（机械设计及理论专业论文）数据网格技术在故障诊断中的应用研究.pdf

一l ad i s s e r t a t i o ni nc o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y r e s e a r c ho na p p l i c a t i o no fg r i dc o m p u t i n g t e c h n o l o g yf o rf a u l td i a g n o s i s b yz h a n gz i y e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gm i n g z a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 l 独创性! 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：茧 恧。 学位论文作者签名：彩? 莠业 日 期：7 仍秽、，0 p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i 一 rj蚤 东北大学硕士学位论文 摘要 数据网格技术在故障诊断中的应用研究 摘要 为了完善故障诊断的专家系统，将维修技术、故障诊断技术和数据网格技术结合起 来，使设备管理手段更加适合信息时代的要求。采用数据网格技术，利用互联网把分散 在不同地理位置的电脑组织成一台虚拟的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据 资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享。 介绍了故障诊断技术的应用和发展，以及网格技术的应用和发展趋势。为了解决故 障诊断应用中的问题，根据网格技术特性和应用方式，用网格节点构造出基于对象模型、 经验规则、神经网络以及实例模型的集成型诊断系统。 在网格故障诊断专家系统的设计中，采用了基于w e bs e r v i c e s 的o g s a 架构；提 出了故障诊断网格( f d 嘶d ) 的概念和基于数据网格的故障诊断资源分配体系结构 ( d g e s a ) ；在f d g 的关键技术中解决了任务管理、资源管理以及f d g 服务实现的问 题，并提出了f d g 服务实现的工作流程，构造了以专家系统为支撑的故障诊断网络框 架结构。 阐述了网格计算环境g l o b u s t o o l k i t s 4 0 的实现步骤。在此基础上，开发了一个基于 网格服务的故障诊断专家系统网的模型系统，实现了诊断资源、数据资源和网络资源的 共享，演示了o g s a 体系结构在资源整合方面的可行性和优越性，从而解决了“信息孤 岛”问题，实现专家系统资源的透明整合。 关键字：数据网格技术；故障诊断；开放网格体系结构；网格服务；专家系统 ， 一 厶 r - 刍 、 r i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f t h eg r i dc o m p u t i n g c h n o l o g yf o rf a u l td i a g n o s i s a bs t r a c t t h ea i mo ft h ec o m b i n a t i o no fm a i n t e n a n c et e c h n o l o g y ，f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n d d a t ag r i dw a st op e r f e c tf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e ma n dm a d ee q u i p m e n tm a n a g e m e n tt o o l s m o r es u i t a b l e f o r t h er e q u i r e m e n t so ft h et i m e s t h i sp a p e ra d o p t i n gg r i dc o m p u t i n g t e c h n o l o g ya n do r g a n i z i n gg e o g r a p h i c a l l yd i s p e r s e dc o m p u t e r si n t oav i r t u a ls u p e r c o m p u t e r i ni n t e r n e t ，s ot h a ti m p l e m e n tac o m p r e h e n s i v er e s o u r c es h a r i n go fc o m p u t i n gr e s o u r c