楊小健 許瀟瓏 李榮雨

(南京工業(yè)大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 211816)

基于ASRM可靠性評估的多途徑SCADA遠程報警監(jiān)控模型

楊小健 許瀟瓏 李榮雨

(南京工業(yè)大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 211816)

為了實現(xiàn)多樣化遠程報警和獨立功能擴展，提出了以SCADA為軟件平臺的自動化遠程報警監(jiān)控模型(RAMM)。從設備連接、誤報消除以及人員可靠性等多個方面，提高RAMM模型的可靠性和安全性；使用基于架構的可靠性模型(ASRM)，對基于RAMM模型開發(fā)的遠程報警監(jiān)控系統(tǒng)(RAS)進行了可靠性驗證。實際應用案例表明，RAMM模型提供了短信、電話、郵件、局域網(wǎng)等多種遠程報警方式，通過對報警信息的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和無人現(xiàn)場值守的功能，具有良好的應用前景。

遠程報警 監(jiān)控 軟件可靠性 ASRM模型 遠程自動化 SCADA

0 引言

在自動化控制應用越來越普遍的情況下，很多領域都采用SCADA遠程報警監(jiān)控系統(tǒng)作為遠程自動化解決方案。目前，國內SCADA遠程報警監(jiān)控系統(tǒng)尚不能保證軟件系統(tǒng)的可靠性。隨著計算機技術的成熟，硬件作為實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能所必須的部分，其成本在迅速降低且可靠性具有保證，而軟件作為實現(xiàn)整個系統(tǒng)核心功能部分，其可靠性卻不能得到很好的保證，軟件故障比硬件故障所造成的損失更大[1]。同時，大部分遠程報警監(jiān)控模型都是只采用短消息或者電話單一報警的途徑遠程報警[2-6]，極大地限制了遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)的使用。

根據(jù)遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本文以擁有自主知識產權的SCADA軟件為平臺，提出了具有可靠性保證和多樣化報警方式的遠程報警監(jiān)控模型(remote alarm monitoring model，RAMM)，并且依此開發(fā)實現(xiàn)了遠程報警監(jiān)控系統(tǒng)(remote alarm system, RAS)。RAMM模型不僅在復雜軟件開發(fā)層次上簡化了開發(fā)流程，完成模塊化開發(fā)，而且實現(xiàn)了報警方式多樣化(短信報警、電話報警、郵件報警、局域網(wǎng)報警、現(xiàn)場語音報警)，具備了統(tǒng)一配置管理的報警信息、遠程監(jiān)控甚至無人值守的目標工程功能。同時，根據(jù)IEEE協(xié)會制定的有關軟件可靠性的相關規(guī)范[7-8]和軟件可靠性評價模型相關的研究[9-14]，使用了基于架構的軟件可靠性(architecture-based software reliability model, ASRM)模型[15-20]對RAS系統(tǒng)軟件可靠性進行了評估，并給出了實際使用案例。

1 RAMM模型架構設計

SCADA遠程報警監(jiān)控模型是為了豐富SCADA在遠程監(jiān)控報警上應用而設計的，由SCADA獲取數(shù)據(jù)、提供組態(tài)環(huán)境，RAMM模型負責監(jiān)控、遠程報警與遠程反饋。RAMM遠程報警監(jiān)控模型架設在原有SCADA平臺上，對原有平臺進行功能擴展，在邏輯上實現(xiàn)了遠程報警與組態(tài)數(shù)據(jù)獲取這兩種功能的分離。

一般來說，在原有系統(tǒng)上進行功能擴展與功能隔離，從很多方面都會提高原有系統(tǒng)的復雜性，這是毋庸置疑的。功能擴展系統(tǒng)具備良好的可靠性，盡可能地對原有系統(tǒng)不產生影響并降低耦合性，在整體模型上進行分析和抽象是非常必要的[21-22]。SCADA組態(tài)系統(tǒng)核心的過程就是對數(shù)據(jù)進行獲取、監(jiān)測、處理、控制和反饋，會產生相對應的數(shù)據(jù)信息、控制信息、反饋信息、設備數(shù)據(jù)信息等，而要實現(xiàn)功能分離，就必須對這些信息區(qū)別對待。監(jiān)控信息和相關配置信息等是RAMM模型需要的，由此可以明確RAMM模型對主系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的需求。

1.1 RAMM模型體系結構設計

為了降低系統(tǒng)間的耦合性，RAMM模型只需取原系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)信息以及相關的配置信息，并以此為基礎進行功能擴展應用。

