基于钟联网的公共时钟诊断服务系统设计

引 言

公共时钟系统能为人员和设备提供统一的标准时间，广泛应用于机场、地铁、高铁、车站、场馆、核电、电厂、教育等行业领域，是一种重要的基础设备。其服务应用的领域很多是国家的命脉领域，如果时间服务出现问题，将可能导致火车追尾、核电停堆等重大安全事故。但随着设备自动化程度的提高以及营运速度的加快，对时钟同步系统的故障诊断提出了极高的快速性要求。高效率的诊断可以快速恢复功能，节省停机、拆装、测试时间，减轻设备损耗和人员工作量，是满足日益提高的用户要求的重要方式[1]。

时钟系统是一个庞大而复杂的通信计时系统，随着用户群的不断增大，诊断服务成为日益严峻的现实问题。目前，几乎每套时钟系统都需要在当地培训专门的维护人员，出现故障还需要生产厂家派专业人员进行维修，费时费力。因此迫切需要改变专业人员诊断的服务模式，缩短诊断时间、提高效率。

利用钟联网能够实时获取时钟系统的状态，并使现场维 护人员、领域专家及大数据之间相互协作，形成一个广义的“智 能团”，从而及时进行各项问题的诊断，以更短的时间来做出 更好、更安全的决策，为解决时钟系统当前面临的诊断服务困 难，本文设计了一种基于钟联网的公共时钟诊断服务系统。介 绍了钟联网系统，提出了诊断服务系统的逻辑，并设计了基于 钟联网的诊断服务系统。

经过近三年的运行，结果证明，本文设计的诊断服务系 统运行可靠稳定，对公共时钟进行快速准确的诊断减少了运营 成本，发挥了重要作用，达到了设计目标。

1 钟联网系统

钟联网系统是把移动通信网、互联网和大数据等信息技术与公共时钟相融合，搭建一个时间服务平台，实现对全世界所有时钟终端的随时随地感知和实时控制，为用户提供实用便利的服务，触发行业从产品模式向服务模式的变革。钟联网的体系结构分为四层[2] ：

(1) 感知控制层主要负责相关数据的采集，并实施云平台要求的控制；

(2) 网络层建立在现有互联网、移动网络等的基础上， 负责数据传输；

(3) 时间同步层用来对公共用钟对时；

(4) 应用层包括云平台的各种数据服务。

钟联网系统结构如图 1所示。

钟联网系统由GPS/北斗时钟接收器、时钟服务器、云平台、通信网、用户终端以及众多的公共时钟等组成。公共时钟和用户终端通过移动网、互联网等方式接入云平台。时钟服务器能够通过网络提供标准时间输出，采用北斗 GPS 等时间源接入。Web 服务器可提供Web 服务，使用户通过浏览器监控、控制设备。数据库用于存储各种数据。用于文件服务器存储公共时钟图片、配置等文件。平台管理系统对云平台进行监测、配置等管理[3]。其运行的基本过程如下：

(1) 时钟服务器从导航卫星（GPS和北斗）接收标准时间，通过通信网将时间传输给各公共时钟；

(2) 公共时钟把自身传感器数据传送到应用服务器；

(3) 运营和保障人员的信息通过用户终端传送到云平台；

(4)应用服务器处理上传的数据，保存到数据库或文件系统；

(5) 用 户通过Web服务器查询数据库或文件系统，获取各种服务，如查看公共时钟状态服务；故障数据保存服务；故障通知服务：通过短信、邮件等方式发送故障信息到用户；公共时钟控制服务等。

钟联网对时钟系统的管控发挥了重要作用，但还缺少对时钟系统的诊断服务支持，导致其维修耗时长，维修资源成本昂贵。因此，亟需在应用服务器上部署诊断服务系统[4]。

2 诊断服务逻辑框架

故障诊断（Fault Diagnosis，FD）有广义和狭义之分，广义上它作为故障检测、隔离和辨识的总称，狭义上是指故障隔离与辨识或是指故障检测和故障隔离。本文中故障诊断是指狭义上的后者，即指使用硬件、软件和规定的方法确定系统故障，查明其原因的技术和需进行的操作[5]。故障诊断过程如图 2 所示。故障诊断分为如下几步：