e s ， s t o r a g er e s o u r c e s ，d a t ar e s o u r c e s ，i n f o r m a t i o nr e s o u r c e s ，s o f t w a r er e s o u r c e s ，c o m m u n i c a t i o n s r e s o u r c e s ，k n o w l e d g er e s o u r c e sa n de x p e r t s i nd e s i g n i n gp r o c e s so ft h e 鲥df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，u s e do g s af r a m e w o r k b a s e do nt h ew e bs e r v i c e s ；p r e s e n t e dan e w c o n c e p to ff a u l td i a g n o s i sg r i d ，f d g ，a n dd a t a g r i de x p e r t - s y s t e m - b a s e da r c h i t e c t u r e ，d g e s a f o rt h ek e yt e c h n o l o g yo ff d g ，r e s o l v e d p r o b l e m so ft h et a s km a n a g e m e n t ，r e s o u r c em a n a g e m e n ta n di m p l e m e n to fs e r v i c e t h e n p r e s e n t e dt h ew o r k f l o wo ff d g s e r v e ra n ds t r u c t u r e dt h ef a u l td i a g n o s i sn e t w o r kf r a m e w o r k 、i t l lt h es u p p o r to fe x p e r ts y s t e m t h i sp a p e re x p l o r e dt h ea c h i e v e m e n to fd a t ag r i dp l a t f o r m b a s e do nt h ep l a t f o r m ， d e v e l o p e dam o d e lo ff a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mn e t w o r kb a s e do ng r i ds e r v i c e ，r e a l i z e d s h a r i n go nd i a g n o s t i cr e s o u r c e ，d a t ar e s o u r c ea n di n t e r n e tr e s o u r c e ，d e m o n s t r a t e df e a s i b i l i t y a n ds u p e r i o r i t yo nt h ea s p e c to fr e s o u r c ei n t e g r a t i o n ，s ot h a ts o l v e dt h ep r o b l e mo f i n f o r m a t i o ni s l a n d s ，i m p l e m e n t e dt r a n s p a r e n c yi n t e g r a t i o no fa l le x p e r ts y s t e mr e s o u r c e s k e yw o r d s ：鲥dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y ；f a u l td i a g n o s i s ；o g s a ；g r i ds e r v i c e ；e x p e r ts y s t e m i i i - # 屯 _ - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 故障诊断专家系统研究的发展趋势1 1 1 1 故障诊断技术的应用和发展1 1 1 2 单一模型故障诊断专家系统的研究现状和存在问题2 1 1 3 新型故障诊断系统的特点和发展趋势3 1 2 网格技术的应用和发展趋势5 1 2 1 网格技术研究的意义6 1 2 2 网格技术的发展前景6 1 3 本文研究的目的和重点内容8 第2 章故障诊断网格系统的构建l o 2 1f d g 中的网格体系结构。1 0 2 1 1 开放网格服务结构1 l 2 1 2 以服务为中心的模型1 l 2 1 3 基于w e bs e r v i c e s 的o g s a 架构。