RAMM模型設計是SCADA系統(tǒng)的應用擴展，所以在權限操作和操作員管理方面需要和原系統(tǒng)保持一致。RAMM模型的架構設計如圖1所示。

從圖1可看出，RAMM模型需要主系統(tǒng)應用層的數(shù)據(jù)，即RAMM模型是原系統(tǒng)在應用層面上的擴展。

圖1 RAMM層次體系結構

RAMM體系結構分成4層，分別是數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務交互層和應用層。數(shù)據(jù)接口層是將原SCADA系統(tǒng)的必需數(shù)據(jù)獲取到RAMM模型之中；數(shù)據(jù)層是對RAMM模型的數(shù)據(jù)進行記錄存儲和再現(xiàn)；業(yè)務交互層實現(xiàn)RAMM模型相關業(yè)務交互；應用層是由RAMM模型提供的具體功能。通過實時數(shù)據(jù)庫能夠獲取實時信息，通過歷史數(shù)據(jù)庫則所夠方便地查詢歷史報警信息。

1.2 RAMM模型功能模型

RAMM模型對原SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)功能擴展，具體實現(xiàn)了遠程報警與反饋等相關的功能。RAMM功能模型如圖2所示。

圖2 RAMM功能模型

由圖2可以看出，RAMM模型的核心功能是實時報警功能，即根據(jù)報警配置實時地對報警進行相應處理。其他功能則基本上是輔助實時報警功能而產生的。實時報警功能是否可靠很大程度上決定了RAMM模型的可靠性。

2 RAMM模型的容錯性與可靠性

系統(tǒng)在設計開發(fā)的過程中應盡量避免系統(tǒng)引入錯誤，同時在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能夠自行檢測與診斷，使系統(tǒng)具有良好的可修復性。這就要求系統(tǒng)應當具有良好的容錯性和可靠性。

2.1 預防性監(jiān)測

預防性監(jiān)測的基本功能是檢測設備或者軟件模塊的運行狀態(tài)并保證其可用性。預防性監(jiān)測是對系統(tǒng)進行最少次數(shù)的維修或更換系統(tǒng)的全部部件甚至整個系統(tǒng)的維修行為[1]。RAMM模型是一種遠程報警監(jiān)控模型，監(jiān)控是RAMM模型的一個重要部分，在監(jiān)控過程中監(jiān)測報警設備是否出現(xiàn)故障是非常必要的。預防性監(jiān)測的目的就是避免報警設備在空閑期間出現(xiàn)故障，并且能夠進行預防性更換和維修。

RAMM模型短信遠程預防性監(jiān)測示意圖如圖3所示。首先，遠程操作員向短信設備發(fā)送RAMM模型的操作碼，短信設備識別請求碼后進行相關處理，短信設備發(fā)送查詢信息;并在接收到反饋信息后將信息轉發(fā)給操作員，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。這樣的預防性監(jiān)測可以讓操作員了解短信設備的SIM卡余額、短信剩余數(shù)等信息。同時，操作員可以主動請求查詢信息。RAMM模型每月定時向操作員手機發(fā)送短信，實現(xiàn)預防性監(jiān)測，避免出現(xiàn)因短信設備欠費等原因造成系統(tǒng)無法提供服務。

圖3 短信遠程預防性監(jiān)測示意圖

2.2 提高電話與短信報警可靠性

在遠程報警中，遠程報警設備起到了至關重要的作用，電話設備和短信設備分別實現(xiàn)了RAMM模型中電話語音與短信報警通知的功能，是連接人與系統(tǒng)遠程通信的紐帶，是實現(xiàn)RAMM模型遠程報警功能的關鍵。

電話語音設備與短信設備處理信息都有延時，且具有單個請求處理時間較長的特點，如電話語音設備經歷電話撥打、接通和掛斷幾個過程，會持續(xù)比較長的時間。因此，當一個系統(tǒng)產生大量報警時，電話語音設備與短信設備將承載很大的負載，出現(xiàn)短信發(fā)送失敗、電話漏撥等問題。如在系統(tǒng)斷電切換至UPS供電的情況下，會產生大量的報警，這樣的情況將造成大量的報警通知信息積存在電話設備與短信設備端，產生漏發(fā)和漏撥的問題。

