基于神经网络的程控交换机故障诊断方法研究

摘要：程控交换机具有程序控制、软硬件模块化、大量专用芯片高度集成的特点，各部分关联密切，这样往往某处微小故障就会爆发连锁反应，导致整个设备工作瘫痪，影响正常通信质量，后果极为严重。本文通过对程控交换机组成结构及硬件故障的分析，得到了程控交换机的故障分析相关数据，并应用神经网络的方法设计了一个程控交换机故障诊断系统。经仿真测试验证该方法能迅速准确地对故障进行定位，该系统对提高程控交换设备的故障管理水平具有一定的理论指导意义。

关键词：神经网络；程控交换机；故障诊断

中图分类号：TN915.08文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)25-6184-03

Research on the Fault Diagnosis Method Based Neural Network for Program-controlled Switches

ZHOU Ming-yi1, CHENG Wen-qing 2, ZHAO Jian-li2

(1. Beijing Power Supply Company, Beijing 100000, China; 2. North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract: Program-controlled switches have much features with program control, software and hardware modules, a special chip highly integrated, each part closely related. so often somewhere small fault can lead to chain reaction, Even to the extent that the entire equipment paralysis, affect the normal communication quality, extremely produce serious consequences. This article analysis the program-controlled switches composition structure and hardware fault, obtained the relevant data of the PABX fault analysis, and used neural network method to design a program controlled switch fault diagnosis system. The simulation test shows that the method can quickly and accurately locate the faults. The system has a certain theoretical guiding significance to raise fault management level for the program-controlled exchange equipment.

Key words: Neural network; PBX; fault diagnosis

程控交换机在话路网、控制方式、程序软件以及接入业务等方面一直处于突飞猛进的发展过程中。例如，程控交换机最初只能接受普通模拟电话业务，但随着软、硬件模块化的发展，现在程控交换设备可以进行各类N-ISDN（窄带综合业务数字网）设备的接入，可以综合处理各类终端的数据、传真、图像等多媒体业务。程控交换机服务功能的不断增加使得它在现在通信中发挥着举足轻重的作用，人们对它工作的可靠性也提出了更高的要求[1-2]。目前使用的程控交换机虽然多数可以通过维护终端查看设备的告警性能，但由于设备告警系统的复杂性，必须由经验丰富的专业人员才能进行处理。本文设计了一个程控交换机故障诊断系统，将分析判断的工作交给故障诊断系统进行，只需将程控交换机的告警参数接入到系统，经过训练的神经网络可以自动分析得出故障原因，实现快速准确的故障定位功能。

1 程控交换机的基本结构

程控交换机的基本结构包括电路模块、交换网络模块、管理通信模块[3-4]。具体介绍如下：

1.1 电路模块

1.1.1 用户电路

数字交换网络交换的是数字语音信号，而用户线上传输的一般是模拟信号以及-48V直流电压和铃流等带外信号，所以用户线信号进入数字交换网络前必须进行处理（如滤波、变换等）。这项工作是由用户电路（SLC）完成的。用户电路是用户线和交换网路或其他电路（如扫描电路）之间必不可少的接口。程控交换机的用户电路具有七种功能，即馈电、过压保护、振铃、监视、单路编译码器、混合电路和测试。这七种功能通常又简称为BORSCHT功能。模拟交换机的用户电路出没有编译码器外，其余六种功能完全一样。用户电路一般用集成电路实现。

1.1.2 中继电路

中继器是中继线与交换网络以及控制系统间的接口电路，它传输的信号不仅包括语音信号还包括各种局间信号。中继器一般由保护电路、信号互换电路、用户线信号电路和隔离电路等组成。其中信号互换电路用来指定中继线工作方向（出中继或入中继）和指定信号形式。用户线信号电路则用来在出入中继期间用户电路断开时，代替用户电路向话机馈电、铃流的接通和断开、传输信号等功能。隔离电路的功能则用来分离开中继器是中继线和交换网络以及控制系统间的接口电路。

1.2 交换网络模块（SM）

程控交换机最基本的功能就是在各条用户线之间、用户线和中继线之间或中继线与中继线之间建立起语音信号临时通道。

交换模块（SM）由主控单元与接口单元组成，主控单元通过接口单元配上不同的接口电路就可以构成不同的交换模块，提供不同的业务功能。

交换模块（SM）的主控单元主要有主处理机（MPU）、模块内通信控制点（NOD）、模块通信板（MC2）、光纤接口（OPT）、模块内交换网板（NET）、数据存储板（MEM）、音信号板（SIG）和信令处理板（MFC、 LAP）等构成，各电路均按双备分方式配置。