1 4 2 1 4 基于o g s a 架构的网格服务层1 6 2 1 5 故障诊断专家系统的网格资源分配的体系结构1 6 2 2 实现f d g 的主要技术1 7 2 2 1 任务管理1 7 2 2 2 资源管理18 2 2 3f d g 服务的实现2 1 2 2 4 网格计算和网格中间件2 2 2 4f d g 中g t 4 环境的构建2 3 2 4 1g l o b u st o o l k i t 的基本功能和结构。2 3 2 4 2 基于g l o b u st o o l k i t 的网格中问件2 5 2 4 3g t 4 的核心模块2 6 2 4 4g t 4 服务的编程模式2 7 2 5 网格应用的主要问题2 8 2 5 1 网格的四大对象2 8 2 5 2 网格应用的特点和开发模式2 9 2 6 基于网格技术的故障诊断专家系统3 l 2 6 1 故障诊断网格系统的基本结构3 l 2 6 2w e b 服务技术在网格应用中的框架3 3 i v 目录 第5 章结论与展望6 4 5 1 结论6 4 5 2 展望6 4 参考文献6 5 论文成果6 8 致 射6 9 v r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 故障诊断专家系统研究的发展趋势 1 1 1 故障诊断技术的应用和发展 故障诊断技术是随着计算机技术、现代信息技术的迅速发展而不断进步的一门新兴 交叉学科。以故障为研究对象是新一代系统可靠性理论研究的重要特色，也是过程系统 自动化技术从实验室走向工程的重要一环。 经过多年的发展与完善，机械故障诊断已经形成了比较完备的理论和技术体系。对 设备故障监测、维护提供了迅速而快捷的处理方法，产生了巨大的综合效益。故障诊断 的作用和意义主要可以归结为以下几个方面【l 】： ( 1 ) 及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，以便及时采取相应的措施，避 免或减少重大事故的发生，减小损失； ( 2 ) 对于已经发生的故障进行分析，积累知识和经验，减少或者避免同类事故再次 发生： ( 3 ) 通过对设备状态故障原因的分析，采取合适的措施，对设备进行维护，随时掌 握设备运行情况，为生产和维修决策提供科学依据，提高设备管理现代化水平； ( 4 ) 通过监测得到大量机器状态数据，可以更充分地了解机器性能，为改进设备设 计、制造水平及产品质量提供有力的依据。 目前，我国在机械故障诊断方面的研究不断深入，许多高校和科研机构对大型回转 设备状态监测与故障诊断进行专门的实验研究，积累了很多成果，在许多化工、石化企 业里得到应用并且效果显著。但是由于机器设备本身的复杂性，故障诊断对于人的因素 依赖程度仍然较大。当前，专家系统正成为故障诊断的有力工具之一，为了提高故障诊 断的准确性和实用性，本文按照专家系统处理问题的思路，对构建故障诊断专家系统的 具体内容与及实现方法进行探讨、整理和创新，使故障诊断这项工作更具有可操作性和 灵活性，并对相关研究提供一些借鉴和参考。 故障诊断专家系统是将人类在故障诊断方面的多位专家具有的知识、经验、推理、 技能综合后编制成的大型计算机程序，它可以利用计算机系统帮助人们分析解决只能用 语言描述、思维推理的复杂问题，扩展计算机系统原有的工作范围，使计算机系统有了 思维能力，能够与决策者进行“对话”，并应用推理方式提供决策建议。 1 图1 1 专家系统在故障诊断中的作用 f i g1 1s t a t u so fe x p e r ts y s t e mi nf a u l td i a g n o s e 1 1 2 单一模型故障诊断专家系统的研究现状和存在问题 目前已研究的故障诊断专家系统模型有：基于规则的诊断专家系统、基于实例的诊 断专家系统、基于行为的诊断专家系统、基于模糊逻辑的诊断专家系统和基于人工神经 网络的诊断专家系统。这些诊断专家系统的优缺点及技术要点如下。 ( 1 ) 基于规则的诊断方法( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，简称r b ) 是根据以往专家诊 经验，将其归纳成规则，通过启发式经验知识进行故障诊断，适合于具有丰富经验 - 2 - r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 业领域故障诊断。对大型规则库来说，容易产生规则匹配冲突、组合爆炸等问题；而且 系统缺乏自学习能力，不适用于复杂系统或经验不足系统的故障诊断；通常只能诊断单 个故障，难以诊断多重故障。 ( 2 ) 基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，简称c b ) 是近年来人工智能领域兴起的 一种诊断推理技术，是类比推理的一个独立子类，符合人类的认知心理【3 。5 1 。