高速公路机电设备运维专家系统研究

刘阳　杜文良

摘要：随着广西高速公路机电设备日益增多，运维养护工作也日益繁重和重要。文章介绍了应用SNMPv3和FINS通信协议、Drools规则引擎、UI框架构建高速公路机电设备运维专家系统，通过构建高速公路机电设备运维专家系统对机电设备运行状态信息进行采集和分析，可以实现机电设备故障的智能诊断，缩短机电设备的故障发现及修复时间，提高养护效率。

关键词：智慧交通;专家系统;故障诊断

中国分类号：U495文献标识码：A

0 引言

高速公路机电设备种类繁多，工作环境恶劣，分布分散。传统的人工维护手段对个人的机电运维水平要求比较高，而且出现故障时难以准确定位故障原因，响应速度慢，增加了故障修复时间，严重影响了设备的养护水平。

对机电设备状态数据进行采集，并通过基于规则的智能运维专家系统模块，将人判断故障、处置故障的过程整理成计算机能识别的规则，对设备故障进行智能辅助诊断和提供维修建议，实现智能派单，可大大缩短高速公路机电设备的故障停机时间，提高设备运行效能和高速公路机电系统养护能力。同时，系统将设备位置信息、拓扑连接信息直观地显示在GIS地图上，并可通过互联网、移动端随时随地查看设备状态。

1 数据采集通信协议

高速公路上的机电设备支持多种通信协议，如SNMP、FINS协议等。目前广西高速公路隧道的部分机电设备的通信是基于FINS进行通信的，其他大部分设备都是需要通过IP网络来进行通信的，而SNMP是基于TCP/IP协议族的网络管理标准，是一种在IP网络中管理网络节点的标准协议。对于支持SNMP协议的机电设备，本方案采用SNMP协议，通过snmpwalk（SNMP的一个工具）对可网管设备的OID信息进行采集，从而获得设备的状态数据，如交换机、路由器、服务器等的IP地址、内存使用率等。为了增加系统的安全性，采用SNMPV3版本，与SNMPv1和SNMPv2相比，SNMPv3增强了设备访问的安全性，它采用了USM（基于用户的安全模型，提供认证、加密功能）和VACM（基于视图的访问控制模型，确保用户有特定MIB对象的访问权限）技术。

2 应用Drools构建专家系统

2.1 Drools介绍

专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等构成[1]。要使计算机能够理解专家领域知识，需要使用一定的规则来表示知识，基于规则的产生式系统是比较常用的方法。其由综合数据库、知识库和推理机3个主要部分组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断言[2]。

Drools 是开放源码规则引擎，它是用 Java 语言编写，使用 Rete 算法对所编写的规则求值。Drools 可以使用声明方式表达业务逻辑，并且可以在Java代码中嵌套規则。根据高速公路机电设备故障以及设备状态信息纷繁复杂的特点，且设备故障之间大多有相关性，本方案采用规则引擎 Drools构建专家系统。

2.2 系统结构设计

通过Drools规则引擎，将采集到的设备状态数据组成事实，并与规则相匹配，从而判断设备是否存在故障。规则包含触发规则的条件和规则指定的操作，由高速公路机电运维工程师根据平时维护的经验进行归纳总结并录入知识库，在系统运行时作为规则加入到工作内存中。采集到的设备状态数据规整为标准的事实数据格式，作为事实条件加入到工作内存中。当满足规则条件时，规则引擎将激活并在议程中注册规则，然后对优先级或冲突的规则进行排序，为执行做准备。系统结构如图1所示。

2.3 诊断规则分析和定义

前端采集的机电设备包括PLC控制的设备（交通灯，指示灯，风机等）、交换机、路由器、服务器等。对于PLC控制的设备，通过FINS协议进行数据采集，将采集到的状态数据组成JSON格式。以交通灯为例子分析其数据结构以及处理流程：

数据结构定义如下：

{

"采集时间"： "2019-06-01 09：00：16"，

"静态信息"： {

"设备名称"： "交通灯"，

"设备编码"： "xxx"，

"设备品牌"： "不详"，

"设备型号"： "XX - 02"，

"设备IP" ： "xxx"，

"设备位置"： "河百段（河池公司）->隧道->新烟（丘莫）隧道->右洞"

