張德慧

（沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

1 引言

目前，網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)過分依賴于監(jiān)控中心和被監(jiān)控實(shí)體，尤其是占用了監(jiān)控中心和被監(jiān)控實(shí)體大量的CPU時(shí)間、內(nèi)存和帶寬等資源，且系統(tǒng)可靠性、抗毀性、靈活性低。當(dāng)被監(jiān)控實(shí)體尤其是計(jì)算機(jī)等發(fā)生操作系統(tǒng)或硬件故障時(shí)，故障征兆采集和診斷變得非常困難。此時(shí)，無法滿足智能故障監(jiān)控和診斷的需求。針對以上弊端，本文采用嵌入式[1]PCI板卡取代實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的服務(wù)器主機(jī)，配置在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)上，并接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行及時(shí)故障診斷和控制。

網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)軟件、應(yīng)用軟件、節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)及其在不同節(jié)點(diǎn)之間的組合是千變?nèi)f化的，尤其是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障可能會影響到其他多個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常工作，或在其他多個(gè)節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出來，從而使得網(wǎng)絡(luò)故障診斷變得非常復(fù)雜?；谥R的故障診斷方法不需要對象的精確數(shù)學(xué)模型，是一種很有生命力的方法[2]。專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域最活躍、最重要的一個(gè)分支，它利用專家知識和推理，模擬專家的決策活動來解決只有專家才能解決的問題。它具有高效性、靈活性、交互性和學(xué)習(xí)性等優(yōu)點(diǎn)[3]。

本文結(jié)合嵌入式系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一個(gè)基于CLIPS的分布式網(wǎng)絡(luò)故障診斷專家系統(tǒng)，移植到嵌入式故障診斷卡上，配置到網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)中，對網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和控制。

2 故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由給定網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，故障診斷系統(tǒng)采用分層分布式多域的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中診斷卡是一個(gè)基于ARM-Linux開發(fā)的帶有PCI插槽的嵌入式故障診斷系統(tǒng)。對每一個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)通過PCI插槽接入一個(gè)嵌入式故障診斷系統(tǒng)，對計(jì)算機(jī)及其相關(guān)的鏈路和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、故障診斷和控制。按空間位置優(yōu)先將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分為域，每個(gè)域中選舉一個(gè)診斷卡上的系統(tǒng)作為域首，負(fù)責(zé)域內(nèi)的故障診斷和域間故障協(xié)同診斷。每一個(gè)域相對于其上級域來是等同于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，故上級域?qū)ο录売蛴性\斷和控制功能。其他診斷卡上非域首系統(tǒng)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集域和協(xié)同。

2.2 專家系統(tǒng)知識表示

知識表示的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的效能，如何表示和管理知識以便能被專家系統(tǒng)最好地利用是知識工程中的關(guān)鍵問題。

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)故障診斷的特點(diǎn)，本文采用基于產(chǎn)生式與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的知識表示形式，非常適合于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。當(dāng)某個(gè)特定的實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊只需產(chǎn)生一個(gè)通知事件，利用特定對象的set方法和get方法就能及時(shí)反映給故障診斷專家系統(tǒng)工作內(nèi)存；此外，采用基于產(chǎn)生式與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的知識表示形式與基于規(guī)則推理的方式進(jìn)行診斷還可以彌補(bǔ)基于單一規(guī)則推理專家系統(tǒng)不能滿足對網(wǎng)絡(luò)故障具有很強(qiáng)的動態(tài)性和并發(fā)性特點(diǎn)診斷的需要。

系統(tǒng)定義了一個(gè)故障類的頂層Fault類，它是一個(gè)抽象類，是其他所有診斷類的基類或間接基類。它包含了所有故障類的共同屬性如發(fā)生時(shí)間等，任何故障類都是從它派生出來的。總體上將故障定義為三類：計(jì)算機(jī)類、交換機(jī)類和鏈路類，即從Fault類派生出三個(gè)類，并進(jìn)行劃分和繼承，分別進(jìn)行類定義和消息相應(yīng)函數(shù)的定義。