传统的基 于实例的诊断方法难以表示实例间的联系；对于大型实例库实例检索十分费时，并且难 以决定应选择哪些症状及它们的权重。同时基于实例的诊断方法难以处理实例修订时的 一致性检验( 特征变量间的约束关系) ，难以对诊断结果加以解释。 ( 3 ) 基于模糊理论诊断( f u z z y b a s e ，简称f b ) 的实质是引入隶属函数概念1 6 j ，模糊 逻辑以其较强的结构性知识表达能力，适合处理诊断中的不确定信息和不完整信息。模 糊诊断知识获取困难，尤其是故障与征兆的模糊关系较难确定，且系统的诊断能力依赖 模糊知识库，学习能力差，容易发生漏诊或误诊。 ( 4 ) 基于行为( b e h a v i o r - b a s e d ，简称b b ) 的诊断专家系统是一种动态、模块化的 诊断系统t b j 。开发基于行为的诊断专家系统关键问题是：故障行为征兆( 语义征兆、图 形征兆) 的自动获取难度较大；新故障自动识别和分类，尤其是如何解决多故障情况下 的诊断，是该方法的根本突破点。 ( 5 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) ，基于神经网络的故障诊 断专家系统有两种形式：一种是使用神经网络来构造专家系统，另一种是把神经网络作 为知识源的表示和处理模式，并与其它推理机制相融合，实现多模式推理【9 l 。神经网络 专家系统存在固有的弱点：首先，系统性能受到所选择的训练样本集的限制，很难指望 它具有较好的归纳推理能力；其次，神经网络没有能力解释自己的推理过程和推理依据 及其存储知识的意义；再次，神经网络利用知识和表达知识的方式单一；最后，神经网 络只能模拟人类感觉层次上的智能活动。 1 1 3 新型故障诊断系统的特点和发展趋势 ( 1 ) 从单一模型的诊断系统到多模型诊断系统 基于对象模型、基于经验规则、基于神经网模型、基于案例的诊断方法各有其优势 和特点，但它们各自也存在着局限性。对于实际对象的故障诊断，如用单一的知识表示 方法，有时难以完整表示对象的故障诊断领域知识。因此，集成多种知识表示方法则能 更好地表示对象的故障诊断领域知识。集成基于对象模型、基于经验规则、基于神经网 模型、基于案例的集成型诊断方法能综合各诊断方法的特点，克服各诊断方法的局限性， 从而提高了诊断系统的智能性和诊断效率。集成型的故障诊断系统还能有效地处理真值 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 维护、结论解释、机器学习i m 】。 ( 2 ) 从单机模型到分布式网络诊断系统 现有的设备诊断系统大部分都是面向单台、单机或单类设备的，可扩充性、灵活性、 通用性较差，各诊断系统之间相互独立，即使是不同开发单位研制的针对同类设备的异 构诊断系统之间也不能进行有效的信息交流和共享，造成了巨大的资源浪引】。现在很 多大型成套设备或机构由远程分布的不同类子系统组成，相应其诊断系统中的系统级诊 断系统和各子诊断系统也要进行诊断信息的传输交流。同时，由于故障源的不确定性和 时发性，导致异地诊断和远程诊断的需求不断增加。随着网络的普及，通过局域网，因 特网来传输诊断信息成为一种趋势，网络架构下的集成故障诊断系统成为新的研究热 点，因此，建立远程分布式全系统智能诊断系统，可以实现异地多专家对同一设备的协 同诊断以及多台设备共享同一诊断系统，提高诊断的准确率和效率，同时也有利于诊断 案例的积累，以弥补单个诊断系统领域知识的不足，提高诊断的智能化水平，促进诊断 学的综合发展。 ( 3 ) 从单一专家系统到协同式专家系统 协同式专家系统是克服一般专家系统的局限性的一个重要途径【1 2 1 。也被称作是“群 专家系统”，由若干个相近领域或一个领域的多个方面的分专家系统组成，这些分专家 系统分别发挥其自身的特长，解决某一方面的问题，同时又相互协作。联合协作多专家 系统的特点是：每一个专家系统仅有一种问题求解方法，但却充分了解自身的局限性以 及协作专家的长处，从而知道何时和怎样传递问题。其设计思想是：相应于问题状态空 间，生成一个协作求解的主专家集，再根据每一位主专家在问题求解中的当前状况，动 态形成一个支持该主专家的辅助专家集。这种系统有时与分布式专家系统有些共性，因 为他们都可能涉及多个子专家系统。但是这种系统更强调子系统之间的协同合作，而不 着重于处理的分布和知识的分布。 ( 4 ) 基于网格的故障诊断专家系统 网格连接地理上分布的各种计算机，包括高性能计算机，工作站和p c 机，数据库 以及各种各样的其他通过网络连接的设备。通过网络，这将形成一个虚拟的高性能计算 环境，对用户来说，这个环境是透明的，并且实现高性能计算和资源共享和协同工作。 它的应用包括科学和工程计算，信息服务，数据服务，协同技术等等【1 3 - 1 5 。 为了解决上文故障诊断中提到的问题，根据网格技术特性和应用方式，把网格技术 应用于多模型或者协同式诊断系统，变成了一个最好的选择。 