劉丹

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

基于ART2網(wǎng)絡(luò)的民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉丹

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

氣象服務(wù)作為國家重要公共服務(wù)，民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行十分重要。文章引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于ART2網(wǎng)絡(luò)的民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)，可用于對民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、故障分析與處理，為系統(tǒng)管理員的系統(tǒng)維護(hù)提供決策支持、數(shù)值分析和經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)。

自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Ⅱ(ART2)；系統(tǒng)維護(hù)；監(jiān)控；故障診斷；故障處理

1 引言

民航氣象部門作為國家法定民航氣象情報部門，其業(yè)務(wù)工作是收集、接收、存儲、處理和發(fā)布?xì)庀螽a(chǎn)品，并為航空用戶提供航空氣象產(chǎn)品。民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)是民航氣象部門用于氣象情報發(fā)布、處理、交換、傳輸和終端顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由若干功能各不相同的服務(wù)器組成，因此，確保這些服務(wù)器不間斷地正常運(yùn)行是保障民航飛行安全的一個重要因素。

目前，民航空管氣象中心和地方航站對民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的日常維護(hù)主要是通過系統(tǒng)管理員手工檢查和軟件監(jiān)控相結(jié)合的方式完成的。目前使用的監(jiān)控軟件檢查內(nèi)容單一、檢查方式固定、不能隨著民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的變化做相應(yīng)的調(diào)整，也不具備調(diào)整業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障處理的功能。民航氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)管理員在實(shí)際工作中的手工檢查已經(jīng)提高到每隔2小時檢查一次，每次檢查要費(fèi)時半個小時左右，耗費(fèi)了管理員大量的時間和精力。隨著民航空管氣象中心地位的不斷提升和發(fā)展以及設(shè)備維護(hù)數(shù)量的不斷增加，必定會使業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理員疲于應(yīng)付。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控與及時排障，文章設(shè)計(jì)開發(fā)基于ART2網(wǎng)絡(luò)的民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)。

2 民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的創(chuàng)新之處

基于ART2網(wǎng)絡(luò)的民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)中的創(chuàng)新之處有：

（1）繼承了關(guān)于屬性、方法和事件的設(shè)置，將對象作為這些要素的容器，刪除了類的概念。

（2）增加了進(jìn)行數(shù)據(jù)分析工具，包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)值的列表、曲線圖、均線和中位線分析。通過列表和曲線圖，用戶可以直觀地發(fā)現(xiàn)某一個屬性值的變化規(guī)律，也可以查看某幾個屬性值的變化相關(guān)性，以便對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（3）增加了自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)II（ART2）。把人工智能技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷中去，利用ART2的一些較好特性輔助完成系統(tǒng)的維護(hù)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)與決策能力。

（4）實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理知識和管理軟件的分離，使得系統(tǒng)管理員數(shù)量可以根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)量動態(tài)調(diào)整，可根據(jù)對故障認(rèn)識的不斷深入而方便地調(diào)整監(jiān)控和故障處理方案；通過對業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理知識的異地移植，地方航站的維護(hù)人員可以使用氣象中心維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)對本地業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

3 民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的主要難題和關(guān)鍵問題

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有3個關(guān)鍵技術(shù)。一是ART2如何處理與規(guī)則專家子系統(tǒng)的關(guān)系。在規(guī)則專家子系統(tǒng)建立完成后，管理員可以將自己平時常用的故障判別及維護(hù)方法加入其中，即部分常規(guī)故障，規(guī)則專家子系統(tǒng)可以很好地判別怎樣才能讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與規(guī)則專家子系統(tǒng)相輔相成，而不是兩個彼此獨(dú)立的故障識別和處理單元。二是ART2參數(shù)調(diào)整。選擇合適的參數(shù)可以極大提高ART2的學(xué)習(xí)和識別能力，并且可以避免一些可能出現(xiàn)的錯誤。三是民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)作為一個整體，如何才能搭建一個開放的，可拓展的框架以便系統(tǒng)升級。

除此以外，要成功地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)，還應(yīng)該解決好以下4點(diǎn)關(guān)鍵問題：

（1）如何使用系統(tǒng)中已有的信息（如系統(tǒng)管理腳本等）。

（2）如何對系統(tǒng)維護(hù)人員的管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行知識表達(dá)。（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和調(diào)優(yōu)。