1.3 管理通信模块（AM/CM）

管理通信模块（AM/CM）由中央处理模块（CPM）、中央交换网（CNET）、通信控制模块（CCM）、同步定时系统（STM）、业务线路接口模块（LIM）和后管理模块（BAM）几部分组成。

1.3.1 中央处理模块（CPM）

CPM包括主处理板（AMP）、中心数据板（CDP）、总线控制板（BCP）、内置服务处理板（ISP），完成系统全局数据的存储和处理，并负责对AM/CM中的单板管理。CPM到CCM有HDLC链路，再通过CCM到各模块的HDLC链路来控制各模块的工作。其中AMP板完成对中心模块的数据管理、设备管理、维护、告警、流量统计及负载控制等功能。

1.3.2 中央交换网（CNET）

CNET是一个大型交换网，包括交换网通信控制板（NCC）、总线驱动板（BDR）、总线交换网板（CNU）、边缘交换网板（SNU）。

CNET为三级结构，由中心交换网板CNU和边缘交换网板SNU组成，其中CNU板为中间级，SNU板为输入输出级。NCC完成交换网络的时隙分配、接续控制，控制本模块单板与其它模块的通信。BDR板的主要功能是进行总线驱动，增强NCC总线驱动能力，以实现网控功能。

1.3.3 通信控制模块（CCM）

CCM是模块间通信的核心，包括帧交换网板（FSN）、总线控制板（BAC）。

BAC是通信控制模块的总线管理控制板，负责完成对通信控制模块帧交换网的通道配置、总线仲裁，对通信控制模块中各单板的工作状态进行监控，完成CCM与外界的通信，同时BAC板具有帧交换的功能，参与整个通信控制模块的帧交换工作。

FSN是通信控制模块的帧交换板，用于实现多个HDLC通道的HDLC信令链路交换。它接收来自各接收通道的信息包，根据其中的目的地址发送到相应的通道，通过交换总线实现板内、板间接收单元到任意发送单元的交换。同时，FSN与其它模块单板相连，实现各模块之间的信令交换。

1.3.4 同步定时系统（STM）

STM从上级交换设备提供的时钟基准中提取恢复时钟信号，输入交换机可用时钟，并将时钟信号输出到其它各个模块。它和AMP板通过串口线直接连接，接受AMP的控制。

1.3.5 业务线路接口模块（LIM）

LIM包括各类业务接口板（OBC、E16、STU等）和高速信号接口板（QSI），主要完成业务数据与信令数据的复核和分解，提供传输线路驱动接口，使中心模块与其它网络设备相连。

QSI板是LIM的核心板，是LIM同中心模块其他设备相连的枢纽。在发送方向，它将从本模块中各业务接口板接收下来的数据进行码速变换，传送给中心交换网络CNET；同时将信令数据传送到通信控制模块CCM。在接收方向，将中心交换网送来的高速信号数据进行分发，送给本模块的业务接口板；同时也将通信控制模块CCM送来的信令数据进行分发，送给本模块各业务接口板。

1.3.6 后台管理模块（BAM）

BAM以LAN的形式将维护台、特服台、计费台、服务器等组成后台终端系统，由一台装有专用软件的计算机终端构成，通过HDLC链路与AM/CM通信。

2 人工神经网络方法

神经网络的全称是人工神经网络(artificial neural network，ANN)，是在现代神经生物学研究成果的基础上发展起来的一种模拟人脑信息处理机制的网络系统，它不但具有处理数值数据的一般计算能力，而且还具有处理知识的思维、学习和记忆能力。

2.1 BP网络

BP神经网络又称为误差反向传播（Back Propagation）神经网络，它是一种多层的前向神经网络。在人工神经网络的实际应用中，BP网络广泛应用于函数逼近、模式识别/分类、数据压缩等，80%~90%的人工神经网络模型是采用BP网络或他的变化形式，它也是前馈网络的核心部分，体现了人工神经网络最精华的部分[5]。

