遲海龍，汪華強(qiáng)

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 自動化所，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

目前水電廠都配置有計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，運行人員主要通過監(jiān)控系統(tǒng)的畫面、圖表系統(tǒng)和事件告警系統(tǒng)來了解掌握生產(chǎn)系統(tǒng)的實時運行信息，告警系統(tǒng)作為現(xiàn)代化水電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)成為運行人員監(jiān)視系統(tǒng)重要有利的工具。事實上、現(xiàn)代化水電站運行中，對警告系統(tǒng)的依賴程度大大增加。告警系統(tǒng)提供絕大多數(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)的實時運行信息。如何讓告警系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、高效為運行人員提供生產(chǎn)運行信息，是目前水電站生產(chǎn)智能化的一個重要方向。

1 研究背景及原則

1.1 背景

通過對某大型電站的告警信息進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該電站全廠設(shè)備各類型信號由LCU 采集后未作任何判斷處理直接上送至監(jiān)控系統(tǒng)。針對2020 年每日告警一覽表進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)全年共產(chǎn)生510 萬條信號，平均每日產(chǎn)生1.4 萬條信號，其中最多的一天產(chǎn)生了6.8 萬條信號。監(jiān)控系統(tǒng)每日告警信號繁多，給運行人員監(jiān)屏工作帶來一定壓力，容易致使運行人員遺漏重要告警信息，存在延誤處理造成事故的風(fēng)險。目前對測點冗余重復(fù)告警和洪水告警有很多傳統(tǒng)的處理策略，例如濾波、延時或閉鎖等技術(shù)的采用有效減少告警抖動信息的數(shù)量，具體可參考遲海龍 等[1]相關(guān)的詳細(xì)討論。

1.2 告警到達(dá)速率定義和原則

告警到達(dá)速率是刻畫告警的一項重要指標(biāo)，它反映告警發(fā)生的頻率，是告警處理的重要基礎(chǔ)刻畫，告警原則要滿足以下3 點：

（1）體現(xiàn)單位時間內(nèi)警報信息到達(dá)的數(shù)量 ，即在預(yù)定義的單位時間內(nèi)實際到達(dá)告警的個數(shù)；

（2）體現(xiàn)各個信息之間的間隔長度及間隔分布密度，就是在原則1 相同的情況下要對不同的告警到達(dá)間隔疏密不同有所區(qū)分，到達(dá)間隔密集的要高于間隔稀疏的，即要考慮告警到達(dá)密度分布不均衡的影響 ；

（3）體現(xiàn)時間衰減因子各個間隔影響，就是在原則2 的相同情況下，對到達(dá)間隔密度發(fā)生的時間位置要有所區(qū)分，引入該因子是基于告警系統(tǒng)中一般認(rèn)為時間較長的告警被作為陳舊告警，其信息由于已識別或者時間緊迫周期已過，表述意義沒有最新的告警重要。告警速率的具體定義可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]，此文不在贅述。一般過程工業(yè)告警系統(tǒng)的告警達(dá)到速率應(yīng)該不要超過一定的數(shù)值，否則就會給運維人員帶來識別上的壓力和困難。2022 年國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 41261-2022《過程工業(yè)報警系統(tǒng)管理》[3]中對于告警速率有相關(guān)的推薦指標(biāo)要求（表1）。具體實施時可按實際情況進(jìn)行修正采用。

表1 平均報警率

2 相似冗余告警的版面折疊策略

2.1 冗余告警產(chǎn)生原因分析

對于報警系統(tǒng)的噪聲問題國內(nèi)外監(jiān)控廠家或者學(xué)者有過相對充分和系統(tǒng)的研究，通常認(rèn)為報警中存在的大量無效、低效甚至是錯誤的報警是告警系統(tǒng)的噪聲，這些作為噪聲的報警信息不僅干擾運行人員，有的甚至還會誤導(dǎo)甚至蒙蔽麻痹了操作人員正常的操作能力，繼而引發(fā)事故征候，甚至更大的生產(chǎn)事故。

