徐飛

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710032）

基于云計算的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)研究

徐飛

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710032）

通過對云計算的特點以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析，提出了一種將云計算技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備故障診斷中的方法。討論了實現(xiàn)過程中的技術(shù)及方法。實踐應(yīng)用表明云計算這種全新網(wǎng)絡(luò)模式技術(shù)為設(shè)備故障的實時在線監(jiān)測與故障診斷提供了很好的解決方案和技術(shù)支持。

云計算；故障診斷；網(wǎng)絡(luò)模式；在線監(jiān)測

設(shè)備故障診斷技術(shù)是一門集多個領(lǐng)域知識于一體的專業(yè)性很強的技術(shù)，在保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷運行方面起到了巨大的作用，近年來正以令人難以想象的速度蓬勃發(fā)展。但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種機械設(shè)備日益趨于大型化、高速化、高效化、節(jié)能化、復(fù)雜化，這對于設(shè)備的安全運行提出了更高的要求，同時為了解決生產(chǎn)現(xiàn)場機組故障征兆的實時性和大量信息的分析和處理等問題[1]，對機械設(shè)備診斷工程提出了更大挑戰(zhàn)[2]。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是伴隨著基于Internet/Intranet的普及和云計算的發(fā)展，構(gòu)建基于云計算技術(shù)的設(shè)備故障診斷系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性，具體來說有以下特點：

1)實時性?？梢允谷藗償[脫空間限制，讓數(shù)據(jù)傳輸代替人的移動，在互聯(lián)網(wǎng)上實時杳看設(shè)備的運行信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸代替人在地域上的奔波，大大提高了解決工程實際問題的實時性。

2)共享性。眾多用戶可以同時分享數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)科研機構(gòu)和企業(yè)的交流和技術(shù)合作，從而使理論研究與技術(shù)突破、生產(chǎn)現(xiàn)場與工程實踐的聯(lián)系更加緊密，避免了單一用戶承擔(dān)高額的專家費用。

3)專業(yè)性。設(shè)備故障診斷系統(tǒng)由專業(yè)人員進行實時管理和維護，不斷改善故障診斷專家系統(tǒng)的性能和智能診斷水平。

4)經(jīng)濟性。云計算的基礎(chǔ)設(shè)施由第三方提供，用戶只需要租用云計算平臺，從而大大減少了對軟硬件和設(shè)備的投入成本，而且云計算的使用具有很強的伸縮性。

5)可靠性。云計算服務(wù)平臺是由商用計算機集群提供并同時向用戶提供并行計算、海量數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，而當(dāng)節(jié)點或設(shè)備出現(xiàn)異常時可以自行檢測和自動修復(fù)。

1 云計算技術(shù)概述

云計算（Cloud Computing）這個概念的直接起源是亞馬遜EC2（Elastic Compute Cloud的縮寫）產(chǎn)品和Google-IBM分布式計算項目。這兩個項目直接使用到了“Cloud Computing”這個概念之所以采用這樣的表述形式，很大程度上是由于這兩個項目與網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系十分密切，而“云”的形象又常常用來表示互聯(lián)網(wǎng)。因此，云計算的原始含義即為將計算能力放在互聯(lián)網(wǎng)上。當(dāng)然，云計算發(fā)展至今，早已超越了其原始的概念。云計算至今為止沒有統(tǒng)一的定義，不同的組織從不同的角度給出了不同的定義，根據(jù)不完全的統(tǒng)計至少有25種以上。

云計算將網(wǎng)絡(luò)上分布的計算、存儲、服務(wù)構(gòu)件、網(wǎng)絡(luò)軟件等資源集中起來，基于資源虛擬化的方式，為用戶提供方便快捷的服務(wù)，它可以實現(xiàn)計算與存儲的分布式與并行處理。

云計算具有“作為服務(wù)”交付的能力，以高度可擴展的彈性方式交付服務(wù)，利用因特網(wǎng)技術(shù)和方法來開發(fā)和交付服務(wù)，資源虛擬化及資源的自動管理與配置；可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分布式并行處理等特征。