基于网格的故障诊断专家系统是用网格节点构造出基于对象模型、经验规则、神经 一4 一 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 网络模型以及实例的集成型诊断系统，这种系统能综合各诊断方法的特点，克服各诊断 方法的局限性，从而提高诊断系统的智能性和诊断效率。此外网格节点的集成方法也可 以实现用户之间的资源共享、互通与互用。 1 2 网格技术的应用和发展趋势 网格技术的研究开始于2 0 世纪9 0 年代，发展到今天已经逐渐成为信息技术领域影 响巨大，备受关注的一项技术，被誉为是继i n t e m e t 和w e b 之后第三个信息技术浪潮。 网格( g r i d ) 作为i n t e m e t 的第三次浪潮，在世界上引起了前所未有的关注和重视。 网格是新一代的信息基础设施，信息高速公路i n t e m e t 是信息传输的信息基础设施；而 网格计算的基础设施g r i d 是信息处理( 包括信息传输) 的信息基础设施【1 6 1 。 网格是一个集成的计算与资源环境，它能够充分利用网络闲散计算资源，将它们组 织成虚拟组织一起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。网格所关心的是如何实现对 等的资源共享和解决动态的、分布式的虚拟组织所遇到的问题。这种共享不仅仅是简单 的文件交换，更强调直接对计算机、软件、数据以及其它资源的直接访问，这种需求在 工业、科学以及工程界等许多领域都会遇到。这种共享必须是高度可控的，需要在资源 提供者和消费者之间详细的定义什么可以被共享，哪些人可以共享，在什么条件下可以 共享。网格的构造是用一种基础结构来整合各种资源，到2 0 0 2 年为止，网格应用的发 展如图1 2 所示。 网格是一种新技术，目前正处于不断发展和变化中，因而并没有精确的定义和固定 的内容，但我们可以简单地理解为，网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速 互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等整合为一台虚拟的“超级计 算机 。可见，网格的目标是将地理上分布的、系统上异构的多种计算资源通过高速网 络连接起来，协同解决大型应用问题，进行广域信息资源的分布共享，最终把整个因特 网整合成一台超级虚拟计算机。作为新一代网络计算与应用技术，网格的本质不是它的 规模，而是充分利用网络中的现有软硬件资源，支持广域环境上的计算、数据、存储、 信息和知识资源的共享、互通与互用，消除信息孤岛，以较低成本获得高性能。 网格计算技术的研究已成为当前国际计算机界的热门话题。国外网格的研究主要集 中在美国、欧洲和日本、韩国、印度等信息产业较发达的国家。目前他们的研究在基础 理论和系统开发等方面已取得很大进展。 - 5 l a nf o s t o r 提出“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性 能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通百姓提供更 多的资源、功能和交互性，让人们透明地使用计算、存储等资源。 开发和使用网格可 以节约资源，把闲置的计算资源并联起来，用来解决一些大规模的运算。而且网格是一 种分布式计算模式，这种模式可获得负载平衡，避免网络的拥堵，把数据分别存储，还 可容错容灾，就近服务。此外，网格还可以打破信息孤岛，实现信息多元一体化服务。 1 2 2 网格技术的发展前景 目前网格的发展趋势是要与应用和服务相结合，以应用和服务为驱动来推动网格的 发展。发展的趋势主要表现在以下几个方面【1 8 l ： ( 1 ) 标准化趋势 就像i n t e m e t 需要依赖t c p i p 协议一样，网格也需要依赖标准协议才能共享和互 通。目前，包括全球网格论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) 、对象管理组织o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 、寰球网联盟w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ) 以及 6 东北大学硕士学位论文 g l o b u s 项目组在内的诸多团体都试图争夺网格标准的制定权。 g l o b u s 项目组在网格协议制定上有很大发言权，因为迄今为止，g l o b u st o o l k i t 已 经成为事实上的网格标准。g l o b u s 由美国a r g o n n e 国家实验室数学与计算机分部、南加 州大学信息科学学院和芝加哥大学分布式系统实验室合作开发，并与美国国家计算科学 联盟、n a s a i p g 项目( i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ) 、美国国家先进计算基础设施同盟 n p a c i ( n a t i o n a lp a r t n e r s h i pf o r a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 等建立了伙伴关 系。