（4）如何處理好管理員和本系統(tǒng)在日常維護(hù)工作中的關(guān)系，體現(xiàn)以人為本。

4 自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Ⅱ（ART2）原理

自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Adaptive Resonance Theory，ART）是由S.Grossbery等人于1986年提出，它以人類的認(rèn)知活動和心理作為建立同一數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，成功解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的穩(wěn)定性和可塑性的關(guān)系問題。

ART是自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，以認(rèn)知和行為模式為基礎(chǔ)的一種無教師、矢量聚類和競爭學(xué)習(xí)的算法。ART2具有實(shí)時學(xué)習(xí)、自組織和自穩(wěn)定性等性能，既可以處理離散數(shù)據(jù)，也可以處理模擬數(shù)據(jù)。

4.1 自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Ⅱ（ART2）的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用ART2建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。ART2以競爭學(xué)習(xí)為主要思想，ART2的原理如圖1[1]所示。ART2由調(diào)整子系統(tǒng)和注意子系統(tǒng)組成。調(diào)整子系統(tǒng)用于處理已經(jīng)學(xué)習(xí)的模式，對其建立精確的內(nèi)部表達(dá)；注意子系統(tǒng)用于判斷輸入是否熟悉的模式，對不熟悉的模式調(diào)用調(diào)整子系統(tǒng)學(xué)習(xí)新模式。調(diào)整子系統(tǒng)包含F(xiàn)1層和F2層。F1層用于接收輸入，在F1層中對輸入向量的每一維都有3層6個節(jié)點(diǎn)完成對該數(shù)據(jù)的處理；F2層用于輸出競爭中獲勝的節(jié)點(diǎn)。在ART2中，F(xiàn)1層和F2層間的權(quán)值需要保存（或稱為長期記憶）；F1層中以及注意子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在運(yùn)算時產(chǎn)生（或稱為短期記憶）。

4.2 自適應(yīng)共振神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Ⅱ（ART2）各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算

設(shè)輸入為X，Xi：輸入模式的第i維(i=0,1,…,n－1)，則X=(X0,X1,…,Xn－1)

在ART2中，F(xiàn)1層中各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方程為：

①Zi=Xi+a ui

在ART2中，F(xiàn)2層中各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方程為：

在ART2中，注意子系統(tǒng)的計(jì)算為：

圖1 ART2原理圖

第一次獲取勝利節(jié)點(diǎn)使用以下權(quán)重調(diào)整策略：

a、b、c、d、e、ρ和θ是預(yù)先設(shè)定的ART2的運(yùn)行參數(shù)，其中，a、b反映F1層內(nèi)部反饋大小，影響中層模式U向輸入模式X靠近的快慢，取值不能太大也不能太小，否則會導(dǎo)致分類結(jié)果不穩(wěn)定[2]。c,d應(yīng)滿足越接近1，網(wǎng)絡(luò)對誤配越敏感。為避免上述節(jié)點(diǎn)運(yùn)算中出現(xiàn)除數(shù)為0的情況，設(shè)定e的取值范圍為0＜e＜＜1。θ決定f(x)對低層輸入噪音的抑制程度，取值范圍一般為[0,]（m為F2層T的維數(shù)）。ρ為匹配警戒值，是ART2對輸入模式認(rèn)定是熟悉模式的程度，ρ越大，對輸入認(rèn)定為熟悉的要求就越高，匹配的相似程度也就越高。顯然，如果對不熟悉的輸入都進(jìn)行分類，ρ越大，被認(rèn)定為不熟悉輸入的情況就越多，最后的分類也就越多（即T的維數(shù)就越多），對輸入的分類也就越精確；反之，ρ越小，被認(rèn)定為不熟悉的情況就越少，最后的分類也就越少。

5 民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上研究，采用C/S模式和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，以VS 2008.NET（C#）為開發(fā)平臺來設(shè)計(jì)開發(fā)民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序都運(yùn)行在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，該計(jì)算機(jī)位于防火墻管理網(wǎng)段。民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)主要分為運(yùn)維子系統(tǒng)、數(shù)值分析子系統(tǒng)和人工智能診斷子系統(tǒng)（ART2）三個功能獨(dú)立的子系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)開發(fā)中，數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層這三層是彼此獨(dú)立的，數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)庫和文本文件（如民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)的錯誤日志）；數(shù)據(jù)處理層按照業(yè)務(wù)邏輯處理數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，系統(tǒng)開發(fā)視圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)視圖

