LED 顯示系統自動化健康管理系統研究

王 濤，喻 韜

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094)

0 引言

近年來，LED 技術得到了快速發展和普及應用，特別是小間距LED 顯示系統所表現出的圖像顯示清晰、色彩還原度高、顯示壽命長、顯示模式豐富[1]、系統控制簡單等技術優勢，使其成為大屏顯示工程建設的首選產品，被廣泛應用于各類視頻監控、指揮控制及戶內外廣告的顯示系統中。

隨著網絡和視頻數字編碼技術[2]的發展，LED顯示系統體系架構已由傳統單一的集中式顯示架構向更為便捷靈活的分布式顯示結構發展過渡，極大滿足了各類場地分散、信源復雜的場景顯示需要。 LED 顯示系統本身所含電子部件多、部件間接口復雜以及分布式系統架構部署的特點，給整個系統的運行管理增加了難度，加之LED 顯示系統部署場景大多承擔重要系統的運行監視和指揮決策任務，對顯示系統運行的穩定可靠要求[3]很高，因此，如何保障LED 顯示系統的健康運行管理，及時發現和排除系統運行過程中出現的故障和隱患，更好服務于用戶指揮決策和實時監控任務，越來越成為LED 顯示系統發展的突出問題。

目前對LED 顯示系統的運維管理沒有統一標準，市場上還沒有一款可供大多數LED 顯示系統使用的通用運維管理軟件，主流的LED 廠商通常會隨產品銷售提供相應的設備診斷[4-5]程序，但這些軟件主要針對具體設備研制，是一種對設備的單體監測，如 LED 模組、視頻拼接器、視頻傳輸網絡、編解碼設備、智能電源等設備功能檢測，其檢測功能單一，分散運行，缺少對LED 不同功能部件間接口數據交換正確性的驗證測試，同時對關聯部件的運行流轉狀態缺乏綜合研判手段，還不具備對LED 系統的流程化、體系化和智能化的全面健康狀態檢測能力。 由于缺乏對LED 顯示系統進行整體檢測和多部件聯動故障分析能力，在進行系統整體健康診斷過程中極易出現誤判漏判[6]的情況，存在較大的故障風險隱患。

為此，在某單位 LED 顯示系統建設過程中，圍繞系統使用需求，結合市場現狀，針對LED 顯示系統存在的健康運維問題進行了針對性研究，提出了建設LED 顯示系統健康管理系統的設計方法和技術實現途徑，并研制部署了LED 顯示系統健康管理系統，取得了滿意效果，為任務前的系統“體檢”和任務中的健康管理提供了有力保障。

1 發展考慮

為保障LED 顯示系統可靠穩定運行，提高系統自我健康診斷和故障恢復能力，需要從健康管理體系規范方面重點對LED 顯示系統各環節設備系統以及設備系統間的數據接口和信息流程關系進行研究，分析每個環節設備系統的運行規律[7]以及出現異常故障時所表現出的狀態數據特征，特別是各部件系統表現出的故障關聯狀態特征，并據此構造各設備系統間的通信接口交互模型和整個顯示系統運行的流程化健康模型。 本文提出一套既能夠完成對單體設備的故障檢測，同時又能夠按照定制的健康檢測模型進行標準化流程的體系化檢測實現方案，支持故障處理預案篩選、處置流程自動啟動，具備健康檢測模型增刪和功能擴展。

LED 顯示系統健康管理系統在繼承現有成果基礎上，融合相互獨立的診斷檢測系統，構建一體化軟件服務框架和統一的基礎運行平臺，確保在統一的標準規范下對該設備系統進行健康狀態數據采集和分析處理。 同時對不具備自我健康診斷能力的設備，通過分析設備正常運行和故障異常的數據狀態表現特征，構造符合設備運行規律的健康模型，并通過研制開發相應的診斷軟件模塊，實現設備的自動化自我診斷能力[7]。 規范關鍵節點設備數據采集接口，通過數據處理與健康數據模型進行比對分析得出健康狀態結果，通過進一步分析統計，形成對系統健康狀態和故障隱患等評估報告，根據輔助決策知識庫預案措施進行預警和處置，對處置進程和設備運行狀態進行實時監視和應急干預。

