摘" 要：光纖通信傳送網(wǎng)是整個通信網(wǎng)系的基礎(chǔ)傳輸平臺，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)自動優(yōu)化閉環(huán)自治的整體水平不高，對網(wǎng)絡(luò)故障的快速感知和精準(zhǔn)定位還不夠智能，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員具備熟練的故障排查與處理能力，而目前關(guān)于故障排查學(xué)習(xí)訓(xùn)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(jī)房故障排查學(xué)習(xí)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，供大家借鑒。

關(guān)鍵詞：3D可視化仿真訓(xùn)練；故障樹；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；WebGL

中圖分類號：TP311.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)故障排查學(xué)習(xí)訓(xùn)練的途徑主要有以下3種：一是依托廠家進(jìn)行裝備培訓(xùn)，二是依托院校進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)，三是在本單位現(xiàn)網(wǎng)裝備上通過師傅帶徒弟的方式跟學(xué)，這3種途徑大多采用傳統(tǒng)的實(shí)裝培訓(xùn)模式，在培訓(xùn)周期及成本、培訓(xùn)效果和針對性等方面難以面面俱到。特別是在前2種實(shí)裝培訓(xùn)的過程中大多數(shù)故障難以再現(xiàn)，只是停留在理論分析階段，從而導(dǎo)致理論知識和實(shí)踐應(yīng)用不能有效銜接；通過第三種途徑網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員雖然能在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中學(xué)到一線故障排查處理的經(jīng)驗(yàn)，但鍛煉機(jī)會不多，從而造成學(xué)得不夠深入、不夠系統(tǒng)的情況。

為提高故障排查學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果，在傳統(tǒng)培訓(xùn)模式的基礎(chǔ)上，亟待開展新的培訓(xùn)方式和手段研究，設(shè)定特定的培訓(xùn)項(xiàng)目，才能達(dá)到訓(xùn)練目的，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員的綜合保障能力。隨著信息技術(shù)和3D技術(shù)的迅速發(fā)展，新的培訓(xùn)方式、培訓(xùn)手段相繼出現(xiàn)，技術(shù)逐步成熟，具備了為用戶提供更便捷、更優(yōu)質(zhì)培訓(xùn)服務(wù)的條件。

1" 系統(tǒng)功能需求分析

光纖通信傳送網(wǎng)主要由機(jī)房內(nèi)各種傳輸設(shè)備、配線架、各類連接線纜、附屬設(shè)備和外部光纜線路等實(shí)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(xùn)練比較容易實(shí)施，但故障如果出現(xiàn)在各個傳輸機(jī)房內(nèi)，由于機(jī)房內(nèi)設(shè)備多、品牌型號不一、連接關(guān)系復(fù)雜，往往是故障排查的難點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對機(jī)房內(nèi)各種常見故障的排查訓(xùn)練，具體功能模型如圖1所示。

1.1" 仿真訓(xùn)練功能

仿真訓(xùn)練功能是該系統(tǒng)的主體功能，主要實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練環(huán)境及條件布設(shè)、用戶訓(xùn)練操作及結(jié)果判定，具體包括機(jī)房構(gòu)建、業(yè)務(wù)配置、故障設(shè)置、訓(xùn)練評價4個部分。機(jī)房構(gòu)建部分支持用戶選用不同的機(jī)房、機(jī)架、設(shè)備、單板、配線架和線纜等模型構(gòu)建與本單位實(shí)裝機(jī)房基本一致網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并配置好基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)生成管理控制信號路徑和供電信號路徑。業(yè)務(wù)配置部分支持用戶輸入本機(jī)房傳輸設(shè)備所承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)生成業(yè)務(wù)信號路徑。故障設(shè)置部分支持用戶設(shè)置隨機(jī)故障點(diǎn)，系統(tǒng)顯示相應(yīng)告警信息和故障現(xiàn)象。訓(xùn)練評價部分支持用戶使用虛擬儀表測試、環(huán)回、替換、修改數(shù)據(jù)配置等各種方法與系統(tǒng)進(jìn)行交互，系統(tǒng)根據(jù)用戶動作做出反應(yīng)，訓(xùn)練完成后系統(tǒng)對操作過程和結(jié)果進(jìn)行分析評價。