本系統(tǒng)的主運(yùn)行界面如圖4所示，用戶通過主運(yùn)行界面可以調(diào)用民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)中的各功能模塊。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

5.1 運(yùn)維子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)維子系統(tǒng)是民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)中獲取、保存業(yè)務(wù)系統(tǒng)狀態(tài)值，處理異常的子系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和故障處理，包含信息配置、運(yùn)行處理和列表顯示三個部分，保證了配置數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)邏輯的分離、業(yè)務(wù)邏輯和視圖的分離。信息配置即完成對象、連接、屬性、方法和事件的配置，包括業(yè)務(wù)系統(tǒng)對象配置、連接配置、屬性配置、方法配置、事件配置；運(yùn)行是使用Telnet平臺依據(jù)配置信息按照一定的時間間隔獲取被監(jiān)控對象的屬性值；處理是按照事件配置，將被監(jiān)控系統(tǒng)的屬性值與事件的條件比較，符合事件條件的，觸發(fā)該事件的方法；列表是將某一時刻獲取的屬性值呈現(xiàn)給用戶。運(yùn)維子系統(tǒng)按照規(guī)則專家系統(tǒng)的構(gòu)建原理建立，包含了數(shù)據(jù)獲取、推理和處理三個部分[3]。為了便于描述被監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)信息，結(jié)合面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的有關(guān)概念，在運(yùn)維子系統(tǒng)中引入了對象、連接、方法、屬性、屬性值和事件等概念。

5.2 數(shù)值分析子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)值分析子系統(tǒng)使用MSChart來顯示折線、平滑曲線、點(diǎn)和均值線為用戶提供列表、曲線圖等形式的屬性值呈現(xiàn)方式，提供了從不同角度對服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)值的分析，方便設(shè)備維護(hù)人員了解和分析不同監(jiān)控對象不同系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（屬性值）變化規(guī)律以及變化相關(guān)性，以便進(jìn)行故障處理方法的歸納總結(jié)，提高設(shè)備保障能力。數(shù)值分析子系統(tǒng)中包括列表、關(guān)聯(lián)度顯示和均值分析3個部分，不同模塊顯示內(nèi)容和功能上的異同如表1所示。其屬性值代表了某一時刻被監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對屬性值進(jìn)行分析將有利于對業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的把握和對故障產(chǎn)生原因、故障征兆的研究。

表1 數(shù)值分析各模塊顯示內(nèi)容的異同

運(yùn)維子系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)積累了大量的屬性值。為了便于系統(tǒng)管理員分析和研究這些屬性值的發(fā)展趨勢和不同屬性間的關(guān)系，數(shù)值分析子系統(tǒng)提供列表、曲線圖和均值圖等方式將屬性值直觀呈現(xiàn)給用戶，運(yùn)行界面如以下圖5、圖6、圖7所示。

圖5 數(shù)值分析列表顯示界面

圖6 關(guān)聯(lián)度曲線圖

圖7 均值曲線圖

5.3 人工智能診斷子系統(tǒng)（ART2）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照ART2的設(shè)計(jì)要求，人工智能診斷子系統(tǒng)包含運(yùn)行狀態(tài)查看、運(yùn)行日志查看和ART2后臺運(yùn)行三個模塊。ART2后臺運(yùn)行模塊是核心，它隨著民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)啟動，運(yùn)行于系統(tǒng)后臺，按照一定的時間間隔處理上一次檢查所獲取的屬性值，將這些屬性值進(jìn)行計(jì)算處理后，將其處理日志和結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。運(yùn)行日志查看模塊從數(shù)據(jù)庫中檢索最新的ART2運(yùn)行日志，通過按照一定的時間間隔檢索用戶要求的日志信息來完成日志顯示信息的更新，這些日志包括ART2運(yùn)行過程中的錯誤、運(yùn)行中添加或刪除的F2層節(jié)點(diǎn)等信息。運(yùn)行日志查看模塊和ART2后臺運(yùn)行模塊沒有直接的先后順序。運(yùn)行狀態(tài)查看模塊用于查看ART2的運(yùn)行狀態(tài)，顯示被監(jiān)控業(yè)務(wù)系統(tǒng)的ART2運(yùn)行參數(shù)、發(fā)現(xiàn)異常情況的記錄，提供了ART2有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)和手動ART2處理的功能。實(shí)現(xiàn)從運(yùn)維子系統(tǒng)中學(xué)習(xí)故障診斷，通過自身內(nèi)部計(jì)算的精確表達(dá)，不僅可發(fā)現(xiàn)運(yùn)維子系統(tǒng)中未發(fā)現(xiàn)的潛在故障，還可實(shí)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)維子系統(tǒng)中加入越來越多的故障診斷時，ART2對故障的診斷要比運(yùn)維子系統(tǒng)快得多。圖8說明了人工智能診斷子系統(tǒng)三個模塊間的相關(guān)性。