2.1.1 BP神经元模型

如图1所示给出了一个具有R个输入的基本的BP神经元模型结构。图中每一个输入被赋予一定的权值，与偏差求和后形成神经元传递函数的输入。

BP网络属于多层网络，其神经元常用的传递函数包括log-sigmoid型函数、logsig、tan-sigmoid函数tansig，以及线性函数pureline。在隐层中常常采用sigmoid函数进行中间结果的传递，而在最后输出层用线性传递函数进行值域扩展。

2.1.2 BP算法

BP网络的学习是有指导学习，训练过程需要提供输入向量p和期望响应t，训练过程中网络的权值和偏差根据网络误差性能进行调整，最终实现期望的功能。前向型神经网络采用均方误差作为默认的网络性能函数，网络学习的过程就是使均方误差最小化的过程。

BP算法的迭代公式可以表示为： (1)

其中xk代表当前的权值和偏差，xk+1代表迭代产生的下一次的权值和偏差，gk为前误差函数的梯度，ak代表学习速率。

3 基于神经网络的程控交换机故障诊断

程控交换机是由相互关联的一系列单板相互配合完成一定功能的通信设备，当某单板故障告警时会导致其它单板无法完成预定功能而告警，接着又会导致另一些相关单板的告警。通过理论分析相关单板的关联关系，整理出完备的设备告警关联关系数据，设计BP网络模型并对其进行训练，可实现对故障的迅速准确定位。

基于神经网络的程控交换机故障诊断的方法步骤如下：

1) 通过分析，抽取反映程控交换机的故障参数，如（x1,x2,…xn）作为网络的输入模式。

2) 对被检测对象的状态类别进行编码。

3) 进行网络设计，确定网络层数和各层神经元数。

4) 用各种状态样本组成训练样本，输入网络，对网络进行训练，确定各个单元的连接权值。

5) 用训练好的网络对待检测对象进行状态识别，即把待检对象的特征参数作为网络输入，根据网络输出确定待检对象的状态。

通过对通信管理模块和交换模块的分析，可分别得到程控交换机构成单板间的关联关系，如图2和图3所示。另外，电源板（PWX）和时钟板（STM），任意一类告警都会导致整个设备的工作异常，为最高级且独立的告警，应用神经网络时未予考虑。

BP神经网络的层数设计为两层，其中隐层有14个神经元，传递函数为logsig型函数; 输出层有9个神经元，传递函数为pureline线型函数。神经网络模型如图4所示。

从模型中可以看出，系统的输入、输出均为9维向量，输入的每一位代表9个不同的程控交换机单板，输出的9位中，1代表故障单板，0代表无故障。

由于该系统所处理的数据量不大，所以模型没有设计作为数据缓冲的输入层。训练精度设定为1e-5时，经过98次迭代就可以达到要求精度，仿真结果如图5所示。

该系统神经元数目不多，需要确定的权值、偏差数目也相对较少，所以选用对于小型神经网络收敛速度快、精度高的trainlm函数作为训练函数。通过大量的测试数据验证，诊断结果快速准确，满足系统设计的各项要求。

系统在验证测试过程中，训练精度分别设定为1e-5、1e-4、1e-3时，各需要经过98、47、12步迭代才能达到要求精度，可见随着精度的提高训练时间会加大，即迭代次数也会增加。检测结果的数据表明训练精度越高，得到的结果误差越小，系统可靠性也越高，反之，训练精度越低，得到的结果误差越大，系统可靠性也越低。

4 结束语

通过对程控交换机基本结构及其组成的分析，分别得到程控交换机通信管理模块和交换模块相关单板间硬件故障时的关联关系，并应用神经网络的方法设计了一个程控交换机故障诊断系统。经仿真测试验证该方法能迅速准确地对故障进行定位，对提高程控交换设备的故障管理水平具有一定的理论指导意义。

参考文献：

[1] 陈宜勋. 程控交换机在使用中的故障分析与处理[J]. 煤炭技术，2004,23(4):29-30.

[2] 阮琳. 对程控交换机呼叫前转业务失败故障的分析与处理[J]. 电信科学，2004,20(5):73-74.

[3] 马志强. 程控数字交换技术[M]. 西安：空军工程大学，2002.

[4] 华为技术有限公司. C&C08数字程控交换技术手册. 1999.

[5] SUN Yan-Jing, ZHANG Shun, MIAO Chang-Xing, LI Jing-meng, Improved BP Neural Network for Transformer Fault Diagnosis, School of Information and Electrical Engineering[C]. China: Journal of China University of Mining and Technology Volume 17, Issue 1, March 2007, Pages 138-142.