2.3 故障樹分析法與規(guī)則的構(gòu)建

故障樹分析法是一種將系統(tǒng)故障形成原因按樹枝狀逐級細(xì)化的圖形演繹方法，是60年代發(fā)展起來的用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一種方法。本文引入故障樹分析法，對各類故障從整體到局部、從頂層到底層進(jìn)行全面分析，建立規(guī)則庫。圖2所示為從某節(jié)點(diǎn)出發(fā)A節(jié)點(diǎn)無法訪問的故障樹分析圖。

2.4 故障診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對于資源相對受限的嵌入式環(huán)境，對系統(tǒng)毫無意義的程序帶來的資源浪費(fèi)是不可容忍的，因此本文對CLIPS源碼進(jìn)行了裁剪。本文通過修改編譯選項(xiàng)、功能開關(guān)、和刪除函數(shù)注冊等方法，裁剪了源碼中與ARM-Linux環(huán)境無關(guān)代碼、exmathfun、bmathfun、ext_io 等模塊。通過progen+tmake生成so文件。

CLIPS提供兩種進(jìn)行擴(kuò)展編程的機(jī)制，一種是集成式編程，一種嵌入式編程[4]。集成式編程允許將C、FORTRAN和ADA等語言編寫的函數(shù)在CLIPS中注冊為外部函數(shù)。嵌入式編程是將CLIPS的源碼嵌入C、C++和ADA等語言中進(jìn)行編程，將CLIPS作為系統(tǒng)的系統(tǒng)的一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用的方式。本文利用CLIPS集成式編程和嵌入式編程機(jī)制實(shí)現(xiàn)診斷家系統(tǒng)服務(wù)端的設(shè)計(jì)。一方面通過C語言開發(fā)了控制模塊調(diào)用接口、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)調(diào)用接口、通信模塊調(diào)用接口、I/O功能接口等，注冊成為CLIPS的外部函數(shù)和命令，定義成為CLIPS I/O路由，在規(guī)則中進(jìn)行調(diào)用，完成推理機(jī)與其他模塊之間的交互。其中與診斷客戶端的交互幾乎全部是通過自定義I/O路由調(diào)用通信模塊實(shí)現(xiàn)。另一方面，將集成編程后的源碼編譯成為so文件，嵌入到故障診斷系統(tǒng)中。故障診斷系統(tǒng)通過調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)推理機(jī)，并將推理機(jī)作為進(jìn)程的單獨(dú)線程，隨時(shí)監(jiān)聽事件的到來進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和控制。

診斷系統(tǒng)服務(wù)端以推理機(jī)為中心，控制模塊在專家系統(tǒng)外部函數(shù)的調(diào)用下，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)或特定節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過調(diào)用通信模塊、知識庫管理模塊和故障管理模塊等，實(shí)現(xiàn)與客戶端的交互，從而實(shí)現(xiàn)與用戶的交互接口和知識獲取接口。

診斷客戶端主要包括用戶接口和知識獲取接口。用戶接口完成用戶對診斷功能的調(diào)用、診斷過程中輸入觀察事實(shí)、以及查看診斷結(jié)果和恢復(fù)意見等。故障診斷知識獲取接口主要包括規(guī)則的添加、修改和刪除。如圖3所示是診斷系統(tǒng)的客戶端一次診斷結(jié)果顯示。

3 結(jié)論

本文充分利用了嵌入式系統(tǒng)集成度高、可靠性好、免維護(hù)的特點(diǎn)，使故障診斷系統(tǒng)具有更高的可靠性和移植性。結(jié)合專家系統(tǒng)高效能，CLIPS開源和易于移植的特點(diǎn)，降低了故障診斷系統(tǒng)的成本，同時(shí)提高了故障診斷系統(tǒng)的適用性和診斷率。

[1]李善平等 Linux與嵌入式系統(tǒng)(第2版)[M].清華大學(xué)出版社2006.3

[2]馬少平等.人工智能[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.8

[3]Joesph Giarratano.專家系統(tǒng)原理與編程(原書第四版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8

[4]STB of NASA.Advance Programming Guide,CLIPS6.24 Reference Manual II[M].From Intel net,2006