在線分析儀器故障診斷專家系統通信協議解析

高喜奎，白 焰，蔣敏敏，琚 贇

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 102206）

在線分析儀器是在工業生產流程中可以采取連續或周期性的方式來檢測待測的物質化學成分或某些物質特性的具有高度自動化結構的分析儀表[1]。在現代工業領域中，隨著在線分析儀器的需求量的日益增加、儀表設備日益復雜化與大型化，Internet技術和人工智能技術（特別是專家系統）在故障診斷中的應用引起了人們的高度重視，實現在線分析儀器的遠程監測和故障診斷已成為工業領域的迫切需求[2]。然而，在線分析儀表一般采用內部通信協議，為了實現故障診斷專家系統自主研制、開發與集成，實現這些儀表的通信協議解析是十分必要的。

1 故障診斷專家系統結構與功能

基于無線傳感器網絡的在線分析儀器故障診斷系統的數據流向結構如圖1所示。這個系統可以分為3個子模塊，分別為現場儀器儀表到數據庫的協議解析、數據庫與知識庫的檢索以及圖形用戶界面 GUI（graphical user interface）的實現。 該系統所實現的功能如下：該系統能夠從現場的儀器儀表上接收數據，并連續監測這些輸入，當出現需要嚴加注意的狀況時，系統對這些運行狀態加以檢測，若出現故障，就對工作人員發出警告指示并能利用知識庫搜索引擎來檢索知識庫與數據庫中的內容，將搜索到的相關信息以各種方式顯示在人機界面上，以達到故障預警與故障維護的目的。而對整個系統而言，要想實現這個功能，其最基本、最重要的就是在線分析儀器的通信協議的解析。

圖1 故障診斷專家系統結構Fig.1 Structure of the fault diagnosis expert system

一般來講，置于現場的在線分析儀器是實時地往控制中心回傳檢測數據的，當儀表正常工作時，回傳的數據均表現為正常的數值，一旦系統出現故障或者檢測到的數據出現異常情況，回傳的數據中就會產生故障碼[3]。所以，主要任務：一是接收大量回傳的數據并根據儀器儀表的通信協議將數據與信息的對應關系解析出來以建立數據庫；二是要將故障碼從正常數據中解析出來用于建立知識庫。

2 在線分析儀器通信協議解析

2.1 數據獲取

ULTRAMAT 23是西門子公司的在線氣體分析儀，它是基于串口與計算機之間進行通信的。串口通信的數據幀由起始位、數據位、停止位和奇偶校驗位組成。數據獲取便是對每一幀按照指定的串口參數進行拆解，取得數據位。

為了能更快更方便地獲取U23與計算機之間的通信數據，可以采用最簡單的硬件接線。從U23的通信串口RS485接出，使用RS485/RS232轉換器，再接入到計算機的串口RS232。

由于U23的通信協議屬于不對外公開的內部協議，無法直接獲取通信數據，只能通過其配套的應用軟件Siprom GA來實現PC機與U23的串口通信。操作Siprom GA時，實際上就是計算機通過串口向U23下發指令數據，U23接收到上位機發送來的指令后作出相應應答，并向計算機發送響應數據。這樣，通過串口通訊軟件，就能截取到經過該串口的所有數據。

2.1.1 采用串口調試助手獲取數據

串口調試助手是串口調試相關工具，在互聯網上有多個版本，支持9600、19200等常用各種波特率及自定義波特率，可以自動識別串口；能夠設置校驗、數據位和停止位；能夠以ASCII碼或十六進制接收或發送任何數據或字符；能夠任意設定自動發送周期，并能將接收數據保存成文本文件；能夠發送任意大小的文本文件。

采用串口調試助手獲取通信數據步驟如下：

（1）預先在串口調試助手中選擇相應的串口號，設置好波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位等串口參數；

（2）打開 Siprom GA，連接計算機與 U23，進行一些操作，如讀診斷值、日志信息等；

（3）退出Siprom GA，打開串口調試助手，連接；

（4）將收到數據截圖保存或直接接收轉成文本文檔。

結合使用串口調試助手與Siprom GA，便能成功接收到儀表傳輸給計算機的數據。但是，由于從上位機發送指令數據到接收到儀表的響應數據，這一過程是很短暫的，可能僅需要幾毫秒甚至更少，當串口調試助手無法同時與Siprom GA使用時，基本上不可能從串口調試助手截取到上位機下發的指令數據與相應操作的應答數據。因此該方法僅適用于在線分析儀表不停地往上位機發送響應數據或儀表發送響應數據存在很大延遲的情況。很明顯，這2種情況僅存在極少數的案例。

