智能故障管理技術(shù)研究

張明　尹廣彬　周輝

針對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和多樣化業(yè)務(wù)對故障管理提出的高要求，首先總結(jié)了運(yùn)維發(fā)展歷程，從人工運(yùn)維、半自動(dòng)化運(yùn)維、自動(dòng)化運(yùn)維和智能化運(yùn)維（Artificial Intelligence for IT Operations）幾個(gè)階段，闡述了智能運(yùn)維的核心和關(guān)鍵點(diǎn)，對比了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織的運(yùn)維發(fā)展特色和貢獻(xiàn);在此基礎(chǔ)上梳理分析了網(wǎng)絡(luò)故障方面的標(biāo)準(zhǔn)化組織對故障管理研究的特色和貢獻(xiàn)，最后，進(jìn)行了故障數(shù)據(jù)采集提取方式分類，故障定義分類研究。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大、復(fù)雜性增高、業(yè)務(wù)多樣化，對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的要求越來越高，而故障管理是運(yùn)維管理中非常重要的功能之一，如何在故障發(fā)生時(shí)，快速準(zhǔn)確定位迅速解決故障恢復(fù)正常一直是運(yùn)維管理追求的目標(biāo)，同時(shí)大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，對運(yùn)維管理的智能性也提出了更高的要求，尤其對告警管理提出了前瞻性預(yù)測的需求，因此研究故障診斷技術(shù)是一項(xiàng)非常有意義的工作。

智能運(yùn)維發(fā)展歷程

人工運(yùn)維、半自動(dòng)化運(yùn)維、自動(dòng)化運(yùn)維和智能化運(yùn)維是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維經(jīng)歷的發(fā)展過程和階段，其中，智能化運(yùn)維最早由Gartner定義為采用AI和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法，通過人工智能算法解決已知的和潛在的運(yùn)維問題。

智能運(yùn)維與傳統(tǒng)運(yùn)維最大的區(qū)別在于，構(gòu)建以機(jī)器學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)的智能化運(yùn)維管控平臺(tái)，將數(shù)據(jù)、算法和模型應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維任務(wù)和流程中，進(jìn)行自主分析和決策，實(shí)現(xiàn)從“基于專家經(jīng)驗(yàn)”到“基于機(jī)器學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變，在動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜場景條件下，基于智能化運(yùn)維平臺(tái)自適應(yīng)觸發(fā)高效準(zhǔn)確的決策判斷。尤其體現(xiàn)在海量告警數(shù)據(jù)聚合、動(dòng)態(tài)異常流量監(jiān)測、故障預(yù)警、故障預(yù)測等基于海量運(yùn)維數(shù)據(jù)做出分析判斷等應(yīng)用場景下的自主決策和分析。

故障管理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了降低運(yùn)維成本，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠度和健壯性，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織和科研機(jī)構(gòu)均針對網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)維開展了系列標(biāo)準(zhǔn)化和研究工作，具體分析如下：

國內(nèi)外在網(wǎng)絡(luò)故障運(yùn)維方面的標(biāo)準(zhǔn)化組織包括中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）、ITU-T和3GPP等。其中CCSA的網(wǎng)絡(luò)管理與運(yùn)營支撐技術(shù)工作委員會(huì)（TC7）的研究領(lǐng)域包括：運(yùn)維管理、電信運(yùn)營OSS/BSS相關(guān)領(lǐng)域的研究及標(biāo)準(zhǔn)制定。負(fù)責(zé)ITU-T SG4研究領(lǐng)域的研究工作。CCSA TC7面向無線接入網(wǎng)（2G，3G，4G）、SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)、SDH/OTN/PTN等不同的網(wǎng)絡(luò)均提出了對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和管理技術(shù)要求，形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿。面向網(wǎng)絡(luò)的智能運(yùn)維，CCSA于2018年立項(xiàng)了通信網(wǎng)智能維護(hù)技術(shù)要求“基本原則”和“通信網(wǎng)敏捷運(yùn)營管理框架”等三項(xiàng)行標(biāo)，并在此前開展的第1、2部分研究基礎(chǔ)上，討論通過了“通信網(wǎng)智能維護(hù)技術(shù)要求第3部分：智能運(yùn)維支撐系統(tǒng)”和“通信網(wǎng)智能維護(hù)技術(shù)要求第4部分：智能運(yùn)維信息模型”兩項(xiàng)行標(biāo)立項(xiàng)建議，并在2020年1月獲批。

