CN109347703A - 一种cps节点故障检测装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CPS节点故障检测装置与方法，装置包括状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块；状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。本发明能够提高CPS应用系统节点状态监控准确率、监控粒度、监控实时性。

Description

一种CPS节点故障检测装置与方法
技术领域
本发明涉及CPS信息系统节点的状态在线监控技术，具体涉及一种CPS节点故障检测装置与方法。
背景技术
信息物理系统(Cyber-Physical Systems，CPS)能够集感知、计算、通信和控制能力于一体技术，其本质是通过软件对物理实体及环境进行状态感知、计算分析，并最终控制到物理实体，构建最基本的数据自动流动的闭环，形成物理世界和信息世界的融合交互。
随着嵌入式技术、计算机技术和网络技术的发展，硬件产品性能、数据处理能力和网络通信性能不断提升。计算机系统的信息化与智能化，使得人们对于各种工程系统和计算设备的需求，已不仅仅局限于系统功能的扩充，而是更关注系统资源的合理有效分配和系统性能效能的优化，以及服务个性化与用户满意度的提升。在这种需求的引导下，CPS作为一种新型智能系统应运而生，已引起了各国政府、学术界和工业界的高度重视。
CPS通过一系列计算单元和物理对象在网络环境下的高度集成与交互，来提高系统在信息处理、实时通信、远程精准控制以及组件自动协调等方面的能力，是时空多维异构的混杂自治系统，具有实时、安全、可靠、高性能等特点。与嵌入式系统的不同之处在于，CPS把通信放在与计算同等地位上，强调在分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。此外，CPS对于异构信息具有很好的适应能力，同时允许系统中部分部件动态的退出和接入，具有很好的可扩展性和容错性。CPS与人类的生活和社会的发展息息相关，是涵盖了小到纳米级生物机器人，大到全球能源协调与管理系统等涉及人类基础设施建设的复杂大系统。目前相关研究和应用方向包括医疗健康与救治、航空导航、交通智能、环境监测等国民生产生活重要领域，随着其技术的成熟，未来将应用于更多的领域。
随着CPS任务应用越来越复杂，包括大量应用任务、网络设备、主机、数据库、中间件、存储、安全设备、传感器、执行器。CPS任务应用环境的特点是：厂商多、设备多、应用多，属于典型的异构环境平台，其中，每个设备和子系统都需要进行监控运维，并且需要监控维护的内容也越来越多。传统的监控运维与保障模式以人工现场操作为主，缺少统一集中的监控工具，存在维护工作量及复杂度不断增加、设备分散、缺少自动化监控工具、主动监控运维能力亟待提高、无法对系统任务可用性状态进行有效记录和检测、对系统资源状态信息缺乏全局掌握、监控数据的科学分析和有效利用程度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CPS节点故障检测装置与方法，提高CPS应用系统中节点状态监控准确率、监控粒度、监控实时性。
实现本发明目的的技术方案为：一种CPS节点故障检测装置，包括状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块；
状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
一种CPS节点故障检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过网络互联设备，将状态采集模块和检测信息汇聚模块加入可与CPS应用系统通信的网络，将检测信息汇聚模块和检测信息展示模块连接；
步骤二、将CPS应用系统纳入状态监控，状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
步骤三、检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
步骤四、检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块，将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)支持服务器的软/硬件故障检测；(2)支持存储设备故障检测；(3)支持网络设备故障检测；(4)支持中间件软件故障检测；(5)支持数据库软件故障检测；(6)支持顶层应用软件故障检测；(7)支持通过SNMP、WMI、Telnet、SSH等协议，收集Windows、Linux操作系统的监控指标；(8)支持通过专用协议，收集非Windows、Linux操作系统的监控指标，如VXworks操作系统；(9)支持根据具体逻辑架构，定制系统的任务视图，直观显示系统的故障及健康状况；(10)支持分布式部署，可按照需求进行规模化扩展，维护简单。
附图说明
图1是本发明提供的第一种CPS节点故障检测装置结构示意图。
图2是本发明提供的第一种CPS节点故障检测装置部署示意图。
图3是本发明提供的第二种CPS节点故障检测装置结构示意图。
图4是本发明提供的第二种CPS节点故障检测装置部署示意图。
图5是本发明提供的CPS节点故障检测方法示意图。
图6是本发明提供的CPS节点故障检测设备进行故障检测的方法流程图。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种CPS节点故障检测装置，所述装置包括状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块；所述状态采集模块用于状态采集，支持扩展至多台，所述检测信息汇聚模块用于实现状态采集模块与检测信息展示模块间的通讯；所述状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块安装对应的数据采集、数据融合和信息展示软件，用于CPS节点故障检测。
状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