LED 顯示系統健康管理應完成設備數據采集、系統運行狀態監視、故障診斷檢測、應急處置等功能的一體化集成部署運行，為此，需要對健康管理軟件功能模塊按照統一的服務化軟件框架調用要求進行服務化、插件化改造集成，實現軟件模塊的柔性重組和插件化復用。 該系統不僅具備可視化、可定制、可擴展的靈活配置能力，同時還具備簡單、直觀的圖形化界面，方便對LED 顯示系統異常和故障的快速定位；同時系統應具備高度的兼容性，能夠兼容目前市場上各類主流的LED 顯示設備系統，為不同型號類型設備系統的綜合集成提供支持。

2 設計實現

2.1 體系組成

LED 顯示系統健康管理系統圍繞對目前主流LED 顯示系統接口協議的規范統一和體系適應性開展系統設計，重點考慮行業標準化及設備兼容擴展能力，能夠在統一標準的軟件框架下實現數據與軟件服務的有機共享與協同，同時兼顧系統安全和軟件運行效率。 健康管理系統結構主要包括四個功能層，分別為設施層、平臺層、服務層和應用層，如圖1 所示。

圖1 LED 顯示系統健康管理系統體系架構

設施層為整個系統提供硬件支撐，主要包括LED屏體、拼接器、網絡設備、編解碼設備、智能電源。

平臺層為整個系統提供軟件運行和數據獲取的基礎平臺支持，主要包括操作系統、數據庫、信號傳輸設備接口、顯示設備數據接口。

服務層為健康管理軟件系統提供用于分析和管理的狀態數據和操控數據，并提供用于健康預警和應急處置等輔助決策的健康模型庫，以及支持不同種類視頻顯示輸入輸出設備的數據采集、 處理、分析、態勢顯示的通用服務插件/組件。

應用層提供面向LED 顯示系統健康管理的應用管理軟件，主要包括運行配置、狀態數據采集、數據分析、運行態勢、診斷處置等主要軟件功能模塊，并通過統一軟件框架對所有軟件模塊進行集成和安全訪問控制。

2.2 系統拓撲

LED 顯示系統目前主流結構包括集中式和分布式兩類，系統也按照兩種結構進行設計部署。

2.2.1 集中式結構

通過配置具有信號輸入輸出端口的集成箱式視頻拼接器，可實現對集中信號源的LED 顯示輸出，如圖 2 所示。

圖2 集中式LED 顯示系統部署結構

2.2.2 分布式結構

通過內部高速視頻交換網絡連接顯示信號編碼輸入設備和信號解碼輸出設備，可實現信號源的分布式部署，如圖 3 所示。

圖3 分布式LED 顯示系統部署結構

2.3 健康管理軟件系統功能

健康管理軟件系統主要由一體化軟件框架、運行配置、數據采集、數據訪問、數據挖掘分析、診斷處置、健康運行監視等軟件功能模塊組成。

2.3.1 一體化軟件框架

一體化軟件框架提供統一的軟件服務門戶框架[8]，支持軟件模塊和軟件插件的標準化服務調用和規范化擴展升級，具有統一的用戶登錄認證、統一的界面風格、統一的時間服務、標準化的后臺數據接口和存儲服務，為整個系統各類軟件應用服務提供統一的入口，實現基于配置文件的軟件統一調度和基于標準接口的數據訪問功能， 具備即插即用、柔性擴展重組的集成服務能力。

2.3.2 運行配置模塊

運行配置模塊為各軟件部署運行提供運行狀態參數的初始化設置，以及執行標準化的設備遠程操控指令，主要完成以下工作：

一是檢查維護所有軟件運行配置文件，顯示運行配置參數狀態。 根據任務運行要求，利用圖形化界面對軟件運行參數進行修改保存和軟件重置。 軟件根據運行場景預先建立多種配置模板文件，運行配置軟件可根據需要選擇指定模板快速生成配置文件。

