LED 显示系统自动化健康管理系统研究

王 涛，喻 韬

(北京跟踪与通信技术研究所，北京100094)

0 引言

近年来，LED 技术得到了快速发展和普及应用，特别是小间距LED 显示系统所表现出的图像显示清晰、色彩还原度高、显示寿命长、显示模式丰富[1]、系统控制简单等技术优势，使其成为大屏显示工程建设的首选产品，被广泛应用于各类视频监控、指挥控制及户内外广告的显示系统中。

随着网络和视频数字编码技术[2]的发展，LED显示系统体系架构已由传统单一的集中式显示架构向更为便捷灵活的分布式显示结构发展过渡，极大满足了各类场地分散、信源复杂的场景显示需要。 LED 显示系统本身所含电子部件多、部件间接口复杂以及分布式系统架构部署的特点，给整个系统的运行管理增加了难度，加之LED 显示系统部署场景大多承担重要系统的运行监视和指挥决策任务，对显示系统运行的稳定可靠要求[3]很高，因此，如何保障LED 显示系统的健康运行管理，及时发现和排除系统运行过程中出现的故障和隐患，更好服务于用户指挥决策和实时监控任务，越来越成为LED 显示系统发展的突出问题。

目前对LED 显示系统的运维管理没有统一标准，市场上还没有一款可供大多数LED 显示系统使用的通用运维管理软件，主流的LED 厂商通常会随产品销售提供相应的设备诊断[4-5]程序，但这些软件主要针对具体设备研制，是一种对设备的单体监测，如 LED 模组、视频拼接器、视频传输网络、编解码设备、智能电源等设备功能检测，其检测功能单一，分散运行，缺少对LED 不同功能部件间接口数据交换正确性的验证测试，同时对关联部件的运行流转状态缺乏综合研判手段，还不具备对LED 系统的流程化、体系化和智能化的全面健康状态检测能力。 由于缺乏对LED 显示系统进行整体检测和多部件联动故障分析能力，在进行系统整体健康诊断过程中极易出现误判漏判[6]的情况，存在较大的故障风险隐患。

为此，在某单位 LED 显示系统建设过程中，围绕系统使用需求，结合市场现状，针对LED 显示系统存在的健康运维问题进行了针对性研究，提出了建设LED 显示系统健康管理系统的设计方法和技术实现途径，并研制部署了LED 显示系统健康管理系统，取得了满意效果，为任务前的系统“体检”和任务中的健康管理提供了有力保障。

1 发展考虑

为保障LED 显示系统可靠稳定运行，提高系统自我健康诊断和故障恢复能力，需要从健康管理体系规范方面重点对LED 显示系统各环节设备系统以及设备系统间的数据接口和信息流程关系进行研究，分析每个环节设备系统的运行规律[7]以及出现异常故障时所表现出的状态数据特征，特别是各部件系统表现出的故障关联状态特征，并据此构造各设备系统间的通信接口交互模型和整个显示系统运行的流程化健康模型。 本文提出一套既能够完成对单体设备的故障检测，同时又能够按照定制的健康检测模型进行标准化流程的体系化检测实现方案，支持故障处理预案筛选、处置流程自动启动，具备健康检测模型增删和功能扩展。

LED 显示系统健康管理系统在继承现有成果基础上，融合相互独立的诊断检测系统，构建一体化软件服务框架和统一的基础运行平台，确保在统一的标准规范下对该设备系统进行健康状态数据采集和分析处理。 同时对不具备自我健康诊断能力的设备，通过分析设备正常运行和故障异常的数据状态表现特征，构造符合设备运行规律的健康模型，并通过研制开发相应的诊断软件模块，实现设备的自动化自我诊断能力[7]。 规范关键节点设备数据采集接口，通过数据处理与健康数据模型进行比对分析得出健康状态结果，通过进一步分析统计，形成对系统健康状态和故障隐患等评估报告，根据辅助决策知识库预案措施进行预警和处置，对处置进程和设备运行状态进行实时监视和应急干预。

LED 显示系统健康管理应完成设备数据采集、系统运行状态监视、故障诊断检测、应急处置等功能的一体化集成部署运行，为此，需要对健康管理软件功能模块按照统一的服务化软件框架调用要求进行服务化、插件化改造集成，实现软件模块的柔性重组和插件化复用。 该系统不仅具备可视化、可定制、可扩展的灵活配置能力，同时还具备简单、直观的图形化界面，方便对LED 显示系统异常和故障的快速定位；同时系统应具备高度的兼容性，能够兼容目前市场上各类主流的LED 显示设备系统，为不同型号类型设备系统的综合集成提供支持。

