毕业论文（设计）基于Web Service 的远程分布式故障诊断专家系统37488.doc

基于Web Service的远程分布式故障诊断专家系统秦振汉，史 慧（北京航天测控技术开发公司，北京 100037）摘要：本文针对武器保障系统中普遍存在的异构问题，建立了一个基于Web Service技术的远程分布式故障诊断专家系统并详细分析了该系统的结构组成。之后，阐明了Web Service的基本原理，并在此基础上详细论证了远程诊断专家系统的组成、功能和诊断方法。该系统可以有效地实现网络各节点的资源共享，从而提高系统的诊断能力。关键词：远程分布式故障诊断；Web Service；专家系统0前言我国武器装备具有型号多、批次多、数量多、广域分布、机动部署的特点，这给武器型号的后勤保障与维护带来了极大的困难。同时随着高新技术在武器型号上的应用，对武器型号的现场保障维护提出了更高的要求。而目前的装备监测与故障诊断系统普遍存在相对独立、诊断知识不足、问题求解能力单一等缺点, 很难实现复杂的诊断任务，难以满足部队的实际需求。造成这种局面的一个主要原因是各个系统之间缺乏信息交互手段，成为一个个“信息孤岛”，无法实现资源的有效整合，降低了诊断资源的利用效率，导致保障能力的不足。随着计算机技术和网络通讯技术的发展, 以Intranet/Internet为应用背景的分布式计算技术应用已经成为故障诊断领域的重要发展方向，为武器装备保障能力的提高提供了新的技术途径。对于故障诊断，远程分布式网络在信息共享方面将发挥更大的优势。利用远程分布式网络，将处于不同地域的武器研制、试验、使用、维护单位密切联系起来，综合利用它们各自的保障资源和诊断知识，为诊断对象提供远程诊断服务，可以有效解决目前各自独立的诊断系统所无法解决的复杂问题1。1 远程分布式诊断系统的体系结构远程分布式诊断系统架构在Intranet/Internet之上，开发人员可以通过建立B/S或C/S系统，实现网络内各种资源的集成。该系统由远程诊断用户、远程诊断中心、远程节点等构成，其具体结构如图1所示。远程诊断用户主要包括武器试验基地、武器保障基地、战斗执行单位等现场节点。在远程分布式诊断系统中，该节点主要由测试系统、监测系统、数据库系统、服务器组成，其主要功能为现场的各种数据和信息的采集、获取、存储、传输以及简单的故障诊断。现场节点通过Intranet将各个分系统联接，构成现场节点的内部局域网，并通过Web服务器与互联网联接。远程诊断中心是远程分布式故障诊断系统的重要部件，它主要由故障诊断专家系统、综合数据管理系统组成2。其主要功能包括：1）对现场传输信息进行分析、处理，综合运用各种诊断推理方法进行故障定位；2）接受客户端的诊断请求及问题咨询信息，并向其提供相应的问题解答和查询结果，为远端用户提供技术支持；3）完成诊断中心内大量的武器装备信息、用户信息、各服务站点所提供服务的维护和整理工作。图1 远程分布式诊断系统的体系结构远程节点，包括试验单位、研制单位、保障单位等，作为整个远程分布式诊断系统的服务、资源的重要提供者。它们的主要作用是在诊断中心的调度下，提供各自具有的诊断、维护等服务，为远程诊断中心的故障诊断提供支援。因而，从诊断中心的角度来看，这些远程节点即是在互联网上提供各种资源的Web服务站点，这些站点可能采用其它分布式对象技术如CORBA、COMDCOM、COM+以及用ASP、CGI、JSP等脚本语言开发，部署在不同的平台上, 因而诊断中心与各个远程节点之间的高效通讯是整个系统建立的难点。2Web Service技术在不同地域的不同单位的诊断系统开发过程中，由于缺乏统一的规范，因而采用的开发语言、操作平台、通讯协议及数据格式可能存在巨大的差异，因此已有的系统大多是异构的, 不能有效的进行信息交换和资源共享。因而建立远程分布式诊断系统首要的问题就是解决在这种异构环境下的诊断系统通讯问题。近几年新出现的分布式计算体系结构Web Service框架体系为这些问题的解决提供了一种行之有效的方法, 使Web 站点不仅可以成为资源共享平台, 而且也可以成为服务共享平台3。