噪聲報警可能以如下形式存在于系統(tǒng)中：①無效狀態(tài)報警信息。例如設(shè)備處于非工作狀態(tài)或非正常狀態(tài)下產(chǎn)生的報警，如機(jī)組停機(jī)檢修等產(chǎn)生的大量無效報警。②模擬量或者開關(guān)量連續(xù)頻繁的抖動或者限制變化產(chǎn)生的低效報警。這些報警信息充斥的大量重復(fù)低效的信息導(dǎo)致整個報警系統(tǒng)的有效、關(guān)鍵報警信息量過低，容易使操作人員產(chǎn)生疲倦麻痹的不良工作狀態(tài)。③泛洪報警，當(dāng)整個控制系統(tǒng)處于震蕩或者大規(guī)模狀態(tài)越遷時，系統(tǒng)會產(chǎn)生非常大量的點狀態(tài)和數(shù)值變化。巨量報警信息“涌進(jìn)”報警系統(tǒng)后，輕則導(dǎo)致系統(tǒng)通道阻塞，信息延遲等，重則可能使整個控制系統(tǒng)癱瘓，操作人員無法正常監(jiān)控生產(chǎn)。

2.2 冗余相似告警的折疊處理

2.2.1 相同分組折疊策略處理

首先對告警的特征進(jìn)行分析和判定，如果滿足折疊要求就啟動分組聚合策略。該策略就是判斷每個告警之間的特征關(guān)聯(lián)信息是否相同，這里告警關(guān)聯(lián)信息可以選擇測點的點名或者英文名字，如果相同則進(jìn)行聚合。核心思想就是去除告警中相同冗余的部分，通過提取公共部分的方法將相同的重復(fù)告警“折疊”成一條復(fù)合告警信息，復(fù)合告警信息可以體現(xiàn)出告警復(fù)合的數(shù)目，同時也將差異部分進(jìn)行降維度的壓縮顯示。這樣可以最大限度消除重復(fù)信息。同時由于聚合操作中對任意告警都沒有丟棄，所以整個折疊壓縮過程信息是無損的。

圖1 告警折疊版面示意圖

2.2.2 相似分組折疊的方法

相似分組折疊的策略與相同折疊策略大致相似，只是在折疊中的折疊依據(jù)從相同的關(guān)鍵信息改為相似的一組測點信息。這里首先要計算每個告警之間的特征關(guān)聯(lián)距離和屬性相似度，相同相近的進(jìn)行聚合。 但聚類算法由于計算指標(biāo)公式比較復(fù)雜且計算復(fù)雜度較高，在實際應(yīng)用中有性能瓶頸。所以可以通過預(yù)先認(rèn)為設(shè)定或者相似測點頻繁集算法來定義一簇測點族。相同族內(nèi)的信息折疊一條信息，信息樹的根節(jié)點信息為族內(nèi)重要代表測點信息。例如系統(tǒng)在開關(guān)機(jī)組等控制過程中可能會產(chǎn)生各個相關(guān)設(shè)備動作及各種油氣水參數(shù)變化等信息。這些信息可以定義為以開機(jī)過程為中心的一組測點群，通過相關(guān)測點分組方式折疊為一條開機(jī)信息告警。這樣告警面板中信息簡明扼要，可有效減少人員工作強(qiáng)度。

3 規(guī)則引擎

3.1 規(guī)則引擎簡述

在方案中設(shè)置了規(guī)則分析引擎、規(guī)則數(shù)據(jù)庫、告警面板、規(guī)則配置等模塊 。規(guī)則分析引擎中又包括規(guī)則分析和規(guī)則棧，總體方案見圖2。

圖2 智能告警總體架構(gòu)框圖

當(dāng)原始告警信息到達(dá)后首先要進(jìn)入到規(guī)則分析引擎中 ，規(guī)則引擎首先提取出告警信息中的規(guī)則關(guān)鍵信息點，然后用得到的關(guān)鍵信息到規(guī)則數(shù)據(jù)庫中查找已有的規(guī)則信息，當(dāng)查到后需要將查到的規(guī)則壓入規(guī)則棧中，原始告警到達(dá)規(guī)則分析引擎后，經(jīng)過一簇規(guī)則序列處理后得到結(jié)論告警信息發(fā)送給告警面板或沒有相關(guān)處理規(guī)則的時候，告警信息需按原樣發(fā)送給告警面板。每個原始告警到達(dá)告警協(xié)議棧時都要經(jīng)過協(xié)議棧中所有規(guī)則處理后決定其下一步處理方式 ，這樣原始告警的生數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后變成了人為更容易識別的熟數(shù)據(jù)。規(guī)則配置模塊為人為配置信息輸入窗口，系統(tǒng)啟動后會自動裝載預(yù)設(shè)的規(guī)則信息。