對此，RAMM模型使用緩沖技術來解決這樣的短時間內出現(xiàn)高負荷的問題。緩沖技術就是在短時間內出現(xiàn)大量負載的時候，使用隊列緩沖實現(xiàn)信息有次序的處理，以防止出現(xiàn)漏發(fā)漏撥的情況，提高整體系統(tǒng)的QOS服務質量。

使用隊列緩沖技術處理短信信息的原理圖如圖4所示。由于使用了隊列，在出現(xiàn)大量報警時信息不會阻塞在硬件設備端，而是堆積在信息隊列中，避免了硬件設備出現(xiàn)漏發(fā)信息等問題。

圖4 隊列緩沖技術處理短信原理圖

然而在短時間內出現(xiàn)大量報警時，這種方法不具備很好的報警實時性處理能力。由于未來產生的報警數(shù)量未知，因此，可以通過直接監(jiān)控隊列長度來實現(xiàn)。當隊列長度大于某個閾值時，RAMM模型將操作員聯(lián)系號碼作為依據(jù)合并報警信息，從而達到縮短隊列長度和處理時間的目的。

電話語音報警是通過事先錄好的每個報警點的語音信息，在出現(xiàn)報警時撥打電話進行播報。電話語音報警相對于短信報警來說，延時性更高，單個請求持續(xù)時間更長，還存在被叫無法接通、被叫提前掛機等狀況，使得電話語音報警更加復雜。

在處理電話語音報警過程中，以操作員建立散列表，原理如圖5所示。散列表中存放產生報警需要播放的語音信息，定時對散列表進行檢查。若某個操作員列表中存在語音信息，則進行撥號。如果接通，將其列表中的語音信息全部播放給被叫操作員，記錄后消除列表中的語音信息；若沒有接通，列表中的語音信息不操作，等下一次輪詢時進行電話撥打。

圖5 使用散列表處理電話語音報警原理圖

這種方式不僅可以避免在短時間內多次撥打同一操作員號碼，而且可以快捷處理短時間內產生的大量報警信息，提高了電話語音報警的實時性。

2.3 短報的處理

短報，就是報警持續(xù)時間非常短暫然后又恢復的報警。由于設備供電電壓不穩(wěn)、通信鏈路不完全可靠等原因會造成報警以后立馬恢復，一般的報警時間持續(xù)1～5 s，然后報警恢復。這樣的情況會造成RAMM模型在短時間內產生比較多的報警信息和報警恢復信息，從而降低用戶對RAMM模型的軟件體驗，同時也浪費了短信和電話語音資源。

由于不能預見報警信息是否是短報，因此解決短報的問題可以用報警檢測延時來解決，即在檢測到每個報警之后，并不馬上進行報警，而是等待幾秒，然后再決定是否報警。這樣的做法是犧牲部分的報警實時性來消除短報，但與電話撥打與短信發(fā)送的時間相比，花費這些時間是值得的。同時，為了提高RAMM模型的用戶體驗，將消除短報設為選項配置，將功能的選擇權交給用戶，以滿足用戶的各種需求。

2.4 降低人為故障

在大多數(shù)情況下，人和機器共同組成一個系統(tǒng)；同時由軟件和硬件構成的系統(tǒng)可能會由于軟件不能執(zhí)行外部指令而失敗[23]。在眾多系統(tǒng)故障報告中，有相當比例的事故起因是“人為錯誤”或“人員可靠性”。故障分為系統(tǒng)故障和人為故障兩類[24]。對人為故障，應持謹慎態(tài)度，避免將所有的責任都壓在操作員身上，可以采用人員培訓、良好的用戶體驗和系統(tǒng)容錯等方式來解決，提高可靠性。RAMM模型采取了若干方式來降低人為故障。

① 屏蔽會引起歧義的設計，對用戶進行指引。RAMM模型設計應盡量避免引起用戶的誤解和誤操作，對可能發(fā)生歧義的設計加上說明和指引，降低人員故障。

② 權限統(tǒng)一。RAMM模型與組態(tài)系統(tǒng)中所有操作員以及加密鎖的權限是統(tǒng)一的，這不僅可以提高系統(tǒng)的安全性，還可以避免沒有權限的操作員對RAMM模型的誤操作，提高系統(tǒng)的安全性。

