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发信人: jcy (俏皮小花仙), 信区: Communication
标题: 专家系统在SDH网络故障诊断中的应用
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月17日18:43:36 星期天), 站内信件

【摘要】电信网络的日趋复杂，要求有与之相应的有效的网络管理，其中一个方
面就是要求能自动地、全面地进行告警监控和故障诊断。为了达到这一要求，人工
智能技术被引入到网络管理系统中。本文围绕故障诊断专家系统FDES的设计，介绍
了专家系统在SDH网络故障诊断中的应用。
　　关键词：人工智能　专家系统　网络管理　SDH　SDXC

1　引言
　　随着电信网规模的不断扩大，使得网络的维护和操作变得相当复杂。如何保证
电信网络安全、稳定和可靠地运行，一直是电信领域的热门研究课题。因此故障管
理在网络管理功能中就显得越来越重要，并受到网络运营部门的高度重视。当网络
中不可避免地发生了故障以后，如何尽快判断故障的原因、性质和发生地点，是排
除故障的关键前提。然而由于在复杂的电信网络中，设备之间以及各条通信线路之
间是相互关联的，当某一设备或线路发生故障时，往往会引起与之相关的多个设备
或多条线路同时发出大量的告警信息。这使得网络故障诊断变得非常复杂。
　　网络的故障诊断与定位，通常是采用人工方式，即依靠具有丰富经验的网络维
护人员来完成。他们熟悉各种网络资源的症候及其它们之间的关联性，能够识别各
种事件的优先级并对它们作出快速反应。但具有如此“丰富经验”的专家毕竟数量
有限。另一方面人工诊断往往费时，而且不能在线进行。尤其对间歇性的故障，人
工维护无法及时检测和排除。在这种情况下，人们开始迫切要求网络管理能够向自
动化、智能化的方向发展。
　　在计算机智能化的发展中，专家系统是较为成熟且得到了广泛应用的一门技术
。所谓专家系统是一个具有大量专门知识和经验的程序系统，它可根据某个领域内
一个或多个人类专家提供的知识和经
验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要专家决定的复杂问
题。本文对专家系统在SDH网络故障诊断领域的应用作了初步研究，在此基础上重
点介绍了故障诊断专家系统FDES的设计。

2　在SDH网络故障诊断领域引入专家系统的背景和意义
　　我国电信网经过“八五”、“九五”期间的建设，初步已经建成了“八纵八横
”的光缆干线格局，下一步即将在其重要的节点上采用数字交叉连接设备（SDXC）
。对于这样一个结构复杂、业务流量大、传输速率愈来愈高的网络结构，对网络的
可靠性、生存性提出了更高的要求。SDXC作为SDH网的重要网络单元，是一种兼有
复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能传输设备。由于SDXC可以在任何端
口信号速率（及其子速率）间进行可控连接和再连接，因此SDXC设备很重要的一项
功能就是网络恢复。所谓网络恢复是指当网络出现故障后能自动地重选路由、恢复
业务。然而调用网络恢复算法的前提是必须知道故障发生的确切地点。SDH的网元
都具有智能化的特性，可自动进行故障检测和告警。因此对于线形网和环形网等简
单的网络拓扑结构，仅根据上、下游网元的告警，维护人员就可以迅速地定位故障
。但对于复杂的网孔形的拓扑结构，单靠人工来定位故障几乎是不可能的。因为在
网孔形的拓扑结构下，网元之间的上、下游关系错综复杂，而且各种告警类型之间
也存在着一定的关联性，往往在一段线路上或一个网元上出现的故障会引起网络上
的所有相关网元都发出告警。例如，假设在SDH网络的某段线路上，出现了光缆损
坏故障，那么在这段光缆上传送的业务涉及的所有网元都会受到影响。离这段光缆
最近的网元将会产生信号丢失（LOS）告警，这个告警又会引起其他相关网元产生
管理单元告警（AU-AIS）、支路单元告警（TU-AIS）、远端缺陷指示（RDI）等一
系列告警。可见故障发生后，告警会在网络中传播，其数目与网络配置和受影响的
业务量的大小有关，但往往都会产生成百上千个告警。尽管在每个网元内部都具有
告警过滤机制，可以滤掉大部分附带产生的告警，但对于各网元之间由于相互影响
而产生的告警，网元本身是无能为力的。这就需要网管中心依据网络配置情况和告
警之间的关联性进行分析，判断出实际的告警源，然后才能进一步采取网络恢复措
施。
　　然而由于告警信息之间错综复杂的关系、网络配置的可变性以及故障诊断的实
时性要求，使得这一问题的解决变得异常复杂。采用一般的带有逻辑判断语句的程
序显然无法适应这种复杂多变的情况，而依赖网管人员的经验进行人工诊断尽管可
以得出正确的结论，但又不能满足实时性的要求。在这样的情况下，在SDH网络管
理中引入人工智能技术，采用专家系统来进行故障诊断就显得势在必行了。本文所
介绍的FDES系统是一个基于知识的智能系统，它能把网管专家在故障诊断领域的知
识以规则的形式存放在知识库中，当网络中的告警报上来以后，它能调用相应的规
则进行启发式推理，找出告警源，并给出可能的故障原因供维护人员参考。该系统
可以作为一个独立的模块嵌入到网络管理系统中，通过对告警信息的分析处理实现
对网络故障的快速定位，为维护人员及时排除故障和进行网络恢复操作提供了极大
的帮助，同时也可尽量减少在网络故障诊断过程中维护人员的介入，降低对网络维
护人员素质的要求。