在这个平台中, 任何站点对外提供的都是一种可编程的服务即Web Service，在这些服务基础上可以开发一套完整的诊断应用集成系统。Web Service是松散耦合的、可重复利用的Web组件。部署后，其它的节点都可以发现并调用它提供的诊断服务，执行从简单的数据分析到复杂的故障诊断的任何功能。Web Service的基本结构包括服务提供者、服务请求者、服务代理者以及发现、查找、绑定等三种操作。服务提供者拥有一个可以通过网络访问的Web Service，并为这个Web Service定义了服务说明，然后把它直接发布给服务的请求者或发布给服务代理者。服务请求者通过查找操作从本地或服务代理者得到服务说明，并根据服务说明中的描述信息绑定服务，然后与Web Service进行交互，调用其中的操作。这样开发出来的系统就可以通过SOAP来调用指定的Web Service。Web Service主要依靠的几个关键技术包括：SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象存取协议），它是Web服务中用于信息传输的标准协议，为分布式环境下使用XML交换结构化和类型化信息提供了一个简单的机制。通过SOAP，诊断服务请求者把对于远程服务的调用和参数转换为XML封装，再通过底层的传送通信协议传递到远程的诊断服务提供者4。WSDL（Web Service Description Language，Web服务描述语言）是一种描述Web服务的规范，它使用XML语法定义了用于描述Web服务各个方面的元素，这些方面包括Web服务所在的位置、它支持的传输协议、包含的接口、接口中的方法以及方法的参数类型等。 图2Web服务技术架构UDDI（Universal Description, Discovery and Integration，统一描述、发现、集成），它是分布式Web服务的信息注册规范，它的技术基础是XML和SOAP，它提供了一种动态发布和查找Web服务的机制。通过UDDI提供的规范，远程分布式系统中的各个节点可以在诊断中心发布、注册自己的Web诊断服务，以便被其它需要该服务的用户发现、调用，同时也可以查询特定服务的描述信息，并动态绑定到该服务5。图2为Web服务技术架构，其最底层为网络层。Web服务要被服务请求者调用，就必须是可以通过网络访问的。该层应包括武器装备维修保障单位所采用的网络协议如HTTP、FTP、SMTP等。上一层是基于 XML 的消息传递，它表示使用 XML 作为消息传递协议的基础。SOAP 是一种简单的、轻量级的基于XML 的机制，用于在网络应用程序之间进行结构化数据交换。SOAP包括三部分：一个定义描述消息内容的框架的信封、一组表示应用程序定义的数据类型实例的编码规则，以及表示远程过程调用和响应的约定。SOAP可以和各种网络协议相结合使用，或者用这些协议重新封装后使用。在服务描述层，WSDL 定义了服务完成的功能以及交互的接口和结构。客户端即可根据WSDL文件调用Web服务。最后，通过UDDI进行注册和发布。概括地说，远程分布式故障诊断系统中的服务是通过SOAP在Internet/Intranet提供的Web组件；服务的输入输出通过用WSDL文件进行说明，并通过UDDI在诊断中心进行注册；使用标准的互联网协议，将组件功能及使用说明发布在互联网或保障单位的内部网上。一旦部署后，服务请求者查找到需要的服务并得到服务的说明，然后根据服务说明中的描述信息绑定服务，进而与Web服务进行交互，调用其中的诊断操作。图3 远程故障诊断专家系统原理图3故障诊断专家系统远程故障诊断专家系统是分布式系统中进行故障定位的具体实施者，其功能是服务请求者的诊断请求，然后调用专家系统内部的诊断资源进行故障推理；如果无法解决问题，则调用远端各节点的诊断资源，实现群体会诊。诊断专家系统的组成结构如图3所示。3.1 诊断服务系统主要提供四类服务：数据分析服务包括各种信号处理方法如：滤波算法、幅值域分析、频谱分析、倒频谱分析、频率细化、时间序列分析、相关性分析、小波分析等。该服务的主要功能是对采集的信号进行分析处理，从而获得出反映装备状态的特征信息，提取故障征兆等；诊断推理服务包括各种诊断推理方法如：规则推理、模糊推理、神经网络推理、案例推理等。