2.1.2 采用串口監聽軟件獲取數據

串口監聽軟件是偵測RS232/422/485串行端口的專業工具軟件，能夠偵聽、攔截、記錄、分析串行通信協議；能夠實時監測應用程序操作串行端口的過程和細節；能夠及時地模擬被偵聽程序或設備的數據、控制流；能夠捕獲串口的打開、讀寫數據、關閉操作，并能同時監視指定進程的最多255個串口；無須設定串口參數，不會占用串口，只會對相關的API進行攔截。

采用串口監聽軟件獲取通信數據步驟如下：

（1）開啟 Siprom GA；

（2）打開串口監聽軟件，選擇相應進程ID即Siprom GA.exe、串口號等，啟動監聽；

（3）回到Siprom GA界面，連接計算機和U23，然后進行一系列操作，如讀診斷值、日志信息等；

（4）將串口監聽軟件監聽到的數據截圖保存或直接接收轉成文本文檔。

結合使用串口監聽軟件與Siprom GA，便可很輕松地獲取計算機與串口的通信數據。與使用串口調試助手方法相比，采用該方法的主要優點有2個：一是不需要知道串口的匹配參數，而直接監聽到串口數據；二是不占用串口，能同時與其他應用程序使用，并實時監測該程序操作串口的過程中的通信數據。

2.1.3 采用串口數據記錄儀獲取數據

串口數據記錄儀是一種串口數據存儲設備。采用高速ARM控制芯片，將串口RS232電平以文件的方式透明地記錄在存儲介質中。當使用記錄后的數據時，可以通過模塊自身的USB2.0接口上傳到電腦上。

同樣的，采用串口數據記錄儀來獲取數據無需匹配串口參數，且不占用串口。但是，無法實時地監測到串口的操作數據，對后期的分析工作造成困難。

綜合上述3種方法的優缺點，采用第2種方法來獲取串口數據。

2.2 協議解析

通過串口監聽獲取數據后，需要對接收到的大量數據進行解析。由于對協議的步驟格式一無所知，采用數據挖掘技術來解析協議。對接收到的數據進行分析步驟如圖2所示。

圖2 數據分析流程圖Fig.2 Flow chart of data analyse

數據挖掘是從大量的數據中抽取潛在的、有價值的知識（模型或規則）的過程[4]。在協議解析中，主要用到的數據挖掘技術有：

1）關聯分析算法。即利用關聯規則進行數據挖掘，尋找在同一事件中出現的不同項的相關性[11]。一般用4個參數來描述一個關聯規則的屬性：置信度、支持度、最小置信度和最小支持度。關聯規則的挖掘通常分2個步驟：一是找出所有的頻繁項集，即從事務集中找出所有支持度大于最小支持度的數據項集；二是由頻繁項集產生強關聯規則，這些規則必須滿足最小支持度和最小置信度。通過該算法可以解析出通信協議的起始和結束標志，并確定協議的大致格式結構。

2）聚類分析算法。聚類是一個把數據對象劃分成子集的過程，屬于無監督學習。這種算法通過觀察學習，計算不同數據段的屬性差別，把類似的數據段聚集在一起，然后判斷出數據包中各數據段的含義。

3）分類分析算法。數據分類是一個兩階段過程，包括學習階段和分類階段[4]。學習階段就是通過分析或從訓練集“學習”來構造分類器，但是該階段并不保證分類的準確率。因此，在分類階段，首先評估分類器的預測準確率，如果準確率是可行的，那么就可以用它對類標號未知數據元組進行分類，否則，還需重新構建分類模型。在協議解析中，通過該算法能夠分類解析出數據包中各數據段的含義。

