肖楠，阮大智，宋凱華

（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司，上海 200232）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心可將來(lái)自不同傳感器的信息整合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包，并將多種不同類(lèi)型數(shù)據(jù)信息參量匯總，以供網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的直接調(diào)取與利用。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，上述處理流程被稱(chēng)為“數(shù)據(jù)融合”。在網(wǎng)絡(luò)主機(jī)作用下，已被挑選的數(shù)據(jù)信息參量可與知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)的文件自行匹配，一方面輔助故障診斷模塊確定用戶(hù)端主機(jī)是否連接，另一方面也可將信息反饋至既定數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中[1-2]。由于數(shù)據(jù)融合算法的出現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)中的存儲(chǔ)信息能夠自發(fā)向下級(jí)客戶(hù)端傳輸，且信息與信息之間的連接映射關(guān)系也不會(huì)受到任何協(xié)議文件的影響。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，一部分信息參量會(huì)表現(xiàn)出異常傳輸行為，從而導(dǎo)致信息參量之間的相對(duì)偏差值水平不斷增大。為避免上述情況的發(fā)生，需要準(zhǔn)確分辨互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)所接收到的數(shù)據(jù)，再借助AOP 程序提取與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸行為[3]。然而，此系統(tǒng)對(duì)于異常信息參量的監(jiān)控準(zhǔn)確性并不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差值水平高于理想化數(shù)值。為解決此問(wèn)題，引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由異常識(shí)別模塊、多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊三部分組成。

1.1 異常識(shí)別模塊

異常識(shí)別模塊存在于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心監(jiān)控主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)主機(jī)之間，在分析數(shù)據(jù)監(jiān)控任務(wù)可行性的同時(shí)，將既定指令文件反饋至相關(guān)應(yīng)用元件中，一方面能夠?qū)⒏黝?lèi)型異常行為進(jìn)行區(qū)分，另一方面可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息融合行為的識(shí)別[4-5]。異常識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 異常識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)示意圖

通常情況下，異常識(shí)別模塊的主體應(yīng)用結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息融合行為、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行行為、異常行為指標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，且隨著模塊連接時(shí)間的增加，數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中存儲(chǔ)的監(jiān)控信息量也會(huì)不斷增多。

1.2 多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)中，多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊能夠直接執(zhí)行數(shù)據(jù)融合指令，并可根據(jù)信息參量指標(biāo)存儲(chǔ)量的不同，確定系統(tǒng)主機(jī)所處的運(yùn)行階段，從而避免運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差值不斷增大[6-7]。整個(gè)模塊以monit 元件作為核心結(jié)構(gòu)，向下則分別連接task 任務(wù)主機(jī)與load 結(jié)構(gòu)。

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常行為的表現(xiàn)狀態(tài)有所不同，因此在每一個(gè)load 結(jié)構(gòu)下端附屬兩個(gè)work 監(jiān)控設(shè)備。其中一個(gè)監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)融合指令的運(yùn)行狀態(tài)，另一個(gè)監(jiān)控設(shè)備能感知互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行信息的傳輸形式[8]。多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊示意圖

圖2 中，task 任務(wù)主機(jī)直接與融合數(shù)據(jù)寄存器設(shè)備相連，可對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常數(shù)據(jù)進(jìn)行初步采集，并將滿(mǎn)足傳輸要求的信息參量反饋至下級(jí)應(yīng)用元件中。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)主機(jī)直接相連，可根據(jù)數(shù)據(jù)融合指令的運(yùn)行狀態(tài)，將已存儲(chǔ)的信息參量整合成多個(gè)結(jié)構(gòu)主體，便于核心監(jiān)控主機(jī)的直接調(diào)取與利用[9-10]。一般來(lái)說(shuō)，能夠由模塊主機(jī)直接存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息主要包含EsAggregateData、EsProcessData、EsMethodData三種命名形式，每種數(shù)據(jù)信息的具體字段長(zhǎng)度及所屬類(lèi)型如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的信息命名機(jī)制

為使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確監(jiān)控，存儲(chǔ)模塊中所有信息參量字段長(zhǎng)度需要保持一致。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件支持下，按照SEP 路由協(xié)議連接、異常信息剔除、相似度矩陣加權(quán)值計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成基于數(shù)據(jù)融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 SEP路由協(xié)議

SEP 路由協(xié)議是執(zhí)行數(shù)據(jù)融合指令時(shí)遵循的唯一信息編碼條件。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)中，該協(xié)議定義模式越完善，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的編碼能力越強(qiáng)。在不考慮其他干擾條件下，SEP 路由協(xié)議編碼指令的命名行為同時(shí)受到數(shù)據(jù)信息傳輸系數(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常行為特征的直接影響[11-12]。

數(shù)據(jù)信息傳輸系數(shù)長(zhǎng)表示為λ，該項(xiàng)物理指標(biāo)的取值區(qū)間存在一定局限，其起始值必須大于自然數(shù)“1”，而終止值則必須小于自然數(shù)“e”。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常行為特征存在最大值rmax和最小值rmin，由其值決定單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)信息的平均融合能力。聯(lián)立上述物理量，可將SEP 路由協(xié)議的編碼條件表示為：

式中，y表示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常數(shù)據(jù)的常規(guī)融合權(quán)限，表示待融合數(shù)據(jù)的檢測(cè)特征值，d表示特定的融合數(shù)據(jù)標(biāo)記系數(shù)。