③ 良好的人機界面和豐富的說明文檔。人性化的提示和詳盡的說明文檔可以避免操作員誤操作。

2.5 擔保組件

RAMM模型采用重加載技術和擔保組件，使RAMM模型在運行出現(xiàn)故障時能夠實現(xiàn)重加載。與硬件擔保模型[1]不同，擔保組件實現(xiàn)重加載功能。擔保組件的設計目的就是在系統(tǒng)核心功能出現(xiàn)失效的時候能夠進行修復。擔保組件并不提供冗余功能，從根本上看算是一個微型的監(jiān)控維修組件，從而達到軟件可修復系統(tǒng)[1]的目的。圖6是擔保組件重加載設備驅動原理圖。

圖6 擔保組件重加載設備驅動原理圖

如設備驅動在連接設備時出現(xiàn)故障，設備驅動在故障診斷無法修復時，返回狀態(tài)碼，并告知擔保組件；此時擔保組件關閉驅動，讀取設備1的配置參數(shù)，初始化驅動重連。在多次重新連接失敗后，擔保組件選擇連接冗余設備2，讀取配置參數(shù)后讓驅動初始化重加載設備2。

3 ASRM模型與系統(tǒng)可靠性評價

采用ASRM模型對軟件可靠性分析需要滿足基本模型假設：① 組件之間的可靠性是相互獨立的；② 組件間的控制轉移是Markov過程；③ 組件之間的連接邏輯完全可靠。為了計算整個系統(tǒng)的可靠性，組件的可靠性可以根據(jù)測試等途徑得到[25]。文獻[23]給出了冗余組件等可靠性的計算方式。ASRM模型主要用于計算基于組件的軟件架構模型。

3.1 擔保組件與可靠性

RAMM模型使用擔保組件是為了在線監(jiān)測核心組件并在組件失效時提供重加載，提高核心組件的可靠性。冗余組件與擔保組件示意圖如圖7所示。

圖7 冗余組件(左)與擔保組件(右)示意圖

對于冗余組件(主動冗余)，其轉移概率為P=P1R+(1-R)RRP1=[R+(1-R)RR]P1，總可靠性度量為RC=R+(1-R)RR；而擔保組件的轉移概率為P=[R+(1-R)Rw]P1，總可靠性為RC=R+(1-R)Rw。雖然擔保組件與冗余組件的可靠性表示是相同的，但在效率方面，擔保組件占用的內存空間和存儲空間比冗余組件要小，節(jié)省了程序的運行空間，減少了代碼量，提升了軟件可維護性。

3.2 使用ASRM可靠性評估

ASRM模型能夠將軟件程序架構流程圖(architecture flow graph,AFG)通過一定方式轉化成狀態(tài)轉移圖，然后使用Markov鏈模型對整個系統(tǒng)可靠性進行計算。

ASRM模型建模步驟如下。

① 根據(jù)RAMM模型的架構設計圖，設計出相應的程序架構流程圖。

② 根據(jù)架構流程圖，將每一部分轉化成狀態(tài)轉移圖并計算每一部分的可靠性。

③ 將每一部分的狀態(tài)轉移圖集成為完整的系統(tǒng)狀態(tài)轉移圖。

④ 根據(jù)整個狀態(tài)轉移圖的狀態(tài)轉移矩陣，計算可靠性。

根據(jù)圖2中RAMM模型修改的架構流程圖如圖8所示。

圖8中，C1為動態(tài)監(jiān)測，聯(lián)動操作,C2為登錄權限管理,C3為GUI,C4為操作員配置DB,C5為值班表配置DB,C6為歷史報警查詢,C7為歷史報警DB,C8為本機參數(shù)查詢,C9為局域網(wǎng)監(jiān)控,C10為報警記錄,C11為報警數(shù)據(jù)加載,C12為遠程IP監(jiān)控,C13為實時報警,C14為報警記錄DB,C15為設備測試,C16為變量配置DB,C17為日志記錄,CR為冗余組記,CW為擔保組件。

RAMM模型的狀態(tài)轉移圖如圖9所示。

圖8 RAMM架構流程圖

圖9 RAMM模型狀態(tài)轉移圖

圖9所對應的各轉移概率如下：P1,2=1,P2,4=0.1,P2,3=0.7,P2,5=0.2,P3,11=0.5,P3,10=0.1,P3,12=0.1,P3,6=0.1,P3,8=0.1,P3,9=0.1,P6,17=0.8,P6,7=0.2,P7,6=1,P5,2=1,P8,17=1,P9,17=1,P10,14=1,P10,17=0.6,P11,13=0.8,P11,16=0.2,P12,17=1,P13,10=0.15,P13,15=0.1,P14,10=1,P13,17=0.75,P15,17=1,P16,11=1。組件綜合可靠性：