著名組織針對故障管理研究

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理主要依靠人工參與，管控流程過度依賴人工判斷，缺乏自動(dòng)化操作，智能化程度低，管理規(guī)則大部分基于主觀形成，缺乏科學(xué)性和客觀性，嚴(yán)重影響運(yùn)維自動(dòng)化智能化和管控效率。隨著融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能可穿戴技術(shù)的實(shí)用化，以及人機(jī)交互能力的友好性不斷提升，基于智能可穿戴技術(shù)的運(yùn)維已經(jīng)應(yīng)用于大型裝備領(lǐng)域，并在通信網(wǎng)絡(luò)智能管理方面進(jìn)行了典型應(yīng)用。在上述應(yīng)用的基礎(chǔ)上，與ITU-T同步進(jìn)行的“通信網(wǎng)智能維護(hù)技術(shù)要求”相關(guān)研究，提出了涵蓋功能、性能、接口、信息模型、網(wǎng)絡(luò)功能編排等具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而為業(yè)界應(yīng)用提供相關(guān)指導(dǎo)和規(guī)范作用。

國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T），它是國際電信聯(lián)盟管理下的分支機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)制定電信標(biāo)準(zhǔn)。其中工作組SG2和SG12和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維相關(guān)。SG2，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)提供和電信管理的運(yùn)營問題，SG12負(fù)責(zé)性能、QoS和QoE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化。在這些標(biāo)準(zhǔn)化工作組的帶領(lǐng)下，ITU-T的M系列標(biāo)準(zhǔn)描述了通信管理、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)需求，包括電信管理網(wǎng)TMN，增強(qiáng)運(yùn)營圖（eTOM）等。為引入網(wǎng)絡(luò)智能，2019年12月ITU-T會(huì)議上針對5G網(wǎng)絡(luò)人工智能的應(yīng)用提出了對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化建議。ITU-T的E系列標(biāo)準(zhǔn)則引入了整體的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的概念，并在近期提出了智能網(wǎng)絡(luò)分析和診斷的指南標(biāo)準(zhǔn)草稿ITU-TE.475

3GPP成立于1998年12月，多個(gè)電信標(biāo)準(zhǔn)組織伙伴共同簽署了《第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議》。3GPP最初的工作范圍是為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)制定全球適用的技術(shù)規(guī)范和技術(shù)報(bào)告。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)基于的是發(fā)展的GSM核心網(wǎng)絡(luò)和它們所支持的無線接入技術(shù)，主要是UMTS。隨后3GPP的工作范圍得到了改進(jìn)，增加了對UTRA長期演進(jìn)系統(tǒng)的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定。目前有歐洲的ETSI、美國的ATIS、日本的TTC、ARIB、韓國的TTA、印度的TSDSI以及我國的CCSA作為3GPP的7個(gè)組織伙伴（OP）。目前獨(dú)立成員超過550多個(gè)，此外，3GPP還有TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（TDIA）、TD-SCDMA論壇、CDMA發(fā)展組織（CDG）等13個(gè)市場伙伴（MRP）。

SA WG5主要規(guī)范網(wǎng)絡(luò)（RAN，CN，IMS）及其服務(wù)的配置和管理，體系結(jié)構(gòu)和解決方案。工作組將根據(jù)相關(guān)工作組制定的相關(guān)收費(fèi)要求及解決方案，指定網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)計(jì)費(fèi)的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議。

工作組將確保其工作也適用于融合網(wǎng)絡(luò)的管理和計(jì)費(fèi)，并可能適用于固定網(wǎng)絡(luò)。該工作組將與其他3GPP工作組和所有相關(guān)的SDO進(jìn)行協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)提供，收費(fèi)和管理有關(guān)的規(guī)范工作。

3GPP的規(guī)范中，編號為32系列的是網(wǎng)絡(luò)管理與運(yùn)營相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。為了降低人工運(yùn)維的成本，提出了自組織網(wǎng)絡(luò)的系列規(guī)劃，支持3G，4G以及未來5G網(wǎng)絡(luò)自配置、自優(yōu)化、自修復(fù)等功能，是網(wǎng)絡(luò)智能化運(yùn)維的基礎(chǔ)系列標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上分析可知，智能化的配置、性能、故障等管理已經(jīng)得到了國內(nèi)外各大標(biāo)準(zhǔn)化組織的關(guān)注，并已列入相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。然而目前的標(biāo)準(zhǔn)僅僅是指導(dǎo)性文件，對網(wǎng)絡(luò)智能方法的具體部署和實(shí)現(xiàn)方法，以及在專用網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性，還需要進(jìn)一步的分析。

