基于3D可視化的虛擬傳輸機房故障排查學習訓練系統研究

摘" 要：光纖通信傳送網是整個通信網系的基礎傳輸平臺，當前網絡自動優化閉環自治的整體水平不高，對網絡故障的快速感知和精準定位還不夠智能，在網絡規模不斷擴大的同時，需要大量的人力資源去處理各種故障。因此，這就需要網絡運維人員具備熟練的故障排查與處理能力，而目前關于故障排查學習訓練的手段比較單一，且時效性不足，針對這種情況，該文提出一種基于3D可視化的虛擬傳輸機房故障排查學習訓練系統設計構想，供大家借鑒。

關鍵詞：3D可視化仿真訓練；故障樹；網絡運維；系統設計；WebGL

中圖分類號：TP311.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0043-04

Abstract： The optical fiber communication transmission network is the basic transmission platform of the entire communication network system. At present， the overall level of network automatic optimization closed-loop autonomy is not high， and the rapid perception and accurate positioning of network failures are not intelligent enough. While the network scale is expanding， a large number of human resources are needed to deal with various failures. Therefore， network operation and maintenance personnel are required to have skilled fault troubleshooting and processing capabilities. However， the current means of fault troubleshooting learning and training are relatively simple， and the timeliness is insufficient. In view of this situation， this paper puts forward a design idea of virtual transmission computer room fault troubleshooting learning and training system based on 3D visualization， which can be used for reference.

Keywords： 3D visualization simulation training; fault tree; network operation and maintenance; system design; WebGL

目前，針對光纖通信傳送網故障排查學習訓練的途徑主要有以下3種：一是依托廠家進行裝備培訓，二是依托院校進行專業學習，三是在本單位現網裝備上通過師傅帶徒弟的方式跟學，這3種途徑大多采用傳統的實裝培訓模式，在培訓周期及成本、培訓效果和針對性等方面難以面面俱到。特別是在前2種實裝培訓的過程中大多數故障難以再現，只是停留在理論分析階段，從而導致理論知識和實踐應用不能有效銜接；通過第三種途徑網絡運維人員雖然能在實際網絡環境中學到一線故障排查處理的經驗，但鍛煉機會不多，從而造成學得不夠深入、不夠系統的情況。

為提高故障排查學習訓練效果，在傳統培訓模式的基礎上，亟待開展新的培訓方式和手段研究，設定特定的培訓項目，才能達到訓練目的，進而提高網絡運維人員的綜合保障能力。隨著信息技術和3D技術的迅速發展，新的培訓方式、培訓手段相繼出現，技術逐步成熟，具備了為用戶提供更便捷、更優質培訓服務的條件。

1" 系統功能需求分析

光纖通信傳送網主要由機房內各種傳輸設備、配線架、各類連接線纜、附屬設備和外部光纜線路等實體組成。其中由于外部光纜中斷造成的通信故障，目前排查處理的方法手段較為齊全，且光纜阻斷故障定位與故障處理訓練比較容易實施，但故障如果出現在各個傳輸機房內，由于機房內設備多、品牌型號不一、連接關系復雜，往往是故障排查的難點，因此，本系統設計主要針對機房內各種常見故障的排查訓練，具體功能模型如圖1所示。

1.1" 仿真訓練功能

仿真訓練功能是該系統的主體功能，主要實現訓練環境及條件布設、用戶訓練操作及結果判定，具體包括機房構建、業務配置、故障設置、訓練評價4個部分。機房構建部分支持用戶選用不同的機房、機架、設備、單板、配線架和線纜等模型構建與本單位實裝機房基本一致網絡環境，并配置好基本運行數據，然后系統生成管理控制信號路徑和供電信號路徑。業務配置部分支持用戶輸入本機房傳輸設備所承載的業務數據，然后系統生成業務信號路徑。故障設置部分支持用戶設置隨機故障點，系統顯示相應告警信息和故障現象。訓練評價部分支持用戶使用虛擬儀表測試、環回、替換、修改數據配置等各種方法與系統進行交互，系統根據用戶動作做出反應，訓練完成后系統對操作過程和結果進行分析評價。

1.2" 自我學習功能

自我學習功能為網絡運維人員提供大量的理論知識和實踐技能學習資源，以文本、幻燈和視頻的方式呈現給用戶，包括光傳輸基本原理、設備工作原理、維護管理操作和性能指標測試等內容。另外還提供模塊測試功能，支持用戶按照技術體制或設備類型進行理論測試，以評估網絡運維人員對相應知識的掌握情況。