RS5=R5+ (1 -R5)RR5= 0.999 7

RS16=R16+ (1 -R16)RR16= 0.999 7

RS13=R13+ (1 -R13)RR13= 0.999 9

通過轉移矩陣M可以計算系統(tǒng)可靠性：

N= 17

|I-M| =0.195 6

|En1| = 0.182

則整個系統(tǒng)的可靠性R為：

R=T(1,S17)×R17= 0.921 2

由此可以看出，整個系統(tǒng)的可靠性基于每個組件的可靠性，因此，提高每個組件的可靠性是非常必要的；同時，應當優(yōu)先提高核心組件的可靠性，因為一個系統(tǒng)的核心功能往往具有較高的轉移概率，且系統(tǒng)應當保證核心功能的正常執(zhí)行。從結果來看，整個系統(tǒng)的可靠性比較令人滿意。

4 實際應用案例研究

基于RAMM模型自主開發(fā)的RAS系統(tǒng)目前已經得到實際應用，應用案例如圖10所示。以某省商業(yè)銀行機房環(huán)境監(jiān)控應用為例，該監(jiān)控系統(tǒng)主要完成商業(yè)銀行機房環(huán)境的監(jiān)控，多串口卡連接在系統(tǒng)主機上，通過SCADA主系統(tǒng)來完成D86、電量儀、UPS以及智能空調等設備的數(shù)據(jù)采集和控制。系統(tǒng)利用Modbus-TCP驅動程序，實時顯示全市各地ATM取款機的通信數(shù)據(jù)。

圖10 應用案例結構圖

RAS遠程報警監(jiān)控模型會將所有的報警信息集中起來供工作人員配置查看，同時將產生的報警及時通過短信、電話等方式告知工作人員，方便工作人員及時處理，以減少不必要的經濟損失。應用項目中RAS系統(tǒng)運行狀況統(tǒng)計如表1所示。

表1 項目中RAS系統(tǒng)運行狀況統(tǒng)計

由表1可以看到，RAS系統(tǒng)能夠提供可靠的服務。在整個運行過程中，RAS系統(tǒng)通過重加載等途徑自我修復后仍能夠繼續(xù)提供服務，比率為：

β= 40/43×100% = 93.0%

其中，部分運行時故障包括用戶界面的錯誤，以及用戶對產生的故障提出的系統(tǒng)改進要求等。實際案例說明，RAMM模型具有較好的可修復性和可靠性。

5 結束語

RAMM遠程報警監(jiān)控模型能夠提供電話、現(xiàn)場語音、郵件、短信等多樣化的報警方式；同時從多個方面提高RAMM模型的可靠性，這不僅考慮到了系統(tǒng)各個方面，同時也考慮到了人的因素。RAMM模型不僅能夠提供可靠的服務，而且具有用戶友好特性。ASRM模型具有直觀、相對簡單的特點。通過使用ASRM模型對RAMM模型進行可靠性評價，量化了RAMM模型可靠性性能。在實際應用中，基于RAMM模型的RAS系統(tǒng)已經應用于多處銀行監(jiān)測、電視臺監(jiān)測以及工業(yè)生產監(jiān)測中，具有良好的應用前景。

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Multi-method SCADA Remote Alarm Monitoring Model Based on ASRM Reliability Assessment

In order to achieve diversified remote alarm and independent function expansion, the automatic remote alarm monitoring model (RAMM) with SCADA as the software platform is proposed. The reliability and security of RAMM is improved from device connections, elimination of false alarms and consideration of personnel reliability; and the reliability verification of the remote alarm system (RAS)developed based on RAMM is conducted by using architecture-based software reliability model (ASRM). The practical applications indicate that through the unified management of alarm information, RAMM provides multiple remote alarm modes, including SMS, telephone, email, and LAN, to achieve remote monitoring and unmanned site on duty functions, possesses excellent applicable prospects.

Remote alarm Monitoring Software reliability Architecture-based software reliability model Remote automation SCADA

江蘇省高校自然科學基金資助項目(編號：12KJB510007 )。

楊小健(1963-)，男，2008年畢業(yè)于南京工業(yè)大學生物化工控制專業(yè)，獲博士學位，教授；主要從事工業(yè)控制自動化、復雜過程先進控制、流程模擬與優(yōu)化的研究。

TH86;TP311+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509003

修改稿收到日期：2014-12-29。