3.2 規(guī)則引擎工作原理

規(guī)則引擎是由一系列規(guī)則構(gòu)成的規(guī)則鏈。而構(gòu)成規(guī)則鏈的規(guī)則則可以分為條件和動作兩個部分。其基本的語法描述為： “ RULE parmeters WHEN conditions THEN acttions END ; ”其中“RULE”“WHEN” “THEN” “END”是構(gòu)成 描述規(guī)則的基本框架的保留字?！癢HEN”及 “conditions”構(gòu)成了條件體，而“THEN actions”構(gòu)成了告警評審體。當(dāng)規(guī)則中的條件體滿足時就會執(zhí)行評審體中的命令。

當(dāng)規(guī)則壓入規(guī)則棧后，規(guī)則引擎就會在每個原始告警信息到達(dá)后，對信息進(jìn)行順次分析處理。規(guī)則在規(guī)則棧中是以鏈?zhǔn)降姆绞竭M(jìn)行存儲的，告警信息會通過每個規(guī)則的審查，如果該規(guī)則對該條告警信息適用則對其進(jìn)行分析處理，處理的結(jié)果有如下3 種情況（圖3）：

圖3 規(guī)則棧工作原理圖

（1）適用該規(guī)則且滿足該時序規(guī)則的預(yù)設(shè)條件子模式，則在處理過程中對告警進(jìn)行緩存并“吞掉”該信息。直道最后一個模式結(jié)束的告警信息到達(dá)，規(guī)則會發(fā)出結(jié)論告警信息到面板；

（2）使用該規(guī)則且不滿足該時序規(guī)則的預(yù)設(shè)子模式時，則將之前緩存吞掉的告警信息釋掉，一并“吐出”，并給出該規(guī)則不滿足的具體原因，發(fā)送到面板；

（3）不適用該規(guī)則，則順次進(jìn)入到規(guī)則鏈中的下一個規(guī)則處理中，直到找到使用的時序規(guī)則并處理之，或者如果規(guī)則棧中沒有任何適用的規(guī)則，則該告警會保持原始狀態(tài)發(fā)送至面板。

3.3 規(guī)則引擎中的審計和推導(dǎo)

對于規(guī)則引擎來說每一條告警信息可被認(rèn)為是一個事實（fact），工作中，每條事實告警都要順序的通過規(guī)則鏈中的各個規(guī)則，并被之評審（review）。當(dāng)事實滿足規(guī)則的評審要求時，規(guī)則可能會對告警事實進(jìn)行相關(guān)評審工作，比如修改告警的某些參數(shù)（等級、內(nèi)容等）甚至丟棄或者刪除。當(dāng)一個事實告警被某條規(guī)則評審修改后滿足后續(xù)告警的規(guī)則會重新被評審進(jìn)而發(fā)生連鎖式的修改。這種鏈條遞進(jìn)式的修改被稱之為規(guī)則引擎的推導(dǎo)，通過推導(dǎo)可以讓規(guī)則引擎對告警進(jìn)行強(qiáng)大分析和處理，產(chǎn)生進(jìn)一步故障溯源的衍生和次生高級告警信息。這種推導(dǎo)有利于我們對告警進(jìn)行更進(jìn)一步高階處理。

4 基于邏輯規(guī)則的報警收斂

4.1 動態(tài)過濾

傳統(tǒng)告警瀏覽器中過濾操作一般通過按鈕和開關(guān)等方式實現(xiàn)，這種方式雖然簡單易用但也存在著邏輯表達(dá)能力弱，過濾效率和準(zhǔn)確度不高及過濾條件不可隨心定制等問題。本方案中增加了邏輯表達(dá)式方式描述過濾條件的、更高效的過濾方式。

過濾條件的定義：過濾條件可以采用邏輯操作符（與或非）進(jìn)行連接?？刹捎脗鹘y(tǒng)的關(guān)系運算判斷和邏輯操作等嵌套定義更準(zhǔn)確、更深層的過濾條件。例如可查詢等級為2 且告警已經(jīng)確認(rèn)的告警，可輸入條件為：“alarm-level＞2 & alarm-aked：1” 。 這里的條件由兩部邏輯體構(gòu)成，前者為關(guān)系運算（大于），可定義查找范圍，后者‘：’為等于運算，可精確定義數(shù)值，最后由邏輯‘與’操作鏈接構(gòu)成。過濾條件里除了采用常用關(guān)系運算外還設(shè)計了 “in”、 “match”等高級的集合操作命令，‘in’ 可以進(jìn)行集合范圍內(nèi)查找，‘match ’可以使用功能更強(qiáng)大的正則表達(dá)式過濾，如“alrm_name match r‘.*SXLCU01.*‘”表示參數(shù)“alarmname”中包含“SXLCU01”的所有告警 。

