示互聯網。因此，云計算的原始含義即為將計算能力放在互聯網上。當然，云計算發展至今，早已超越了其原始的概念。云計算至今為止沒有統一的定義，不同的組織從不同的角度給出了不同的定義，根據不完全的統計至少有25種以上。

云計算將網絡上分布的計算、存儲、服務構件、網絡軟件等資源集中起來，基于資源虛擬化的方式，為用戶提供方便快捷的服務，它可以實現計算與存儲的分布式與并行處理。

云計算具有“作為服務”交付的能力，以高度可擴展的彈性方式交付服務，利用因特網技術和方法來開發和交付服務，資源虛擬化及資源的自動管理與配置；可實現海量數據的分布式并行處理等特征。

云計算是隨著處理器技術、虛擬化技術、分布式存儲技術、寬帶互聯網技術和自動化管理技術的發展而產生的。從技術層面上講，云計算基本功能的實現取決于兩個關鍵的因素，一個是數據的存儲能力，另一個是分布式的計算能力。因此，云計算中的“云”可以再細分為“存儲云”和“計算云”，也即“云計算=存儲云+計算云”。

2 系統總體設計

本文設計的基于云計算技術的設備狀態監測與故障診斷系統采用Browser/Server模式，該模式是以Web服務器為巾心、采用TCP/IP技術、以HTTP為傳輸協議，客戶端通過瀏覽器就可以訪問Web服務器以及與其相連的后臺數據庫。本系統共包括三層體系架構：客戶端、系統管理層和基礎設施層[3]，如圖1所示。

圖1 系統體系結構Fig.1 The architecture of system

第一層：客戶端表示層。它是整個應用系統的圖形界面，是通過Web瀏覽器向系統服務器發送請求，并將其提交給業務邏輯層，主節點服務器首先對用戶的身份進行驗證。并把驗證信息返回到客戶端，客戶端把接受到的響應信息顯示在瀏覽器上。

第二層：系統管理層。首先Web服務器具有應用程序擴展能力的，負責對應用程序的集屮管理，為客戶端和數據庫之間提供通信服務，是系統結構中最關鍵的部分，通過執行相應的應用程序與底層集群進行連接，主要對用戶和系統的資源進行管理。

第三層：基礎設施層。系統的底層基礎設施采用Hadoop框架構建計算機集群，主要負責數據的存儲和組織，數據庫的分布式管理、備份和同步等，為系統提供并行計算和存儲操作，并將結果傳輸給業務邏輯層。

基于云計算技術的設備狀態監測與故障診斷系統是一個系統的服務平臺，該平臺可以通過采用分布式存儲、并行計算、虛擬化等技術擴展硬件和軟件設施將不同的資源有效的結合在一起，協同工作。

3 系統功能模塊設計

根據對設備狀態監測與故障診斷的功能需求分析，本文將系統分為4大功能模塊，包括用戶登錄模塊、集群監控校塊、文件管理校塊、信號分析與故障診斷模塊。圖2為系統功能模塊框架圖。

圖2 系統功能模塊框圖Fig.2 The system function module diagram

1)用戶登錄模塊

系統管理模塊主要包括用戶的訪問控制和權限管理2大功能，是系統的重要組成部分[4]，系統管理功能模塊如圖3所示。

圖3 系統管理功能模塊Fig.3 The module of system management

該模塊包括用戶登錄、杳詢、添加、修改和刪除等，只有系統管理員才能實現這些操作，用戶只能注冊、查詢和修改除自身權限以外的其他信息。用戶登錄系統流程如圖4所示。

圖4 用戶登入系統流程圖Fig.4 The Flow chart of user login system

2)集群監控模塊

作為一個計算機集群，計算機隨時都會出現故障，包括硬件故障和軟件故障，因此有必要對計算機集群進行監控管理。集群監控模塊從結構上主要分為3部分：數據采集、數據通信和數據顯示[5]。集群監控工作流程如圖5所示。

圖5 集群監控工作流程Fig.5 The flow of work about cluster monitoring

DataCollection.jar是數據采集器，負責采集節點中的數據，將數據傳回到服務器，同時數據采集器還監聽特定的端口，等待服務器端的命令。

DataCollectionServ.jar是服務器端的接收器，負責接收節點發來的數據，將數據保存到Web服務器的數據庫中。DataCollection.jar和DataCollectionServ.jar兩個程序完成了監控系統的數據保存丁作，部分通信工作和數據采集工作。

3)文件存儲模塊

文件的分布式存儲流程中管理節點包括root.dat和node.dat兩個系統文件。root.dat文件存儲著用戶信息和文件分塊描述信息，node.dat文件則包括整個存儲系統所有子節點的IP地址、端口、最大空間、剩余空間等信息。客戶端首先連接管理節點，讀取用戶數據塊信總，并完成對數據的分割，啟動多線程函數連接各子節點，來完成文件的并發寫入。

4)分析與診斷模塊

信號分析與診斷模塊除了包括常規分析功能，如時域波形、頻譜圖、軸心軌跡、相位譜、倒頻譜、極坐標圖等，還可以加入一些現代信號分析方法，如全息譜分析、全矢譜分析、小波分析、Winger分布等。

4 數據庫設計

數據庫設計是一個重要的環節，本文采用Apache服務器軟件作為服務應用平臺、釆用Java語言進行設計頁面，采用Mysql設計數據庫。Apache服務器軟件的網頁文件目錄默認是在文件路徑里面，我們只需要把用Java語言編寫的程序代碼放置到里面就可以通過瀏覽器訪問頁面[6]。

數據庫采用MYSQL CLUSTER數據庫集群技術構建集群數據庫，MYSQLCLUSTER是一種數據庫集群技術，該技術允許在無共享的系統中部署數據庫的Cluster，系統通常采用廉價的硬件部署數據庫。集群足由管理節點（ndb—mgmd)、數據節點（Data Nodes)、SQL節點（mysqld)3種不同的節點組成，即構成了一個完整的MYSQL集群體系。

1)分別對3臺電腦進行數據庫安裝和配置

①安裝 mysql-server。使用命令：sudo apt-get install mysqlserver。目的是mysql數據庫支持集群功能。

②編輯 mysql的配置文件。使用命令：sudo gedit/etc/mysql/my.cnfo,打開文件后，在[mysqld]下面添加語句：

③配置主機節點mysql的配置文件，在文件mgmd.cnf中加入以下內容：

上述操作完成后，mysql數據庫集群就搭載完成了。

2)數據庫鏈接類

為了方便操作數據庫，將數據庫連接方法抽象為一個類文件。這樣以后如果更改數據庫或者增加連接池等操作時，只需要更改此連接類即可，不用對每個邏輯處理函數進行修改。

具體實現代碼如下：

Research on equipment fault diagnosis system based on cloud computing

XU Fei
（School of Computer Science and Engineering,Xi'an Technological University,Xi an 710032,China)

Through analyzing the characteristics of cloud computing,the system structure and function,a novel method based on cloud computing is proposed for equipment fault diagnosis of.The technology and methods is discussed in order to prove its feasibility.Practice shows that cloud computing technology to real-time online monitoring and fault diagnosis provides a good solution and technical support.

cloud computing；fault diagnosis;network model;online monitoring

TN06

A

1674－6236（2015）10-0005-03

2014-09-02 稿件編號：201409016

校長基金(XAGDXJJ1217)

徐 飛(1980—)，男，陜西安康人，碩士，講師。研究方向：信息融合及計算機應用。