2.3 API陽性喘息兒童FeNO連續監測結果 重復測量方差分析結果顯示API陽性的喘息兒童FeNO水平高低與RSV感染相關（P=0.013）；采用多變量方差分析對不同時間點FeNO水平兩兩比較，結果顯示RSV+組FeNO水平均高于RSV-組，但僅在治療后1月這個時間點差異有統計學意義（P=0.028），見表3。

二是可以在線接收來自診斷決策軟件模塊的運行參數配置任務單和設備處置指令任務單，并按照任務單的指令進行軟件模塊的運行配置，以及對LED 顯示系統相關設備進行遠程操控。

2.3.3 數據采集模塊

數據采集模塊是開展健康診斷的首要環節，采集軟件將所有采集的數據實時存入數據庫，同時將數據分發給數據分析模塊。 采集數據方式主要包括兩類，如圖4 所示。

第一類是能夠給出設備運行健康狀態的診斷數據，主要是來自于自帶故障診斷功能的智能設備，如拼接器、LED 箱體控制器、網絡交換機。這些設備運行狀態數據的采集有三種方式：一是通過設備提供的網絡管理端口連接，設備提供軟件診斷開發接口，通過軟件接口調用方式使用網絡UDP 協議對設備運行狀態診斷數據進行采集存儲；二是利用設備內置 Web 服務，通過 HTTP 瀏覽方式獲取設備健康診斷數據。 以上兩種方式采集的數據為設備故障診斷碼，通過故障編碼索引表確定設備健康狀態。 此外，還有一種方式是通過圖像播放服務從LED 所有輸入節點解析回顯信號，根據是否能夠成功解析信號判斷圖像傳輸質量。 第二類數據是非智能設備的運行參數數據，這些設備提供串口控制接口連接，可通過API 軟件接口讀取設備寄存器獲取設備電壓、誤碼統計以及固件版本等基本信息并存入數據庫，為故障數據挖掘分析提供基礎數據。

數據采集利用UDP 網絡協議，通過輪詢和中斷方式對連網的LED 顯示系統設備進行持續掃描監聽，實時對更新變化數據進行采集存儲。

2.3.4 數據訪問模塊

數據訪問模塊為各軟件模塊提供合規校驗、數據分類、格式轉換和規范化存儲，同時接收來自各軟件模塊的數據訪問請求進行訪問控制授權檢查，并提供數據定向分發和共享訪問服務。

2.3.5 數據挖掘分析模塊

數據挖掘分析基于健康數據模型對實時接收采集到的LED 顯示系統狀態數據進行運行健康診斷和故障定位分析。

健康數據模型按照數據采集對象設計構造，如圖5 所示。 一是直接取自智能設備自帶診斷的故障診斷碼，通過診斷碼直接給出設備健康狀態。 二是通過對采集于設備控制寄存器的運行參數進行分析確定故障趨勢，如設備電壓低于閾值并呈現逐步下降，即可判定該節點設備為故障報警狀態；設備誤碼率持續高于閾值或波動率持續上升，即可預警圖像傳輸質量下降等。 三是通過歷史知識庫關聯分析，將某種故障發生時會導致多個設備狀態出現連鎖反應的數據特征固化為系統綜合預警模型，基于模型特征數據進行數據比對和匹配分析，形成診斷結果。此外，還可完成系統符合性檢查，通過建立不同應用場景基準運行配置模型，利用數據分析模塊對設備運行配置文件內容進行一致性分析檢查，實現一鍵檢測功能。

圖5 健康數據模型

數據挖掘分析模塊根據健康數據模型類型，通過診斷碼直接判斷智能設備當前的健康狀態是否正常，通過健康數據模型對非智能設備進行健康診斷，同時，通過綜合預警模型[9]對整個系統進行綜合健康狀態檢查分析，如比對當前的信號源連接數、發送信息與預存正常狀態時的信息源連接數進行檢查，分析發送信息源配置是否正確，環網主備模式的雙路通連狀態是否良好，是否出現系統級的運行安全故障風險，以及主備系統切換隱患等。數據挖掘分析模塊將形成的分析結果送數據庫存儲，并交診斷決策模塊進行下一步處理，同時將預警結果標示送健康運行監視模塊，在圖形化的設備分布圖上實時標注定位。