結合使用聚類和分類算法，可以更好地對接收到的數據進行拆分、解析，得出儀表的通信協議格式。

2.3 故障碼解析

使用Siprom GA讀取診斷值和偏移值時，軟件界面上會顯示故障信息。此時，串口通信數據里面很明顯是包含故障碼的。對照解析出的協議，提取出有可能是故障碼的數據段，結合Siprom GA上的故障日志信息，再對照U23工作手冊，進行驗證修改，便可分析出故障代碼。對于故障碼的解析，其思路和方法與協議解析的思路方法大同小異，此處不再贅述。

2.4 成果分析

使用串口監視軟件可以實時獲取U23與計算機的通信數據，比如以下3條數據為執行不同操作時獲取的指令數據：

對獲取的數據進行挖掘后，可以總結歸納出U23通信協議的步驟如表1所示。該儀表的通信步驟以10H 01H開始以10H 03H結束。而最重要的信息在有效數據里，有效數據中包括源地址、目的地址、儀表狀態、指令、數據等信息。而有效數據中每一類數據所用的表示方式也不盡相同，有十六進制、ASCII碼以及其他表示方式。

表1 U23通信協議步驟Tab.1 Communication protocol steps of U23

3 故障診斷專家系統與西門子氣體分析儀的通信

本系統都是基于JAVA的運行環境開發的，所以故障診斷專家系統與西門子氣體分析儀的通信即是利用JAVA實現PC機與儀表的串口通信[5-7]。

3.1 初始配置

JAVA的串口通信API可以使用Sun公司開發的comm.jar，串口的初始配置程序片斷如下：

3.2 數據處理

考慮到故障診斷專家系統與在線分析儀表之間數據的傳輸速度匹配問題以及龐大的數據量，在本系統中采用串口讀數據的線程模型和環形緩沖器相結合的方法來進行數據處理[5-7]。

采用該方法，在有效地提高程序的數據處理速度同時大大降低程序占用的內存空間。

3.2.1 串口讀數據的線程模型

串口讀數據的線程模型實際上就是使用2個線程——接收線程和程序處理線程。如圖3所示，接收線程從串口獲取數據，并將數據打包放入環形緩沖區中，然后啟動程序處理線程從環形緩沖區中獲取并處理數據。

圖3 串口讀數據的線程模型Fig.3 Threading model while reading a serial port

3.2.2 環形緩沖區

環形緩沖區，顧名思義是一個環形的緩沖區域，用于存放從串口發送來的數據。環形緩沖區設有一個讀指針和一個寫指針。讀指針指向環形緩沖區中可讀的數據，寫指針指向環形緩沖區中可寫的緩沖區。接收線程只影響寫指針，數據處理線程只影響讀指針，通過移動讀指針和寫指針就可以實現緩沖區的數據讀取和寫入。為了防止出現緩沖區中數據讀空或數據覆蓋的現象，需要添加保護機制確保緩沖器已滿時接收進程不再試著往里寫數據，數據處理線程在緩沖器為空時也不去取數據。

4 結語

本文的主要研究內容為在線分析儀器通信協議解析。通過監視西門子氣體分析儀U23與PC機間的串口通信，截取經過串口的所有數據，通過數據挖掘技術解析出通信協議的步驟以及各個字段所代表的含義，最后總結出在線分析儀器的內部通信協議及其故障碼。并且利用解析出來的協議，用JAVA實現故障診斷專家系統與U23的通信。這一研究是十分有意義的，提出了一種新的儀器儀表協議解析方式并且成功實現了故障診斷專家系統與在線分析儀器的通信，對該系統集成不同在線分析儀器、進行遠程實時故障診斷操作具有重要意義。

[1]王森.在線分析儀器手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[2]胡素娟.FC SAN協議分析與故障診斷系統的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[3]賈磊磊.無線傳感器網絡在煤炭集團大規模遠程監測的研究[J].煤炭技術，2013，32（6）：195-196.

[4]Han Jiawei，Kamber Micheline，Pei Jian.數據挖掘概念與技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]吳金鋒，劉偉平，黃紅斌.Java串口通信數據采控系統的設計與實現[J].微計算機信息，2010，26（10）：65-66，75.

[6]馬賽，王忠，陳典.基于Java異步串行通信技術的研究[J].計算機測量與控制，2014（8）：2644-2646，2649.

[7]李剛.瘋狂Java講義[M].北京：電子工業出版社，2008.