故障數(shù)據(jù)來源及分類

通過梳理國內(nèi)外重要標(biāo)準(zhǔn)化組織在運(yùn)維管理和故障管理中的重大貢獻(xiàn)，總結(jié)出故障數(shù)據(jù)的提取和分類是故障管理中最重要和基礎(chǔ)的研究內(nèi)容。

告警數(shù)據(jù)的采集可以通過多種方式和渠道。可以通過SNMP協(xié)議中的TRAP主動(dòng)上報(bào)獲取，也可以通過定時(shí)輪詢重要參數(shù)，并設(shè)定閾值對比進(jìn)行越限告警;還可以通過操作日志獲取，通過SYSLOG接口作為網(wǎng)管系統(tǒng)接收設(shè)備系統(tǒng)日志的接口，用于網(wǎng)元日志管理功能。大規(guī)模準(zhǔn)確的告警數(shù)據(jù)的獲取是進(jìn)行精準(zhǔn)告警的重要前提和基礎(chǔ)，設(shè)備使用日志、設(shè)備錯(cuò)誤日志以及用戶活動(dòng)日志均是告警數(shù)據(jù)的來源，大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)是進(jìn)行可靠神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的前提和基礎(chǔ)，建模數(shù)據(jù)要求準(zhǔn)確、完整和海量。

通過告警管理可以監(jiān)控、管理系統(tǒng)自身或管理對象上報(bào)的告警、異常或事件，提供了豐富的監(jiān)控和處理規(guī)則，以滿足各種監(jiān)控和處理場景需要，幫助高效監(jiān)控、快速定位和處理網(wǎng)絡(luò)故障。

告警上報(bào)、告警訂閱、活躍告警同步、告警確認(rèn)、告警清除、告警查詢、告警過濾、告警統(tǒng)計(jì)、活躍告警、歷史告警、告警同步、靜態(tài)告警信息查詢、告警經(jīng)驗(yàn)庫、性能越限事件告警。告警處理能力和網(wǎng)絡(luò)中的告警數(shù)量、服務(wù)器的處理性能、內(nèi)存大小等有關(guān)系，在發(fā)生告警風(fēng)暴時(shí)，告警處理能力很容易達(dá)到極限。

常見的告警類型或方式為：

①通信告警：被管網(wǎng)元內(nèi)部、網(wǎng)元之間、網(wǎng)元與管理系統(tǒng)之間、管理系統(tǒng)之間的通信失敗，如設(shè)備通信中斷告警;

②業(yè)務(wù)質(zhì)量告警：業(yè)務(wù)質(zhì)量退化問題而引起的告警，如設(shè)備擁塞告警;

③處理錯(cuò)誤告警：軟件或處理過程錯(cuò)誤而引起的告警;版本不匹配告警;

④設(shè)備告警：物理資源故障而引起的告警，如單板故障告警;

⑤環(huán)境告警：設(shè)備所在地相關(guān)的問題而引起的告警，如設(shè)備機(jī)房有煙霧而產(chǎn)生的煙霧告警;

⑥完整性告警：請求的操作不能正常提供，如篡改用戶信息;

⑦操作告警：所需服務(wù)因不可用、故障或錯(cuò)誤調(diào)用等問題無法正常運(yùn)行，如服務(wù)拒絕、服務(wù)退出、程序性錯(cuò)誤等;

⑧物理資源告警：物理資源受到破壞;

⑨安全告警：安全服務(wù)或機(jī)制檢測到有關(guān)安全方面的問題發(fā)生;

⑩時(shí)間域告警：某事在不應(yīng)該發(fā)生的時(shí)間內(nèi)發(fā)生;

⑾屬性值改變：管理對象的屬性值發(fā)生改變。

上述所列告警類型是故障管理的精細(xì)化分類，均可作為網(wǎng)絡(luò)故障劃分的依據(jù)和參考。

故障管理是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理五大功能之一，是網(wǎng)絡(luò)健康度評估的重要因素，是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的晴雨表，最初網(wǎng)絡(luò)故障都是人工手動(dòng)發(fā)現(xiàn)、手動(dòng)排除的，通常都會(huì)影響在網(wǎng)運(yùn)行業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，是以業(yè)務(wù)中斷為代價(jià)的;隨著大數(shù)據(jù)人工智能新技術(shù)的產(chǎn)生和迅猛發(fā)展，故障管理逐漸向主動(dòng)上報(bào)、自動(dòng)診斷、故障預(yù)測等智能性和前瞻性方向演進(jìn)。