该服务的主要功能是根据客户端的诊断请求，结合本地数据库和知识库以及远程节点的信息，进行诊断推理，实现故障定位；趋势分析服务包括各种参数评估方法和趋势预测算法。该服务的主要功能是利用历史数据对武器装备的性能进行评估，确定装备的完好程度，并预测其未来的变化趋势，从而为装备的维修保养提供技术支持；综合决策服务主要包括粗糙集、D-S证据理论等算法以及故障确定后的相应处理方案，其主要功能是协调其它服务之间的工作，给出最终的诊断结果和维修方案。所有的服务都采用基于COM组件技术进行开发，具有开发方便、升级灵活、利于调试和维护、容易移植等优点，使得对复杂系统并行开发和多语言协作开发成为可能，可以加快开发进度、降低开发费用。COM组件开发完成后，利用WSDL描述组件所要完成的功能、接口、消息格式等信息，从而使得该服务可以为其它节点调用。3.2 分布式节点间的信息交互在远程分布式诊断系统中，每一个节点既是服务的请求者，也是服务的提供者。所有的服务都必须在远程故障诊断中心的综合数据管理系统中注册、发布，只有注册过的诊断服务才能够被其它节点查询、定位和调用。在分布式诊断系统中，诊断服务的注册、发布是通过UDDI进行的，它以结构化的方式将网络中提供的各种服务分门别类存储起来并向外部提供访问机制，从而使得网络上的各个节点都可以通过综合数据管理系统找到所要调用的服务及其WSDL文件。远程节点根据该文件得到服务的接口并将其绑定，从而直接与服务的提供者建立联系。在分布式系统中，各个节点可能运行在不同工作环境、使用不同开发语言，所以每个节点都要建立一个SOAP接口模块，实现异构节点之间进行有效的通讯。该接口的功能主要包括以下两部分：将本节点的请求信息转换成XML文档形式，包装成SOAP消息，通过HTTP、SMTP、FTP等网络底层协议发送出去；接收网络上的SOAP消息，转换成XML文档，将其结果返回到本节点67。在故障诊断时，某节点上的客户端应用程序首先在远程故障诊断中心的综合数据管理中心，通过UDDI接口查询、确定所要调用的服务，并通过其WSDL绑定该服务；客户端应用程序创建一条调用该服务的请求信息，并将该请求及其参数提供给SOAP接口。SOAP接口把它们转换成以XML形式包装SOAP消息，并发送给服务提供者； 服务提供者的SOAP接口接收该信息并解析，将其结果传递给服务提供者的应用程序。应用程序根据请求参数，运行诊断推理功能，完成故障定位诊断服务功能负责处理请求信息并生成一个响应。该响应也是一条 SOAP 消息。响应的SOAP消息被返回给客户端的SOAP接口；响应消息经过底层网络为客户端的SOAP接口接收，并进行解析，从而将响应消息传递给应用程序。4 结束语本文针对我国武器装备维修保障的具体特点，建立了基于Web Service技术的远程分布式故障诊断系统，并着重阐述了该系统实施过程中的所采用的关键技术。在此基础上，论述了远程故障诊断专家系统的组成和功能原理。通过研究，证明该系统可以有效地解决目前各个网络节点间的异构问题，从而增加了诊断可用资源，提高武器装备的保障能力。参考文献1 何学文,等. 分布式远程故障诊断系统的研究与实现. 机械科学与技术. 2003,22(4):667-669.2 汪萌生,等. 分布式设备故障远程诊断中心的开发研究. 电气技术与自动化. 2004,33(4):85-88.3 4 http:/www.w3.org/TR/SOAP/.5 http:/www.uddi.org/about.html.6 花蕾,等.运用Web Service技术构建专家系统之间的交互. 计算机技术与发展. 200616(1):37-40.7 张玉祥,等.基于HTTP协议与XML技术的远程数据访问.计算机工程与设计. 2005,26(5):1283-1285.Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.待添加的隐藏文字内容3You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.