1.3" 故障字典查詢功能

故障字典查詢功能實現用戶對各類告警原理和故障成因的快速查詢，為用戶快速準確定位分析故障提供理論支撐。另外系統還具備故障記錄功能，用戶可將每次實裝機房出現的故障情況詳細記錄下來，系統根據這些數據進行統計分析，為日后用戶故障排查處理提供參考。

1.4" 在線支援功能

在線支援功能包括專家咨詢、同行咨詢和廠家支援，主要采用即時通訊或留言的方式實現用戶與支援方的溝通交流。

1.5" 系統管理功能

系統管理功能主要實現用戶的注冊及登錄管理、用戶數據的備份與恢復、系統參數設置與維護等管理。

2" 系統主要功能實現方法

2.1" 軟件開發平臺選擇

B/S體系結構中客戶端瀏覽器與服務器、數據庫之間的職責關系較為清晰，瀏覽器負責三維場景的展示和功能的交互，服務器用于處理用戶的各種業務請求，數據庫用于響應瀏覽器和服務器的數據需要?；贐/S體系結構開發的系統具有升級簡單、開發成本和難度低、交互性強、瀏覽器端數據交互壓力小等特點，比較符合本系統軟件開發的各種需要?；?D的數據呈現和交互更符合用戶的認知特點，能夠給用戶帶來全局立體的體驗，利用Web3D相關技術實現跨平臺、全方位3D場景展示以及具備豐富易擴充的交互操作，已經成為3D應用開發的一種趨勢。WebGL技術作為Web3D標準的一種技術實現，具有不需要安裝瀏覽器插件、渲染速度快、基于html5支持等優點，而且WebGL的第三方庫three.js，提供了接口的二次封裝，簡化了細節，降低了開發成本，卻幾乎沒有損失WebGL的靈活性。因此，基于WebGL構建B/S模式的仿真訓練系統，是虛擬傳輸機房故障排查訓練的優選方案。

2.2" 系統總體架構設計

系統總體架構如圖2所示，用戶層通過在Web頁面上顯示可交互的虛擬機房場景，人機交互可以通過鼠標、鍵盤對機房模型進行各類操作控制，改變虛擬場景的內容及展示方式。用戶層通過協議向應用邏輯層傳遞用戶的業務請求，當接收到應用邏輯層返回的數據時，系統將這些數據按照用戶的要求實時地顯示在虛擬機房對應設備或相應頁面上。

應用邏輯層作為用戶層和數據層之間數據交互的橋梁，是系統體系框架中處理用戶業務的核心層，負責整個系統的數據分析處理，包含了應用服務器、系統功能模塊與數據處理模塊。該層的主要功能是根據用戶層的業務請求調取數據層中的數據，處理并生成用戶層需要顯示的數據形式并返回給用戶層，以實現各種交互功能，如故障點的設置及故障現象呈現、設備的各種操作及響應、信號流的查詢及可視化呈現等。另外還要根據用戶的需求，對部分數據進行存儲或修改，如業務參數配置、機房故障記錄和用戶數據備份等。

數據層主要存儲機房場景模型、裝設備模型文件、裝設備狀態信息、故障樹模型文件及用戶管理數據等。數據層通過數據庫驅動與應用邏輯層進行交互，并實現系統所有資源信息數據的動態存儲管理。

2.3" 機房構建功能實現

機房構建平臺是用戶實現故障排查仿真訓練的基礎，為滿足不同用戶的需要，機房構建平臺支持2種模式，第一種是選擇預設機房模式、第二種是用戶自建機房模式。在第一種模式中機房配置按照典型標準布設，所有機房場景和裝設備已設置完畢，用戶可直接進行故障點設置和故障排查訓練，但僅限于系統指定的網絡結構和設備類型。在第二種模式中用戶可以自由組合機房和各種裝設備模型，搭建和自己實際維護網絡相似的機房環境，然后進行故障排查訓練，這樣更有針對性，能夠實現虛擬仿真與實裝操作的有效結合。

不管是哪種模式，機房場景及裝設備的3D模型建立是前提條件，也是關鍵環節之一。目前3D建模有以下幾種主流方式：照片建模、人工幾何建模、傾斜攝影建模、3D激光掃描建模?？紤]到機房及裝設備性質、建模硬件條件及系統本身需求，選擇人工幾何建模較為合適。人工幾何建模，是一種正向建模方式，即使用專業3D建模軟件，從零開始建模，如3DsMax、Maya等。