1.2" 自我學(xué)習(xí)功能

自我學(xué)習(xí)功能為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員提供大量的理論知識和實(shí)踐技能學(xué)習(xí)資源，以文本、幻燈和視頻的方式呈現(xiàn)給用戶，包括光傳輸基本原理、設(shè)備工作原理、維護(hù)管理操作和性能指標(biāo)測試等內(nèi)容。另外還提供模塊測試功能，支持用戶按照技術(shù)體制或設(shè)備類型進(jìn)行理論測試，以評估網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員對相應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確定位分析故障提供理論支撐。另外系統(tǒng)還具備故障記錄功能，用戶可將每次實(shí)裝機(jī)房出現(xiàn)的故障情況詳細(xì)記錄下來，系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)用戶與支援方的溝通交流。

1.5" 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理功能主要實(shí)現(xiàn)用戶的注冊及登錄管理、用戶數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與維護(hù)等管理。

2" 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)方法

2.1" 軟件開發(fā)平臺選擇

B/S體系結(jié)構(gòu)中客戶端瀏覽器與服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫之間的職責(zé)關(guān)系較為清晰，瀏覽器負(fù)責(zé)三維場景的展示和功能的交互，服務(wù)器用于處理用戶的各種業(yè)務(wù)請求，數(shù)據(jù)庫用于響應(yīng)瀏覽器和服務(wù)器的數(shù)據(jù)需要?；贐/S體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)具有升級簡單、開發(fā)成本和難度低、交互性強(qiáng)、瀏覽器端數(shù)據(jù)交互壓力小等特點(diǎn)，比較符合本系統(tǒng)軟件開發(fā)的各種需要?；?D的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和交互更符合用戶的認(rèn)知特點(diǎn)，能夠給用戶帶來全局立體的體驗(yàn)，利用Web3D相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺、全方位3D場景展示以及具備豐富易擴(kuò)充的交互操作，已經(jīng)成為3D應(yīng)用開發(fā)的一種趨勢。WebGL技術(shù)作為Web3D標(biāo)準(zhǔn)的一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，具有不需要安裝瀏覽器插件、渲染速度快、基于html5支持等優(yōu)點(diǎn)，而且WebGL的第三方庫three.js，提供了接口的二次封裝，簡化了細(xì)節(jié)，降低了開發(fā)成本，卻幾乎沒有損失WebGL的靈活性。因此，基于WebGL構(gòu)建B/S模式的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，是虛擬傳輸機(jī)房故障排查訓(xùn)練的優(yōu)選方案。

2.2" 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示，用戶層通過在Web頁面上顯示可交互的虛擬機(jī)房場景，人機(jī)交互可以通過鼠標(biāo)、鍵盤對機(jī)房模型進(jìn)行各類操作控制，改變虛擬場景的內(nèi)容及展示方式。用戶層通過協(xié)議向應(yīng)用邏輯層傳遞用戶的業(yè)務(wù)請求，當(dāng)接收到應(yīng)用邏輯層返回的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)按照用戶的要求實(shí)時地顯示在虛擬機(jī)房對應(yīng)設(shè)備或相應(yīng)頁面上。

應(yīng)用邏輯層作為用戶層和數(shù)據(jù)層之間數(shù)據(jù)交互的橋梁，是系統(tǒng)體系框架中處理用戶業(yè)務(wù)的核心層，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理，包含了應(yīng)用服務(wù)器、系統(tǒng)功能模塊與數(shù)據(jù)處理模塊。該層的主要功能是根據(jù)用戶層的業(yè)務(wù)請求調(diào)取數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)，處理并生成用戶層需要顯示的數(shù)據(jù)形式并返回給用戶層，以實(shí)現(xiàn)各種交互功能，如故障點(diǎn)的設(shè)置及故障現(xiàn)象呈現(xiàn)、設(shè)備的各種操作及響應(yīng)、信號流的查詢及可視化呈現(xiàn)等。另外還要根據(jù)用戶的需求，對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲或修改，如業(yè)務(wù)參數(shù)配置、機(jī)房故障記錄和用戶數(shù)據(jù)備份等。