過濾條件的糾錯、自動補(bǔ)齊、保存：為了方便用戶的使用，在過濾條件窗口里設(shè)計了條件糾錯和自動補(bǔ)齊功能。當(dāng)用戶輸入一個告警條件的表達(dá)式一部分時，系統(tǒng)會自動給出可能的后續(xù)命令字串提示，幫助用戶快速準(zhǔn)確地完成過濾條件編寫。同時當(dāng)輸入的命令語法或拼寫有錯誤時輸入框會變?yōu)榧t色并在底部的提示框給出錯誤信息和修改建議。為了便于用戶對過濾條件的重復(fù)使用，系統(tǒng)設(shè)計了將已經(jīng)定義好的過濾條件進(jìn)行備注保存，用戶可在未來操作中通過快捷菜單快速定位并重復(fù)使用已有條件。

4.2 動態(tài)屏蔽和審計

為了減少告警的數(shù)量，可以通過定義規(guī)則對原始告警進(jìn)行評審處理。動態(tài)屏蔽的基本思路為：當(dāng)一條告警事實進(jìn)入到規(guī)則鏈中的一條規(guī)則時，首先判斷條件體是否滿足，如果滿足就轉(zhuǎn)入到評審體工作中。屏蔽審計設(shè)計了如下幾種操作命令：

（1）接受：告警通過評審并原狀進(jìn)入展示模塊中；

（2）丟棄：告警被丟棄，不再被用戶查看到；

（3）重定向：告警可以重定向到自定義的展示列表中進(jìn)行分類展示；

（4）刪除：相同測點的告警信息將被刪掉，只保留最新的一條告警信息；

（5）告警參數(shù)設(shè)定：對告警事實進(jìn)行參數(shù)的修改，如修改告警等級、告警測點的狀態(tài)等，并按需進(jìn)行全系統(tǒng)的測點信息同步。

5 基于狀態(tài)綜合時序規(guī)則的報警收斂

5.1 時序綜合收斂策略概述

傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)對每個事件告警信息點的處理是分立進(jìn)行的，即每個信息點之間是沒有任何規(guī)則處理的，但實際生產(chǎn)系統(tǒng)中，很多信息點其實有著內(nèi)在統(tǒng)一的聯(lián)系，一簇事件信息往往和某個設(shè)備的某種工況一一對應(yīng)。這些事件群通常都是按照內(nèi)在邏輯關(guān)系和空間、時間關(guān)系以固定的模式順序發(fā)生。這種事件群可稱之為時序報警信息。

時序綜合報警會以一種或多種的固定順序，順次發(fā)生或事件到達(dá)。為了討論方便，把每一事件點用單個字母替代，例如‘a(chǎn)’事件可能對應(yīng)的是“開機(jī)命令下達(dá)”，‘b’事件可以是“PLC 命令收到”。這樣就可以把按照時間先后順序到達(dá)的事件描述為‘a(chǎn)b$’，其中‘$’符號代表這一模式的結(jié)束，所以每個順序的事件告警都可以對應(yīng)一個預(yù)定義的字串。同樣地，每個字串也代表了某種順序發(fā)生事件鏈[4]。

5.2 時序收斂的實現(xiàn)

按照前述規(guī)則字串與事件對應(yīng)關(guān)系，為了更好描述順序規(guī)則，引入計算機(jī)系統(tǒng)中對字串有著更強(qiáng)表達(dá)能力的正則表達(dá)式（Regular Expression）來描述。正則表達(dá)式可以描述順序的乃至周期循環(huán)的各種事件的信息。該方法可以表達(dá)分支（或）循環(huán)、某個子模式的重復(fù)等信息。具體語法描述可以從相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)在線文檔中獲得。