3　FDES的设计
3.1　知识表示
　　研究知识的表示方法是设计专家系统的中心内容之一。对于同一问题通常有多
种不同的知识表示方法，知识表示的优劣往往会对问题求解的结果和求解的工作量
产生很大的影响。在FDES的设计中，采用的是规则结构和过程表示相结合的方法来
表示知识。
　　在SDH网络的告警信息之间，特别是网元间由于相互影响而产生的告警信息之
间存在着一定的因果关系。这些因果关系是专家经验的总结，用规则表示是很方便
的。规则结构也叫做产生式规则，它是知识表示中最简单、最常用的形式。产生式
规则的一般形式是：if〈前提〉，then〈动作〉或〈结论〉。采用规则结构进行知
识表示有下列优点：(1)模块化：在众多规则所组成的库中，每条规则可自由增删
、修改，象一个独立的知识块。(2)一致性：规则库中的各规则都具有统一的结构
。(3)自然性：用它可以很方便地表示专家的知识和经验，解释专家们是怎样做他
们的工作的。但规则结构的知识表示也具有一定的局限性，这表现在：(1)效率低
：为了维护规则的模块性和一致性，导致在用它们进行问题求解时，额外开销大。
(2)不灵活性：规则结构的预定义形式降低了表达知识的自由性。(3)规则结构对复
杂、大型及动态概念不能很好地表示，因为规则毕竟只是简单的条件语句。
　　规则结构的这些缺点在知识的过程表示方法中可以得到弥补。因为过程式表示
就是将有关某一问题领域的知识，连同如何使用这些知识的方法，均隐式地表达为
一个求解问题的过程，其知识的描述形式就是程序，所有信息均隐含在程序之中。
这样从系统求解问题的效率上看，过程表示显然要比规则结构要高，但其不利之处
在于难以添加新知识和扩充新功能。
　　基于上述分析，最适宜的办法莫过于将这两种知识表示方法结合起来。用规则
结构来表示体现专家经验的启发性知识，用过程式知识来表示那些在推理过程中需
要用到的有关系统功能结构等相对固定不变的知识。
　　在规则结构的表示中，规则是根据告警信号的类型及告警之间的关联性来构造
的。规则的前提部分是源告警信号，规则的行动部分表示了源告警信号可能会在下
游网元引起的附带告警。规则的结论部分给出了该告警信号出现的可能原因。由全
部规则构成的规则库即为系统的知识库。规则结构的这种简单、统一的结构有利于
在故障诊断过程中快速检索规则，提高推理效率。在系统中还提供了良好的图形用
户界面，可方便地对规则库中的规则进行添加、修改和删除等操作，这有利于不断
地把专家的经验反映到系统中，以便不断地对系统进行维护和扩充，这也是专家系
统的核心思想所在。
　　过程表示方法所表示的知识包括了网络、链路、设备等多方面的知识，例如网
络的拓扑结构，业务的配置情况，链路的业务容量，设备的功能结构等。其中有的
知识是通过数据库接口提供的，修改起来相对还是比较容易的。有的则直接体现在
程序语句中，尽管不能直接从界面上修改，但却带来了推理的高效性。
　　从上可以看出，系统所采用的知识表示方法实际上是根据知识的不同特点来决
定的。对于经常要改动的知识采用规则结构表示，同时在保证知识的完备性的基础
上尽量使规则库简单、易于检索。对于基本固定不变的知识用过程式知识表示。将
其融入程序中，以提高系统的推理效率和诊断能力。这种知识表示方法综合了规则
结构和过程表示方法的优点，又使得它们各自的不足之处能够互相弥补。
3.2　搜索策略
　　故障诊断专家系统的目的是从众多的告警信息中识别出源告警，如果用搜索算
法来表示这一过程，那么每一条告警信息就对应搜索图中的一个节点，而其中的源
告警就代表需要找出的目标节点。设计搜索策略的关键就是如何以最短的路径找到
这些目标节点。