如图5所示，一种使用上述节点故障检测装置进行故障检测的方法，包括以下步骤：
步骤一、通过网络互联设备，将状态采集模块和检测信息汇聚模块加入可跟CPS应用系统通信的网络，将检测信息汇聚模块和检测信息展示模块连接；
步骤二、将CPS应用系统纳入状态监控，状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；“状态监控”为CPS节点健康状态监控，通过状态采集模块监测所连接的CPS节点状态数据，包括监测CPS节点的硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等；“节点状态监测”为通过被监控CPS节点上部署的软/硬件探针(Agent)状态采集模块获取节点的硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等。
步骤三、检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；“数据汇总”为格式化和合并状态采集模块获取的数据，数据汇总用于实现：将多个状态采集模块获取的状态数据进行汇聚、处理。
步骤四、检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块，将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
“记录存储”为检测信息汇聚模块存储传送过来的CPS节点状态信息，存入数据文件或数据库；“对监控数据进行分析”为检测信息汇聚模块将各监控数据项与数据知识库中的故障模式进行对比，若有效匹配度达到设定的阈值，则判定该监控数据项对应的CPS节点出现故障异常事件。“故障异常展示”为检测信息展示模块通过B/S或C/S模式，通过图形或列表方式对被监控CPS节点的故障警告信息进行多维度展现。
上述检测方法实现CPS系统中节点状态在线监控，提高CPS应用系统中节点状态监控准确率、监控粒度、监控实时性。
本发明还提供一种故障异常发生时，可以通过CPS节点故障检测设备装置实现故障异常事件汇总和记录存储的架构，所述架构包含：生产平台、监控中心、CPS节点故障检测设备、软/硬件探针、任务系统；所述的CPS节点故障检测设备安装在生产平台和监控中心，在生产平台的任务系统和监控中心的信息系统上安装软/硬件探针；所述CPS节点故障检测设备用于监控任务系统，并且对任务系统的状态异常事件进行记录存储，将记录存储数据传输至监控中心的CPS节点故障检测设备。
对于Linux或Windows服务器系统，软/硬件探针通过SNMP、Telnet、SSH、JDBC、JMX等通用协议监测不同层次应用任务的状态，并且监控功能对外提供标准化API接口；对于非Linux或Windows服务器系统，软/硬件探针通过专用协议监测不同层次应用任务的状态，并且监控功能对外提供标准化API接口。
本发明能够提高故障检测的效率、提高故障定位精度，支撑关键任务系统的主备高可用保障机制，更好地满足关键CPS系统的可靠性需求，尤其是工业控制、军事装备的行业领域。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
如图1所示，一种CPS节点故障检测设备的装置，故障检测设备1、网络互联设备5和CPS系统6，其中故障检测设备1包括状态采集模块2、检测信息汇聚模块3、检测信息展示模块4。
图2是本实施例所提供的第一种CPS节点故障检测设备的装置部署示意图，所述的检测信息汇聚模块用于状态采集模块与检测信息展示模块间的通讯；所述的状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块安装对应的数据采集、数据融合和信息展示软件，用于CPS节点故障检测。该故障检测设备的主要参数如下：
可包括多个状态采集模块；
支持千兆、万兆TCP/IP网络；
支持CAN、1553B等总线；
支持RS422、RS232、RS485串口；
支持本地存储以及通过ISCISI和NFS协议挂载网络存储；
支持SNMP、Telnet、SSH、JDBC、JMX等通用协议。
如图3所示，图3为本实施例所提供的第二种CPS节点故障检测设备的装置结构示意图，故障检测设备1、网络互联设备5和CPS系统6，其中故障检测设备1包括状态采集模块2-A、状态采集模块2-B，检测信息汇聚模块3、检测信息展示模块4，状态采集模块支持扩展至多台。对应图3，图4是本实施例所提供的第二种CPS节点故障检测设备的装置部署示意图。
如图5所示，图5是本发明的一种使用CPS节点故障检测设备装置的方法示意图。一种使用CPS节点故障检测设备装置的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、通过网络互联设备，将状态采集模块和检测信息汇聚模块加入可跟CPS应用系统通信的网络，将检测信息汇聚模块和检测信息展示模块连接；
步骤二、将CPS应用系统纳入状态监控，状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
步骤三、检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
步骤四、检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，状态采集模块获取到故障异常事件后传送给检测信息汇聚模块；
步骤五、通过检测信息汇聚模块，将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
在本发明实施例中，CPS节点故障检测设备能够通过状态采集模块监测网络互联设备连接的CPS节点的异常事件，监测CPS节点的不同层面的状态数据。其中，步骤二中的“状态监控”为CPS节点健康状态监控，通过状态采集模块监测所连接的CPS节点异常事件，实现监测CPS节点的硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等。其监测的具体内容如下：
1)监测CPU、内存等硬件资源大小、使用率等；
2)监测对外通信的连接状态、传输速率、QOS数据等；