}，

"实时状态"： {

"设备温度" ：45，

"在线状态" ： "在线"，

"故障反馈" ：0，

"红灯指令" ： "开"，

"红灯反馈" ： "开"，

"黄灯指令" ： "开"，

"黄灯反馈" ： "开"，

"绿灯指令" ： "开"，

"绿灯反馈" ： "开"，

"转向指令" ： "开"，

"转向反馈" ： "开"，

}

}

接下来定义各种机电设备类型产生告警的条件。以交通灯作为例子，对于交通灯的故障诊断规则可以作如下定义：

（1）交通灯的控制信息与反馈信息是否匹配，信号是否冲突，如指示灯前后都为绿箭，则得出信号显示冲突的告警。

（2）设置状态数据上、下限，当相关值超过预设上、下限时，产生告警。例如为设备温度设置上限，设备温度>60 ℃，则产生温度过高的告警。

（3）某些设备会有本身故障信息反馈，根据故障反馈字段来生成设备故障反馈的告警。

2.4 设备故障链路诊断

在网络环境下，采集机对某些设备的网络连接是中断的，有可能是设备本身的原因，也有可能是上联设备的故障造成设备不可访问。通过定义设备业务链，建立诊断规则，进行系统诊断后，如果是父节点问题，则故障诊断显示：“由于设备号为XX的设备造成本设备故障，建议检查XX设备”;如果是设备本身问题，则故障诊断显示：“本设备故障，请检查本设备”。

2.5 运维知识库维护

除了规则库的定义，还要在运维知识库定义相应故障的维修建议。运维工程师通过运维系统获取维修设备的建议，将每次设备故障诊断结果存储到数据库，可以作为故障预警分析的数据来源。

对采用历史数据进行诊断的策略，需要获取数据库中的历史状态数据进行计算，如根据历史内存占用率、磁盘使用率、系统温度等指标对设备性能超限状态进行预警。另外，可以根据多个设备的状态数据进行综合诊断。如在多义性路径识别监控应用中的辅助校验模块，就需要根据多个设备采集到的数据进行综合判断：（1）通过标识点系统和高清卡口系统获取到车辆通过的流水记录，对标识点和高清卡口进行流量校核，以辅助校验标识点和高清卡口点系统的运行质量;（2）基于这些流水記录，辅以从收费系统所获取的出入口信息后，以作辅助校验收费系统之用。

3 界面展示模块

3.1 UI框架选择

界面展示采用Vaadin框架，它是一个用于构建现代web应用程序和网站的Java web框架，允许开发人员非常高效地利用Java创建UI，或者使用HTML模板创建UI，然后使用Java将其绑定到任何后端。

Vaadin具有以下特点：让开发人员可以专注于UI的架构;不需要考虑客户机-服务器通信;拥有丰富的UI组件;可以使用Java或HTML模板构建可重用的UI组件;有数据绑定API，使用类型安全的Java将UI组件连接到任何后端;路由器API可以创建分层的页面结构。

3.2 界面展示的主要功能

（1）提供运维工程师录入规则引擎的知识库界面，如告警（信息）规整规则、诊断规则、处置方法等，对导入的规则、设备信息等数据进行合法性检验。

（2）定义设备告警扫描间隔，接收经过智能诊断模块上报的告警信息，查看所有当前及历史设备告警信息。

（3）在智能诊断时根据设备告警信息对历史告警处理工单进行自动检索，显示历史处理工单，以供维护人员参考。

（4）以丰富的图文展示设备故障率、可用率、报废率等统计信息。

（5）系统结合GIS地图展现机电设备分布位置，根据站点的设备状态信息显示相应的颜色，如果设备存在告警，则图标显示红色。

4 系统应用测试

系统在广西高速公路的河百路段、贵合路段等多个路段进行实际部署测试，根据设置的知识库规则，系统能够根据上报的设备状态数据，自动诊断出相应的故障类型。运维人员还可以根据设备名称、路段、设备IP等属性进行告警信息筛选，并激活故障工单流程。

设备故障也可以在移动端和PC端的GIS地图上进行展示。站点图标根据设备的状态进行展示，包括正常、故障、在维修状态。如果该站点存在设备告警、维修的情况，则站点显示相应状态图标。

5 结语

高速公路机电设备运维专家系统通过采用SNMPv3、FINS等协议，对高速公路机电设备的状态数据进行采集、汇总，通过构建基于Drools引擎的专家系统对设备状态数据进行分析诊断，对整体和局部的设备运行情况做出预测，判断故障原因并提供检修方法，并在展示界面将设备的运行状态以图、表、警告等方式提示监控人员和运维人员，提高高速公路机电设备运维效率。

参考文献：

[1]郑晓波.智能型操作票专家系统的研究与设计[D].成都：西华大学，2007.

[2]曹 璐，肖 乾，王 莉.电线电缆的电磁兼容分类专家系统的建立[J].民用飞机设计与研究，2010（1）：51-53，60.