云計算是隨著處理器技術(shù)、虛擬化技術(shù)、分布式存儲技術(shù)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化管理技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。從技術(shù)層面上講，云計算基本功能的實現(xiàn)取決于兩個關(guān)鍵的因素，一個是數(shù)據(jù)的存儲能力，另一個是分布式的計算能力。因此，云計算中的“云”可以再細分為“存儲云”和“計算云”，也即“云計算=存儲云+計算云”。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的基于云計算技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)采用Browser/Server模式，該模式是以Web服務(wù)器為巾心、采用TCP/IP技術(shù)、以HTTP為傳輸協(xié)議，客戶端通過瀏覽器就可以訪問Web服務(wù)器以及與其相連的后臺數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)共包括三層體系架構(gòu)：客戶端、系統(tǒng)管理層和基礎(chǔ)設(shè)施層[3]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of system

第一層：客戶端表示層。它是整個應(yīng)用系統(tǒng)的圖形界面，是通過Web瀏覽器向系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送請求，并將其提交給業(yè)務(wù)邏輯層，主節(jié)點服務(wù)器首先對用戶的身份進行驗證。并把驗證信息返回到客戶端，客戶端把接受到的響應(yīng)信息顯示在瀏覽器上。

第二層：系統(tǒng)管理層。首先Web服務(wù)器具有應(yīng)用程序擴展能力的，負責(zé)對應(yīng)用程序的集屮管理，為客戶端和數(shù)據(jù)庫之間提供通信服務(wù)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的部分，通過執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)用程序與底層集群進行連接，主要對用戶和系統(tǒng)的資源進行管理。

第三層：基礎(chǔ)設(shè)施層。系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)設(shè)施采用Hadoop框架構(gòu)建計算機集群，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和組織，數(shù)據(jù)庫的分布式管理、備份和同步等，為系統(tǒng)提供并行計算和存儲操作，并將結(jié)果傳輸給業(yè)務(wù)邏輯層。

基于云計算技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是一個系統(tǒng)的服務(wù)平臺，該平臺可以通過采用分布式存儲、并行計算、虛擬化等技術(shù)擴展硬件和軟件設(shè)施將不同的資源有效的結(jié)合在一起，協(xié)同工作。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的功能需求分析，本文將系統(tǒng)分為4大功能模塊，包括用戶登錄模塊、集群監(jiān)控校塊、文件管理校塊、信號分析與故障診斷模塊。圖2為系統(tǒng)功能模塊框架圖。

圖2 系統(tǒng)功能模塊框圖Fig.2 The system function module diagram

1)用戶登錄模塊

系統(tǒng)管理模塊主要包括用戶的訪問控制和權(quán)限管理2大功能，是系統(tǒng)的重要組成部分[4]，系統(tǒng)管理功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)管理功能模塊Fig.3 The module of system management

該模塊包括用戶登錄、杳詢、添加、修改和刪除等，只有系統(tǒng)管理員才能實現(xiàn)這些操作，用戶只能注冊、查詢和修改除自身權(quán)限以外的其他信息。用戶登錄系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 用戶登入系統(tǒng)流程圖Fig.4 The Flow chart of user login system

2)集群監(jiān)控模塊

作為一個計算機集群，計算機隨時都會出現(xiàn)故障，包括硬件故障和軟件故障，因此有必要對計算機集群進行監(jiān)控管理。集群監(jiān)控模塊從結(jié)構(gòu)上主要分為3部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)顯示[5]。集群監(jiān)控工作流程如圖5所示。

圖5 集群監(jiān)控工作流程Fig.5 The flow of work about cluster monitoring

DataCollection.jar是數(shù)據(jù)采集器，負責(zé)采集節(jié)點中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳回到服務(wù)器，同時數(shù)據(jù)采集器還監(jiān)聽特定的端口，等待服務(wù)器端的命令。