　　如果采用盲目搜索的办法，即任意选择扩展节点，可想而知，所需扩展的节点
数目将会很大，搜索效率也会很低。如果我们能利用问题域的特征信息来排列待扩
展节点的顺序，即选择最有希望的节点加以扩展，那么搜索效率将会大为提高。这
种问题领域的特征信息就称为启发式信息，利用启发式信息的搜索方法就叫做启发
式搜索方法。
　　系统所采用的启发式搜索策略也可称作“有序搜索”，即它总是选择“最有希
望”的节点作为下一个被扩展的节点。搜索中用到的启发式信息主要用于两个用途
，一个是用于决定要扩展的下一个节点。另一个是用于决定某些应该从搜索图中抛
弃的节点。具体地说，就是首先将代表告警信息的全部节点依次按照告警的严重程
度、告警代码、网元号、子架号、盘号、支路号进行排序。告警的严重程度反映了
告警的级别，级别高的排在前面。告警代码的编排是根据告警在SDH传送网层次模
型中所处的位置依次排下来的，靠近SDH物理层的告警排在前面，而靠近低阶通道
层的告警排在后面。这样排序的结果是排在前面的告警总是比排在后面的告警更可
能是告警源。另一方面，当选出了一个待扩展节点，即假定某一条告警是源告警后
，将根据推理和诊断方法找出由这条告警产生的所有附带告警，也就是说要寻找该
节点的所有后继节点，然后系统将把这些节点从搜索图中删除。这样就大幅度缩小
了搜索空间，提高了搜索效率。
　　可见，这种启发式搜索的有效性直接体现在对待扩展节点的排序和逐步缩小搜
索空间上。因此，准确地判断出一个待扩展节点的所有后继节点将对搜索结果产生
决定性的作用，这也是下一节所要解决的问题。
3.3　推理方法
　　由于系统所用规则库的结构并不复杂，采用正向推理方法即可。正向推理是指
从规则的IF部分向THEN部分推理的过程，其基本思想是从已知的信息出发，选用合
适的知识，逐步求解待解的问题。正向推理系统一般包括三个部分：一个反映问题
域当前状态的“事实库”，一个存放规则的“规则库”和一个进行推理的“推理机
”。推理过程如下：
　　(1) 根据事实库的当前状态在规则库中查找适用的规则。
　　(2) 执行选出的规则，规则作用于事实库，使之发生变化，推理机再根据事实
库的新的状态选择一条规则作用于事实库，形成一个“识别—动作”循环，直至事
实库的状态满足了结束条件或无可用规则为止。
　　在FDES中，事实库存放的实际上是网络中的告警信息，推理机按照上文所述的
启发式搜索策略对这些告警信息进行排序并从中选择一条告警信息进行处理，然后
根据所选告警信息的告警代码在规则库中找出相匹配的规则，执行规则的过程就是
找出由该告警附带产生的所有告警，并将它们从事实库的待处理信息队列中删除。
随后推理机继续从事实库中读取下一条待处理信息，并重复以上过程。如此直至事
实库中的全部告警信息都处理完毕为止。
3.4　FDES的功能及结构
　　FDES采用面向对象的方法设计，用Delphi4.0实现，主要用于以SDXC设备为节
点的具有网孔形拓扑结构的SDH网络，它能实现以下功能：
　　1）接收来自各节点的告警信息，并对告警信息进行分析，找出告警源。在对
故障定位时应能深入到通道层，定位高阶通道和低阶通道的故障。
　　2）以文字的形式给出故障描述（包括故障地点，可能的故障原因等）。
　　3）具有合理而有效的规则库，并能很方便地添加、删除和修改规则。
　　4）具有高效率的推理控制策略，能满足实时性的要求。
　　5）系统具有通用性，能适用于不同的网络配置情况。
　　6）系统具有良好的集成性，能方便地嵌入到现有的网管系统中。
　　系统的总体结构如图1所示。从图中可看出，FDES主要由四个部分组成：知识
库，事实库，知识库管理和推理机。