數(shù)據(jù)層主要存儲機(jī)房場景模型、裝設(shè)備模型文件、裝設(shè)備狀態(tài)信息、故障樹模型文件及用戶管理數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動與應(yīng)用邏輯層進(jìn)行交互，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有資源信息數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲管理。

2.3" 機(jī)房構(gòu)建功能實(shí)現(xiàn)

機(jī)房構(gòu)建平臺是用戶實(shí)現(xiàn)故障排查仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)，為滿足不同用戶的需要，機(jī)房構(gòu)建平臺支持2種模式，第一種是選擇預(yù)設(shè)機(jī)房模式、第二種是用戶自建機(jī)房模式。在第一種模式中機(jī)房配置按照典型標(biāo)準(zhǔn)布設(shè)，所有機(jī)房場景和裝設(shè)備已設(shè)置完畢，用戶可直接進(jìn)行故障點(diǎn)設(shè)置和故障排查訓(xùn)練，但僅限于系統(tǒng)指定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型。在第二種模式中用戶可以自由組合機(jī)房和各種裝設(shè)備模型，搭建和自己實(shí)際維護(hù)網(wǎng)絡(luò)相似的機(jī)房環(huán)境，然后進(jìn)行故障排查訓(xùn)練，這樣更有針對性，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真與實(shí)裝操作的有效結(jié)合。

不管是哪種模式，機(jī)房場景及裝設(shè)備的3D模型建立是前提條件，也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)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。考慮到機(jī)房及裝設(shè)備性質(zhì)、建模硬件條件及系統(tǒng)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(yè)3D建模軟件，從零開始建模，如3DsMax、Maya等。

搭建虛擬機(jī)房的具體步驟如下：首先建立一個空白的三維場景，并根據(jù)機(jī)房的平面圖繪制機(jī)房地板和墻體；然后將3D建模軟件中的機(jī)柜、設(shè)備子架、單板等模型導(dǎo)入到WebGL項(xiàng)目中，通過渲染優(yōu)化，使得虛擬機(jī)房更加逼真，并進(jìn)行模型創(chuàng)建預(yù)設(shè)，賦予模型各類屬性信息，這些信息都將被轉(zhuǎn)換成一定格式存儲在數(shù)據(jù)庫中，為各種應(yīng)用處理提供支撐，表1為華為OTN傳輸設(shè)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(yīng)位置，建立裝配關(guān)系和連接關(guān)系，并利用內(nèi)置引擎和相應(yīng)組件開發(fā)單板插拔、線纜更換、儀表測試等動作，這樣就完成了虛擬機(jī)房的搭建。

2.4" 故障設(shè)置及訓(xùn)練評價功能實(shí)現(xiàn)

故障設(shè)置及訓(xùn)練評價是故障排查仿真訓(xùn)練的重要組成部分，具體又包含設(shè)置故障點(diǎn)、故障現(xiàn)象呈現(xiàn)、用戶故障排查交互和排查結(jié)果評價4個環(huán)節(jié)。在設(shè)置故障點(diǎn)環(huán)節(jié)，用戶只需選擇網(wǎng)絡(luò)范圍、故障種類和故障點(diǎn)數(shù)量，系統(tǒng)會根據(jù)事件發(fā)生概率隨機(jī)設(shè)置故障點(diǎn)，即改變某故障點(diǎn)對應(yīng)部件的工作狀態(tài)；在故障呈現(xiàn)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過逆向查詢故障樹模型，并結(jié)合3種信號路徑進(jìn)行計(jì)算，得出故障現(xiàn)象，在對應(yīng)設(shè)備告警指示燈和虛擬網(wǎng)管上顯示告警，若為業(yè)務(wù)故障，則業(yè)務(wù)用戶設(shè)備還會向傳輸站發(fā)出故障申告；在排查故障交互環(huán)節(jié)，用戶可利用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行一系列操作，如插拔單板、更換線纜、性能指標(biāo)測試、告警性能查詢、修改參數(shù)配置和重啟等；在排查結(jié)果評價環(huán)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)用戶的操作實(shí)時改變對應(yīng)部件工作狀態(tài)，并重新計(jì)算，判斷故障現(xiàn)象是否消失，訓(xùn)練結(jié)束后系統(tǒng)顯示排查時間和具體故障點(diǎn)，并對用戶排查過程進(jìn)行分析評價。