3)监测文件存储系统的容量、使用情况和状态监测对外通信连接的状态；
4)监测特定任务应用过程中产生的重要数据、所处环节、以及任务运行状态等。
在本发明实施例中，为了支持细粒度地获取CPS节点状态数据，步骤二中的“节点状态监测”为通过被监控CPS节点上部署的软/硬件探针(Agent)状态采集模块获取节点的硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等。其具体内容如下：
1)根据CPS节点的特性，安装监测其相关状态的软/硬件探针；
2)通过上位机，配置软/硬件探针监测的对象、监测周期等参数；
3)基于系统标准接口和任务应用接口，软/硬件探针周期性的获取节点的硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等；
4)软/硬件探针将获取的监测数据通过网络互联设备传送给状态采集模块。
在本发明实施例中，为了方便对监控数据的存储和分析，步骤三中的“数据汇总”为格式化和合并状态采集模块获取的数据，数据汇总用于实现：将多个状态采集模块获取的状态数据进行汇聚、处理。其具体内容如下：
1)对硬件状态、网络状态、存储状态、关键数据等格式化；
2)删除重复状态数据；
3)关联存在依赖关系的数据项。
在本发明实施例中，为了支持监控数据的回放和事后统计分析，步骤四中的“记录存储”为检测信息汇聚模块存储传送过来的CPS节点状态信息，存入数据文件或数据库。其具体内容如下：
1)缓存传送过来CPS节点状态信息；
2)将缓存的CPS节点状态信息附加上统一的时间标签；
3)利用存储接口API将CPS节点状态信息写入数据文件或数据库。
在本发明实施例中，为了实现故障检测功能，步骤四中的“对监控数据进行分析”为检测信息汇聚模块将各监控数据项与数据知识库中的故障模式进行对比，若有效匹配度达到设定的阈值，则判定该监控数据项对应的CPS节点出现故障异常事件。其具体内容如下：
1)提取新的监控数据项与数据知识库中的各故障模式进行对比；
2)若有效匹配度小于设置的阈值，则提取下一项监控数据，继续分析过程；
3)若有效匹配度大于等于设置的阈值，则根据监控数据和故障模式，生成故障异常信息，并将故障异常信息传送给检测信息展示模块。随后提取下一项监控数据，继续分析过程。
在本发明实施例中，为了实现故障告警、展示功能，步骤五中的“故障异常展示”为检测信息展示模块通过B/S或C/S模式，通过图形或列表方式对被监控CPS节点的故障警告信息进行多维度展现。其具体内容如下：
1)检测信息展示模块接受到故障异常事件；
2)B/S模式下，以Portal门户方式对故障异常事件内容进行统一展现；
3)支持按时间、故障种类查询，采用图表及表格形式分类别以日、周、月、年统计故障异常事件；
4)支持提供CPS资源可用性报告、趋势报告、故障报告。
请参照图6，图6是本发明实施例所提供的一种使用CPS节点故障检测设备进行故障检测的方法流程图。一种使用CPS节点故障检测设备进行故障检测的方法流程，所述流程包括以下过程：
过程一、通过网络互联设备，将状态采集模块和检测信息汇聚模块加入可跟CPS应用系统通信的网络，将检测信息汇聚模块和检测信息展示模块连接；
过程二、将CPS应用系统纳入状态监控，状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
过程三、检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
过程四、检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，状态采集模块获取到故障异常事件后传送给检测信息汇聚模块；
过程五、通过检测信息汇聚模块，将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。

Claims (7)

1.一种CPS节点故障检测装置，其特征在于，包括状态采集模块、检测信息汇聚模块、检测信息展示模块；
状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端进行故障异常展示。
2.根据权利要求1所述的CPS节点故障检测装置，其特征在于，对监控数据进行分析的过程为：检测信息汇聚模块将各监控数据项与数据知识库中的故障模式进行对比，若有效匹配度达到设定的阈值，则判定该监控数据项对应的CPS节点出现故障异常事件。
3.根据权利要求1所述的CPS节点故障检测装置，其特征在于，检测信息展示模块通过B/S或C/S模式，通过图形或列表方式对被监控CPS节点的故障警告信息进行多维度展现。
4.一种基于权利要求1所述装置的CPS节点故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过网络互联设备，将状态采集模块和检测信息汇聚模块加入可与CPS应用系统通信的网络，将检测信息汇聚模块和检测信息展示模块连接；
步骤二、将CPS应用系统纳入状态监控，状态采集模块对所连接的CPS应用系统进行节点状态监测，并通过网络互联设备传送给检测信息汇聚模块；
步骤三、检测信息汇聚模块对所连接的状态采集模块获取到的状态数据进行数据汇总；
步骤四、检测信息汇聚模块对从状态采集模块获取的监控数据进行记录存储，通过对监控数据进行分析，当CPS应用系统某CPS节点出现故障异常事件时，通过检测信息汇聚模块，将分析得到CPS节点故障异常事件传送检测信息展示模块，检测信息展示模块通过显示终端实现故障异常展示。
5.根据权利要求4所述的CPS节点故障检测方法，其特征在于，步骤四中记录存储是指检测信息汇聚模块将CPS节点状态信息存入数据文件或数据库。
6.根据权利要求4所述的CPS节点故障检测方法，其特征在于，步骤四中对监控数据进行分析为检测信息汇聚模块将各监控数据项与数据知识库中的故障模式进行对比，若有效匹配度达到设定的阈值，则判定该监控数据项对应的CPS节点出现故障异常事件。
7.根据权利要求4所述的CPS节点故障检测方法，其特征在于，步骤四中检测信息展示模块通过B/S或C/S模式，通过图形或列表方式对被监控CPS节点的故障警告信息进行多维度展现。
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