在數(shù)據(jù)融合約束下，所有待剔除的異常信息需要滿(mǎn)足SEP 路由協(xié)議的編碼的要求。

2.2 異常信息剔除

異常信息剔除是執(zhí)行數(shù)據(jù)融合算法的執(zhí)行環(huán)節(jié)，可在已知數(shù)據(jù)參量傳輸目的的前提下，確定監(jiān)控主機(jī)與核心融合信息之間的傳輸距離，避免不必要傳輸指令的出現(xiàn)，從根本上控制數(shù)據(jù)融合算法的執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)[13-14]。在數(shù)據(jù)融合指令單位執(zhí)行時(shí)間ΔT內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行權(quán)限指征χ的取值結(jié)果越小，則表示待剔除的異常信息數(shù)據(jù)越多，反之則越少。

設(shè)a表示互聯(lián)網(wǎng)異常運(yùn)行指令的執(zhí)行系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該項(xiàng)指標(biāo)的最小取值為1。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)所遵循的異常信息剔除原則表示為：

式中，w、c表示兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)信息融合深度指標(biāo)，I表示與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常行為相關(guān)的監(jiān)控指令執(zhí)行系數(shù)項(xiàng)。對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中存儲(chǔ)的所有信息參量需要滿(mǎn)足異常信息剔除的要求。

2.3 相似度矩陣加權(quán)值

相似度矩陣加權(quán)值計(jì)算是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建中的重要環(huán)節(jié)，可在數(shù)據(jù)融合算法支持下，分辨兩個(gè)監(jiān)控信息參量之間的相似性，不僅滿(mǎn)足數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)參量的實(shí)時(shí)需求，也可避免異常運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控指令傳輸中出現(xiàn)的問(wèn)題[15-16]。

設(shè)X1、X2表示兩個(gè)不同的相似度量指標(biāo)，若考慮數(shù)據(jù)融合算法的作用能力，則X1≠X2的不等式條件恒成立。?表示數(shù)據(jù)融合矩陣中已知信息參量的相似度量系數(shù)，在選取作為加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，可將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)中的相似度矩陣加權(quán)值計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，c表示互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常信息在數(shù)據(jù)融合矩陣中的偏移系數(shù)項(xiàng)。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行主機(jī)對(duì)異常數(shù)據(jù)信息的提取與監(jiān)控能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

步驟一：以配置數(shù)據(jù)融合算法的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)組研究對(duì)象，以配置多源異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行主機(jī)作為對(duì)照組研究對(duì)象；

步驟二：同時(shí)閉合實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)元件，通過(guò)人工干預(yù)方式，令運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸速率保持一致；

步驟三：確定互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)的理想數(shù)值變化情況；

步驟四：分別對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組偏差指標(biāo)數(shù)值與理想數(shù)值。

互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)的理想數(shù)值變化情況如表2 所示。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的變化，互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差值均呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化趨勢(shì)。就數(shù)據(jù)信息橫向傳輸行為而言，其偏差值指標(biāo)的上升幅度相對(duì)較大，實(shí)驗(yàn)初始值與最終取值之間的物理數(shù)值差為0.15%；就數(shù)據(jù)信息縱向傳輸行為而言，其偏差值指標(biāo)的數(shù)值水平在40～60 min 的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，始終保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)最終取值與初始值之間的物理數(shù)值差為0.07%。

表2 互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差的理想數(shù)值

在橫向傳輸情況下，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值變化結(jié)果如圖3 所示。

圖3 運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差的實(shí)驗(yàn)數(shù)值（橫向傳輸）

分析圖3 可知，在數(shù)據(jù)信息保持橫向傳輸行為的情況下，實(shí)驗(yàn)組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持來(lái)回波動(dòng)，當(dāng)時(shí)間取值為30 min 時(shí)，其數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)達(dá)到最大值0.36%，與理想最大值0.50%相比，下降0.14%。除時(shí)間取值為40 min 的時(shí)間節(jié)點(diǎn)外，對(duì)照組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)始終呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)間取值為80 min 時(shí)，其數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)達(dá)到最大值0.56%，與理想最大值0.50%相比上升了0.06%，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組的極大值。

縱向傳輸情況中，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值結(jié)果如圖4 所示。

分析圖4 可知，在數(shù)據(jù)信息保持縱向傳輸行為的情況下，當(dāng)時(shí)間取值處于0～50 min 的區(qū)間內(nèi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差呈現(xiàn)來(lái)回波動(dòng)的變化態(tài)勢(shì)，而當(dāng)時(shí)間取值處于50～80 min 的區(qū)間之內(nèi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差則始終保持連續(xù)上升變化狀態(tài)，其全局最大值為0.35%，與理想極大值0.34%相比上升了0.01%。對(duì)照組運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中則始終保持連續(xù)波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，當(dāng)時(shí)間取值為80 min 時(shí)，其全局最大值為0.40%，與理想極大值0.34%相比上升了0.06%，整體均值水平高于實(shí)驗(yàn)組。

圖4 運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差的實(shí)驗(yàn)數(shù)值（縱向傳輸）

在數(shù)據(jù)融合算法作用下，互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差的數(shù)值水平在信息橫向傳輸、縱向傳輸情況下，均能得到較好控制，其平均值始終低于理想數(shù)值水平，這在實(shí)現(xiàn)對(duì)異常信息參量的準(zhǔn)確提取與監(jiān)控方面，能夠起到較好的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

與多源異構(gòu)型應(yīng)用系統(tǒng)相比，新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常監(jiān)控系統(tǒng)以數(shù)據(jù)融合算法作為切入點(diǎn)，在異常識(shí)別模塊、多節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡模塊等多個(gè)硬件設(shè)備支持下，通過(guò)構(gòu)建SEP 路由協(xié)議的方式，對(duì)異常信息參量進(jìn)行剔除，實(shí)現(xiàn)對(duì)相似度矩陣加權(quán)值的準(zhǔn)確計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)之間的相對(duì)偏差值水平得到有效控制，符合準(zhǔn)確提取并監(jiān)控互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行異常的實(shí)際需求。