舉例來說，如圖4 所示正則表達(dá)為“kc（z|j）+d$”，每個字母的代表含義如圖4 左邊的表格所示，這里代表的含義為先發(fā)生‘k’事件之后是‘c’，后面的括號代表的是一個子模式的整體。括號里面有兩個事件，‘z’和‘j’事件是或的關(guān)系‘|’，即出現(xiàn)‘z’和‘j’其中之一，括號后面的加號代表這個子模式會重復(fù)一次或多次（大于等于1 次）也就是“zjzj”， “zzz”，“jjj”……這些子串都是滿足的。最后以‘d’事件結(jié)束整個時序規(guī)則。反映到具體事件信息上就是‘命令下達(dá)’后緊隨‘命令收到’，后面就是若干次的‘增磁’或者‘減磁’動作，最后以命令到位結(jié)束本次順序事件過程。如果事件順序滿足這個規(guī)則則報告一條綜合信息‘命令執(zhí)行成功’，如果不滿足此規(guī)則會給出不滿足規(guī)則的具體原因。

圖4 時序告警正則狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5.3 時序收斂的舉例

由上述所示的基本時序規(guī)則可以演化出多種與時序相關(guān)的規(guī)則，如等價點規(guī)則和多點聯(lián)合規(guī)則等。等價點規(guī)則也稱對偶點規(guī)則，就是兩個測點總是對偶相伴出現(xiàn)，例如開關(guān)站斷路器的兩個觸點“合閘動作”和“分閘復(fù)歸”等，這時可以定義等價點規(guī)則將兩個告警綜合為一個告警“斷路器動作”，從而減少告警數(shù)量并更加準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)備變化情況。對點聯(lián)合規(guī)則定義為：當(dāng)一組測點動作但是動作的先后時間順序并不固定，這時可以將這一組動作測點的告警信息綜合為一條聯(lián)合告警信息。典型場景為：一組泵設(shè)備的動作，如1 號水泵2 號水泵3 號水泵在一起啟動時?？赡艹霈F(xiàn)1 號、2 號、3 號，2 號、3 號、1號…等不同順序的告警序列，可用該規(guī)則識別此種告警的序列并綜合為“XXX 泵組啟動”等告警信息。

5.4 異常情況時序規(guī)則處理

當(dāng)時序規(guī)則發(fā)現(xiàn)并注意到事件沒有按照預(yù)設(shè)的模式發(fā)生時，智能規(guī)則系統(tǒng)會啟動異常分析機(jī)制并把分析的結(jié)果報告出來，從某例中我們可以看到該次順序時序事件缺少d，即缺少“調(diào)節(jié)到位動作”標(biāo)識信號異常時候報警信息，同樣地分析人員可以從事件信息點名中看出這是一個時序規(guī)則綜合報警信息，并且從信息內(nèi)容可以看到本次事件集合出現(xiàn)問題，時序規(guī)則沒有滿足并且不滿足的原因是該規(guī)則所期待的“調(diào)節(jié)到位動作”這一事件沒有如期望那樣到達(dá)?；蛘?.3 章節(jié)中聯(lián)合點規(guī)則異常時可報告諸如“2 號泵設(shè)備啟動未發(fā)現(xiàn)”等異常信息。通常來說，異常事件的信息等級要比正常事件等級更高，更需引起運行人員的注意。該綜合信息可以及時給運行人員傳達(dá)重要且準(zhǔn)確的異常溯源的信息。方便人員對生產(chǎn)過程中的異常給與足夠的重視并及時的糾正、解決問題[5]。

6 結(jié)語

本文針對目前很多水電站都面臨的告警數(shù)量日益增多問題，提出并開發(fā)了告警智能化的分析和收斂策略。該策略里通過折疊相似告警的方式可提高版面資源的利用率，降低索引難度；通過規(guī)則引擎的告警評審策略可進(jìn)一步屏蔽無效告警，還可從告警關(guān)聯(lián)內(nèi)在語義上進(jìn)行綜合分析收斂，提高告警表達(dá)的準(zhǔn)確度，從而解決大中型水電站控制中心及水電遠(yuǎn)程控制中心目前所面臨的部分困擾。未來還可對事件的各項參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計分析，并基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究模擬量動態(tài)智能閾值參數(shù)設(shè)定的策略和動態(tài)告警等級劃分等工作，更為有效地降低告警系統(tǒng)對運維監(jiān)盤的壓力，為企業(yè)“降本增效”的既定戰(zhàn)略助力賦能。