2 设计实现

2.1 体系组成

LED 显示系统健康管理系统围绕对目前主流LED 显示系统接口协议的规范统一和体系适应性开展系统设计，重点考虑行业标准化及设备兼容扩展能力，能够在统一标准的软件框架下实现数据与软件服务的有机共享与协同，同时兼顾系统安全和软件运行效率。 健康管理系统结构主要包括四个功能层，分别为设施层、平台层、服务层和应用层，如图1 所示。

图1 LED 显示系统健康管理系统体系架构

设施层为整个系统提供硬件支撑，主要包括LED屏体、拼接器、网络设备、编解码设备、智能电源。

平台层为整个系统提供软件运行和数据获取的基础平台支持，主要包括操作系统、数据库、信号传输设备接口、显示设备数据接口。

服务层为健康管理软件系统提供用于分析和管理的状态数据和操控数据，并提供用于健康预警和应急处置等辅助决策的健康模型库，以及支持不同种类视频显示输入输出设备的数据采集、 处理、分析、态势显示的通用服务插件/组件。

应用层提供面向LED 显示系统健康管理的应用管理软件，主要包括运行配置、状态数据采集、数据分析、运行态势、诊断处置等主要软件功能模块，并通过统一软件框架对所有软件模块进行集成和安全访问控制。

2.2 系统拓扑

LED 显示系统目前主流结构包括集中式和分布式两类，系统也按照两种结构进行设计部署。

2.2.1 集中式结构

通过配置具有信号输入输出端口的集成箱式视频拼接器，可实现对集中信号源的LED 显示输出，如图 2 所示。

图2 集中式LED 显示系统部署结构

2.2.2 分布式结构

通过内部高速视频交换网络连接显示信号编码输入设备和信号解码输出设备，可实现信号源的分布式部署，如图 3 所示。

图3 分布式LED 显示系统部署结构

2.3 健康管理软件系统功能

健康管理软件系统主要由一体化软件框架、运行配置、数据采集、数据访问、数据挖掘分析、诊断处置、健康运行监视等软件功能模块组成。

2.3.1 一体化软件框架

一体化软件框架提供统一的软件服务门户框架[8]，支持软件模块和软件插件的标准化服务调用和规范化扩展升级，具有统一的用户登录认证、统一的界面风格、统一的时间服务、标准化的后台数据接口和存储服务，为整个系统各类软件应用服务提供统一的入口，实现基于配置文件的软件统一调度和基于标准接口的数据访问功能， 具备即插即用、柔性扩展重组的集成服务能力。

2.3.2 运行配置模块

运行配置模块为各软件部署运行提供运行状态参数的初始化设置，以及执行标准化的设备远程操控指令，主要完成以下工作：

一是检查维护所有软件运行配置文件，显示运行配置参数状态。 根据任务运行要求，利用图形化界面对软件运行参数进行修改保存和软件重置。 软件根据运行场景预先建立多种配置模板文件，运行配置软件可根据需要选择指定模板快速生成配置文件。

2.3 API阳性喘息儿童FeNO连续监测结果 重复测量方差分析结果显示API阳性的喘息儿童FeNO水平高低与RSV感染相关（P=0.013）；采用多变量方差分析对不同时间点FeNO水平两两比较，结果显示RSV+组FeNO水平均高于RSV-组，但仅在治疗后1月这个时间点差异有统计学意义（P=0.028），见表3。

二是可以在线接收来自诊断决策软件模块的运行参数配置任务单和设备处置指令任务单，并按照任务单的指令进行软件模块的运行配置，以及对LED 显示系统相关设备进行远程操控。