一些重要的公司，包括i b m 、m i c r o s o f t 、c o m p a q 、c r a y 、s g i 、s u n 、f u j i t s u 、h i m c m 、 n e c 等公开宣布支持g l o b u st o o l k i t 。目前大多数网格项目都是基于g l o b u st o o k i t 所提 供供的协议及服务建设的，例如美国的物理网格g r i p h y n 、欧洲的数据网格d a t a g r i d 、 荷兰的集群计算机网格d a s 2 、美国能源部的科学网格和d i s c o m 网格、美国学术界 的t e r a g r i d ，等等。 ( 2 ) 技术融合趋势 在o g s a 出现之前，已经出现很多种用于分布式计算的技术和产品。例如，1 9 8 7 年，s u n 公司就推出了开放网络计算( o p e nn e t w o r kc o m p u t i n g ) ，1 9 8 9 年分别出现了 o s f 的d c e 和对象管理集团o m g 的c o r b a ，1 9 9 6 年微软推出了d c o m 。这些机制 互不兼容，严重到了同一家公司的产品都不兼容的程度，例如，从1 9 9 7 年开始，微软 开始推动基于x m l 的分布式计算( 通过建构在h t t p 之上的远程过程调用r p c 实现) ， 而这又与d c o m 的做法相冲突。其实，在o g s a 出现之前，各种以填补异构平台之间 的差异为己任的网格平台，如c o n d o r 、l e g i o n 、n i n f , g l o b u s 等，也都是各行其道、互 不兼容的。 2 0 世纪9 0 年代末，让人扼腕叹息的混乱局面终于有望结束，因为此时基于x m l 的w e b s e r v i c e s 技术开始大行其道。w e bs e r v i c e s 之所以能够迅速走红，是因为它在各 种异构平台之上构筑了一层通用的、与平台无关的信息和服务交换设施，从而屏蔽了互 联网中千差万别的差异，使信息和服务畅通无阻地在计算机之间流动。 w e bs e r v i c e s 得到了各大公司的支持，解决方案精彩纷呈，包括：i b m 的w e b s p h e r e 、 微软的n e t 、s u n 的s u n o n e 、o r a c l e 的o r a c l e 9 i 、惠普的e s p e a k 等等。 g l o b u s 项目组看到了w e bs e r v i c e s 的巨大潜力，在2 0 0 2 年迅速将g l o b u st o o l k i t 的 开发转向了w 曲s e r v i c e s 平台，试图用o g s a 在网格世界一统天下。基于o g s a 之后， 网格的一切对外功能都以网格服务( g r i ds e r v i c e ) 来体现，并借助一些现成的、与平台 无关的技术，如x m l 、s o a p 、w s d l 、u d d i 、w s f l 、w s e l 等，来实现这些服务的 描述、查找、访问和信息传输等功能。这样，一切平台及所使用技术的异构性都被屏蔽。 - 7 n e t w o r k ) 计划建立每秒千万亿次级别的计算平台，用于数据密集型计算。美国军方正 在实施的全球信息网格g i g ( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，预计在2 0 2 0 年完成。我国也奋 起直追，仅2 0 0 2 年公布的8 6 3 网格专项，就拨出了上亿元的资金用于c h i n ag r i d 相关 的研究。 1 3 本文研究的目的和重点内容 目前，数据网格技术的发展在初始阶段，很多著名的网格项目已经被试验，例如关 于n a s a ( 美国国家航空航天局) 的i p g 网格，能量过程的a s c i 网格，e u r o 网格和数 据网格等。自1 9 9 0 年代以来，中国也在网格计算方面做出了一些研究。主要目标是网 格关键技术的突破和网格标准的建立，以及网格在其他领域的应用。通过这种方法，加 强了关于网格计算和企业化方面应用的结构和研究。而且，网格计算在其他研究领域的 应用已经在试验阶段【1 9 1 。 例如i t 公司( i b m ，h p ，s u n 等) ，自动化制造( g m ，f o r d 等) ，航空工业和很多 政府已经开始研究协同设计和网格技术的网络关系。j a s n a k u l j i s 等人认为在一定范围内 某些类型的应用可以充分利用网格计算的优点。 为了解决上文故障诊断中提到的问题，根据网格技术特性和应用方式，把网格技术 应用于多模型或者协同式诊断系统，变成了一个最好的选择。 