理清故障現(xiàn)象及故障點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系是實(shí)現(xiàn)故障排查仿真訓(xùn)練4個環(huán)節(jié)的核心問題。光纖通信傳送網(wǎng)的故障可從不同角度進(jìn)行分類，但作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員重點(diǎn)關(guān)注的是傳輸設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)運(yùn)行的情況，因此可將故障根據(jù)不同現(xiàn)象大致分為業(yè)務(wù)中斷類、誤碼類（即業(yè)務(wù)通道質(zhì)量存在問題）和網(wǎng)元脫管類，這3類是光纖通信傳送網(wǎng)最常見的故障，也是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員需要重點(diǎn)掌握的。利用故障樹模型可以清楚表達(dá)故障現(xiàn)象與故障點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。故障樹實(shí)際上是一種因果模型，以故障現(xiàn)象為頂事件，用規(guī)定的事件符號與邏輯符號向下延伸，找出導(dǎo)致這一事件所有可能發(fā)生的直接因素，其是處于過渡狀態(tài)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(diǎn)）為止，圖3為業(yè)務(wù)中斷類故障樹模型。反之，若從故障樹的底事件出發(fā)，反向利用故障樹，經(jīng)過邏輯運(yùn)算也能到達(dá)故障樹的頂事件，這個過程實(shí)際上就得出了故障仿真所需要的從故障點(diǎn)到故障現(xiàn)象的映射關(guān)系。

另外，除了故障樹模型，系統(tǒng)還需要根據(jù)裝設(shè)備之間的連接關(guān)系生成可視化的業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)信號路徑要素集合為{源端業(yè)務(wù)設(shè)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(yè)務(wù)設(shè)備90-05}，集合中包括該業(yè)務(wù)路由經(jīng)過的所有部件對象。故障樹中的底事件（故障點(diǎn)）只是一個類，并不是具體對象，因此系統(tǒng)還需要結(jié)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(chǎn)生及故障消除的仿真，實(shí)現(xiàn)故障排查的模擬訓(xùn)練。

3" 結(jié)束語

使用WebGL技術(shù)及其三維引擎three.js實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)房構(gòu)建，通過基于逆向故障樹和路徑要素集合的分析計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)故障排查仿真訓(xùn)練，打破了傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的時空界限，有效提升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員故障排查訓(xùn)練的效果。本系統(tǒng)是一個完全虛擬的環(huán)境，很多數(shù)據(jù)都由用戶自己設(shè)置，特別是在機(jī)房構(gòu)建時，這給使用者增加了操作的復(fù)雜度，后期可以通過采集現(xiàn)網(wǎng)裝備數(shù)據(jù)進(jìn)行識別篩選，然后直接利用，以此提高系統(tǒng)操作體驗(yàn)性。另外，未來光纖通信傳送網(wǎng)將會走向全光自動駕駛網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)元、網(wǎng)絡(luò)、云端三層引入AI，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的極簡運(yùn)維和智能運(yùn)維，做到規(guī)建、維護(hù)、網(wǎng)優(yōu)、運(yùn)營自動化，雖然減少了部分人力工作量，但仍然需要大量網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員，這些人員的裝備操作、故障排查等技能培訓(xùn)也應(yīng)該納入到全光自動駕駛網(wǎng)絡(luò)的體系中來，向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，設(shè)備制造商可以在網(wǎng)管系統(tǒng)上采用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、AI算法等技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)3D可視化運(yùn)維管理的同時，也能實(shí)現(xiàn)裝備技能培訓(xùn)和技術(shù)支援等自動化售后服務(wù)。

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