搭建虛擬機房的具體步驟如下：首先建立一個空白的三維場景，并根據機房的平面圖繪制機房地板和墻體；然后將3D建模軟件中的機柜、設備子架、單板等模型導入到WebGL項目中，通過渲染優化，使得虛擬機房更加逼真，并進行模型創建預設，賦予模型各類屬性信息，這些信息都將被轉換成一定格式存儲在數據庫中，為各種應用處理提供支撐，表1為華為OTN傳輸設備支路單板模型的部分屬性信息表；最后將模型放置到相應位置，建立裝配關系和連接關系，并利用內置引擎和相應組件開發單板插拔、線纜更換、儀表測試等動作，這樣就完成了虛擬機房的搭建。

2.4" 故障設置及訓練評價功能實現

故障設置及訓練評價是故障排查仿真訓練的重要組成部分，具體又包含設置故障點、故障現象呈現、用戶故障排查交互和排查結果評價4個環節。在設置故障點環節，用戶只需選擇網絡范圍、故障種類和故障點數量，系統會根據事件發生概率隨機設置故障點，即改變某故障點對應部件的工作狀態；在故障呈現環節，系統通過逆向查詢故障樹模型，并結合3種信號路徑進行計算，得出故障現象，在對應設備告警指示燈和虛擬網管上顯示告警，若為業務故障，則業務用戶設備還會向傳輸站發出故障申告；在排查故障交互環節，用戶可利用鼠標和鍵盤進行一系列操作，如插拔單板、更換線纜、性能指標測試、告警性能查詢、修改參數配置和重啟等；在排查結果評價環節，系統根據用戶的操作實時改變對應部件工作狀態，并重新計算，判斷故障現象是否消失，訓練結束后系統顯示排查時間和具體故障點，并對用戶排查過程進行分析評價。

理清故障現象及故障點之間的邏輯關系是實現故障排查仿真訓練4個環節的核心問題。光纖通信傳送網的故障可從不同角度進行分類，但作為網絡運維人員重點關注的是傳輸設備的網絡管理和業務運行的情況，因此可將故障根據不同現象大致分為業務中斷類、誤碼類（即業務通道質量存在問題）和網元脫管類，這3類是光纖通信傳送網最常見的故障，也是網絡運維人員需要重點掌握的。利用故障樹模型可以清楚表達故障現象與故障點之間的邏輯關系。故障樹實際上是一種因果模型，以故障現象為頂事件，用規定的事件符號與邏輯符號向下延伸，找出導致這一事件所有可能發生的直接因素，其是處于過渡狀態的中間事件，并由此逐步深入分析，直到找出事件的基本原因，即故障樹的底事件（故障點）為止，圖3為業務中斷類故障樹模型。反之，若從故障樹的底事件出發，反向利用故障樹，經過邏輯運算也能到達故障樹的頂事件，這個過程實際上就得出了故障仿真所需要的從故障點到故障現象的映射關系。

另外，除了故障樹模型，系統還需要根據裝設備之間的連接關系生成可視化的業務信號路徑、管理控制信號路徑和供電信號路徑，并建立路徑要素集合。比如某條業務信號路徑要素集合為{源端業務設備90-03、接頭40-11、線纜30-01、接頭40-12、線纜30-02、接頭40-13、單板13-01、單板13-02……宿端業務設備90-05}，集合中包括該業務路由經過的所有部件對象。故障樹中的底事件（故障點）只是一個類，并不是具體對象，因此系統還需要結合信號路徑要素集合以及各要素的屬性信息，才能正確完成故障產生及故障消除的仿真，實現故障排查的模擬訓練。

3" 結束語

使用WebGL技術及其三維引擎three.js實現虛擬機房構建，通過基于逆向故障樹和路徑要素集合的分析計算方法實現故障排查仿真訓練，打破了傳統訓練方式的時空界限，有效提升了網絡運維人員故障排查訓練的效果。本系統是一個完全虛擬的環境，很多數據都由用戶自己設置，特別是在機房構建時，這給使用者增加了操作的復雜度，后期可以通過采集現網裝備數據進行識別篩選，然后直接利用，以此提高系統操作體驗性。另外，未來光纖通信傳送網將會走向全光自動駕駛網絡，通過網元、網絡、云端三層引入AI，實現網絡的極簡運維和智能運維，做到規建、維護、網優、運營自動化，雖然減少了部分人力工作量，但仍然需要大量網絡運維人員，這些人員的裝備操作、故障排查等技能培訓也應該納入到全光自動駕駛網絡的體系中來，向著網絡化、智能化、數字化的方向發展，設備制造商可以在網管系統上采用數字孿生、大數據、AI算法等技術，在實現網絡3D可視化運維管理的同時，也能實現裝備技能培訓和技術支援等自動化售后服務。

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