ART2后臺運(yùn)行是通過在主運(yùn)行界面實(shí)例化ART2類實(shí)現(xiàn)的。ART2類將學(xué)習(xí)過程分為普通模式和學(xué)習(xí)模式[4]。學(xué)習(xí)模式可用于調(diào)試階段，它記錄運(yùn)維子系統(tǒng)事件觸發(fā)過程，將屬性值和事件觸發(fā)的方法聯(lián)系起來。即，如果運(yùn)維子系統(tǒng)認(rèn)為是正確的，ART2就把這些屬性值按正常的處理；如果運(yùn)維子系統(tǒng)觸發(fā)了事件，ART2就把這些屬性值當(dāng)作異常處理。普通模式是平時運(yùn)行時的狀態(tài)，在這個階段，ART2的參數(shù)應(yīng)基本設(shè)定，ART2將按照自己的計(jì)算判斷正常和異常的屬性值。人工智能診斷子系統(tǒng)（ART2）運(yùn)行狀態(tài)顯示的運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9 運(yùn)行狀態(tài)顯示

6 結(jié)語

基于ART2網(wǎng)絡(luò)的民航氣象服務(wù)器業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)作為民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)管理員的輔助工具，用于服務(wù)器系統(tǒng)管理、監(jiān)控、維護(hù)和保障服務(wù)器的正常運(yùn)行。它為系統(tǒng)管理員提供了曲線走勢圖、折線圖、列表和點(diǎn)等數(shù)值分析工具，方便了系統(tǒng)管理員進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，實(shí)現(xiàn)了長期對系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)歸類，有助于設(shè)備維護(hù)部門超越單個系統(tǒng)管理員進(jìn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和交流，還能很好地模仿系統(tǒng)管理員對服務(wù)器進(jìn)行無客戶端的遠(yuǎn)程管理，極大地減輕了系統(tǒng)管理員的設(shè)備維護(hù)負(fù)擔(dān)和工作壓力，提高了民航氣象業(yè)務(wù)維護(hù)部門設(shè)備維護(hù)的質(zhì)量和數(shù)量。

[1]楊建剛.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程.浙江:浙江大學(xué)出版社,2001: 114-122.

[2]徐藝萍,鄧輝文,李陽旭.一種改進(jìn)的ART2網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2006，(3).

[3]張全壽,周建峰.專家系統(tǒng)構(gòu)造原理及方法[J].北京:中國鐵道出版社,1992:15－16.

[4]徐藝萍,鄧輝文,李陽旭.一種改進(jìn)的ART2網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2006，(3).

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責(zé)任編輯 王榮輝

The Design and Implement of Maintenance System of Civil Aviation Meteorology Servicer Based on ART2

LIU Dan
(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

Civil aviation is one of basic institutions in our country,the safe run of its meteorology servicer is very important.The essay introduces the technologies of neural net,and put forward the design and implement of maintenance system of civil aviation meteorology servicer based on ART2,which does real time monitoring,fault treatment and fault research for civil aviation meteorology service operation system,and which is used as auxiliary means for system managers’watch-keeping to afford decision support,numerical analysis and accumulation and summary of experience for system manager.

Self-adaption Resonance Neural Net II(ART2);system maintenance;monitoring;fault diagnosis;fault treatment

TP39

A

1674－5787（2011）01－0155－04

2010-11-16

劉丹(1982—)，女，四川西充人，碩士，重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，助教。