网格计算框架已经开发为一个连接和统一不同的远程资源的基础设施。它的基本特 点是资源共享和减少资源分离，我们能够建立全局网格，区域网格，企业网格，家庭网 格和个人网格，根据我们的需求，如此的网格应用有很大的扩展性。因此，通过研究网 格的相应技术，在故障诊断中，我们提出了一个网格技术的应用框架结构。 鉴于上文中故障诊断专家系统的优缺点，试图把网格技术应用于故障诊断专家系 - 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 统，解决应用中的信息孤岛、资源浪费和协同渗断等问题。例如从单机模型到分布式网 格诊断系统中，由于现有的设备诊断系统大部分都是面向单台、单机或单类设备的，可 扩充性、灵活性、通用性较差，各诊断系统之间相互独立，它们之间很难形成资源共享， 在当今资源紧缺、技术改进的条件下，这个无疑是一个很大的弊端。但是，当引入数据 网格技术后，就可以解决资源不能共享的问题，大大改善了现有系统的智能化水平。 本文提出f d g ( f a u l td i a g n o s i sg r i d ) 的概念；还分析了f d g 中的任务管理，资源 管理，服务实现和网格门户设计的关键技术；并在f d g 中阐述了g t 4 环境的搭建。此 外，设计了基于故障诊断专家系统网格资源分配体系结构( d g e s a ) ，实现一个具体的 应用思想体系结构。对于当前的客户化设计和分析，网格技术是一个很好的开发方向。 因此，通过一个基于l a n 的设计实例，本文探讨了关于f d g 的网格服务结构实现的关 键技术；并且利用g l o b u st o o l k i t 4 这一开放平台搭建一个网格环境；描述了在w i n d o w s 下如何部署网格服务：基于g l o b u s 开发一个旋转机械故障诊断专家系统网，实现存储 资源、数据资源和网络资源的共享与互操作。 9 东北大学硕士学位论文第2 章故障诊断网格系统的构建 第2 章故障诊断网格系统的构建 基于网格的故障专家系统是故障诊断技术、人工智能技术、计算机网络技术、数据 库技术等多个新兴学科、多技术领域交叉渗透的新型研究领域，涉及的关键技术主要有 故障特征提取技术、故障识别技术、网络通信技术和基于构架的数据库和数据库访问等。 本章以故障诊断专家系统为平台的网格系统作为研究对象，对上述关键技术进行了分析 和研究，提出各自的解决方案和实现途径；并且提出了故障诊断网格( f a u l td i a g n o s i s g r i d ，f d g ) 的概念【删。 f d g 是协同完成诊断任务的平台，它聚集地理上分布的多元化计算资源，存储资 源，设备资源，数据资源和人力资源，在w a n 环境中，为同一个设备的诊断任务形成 一个动态的虚拟组织。虚拟组织中的客户和资源拥有者分别执行相关的责任和任务，这 些任务在基于网格的虚拟环境中。f d g 的基本特点包括客户参加、多单位联合，在分 布的多元化环境下，执行故障诊断。不同企业的客户和资源拥有者可能被分布在不同的 位置，用不同的工具，执行基于w e b 的远距离协同诊断，反复地讨论和修改在一个虚 拟和共享网格环境中的诊断任务。并且，最终以最快的速度和最好的质量，完成设备的 故障检测和诊断结果分析。此外，在虚拟组织中，f d g 中的每一个参加者能够动态的 获得关于诊断模型每一阶段的信息；方便地共享资源，并且可以同其他参加者实时通信 交流。 2 1f d g 中的网格体系结构 网格体系结构是关于如何建造网格的技术，包括对网格基本组成部分和各部分功能 的定义及描述、网格各部分相互关系与集成方法的规定、网格有效运行机制的刻画。网 格体系结构是网格的骨架和灵魂，是网格技术中最核心的部分1 2 1 1 。 网格体系结构发展到目前为止，比较重要的有两个；一个是i a nf o s t e r 等专家在早 些时候提出的五层沙漏结构；另一个是在以i b m 为代表的工业界的影响下，i a nf o s t e r 等专家考虑到w e b 技术的发展和影响后，结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务体系 ( 0 g s a ，o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 。 一l o 东北大学硕士学位论丈 第2 章故障诊断网格系统的构建 2 1 1 开放网格服务结构 开放网格服务体系结构( o g s a ) 是g l o b a lg r i df o r u m 4 的重要标准建议，是目前 最新也最有影响力的一种网格体系结构，被称为是下一代的网格结构2 2 。2 4 】。o g s a 的特 点如下： ( 1 ) 使用标准的w e b 服务基础结构； ( 2 ) 在当前的g l o b u st o o l k i t 上构建：网格服务：服务交互的语义；瞬间实例 ( 和状态) 的管理；工厂、注册表、发现，及其它服务；可靠而安全的传输； ( 3 ) 多宿主目标：j 2 e e ，n e t ，“c ”，； ( 4 ) 面向服务的体系结构促成资源的虚拟化。 