(1) 从检测点获取信号和数据；

(2) 获取信息中的特征信息，即故障征兆；

(3) 按规定的功能要求和性能指标判断系统是否存在故障，即故障检测；

(4) 运用与诊断要求相适应的故障诊断方法判定发生故障的原因，即故障定位[6]。

检测点之间的关系分为两种，即串联关系与并联关系。如图 2 中，t1、t4、t3 是串联关系，t3、t4 是并联关系。

对时钟系统可做如下基本假设：

1)以检测值的阈值来判断时钟系统是否存在故障 ；

2)若检测值满足阈值要求，则无故障 ；若检测值超出阈值范围，则说明有故障；

3)因为时钟系统可靠性很高，假设两个以上（含两个） 被测部件不会同时出现故障。

4)故障部件与检测值间的关联分为以下两种情况：

①确定性的。即某故障部件关联的检测值是唯一的，可利用故障信号的可达性假设，根据检测点的串并联关系来判断故障部件[7] ；

②不确定性的。即不同故障部件关联的检测值相同，可利用概率形式对故障部件进行定位[8]。

根据上述过程、结构和假设，时钟系统诊断服务逻辑框架如图 4 所示。

诊断服务框架包括时钟系统、时钟系统检测点、检测设备、现场诊断设备、现场诊断人员、通信网、信息中心、诊断大数据、诊断服务系统及领域专家等，可完成本地方式诊断和远程方式诊断[9]。检测设备部署在现场，通过各检测点采集时钟系统的数据；诊断设备一般部署在用户终端上，用于确定性的故障诊断；诊断大数据部署在云平台的数据服务器上；诊断服务系统部署在云平台的应用服务器上，为不确定性的故障提供诊断支持。诊断服务的大体过程如下[10] ：

1检测设备通过检测点获得时钟系统状态 ；

2若状态异常，由诊断设备判断是否为确定性故障；

3若故障为不确定性，则检测值发送给云平台；

4诊断服务系统，依据概率规则，如统计样本值及 D-S 证据等，融合诊断大数据和领域专家知识，隔离出可能性最大的故障；

5把故障诊断结果发送给诊断设备，指示现场诊断人员通过切换和更换等手段，确认诊断结果是否正确；

6若结果不正确，则通过诊断设备通知诊断服务系统；

7诊断服务系统取可能性大的故障，并发送诊断设备；

8诊断设备，现场诊断人员再次确认故障结果 ；

9如此反复，直至确认出正确的诊断结果。此时，把相关数据存入数据库，包括领域专家、时钟系统型号、检测值和诊断结果等[11]。

3  诊断服务系统

根据图 4 所示的故障诊断服务逻辑框架，可设计出图 5所示的诊断服务系统。

系统各组成部分的功能如下：

1状态采集模块负责接收钟联网终端采集的数据；

2采集控制模块负责控制钟联网终端的检测设备；

3采集读写模块负责读写采集数据库；

4领域读写模块负责读写领域专家的数据库；

5诊断读写模块负责读写诊断过程和结果的数据库；

6故障诊断模块负责利用概率方法、D-S证据理论等方法，依据诊断服务过程对公共时钟进行诊断；

7现场交互模块负责与现场维修人员交互，指导其对公共时钟进行操作以确认诊断结果；

8故障通知模块负责通过短信等手段通知用户，进行远程告警；

9消息通知模块负责通过消息总线在各模块间进行消息通知；

10领域专家 Web服务系统负责读写数据库，与领域专家进行交互；

11采集数据库存放采集的数据，包括客户表、时钟型号表、当前状态表等；

12领域专家数据库存放与领域专家相关的数据，包括领域专家基本表、领域专家诊断过程表、领域专家权值表等；

13诊断数据库存放与诊断过程和结果相关的数据，包括故障编码表、故障级别表、诊断操作记录表、故障记录表、数据统计表等。

远程终端的检测和诊断数据通过互联网接入，与服务器建立通信连接，也可与领域专家多媒体互动交流。调取指定系统配置信息及拓扑信息，通过先验知识对问题判断定位，故障诊断系统通过案例持续更新诊断数据库和专家知识数据库， 诊断知识不断完备，提高对问题的快速准确收敛能力 [12]。

消息通知模块采用ActiveMQ 技术来实现，ActiveMQ 实现了JMS1.1 规范的，面向消息（MOM），能够跨越多语言和多系统的应用集成消息通信中间件，为应用程序提供高效、可扩展的、稳定和安全的企业级消息通信。

领域专家 Web 服务采用Tomcat 实现，Tomcat 是一个免费的开放源代码的Web 应用服务器，属于轻量级应用服务器， 在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用， 是开发和调试 JSP 程序的首选。

数据库采用Oracle 来实现，作为一个通用的数据库系统， 它具有完整的数据管理功能，实现了分布式处理功能。

4 结 语

公共用钟是保证社会生活和生产有序进行的重要支撑设备。随着现代技术和工程的发展，人们对时钟系统的高效率诊断提出了严苛要求。但时钟系统的复杂性与维护成本产生了尖锐矛盾，迫切需要改变时钟系统的诊断服务模式，提高诊断效率，满足核电、地铁等行业的要求。只有在钟联网的基础上进行服务模式创新，才能从根本上解决当前时间服务面临的快速响应问题。因此，本文设计了一种基于钟联网的公共时钟诊断服务系统，利用钟联网实时获取时钟系统的状态，使现场人员、领域专家及大数据相互协作，提高各项问题的诊断决策。

经过近三年的运行，结果证明，本文设计的诊断服务系统运行可靠稳定，为国民经济和社会生活提供了优质的时钟服务，减轻了维护负担，每年节省了大量维护费用，触发了公共时钟行业的服务模式变革。