图1　FDES的总体结构

　　其中事实库用以保存SDH设备上报的告警信息，知识库用以保存推理过程中用
到的规则。知识库管理模块提供了友好的人机界面，可对知识库中的规则进行浏览
、编辑，也可方便地添加和删除规则，有力地保证了知识库易于维护、便于扩充的
特点。专家在通过分析告警信息进行故障诊断时，往往要依据设备的结构、网络的
配置情况、告警属性的设置、网元告警上报功能的设置、网元之间告警的关联性分
析等多方面的信息进行综合判断。在经过多次判断之后，从中总结出一定的规律，
这种规律就是专家的经验。专家系统的设计人员把这些经验用恰当的方式表示成计
算机能够识别的符号，然后通过知识库管理模块构造成规则并写入知识库中，专家
系统就可以用它们来进行故障诊断。
　　推理机是专家系统的重要组成部分之一。其作用是根据事实库中的告警信息，
在知识库中选择适用的规则进行推理诊断，从事实库中的众多告警信息中找出告警
源，并将诊断结论提交给用户。
3.5　系统仿真
　　为了对FDES进行验证，可通过FDES的系统仿真程序来进行。该仿真程序能模拟
网络的业务配置情况，设定源告警并模拟告警在网络中的传播情况，并由此构造事
实库，供FDES进行故障诊断。
　　仿真结果表明FDES能够分析和处理网络中大量的告警信息并从中识别出源告警
，它还具备处理多个并发故障的能力，同时诊断时间也能满足实时性的要求。

4　结论
　　网络故障诊断是电信网络运营者和通信设备生产厂家共同面临的一个重要问题
，它对于实现网络恢复，保证通信业务的畅通有着极为重大的意义。本文所述的
SDH网络故障诊断专家系统FDES正是针对这一课题所作的初步研究，相对于传统的
应用程序而言，FDES具有以下优势：首先，它具有更灵活的知识表示方式。FDES把
根据专家的经验整理出来的规则存放于知识库中，知识库独立于推理程序，可以很
方便地对知识库中的规则进行编辑、添加和删除操作。这就使得专家的经验可以在
反复修改的过程中表达出来，在系统的运行中不断对它进行完善。其次，FDES能利
用启发性知识，提高了问题求解的有效性。在FDES的设计中，采用了启发式搜索策
略，即利用问题领域的启发性知识，引导搜索过程朝着有利于尽快求得解答的方向
进行。这就有力地保证了FDES在进行故障诊断时能够满足实时性的要求。第三，
FDES具有更好的透明性。由于在FDES中，问题求解的知识是独立于程序的，因此它
能够更方便地解释其推理过程，增加用户对专家系统的信赖程度。这同时也有利于
知识的检查和更新，有利于专家经验的推广。
　　综上所述，在以SDXC设备为节点，拓扑结构为网孔形的SDH网络中，由于故障
诊断本身的复杂性和它的实时性要求，使得采用传统的应用程序很难满足要求。只
有引入人工智能技术，采用专家系统的方法来解决才能够实现对网络故障的快速定
位，提高网络管理的自动化和智能化水平。因此，可以预见，专家系统在电信网络
故障管理领域必将得到越来越广泛的应用。

作者单位：（大唐电信光通信分公司）

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Nothing in the life is to be feared
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