2 1 2 以服务为中心的模型 五层沙漏结构是以协议为中心的“协议结构，而o g s a 是以服务为中心的“服务 结构 【2 5 】。它由一组接口及其关联的行为组成，用来方便在异构动态环境中共享分布式 资源。这里的服务是指具有特定功能的网络化实体，包括各种计算资源、存储资源、网 络、程序、数据库等等。简而言之，一切都是服务。 网格服务其实也是一种w e b 服务，该服务提供了一组接口，这些接口的定义遵守 特定的惯例，解决服务发现、动态服务创建、生命周期管理、通知等问题。网格服务可 以以不同的方式聚集起来满足虚拟组织的需要，简单说就是：网格服务= 接e l 行为十服 务数据。表2 1 列出了网格服务的接口下面分别介绍这些接口以及相应的机制【2 7 1 。 表2 1 网格服务接口 t a b l e2 1g r i ds e r v i c ei n t e f f a e e ( 1 ) g r i ds e r v i c e ：这是一个必须实现的接e l 。主要包括生命周期管理和服务数据管 ( n o t i f i c a t i o n s i n k ) 这些通知定义了通用的抽象概念和服务接口，以便由更简单的服务 组合而成的高级服务能够以标准的方式处理这些通知( 例如出错通知) 。为了能够持续 获得通知，n o t i f i c a t i o n s o u r c e 接口需要周期性的接受k e e p a l i v e 信息，以便一个通知请 求可以持续下去。 ( 3 ) h a n d l e m a p ：当工厂创建网格服务的一个新实例时，工厂会返回新实例化的服务 标识。这个标识由两部分组成： 一个网格服务句柄( g r i ds e r v i c eh a n d l e ，g s h ) g s h 是一个全局唯一的名字，为了与网格服务实例区分开来，它没有携带与特定协 议或实例相关的信息，以保证无限期地引用该网格服务； 一个网格服务引用( g r i ds e r v i c er e f e r e n c e ，g s r ) g s r 携带了特定的实例信息，并且可以在该网格服务的生命周期内发生改变，它有 个存活期限。h a n d l e m a p 接口则提供了一种在给定g s h 的情况下获得g s r 的途径。 ( 4 ) r e g i s t r y ：一个支持服务发现的g r i d 服务称为一个注册点( r e g i s t r y ) 。一个注 1 2 - 东北大学硕士学位论文第2 章故障诊断网格系统的构建 册服务由两部分进行定义：r e i g s t r y 接口，提供相关操作以便在注册服务上注册 g s h ；用于封装有关注册的g s h 的信息的相关服务数据元素。 因此，r e g i s t r y 接口用于注册一个g s h ，g r i d s e r v i c e 接口的f i n d s e r v i c e d a t a 操作 的一个应用是根据网格服务的g s h 进行查询。r e g i s t r y 接口允许在一个注册服务上注 册一个g s h ，并将其加入到属于同一子集的g s h 集合内。一个服务( 或虚拟组织成员) 可以使用该操作把它的存在和所提供的服务通知给虚拟组织内感兴趣的团体。就像 o g s a 中其他有状态的接口一样，g s h 注册是一个软状态操作，且必须定时更新，由 此使得发现服务自然地处理动态服务的有效性。 ( 5 ) f a c t o r y ：动态地创建和管理临时服务实例的能力是o g s a 模型的基本原则，它 使得服务创建服务( s e r v i c ec r e a t i o ns e r v i c e s ) 的存在成为必要。o g s a 模型定义了任何 服务创建服务都必须提供的一个标准接口( f a c t o r y ) 和相关语义。 f a c t o r y 接口的c r e a t es e r v i c e 操作可以根据请求创建新的网格服务，并且返回新创 建服务实例的g s h 和g s r 。f a c t o r y 接口的实现细节对服务请求者完全透明，一种常见 的方案是在具体的运行环境( 如j 2 e e 或n e t ) 中实现f a c t o r y 接口，根据运行环境提 供的标准机制来创建并管理服务实例。更进一步，人们可以构建“高级 工厂，通过将 请求委派给其他工厂服务来创建服务。 工厂可以创建有限功能的临时实例，比如执行某次用户调度任务的程序，或者生存 时间更长的服务。并不是所有网格服务都是动态创建的，其中有些可能是作为网格中物 理资源的实例被创建的，比如处理器、存储器或者网络设备。如图2 1 所示，o g s a 定 义了g r i ds e r v i c e 的概念，使得它可以支持临时服务实例，并且能够动态创建和删除。 服务数据的访问 6 ri ds e r v i c 。 其它接口