為提供更加豐富的健康數據模型，系統建立具有擴展診斷碼、故障現象、數據特征的格式化故障處理工作單，一旦有新的故障模型出現就會被自動新增到健康數據模型中。 此外，數據挖掘分析模塊能夠基于人工交互和機器算法實現模型預警閾值的參數調節修正能力。

2.3.6 診斷處置模塊

診斷處置模塊接收匯總數據挖掘分析結果，根據分析結果，從處置預案知識庫中匹配篩選相關處置預案和處置規則，輔助制定診斷處置流程計劃[10-11]和處置措施報送系統健康運行監視模塊進行展示，同時將處置措施按照故障處置字典，翻譯生成設備能夠接收的操作控制指令代碼，形成設備處置指令任務單或參數配置指令任務單，發送至運行配置模塊實施對設備的故障處置和操控配置。 并通過系統健康運行監視模塊跟蹤診斷處置工作進程。 診斷處置模塊提供基于樹狀結構的診斷處置標準化計劃模板的制作、導入、存儲、檢索功能。

2.3.7 系統健康運行監視模塊

運行態勢軟件接收來自數據分析軟件處理產生的LED 顯示系統格式化狀態數據、判別結果信息、故障預警信息以及綜合健康指數評估信息等。通過柱狀圖、餅圖、定制化統計圖表等形式進行系統運行態勢的可視化監視和統計評估。 此外，運行態勢軟件按照實際設備系統部署位置以底圖方式標繪LED 顯示系統運行環境和每個設備在拓撲結構中的準確位置，可通過鼠標單雙擊方式顯示設備的詳細配置文件、輸入設備詳細位置信息，并能夠將分析后的故障預警[12]信息關聯標繪到對應的設備位置上(如房間、機柜，大屏某行某列)，幫助快速定位故障位置實施排查處置，實現系統的可視化健康監視管理。 健康運行監視對故障診斷處置的工作進程進行監視，并能夠對故障處置結果進行分類統計，給出故障處置效果評估結果。

2.4 軟件運行流程

健康管理軟件系統運行流程如圖6 所示。

圖6 LED 顯示系統自動化健康管理系統運行流程

用戶首先經過一體化軟件框架的身份認證，由統一入口登錄健康管理軟件系統。

按照標準服務調用方式啟動運行配置軟件模塊對所有運行軟件模塊的啟動配置文件參數進行初始化設置并啟動所有軟件。

數據采集模塊采用輪詢或強制中斷方式收集LED 顯示系統各設備的運行狀態并調用數據訪問模塊對數據進行校驗、分類和格式化存儲。同時，以格式化數據庫方式共享至健康運行監視模塊。

數據挖掘分析模塊實時監視[13]接收系統狀態數據，并根據數據類型選取健康模型庫進行數據分析和模型匹配，形成故障告警、風險預警和運行統計等分析結果，分別推送至健康運行監視和診斷決策[14]模塊。

診斷決策根據分析結果制定處置預案和計劃，并形成設備處置指令任務單和參數配置指令任務單，推送至運行配置模塊對指定設備執行相關操控處置指令。 同時，將預案計劃和任務單推送至健康運行監視模塊。

運行配置根據診斷決策模塊推送的任務單對系統制定設備遠程操控或對軟件運行配置參數進行修改，并重新啟動指定軟件模塊。

健康運行監視模塊實時監視和收集來自數據采集、數據挖掘分析、診斷處置以及數據庫相關庫表數據，并以圖表等形式進行數據分類實時展示、預警、統計和預測評估。

3 結論

研究建立LED 顯示系統自動化健康管理系統是LED 技術發展的必然要求。 通過實際應用表明該系統能夠對分布式、大規模的顯示系統提供快速、直觀、有效的設備故障定位和系統整體風險預警[15]。 并能夠借助該系統自動對故障維修經驗進行固化而為后續運維管理提供診斷模型支持。 系統具備的運行前合規性一致檢查和運行中的故障隱患實時監測預警，以及基于知識庫的應急處置任務單干預對基于LED 大屏顯示系統進行安全監控、決策指揮的工程任務應用具有重要現實意義。