DataCollectionServ.jar是服務(wù)器端的接收器，負責(zé)接收節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存到Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。DataCollection.jar和DataCollectionServ.jar兩個程序完成了監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存丁作，部分通信工作和數(shù)據(jù)采集工作。

3)文件存儲模塊

文件的分布式存儲流程中管理節(jié)點包括root.dat和node.dat兩個系統(tǒng)文件。root.dat文件存儲著用戶信息和文件分塊描述信息，node.dat文件則包括整個存儲系統(tǒng)所有子節(jié)點的IP地址、端口、最大空間、剩余空間等信息。客戶端首先連接管理節(jié)點，讀取用戶數(shù)據(jù)塊信總，并完成對數(shù)據(jù)的分割，啟動多線程函數(shù)連接各子節(jié)點，來完成文件的并發(fā)寫入。

4)分析與診斷模塊

信號分析與診斷模塊除了包括常規(guī)分析功能，如時域波形、頻譜圖、軸心軌跡、相位譜、倒頻譜、極坐標圖等，還可以加入一些現(xiàn)代信號分析方法，如全息譜分析、全矢譜分析、小波分析、Winger分布等。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是一個重要的環(huán)節(jié)，本文采用Apache服務(wù)器軟件作為服務(wù)應(yīng)用平臺、釆用Java語言進行設(shè)計頁面，采用Mysql設(shè)計數(shù)據(jù)庫。Apache服務(wù)器軟件的網(wǎng)頁文件目錄默認是在文件路徑里面，我們只需要把用Java語言編寫的程序代碼放置到里面就可以通過瀏覽器訪問頁面[6]。

數(shù)據(jù)庫采用MYSQL CLUSTER數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)構(gòu)建集群數(shù)據(jù)庫，MYSQLCLUSTER是一種數(shù)據(jù)庫集群技術(shù)，該技術(shù)允許在無共享的系統(tǒng)中部署數(shù)據(jù)庫的Cluster，系統(tǒng)通常采用廉價的硬件部署數(shù)據(jù)庫。集群足由管理節(jié)點（ndb—mgmd)、數(shù)據(jù)節(jié)點（Data Nodes)、SQL節(jié)點（mysqld)3種不同的節(jié)點組成，即構(gòu)成了一個完整的MYSQL集群體系。

1)分別對3臺電腦進行數(shù)據(jù)庫安裝和配置

①安裝 mysql-server。使用命令：sudo apt-get install mysqlserver。目的是mysql數(shù)據(jù)庫支持集群功能。

②編輯 mysql的配置文件。使用命令：sudo gedit/etc/mysql/my.cnfo,打開文件后，在[mysqld]下面添加語句：

③配置主機節(jié)點mysql的配置文件，在文件mgmd.cnf中加入以下內(nèi)容：

上述操作完成后，mysql數(shù)據(jù)庫集群就搭載完成了。

2)數(shù)據(jù)庫鏈接類

為了方便操作數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫連接方法抽象為一個類文件。這樣以后如果更改數(shù)據(jù)庫或者增加連接池等操作時，只需要更改此連接類即可，不用對每個邏輯處理函數(shù)進行修改。

具體實現(xiàn)代碼如下：

Research on equipment fault diagnosis system based on cloud computing

XU Fei
（School of Computer Science and Engineering,Xi'an Technological University,Xi an 710032,China)

Through analyzing the characteristics of cloud computing,the system structure and function,a novel method based on cloud computing is proposed for equipment fault diagnosis of.The technology and methods is discussed in order to prove its feasibility.Practice shows that cloud computing technology to real-time online monitoring and fault diagnosis provides a good solution and technical support.

cloud computing；fault diagnosis;network model;online monitoring

TN06

A

1674－6236（2015）10-0005-03

2014-09-02 稿件編號：201409016

校長基金(XAGDXJJ1217)

徐 飛(1980—)，男，陜西安康人，碩士，講師。研究方向：信息融合及計算機應(yīng)用。