高速公路機電設備運維專家系統研究

劉陽　杜文良

摘要：隨著廣西高速公路機電設備日益增多，運維養護工作也日益繁重和重要。文章介紹了應用SNMPv3和FINS通信協議、Drools規則引擎、UI框架構建高速公路機電設備運維專家系統，通過構建高速公路機電設備運維專家系統對機電設備運行狀態信息進行采集和分析，可以實現機電設備故障的智能診斷，縮短機電設備的故障發現及修復時間，提高養護效率。

關鍵詞：智慧交通;專家系統;故障診斷

中國分類號：U495文獻標識碼：A

0 引言

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

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

1 數據采集通信協議

高速公路上的機電設備支持多種通信協議，如SNMP、FINS協議等。目前廣西高速公路隧道的部分機電設備的通信是基于FINS進行通信的，其他大部分設備都是需要通過IP網絡來進行通信的，而SNMP是基于TCP/IP協議族的網絡管理標準，是一種在IP網絡中管理網絡節點的標準協議。對于支持SNMP協議的機電設備，本方案采用SNMP協議，通過snmpwalk（SNMP的一個工具）對可網管設備的OID信息進行采集，從而獲得設備的狀態數據，如交換機、路由器、服務器等的IP地址、內存使用率等。為了增加系統的安全性，采用SNMPV3版本，與SNMPv1和SNMPv2相比，SNMPv3增強了設備訪問的安全性，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對象的訪問權限）技術。

2 應用Drools構建專家系統

2.1 Drools介紹

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

Drools 是開放源碼規則引擎，它是用 Java 語言編寫，使用 Rete 算法對所編寫的規則求值。Drools 可以使用聲明方式表達業務邏輯，并且可以在Java代碼中嵌套規則。根據高速公路機電設備故障以及設備狀態信息紛繁復雜的特點，且設備故障之間大多有相關性，本方案采用規則引擎 Drools構建專家系統。

2.2 系統結構設計

通過Drools規則引擎，將采集到的設備狀態數據組成事實，并與規則相匹配，從而判斷設備是否存在故障。規則包含觸發規則的條件和規則指定的操作，由高速公路機電運維工程師根據平時維護的經驗進行歸納總結并錄入知識庫，在系統運行時作為規則加入到工作內存中。采集到的設備狀態數據規整為標準的事實數據格式，作為事實條件加入到工作內存中。當滿足規則條件時，規則引擎將激活并在議程中注冊規則，然后對優先級或沖突的規則進行排序，為執行做準備。系統結構如圖1所示。

2.3 診斷規則分析和定義

前端采集的機電設備包括PLC控制的設備（交通燈，指示燈，風機等）、交換機、路由器、服務器等。對于PLC控制的設備，通過FINS協議進行數據采集，將采集到的狀態數據組成JSON格式。以交通燈為例子分析其數據結構以及處理流程：

數據結構定義如下：

{

"采集時間"： "2019-06-01 09：00：16"，

"靜態信息"： {

"設備名稱"： "交通燈"，

"設備編碼"： "xxx"，

"設備品牌"： "不詳"，

"設備型號"： "XX - 02"，

"設備IP" ： "xxx"，

"設備位置"： "河百段（河池公司）->隧道->新煙（丘莫）隧道->右洞"

}，

"實時狀態"： {

"設備溫度" ：45，

"在線狀態" ： "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"，

"轉向指令" ： "開"，

"轉向反饋" ： "開"，

}

}

接下來定義各種機電設備類型產生告警的條件。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）設置狀態數據上、下限，當相關值超過預設上、下限時，產生告警。例如為設備溫度設置上限，設備溫度>60 ℃，則產生溫度過高的告警。

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

2.4 設備故障鏈路診斷

在網絡環境下，采集機對某些設備的網絡連接是中斷的，有可能是設備本身的原因，也有可能是上聯設備的故障造成設備不可訪問。通過定義設備業務鏈，建立診斷規則，進行系統診斷后，如果是父節點問題，則故障診斷顯示：“由于設備號為XX的設備造成本設備故障，建議檢查XX設備”;如果是設備本身問題，則故障診斷顯示：“本設備故障，請檢查本設備”。

2.5 運維知識庫維護

除了規則庫的定義，還要在運維知識庫定義相應故障的維修建議。運維工程師通過運維系統獲取維修設備的建議，將每次設備故障診斷結果存儲到數據庫，可以作為故障預警分析的數據來源。

對采用歷史數據進行診斷的策略，需要獲取數據庫中的歷史狀態數據進行計算，如根據歷史內存占用率、磁盤使用率、系統溫度等指標對設備性能超限狀態進行預警。另外，可以根據多個設備的狀態數據進行綜合診斷。如在多義性路徑識別監控應用中的輔助校驗模塊，就需要根據多個設備采集到的數據進行綜合判斷：（1）通過標識點系統和高清卡口系統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的運行質量;（2）基于這些流水記錄，輔以從收費系統所獲取的出入口信息后，以作輔助校驗收費系統之用。

3 界面展示模塊

3.1 UI框架選擇

界面展示采用Vaadin框架，它是一個用于構建現代web應用程序和網站的Java web框架，允許開發人員非常高效地利用Java創建UI，或者使用HTML模板創建UI，然后使用Java將其綁定到任何后端。

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

3.2 界面展示的主要功能

（1）提供運維工程師錄入規則引擎的知識庫界面，如告警（信息）規整規則、診斷規則、處置方法等，對導入的規則、設備信息等數據進行合法性檢驗。

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

（3）在智能診斷時根據設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備故障率、可用率、報廢率等統計信息。

（5）系統結合GIS地圖展現機電設備分布位置，根據站點的設備狀態信息顯示相應的顏色，如果設備存在告警，則圖標顯示紅色。

4 系統應用測試

系統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，根據設置的知識庫規則，系統能夠根據上報的設備狀態數據，自動診斷出相應的故障類型。運維人員還可以根據設備名稱、路段、設備IP等屬性進行告警信息篩選，并激活故障工單流程。

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

5 結語

高速公路機電設備運維專家系統通過采用SNMPv3、FINS等協議，對高速公路機電設備的狀態數據進行采集、匯總，通過構建基于Drools引擎的專家系統對設備狀態數據進行分析診斷，對整體和局部的設備運行情況做出預測，判斷故障原因并提供檢修方法，并在展示界面將設備的運行狀態以圖、表、警告等方式提示監控人員和運維人員，提高高速公路機電設備運維效率。

參考文獻：

[1]鄭曉波.智能型操作票專家系統的研究與設計[D].成都：西華大學，2007.

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