2.3.3 数据采集模块

数据采集模块是开展健康诊断的首要环节，采集软件将所有采集的数据实时存入数据库，同时将数据分发给数据分析模块。 采集数据方式主要包括两类，如图4 所示。

第一类是能够给出设备运行健康状态的诊断数据，主要是来自于自带故障诊断功能的智能设备，如拼接器、LED 箱体控制器、网络交换机。这些设备运行状态数据的采集有三种方式：一是通过设备提供的网络管理端口连接，设备提供软件诊断开发接口，通过软件接口调用方式使用网络UDP 协议对设备运行状态诊断数据进行采集存储；二是利用设备内置 Web 服务，通过 HTTP 浏览方式获取设备健康诊断数据。 以上两种方式采集的数据为设备故障诊断码，通过故障编码索引表确定设备健康状态。 此外，还有一种方式是通过图像播放服务从LED 所有输入节点解析回显信号，根据是否能够成功解析信号判断图像传输质量。 第二类数据是非智能设备的运行参数数据，这些设备提供串口控制接口连接，可通过API 软件接口读取设备寄存器获取设备电压、误码统计以及固件版本等基本信息并存入数据库，为故障数据挖掘分析提供基础数据。

数据采集利用UDP 网络协议，通过轮询和中断方式对连网的LED 显示系统设备进行持续扫描监听，实时对更新变化数据进行采集存储。

2.3.4 数据访问模块

数据访问模块为各软件模块提供合规校验、数据分类、格式转换和规范化存储，同时接收来自各软件模块的数据访问请求进行访问控制授权检查，并提供数据定向分发和共享访问服务。

2.3.5 数据挖掘分析模块

数据挖掘分析基于健康数据模型对实时接收采集到的LED 显示系统状态数据进行运行健康诊断和故障定位分析。

健康数据模型按照数据采集对象设计构造，如图5 所示。 一是直接取自智能设备自带诊断的故障诊断码，通过诊断码直接给出设备健康状态。 二是通过对采集于设备控制寄存器的运行参数进行分析确定故障趋势，如设备电压低于阈值并呈现逐步下降，即可判定该节点设备为故障报警状态；设备误码率持续高于阈值或波动率持续上升，即可预警图像传输质量下降等。 三是通过历史知识库关联分析，将某种故障发生时会导致多个设备状态出现连锁反应的数据特征固化为系统综合预警模型，基于模型特征数据进行数据比对和匹配分析，形成诊断结果。此外，还可完成系统符合性检查，通过建立不同应用场景基准运行配置模型，利用数据分析模块对设备运行配置文件内容进行一致性分析检查，实现一键检测功能。

图5 健康数据模型

数据挖掘分析模块根据健康数据模型类型，通过诊断码直接判断智能设备当前的健康状态是否正常，通过健康数据模型对非智能设备进行健康诊断，同时，通过综合预警模型[9]对整个系统进行综合健康状态检查分析，如比对当前的信号源连接数、发送信息与预存正常状态时的信息源连接数进行检查，分析发送信息源配置是否正确，环网主备模式的双路通连状态是否良好，是否出现系统级的运行安全故障风险，以及主备系统切换隐患等。数据挖掘分析模块将形成的分析结果送数据库存储，并交诊断决策模块进行下一步处理，同时将预警结果标示送健康运行监视模块，在图形化的设备分布图上实时标注定位。

为提供更加丰富的健康数据模型，系统建立具有扩展诊断码、故障现象、数据特征的格式化故障处理工作单，一旦有新的故障模型出现就会被自动新增到健康数据模型中。 此外，数据挖掘分析模块能够基于人工交互和机器算法实现模型预警阈值的参数调节修正能力。

2.3.6 诊断处置模块

诊断处置模块接收汇总数据挖掘分析结果，根据分析结果，从处置预案知识库中匹配筛选相关处置预案和处置规则，辅助制定诊断处置流程计划[10-11]和处置措施报送系统健康运行监视模块进行展示，同时将处置措施按照故障处置字典，翻译生成设备能够接收的操作控制指令代码，形成设备处置指令任务单或参数配置指令任务单，发送至运行配置模块实施对设备的故障处置和操控配置。 并通过系统健康运行监视模块跟踪诊断处置工作进程。 诊断处置模块提供基于树状结构的诊断处置标准化计划模板的制作、导入、存储、检索功能。

2.3.7 系统健康运行监视模块

运行态势软件接收来自数据分析软件处理产生的LED 显示系统格式化状态数据、判别结果信息、故障预警信息以及综合健康指数评估信息等。通过柱状图、饼图、定制化统计图表等形式进行系统运行态势的可视化监视和统计评估。 此外，运行态势软件按照实际设备系统部署位置以底图方式标绘LED 显示系统运行环境和每个设备在拓扑结构中的准确位置，可通过鼠标单双击方式显示设备的详细配置文件、输入设备详细位置信息，并能够将分析后的故障预警[12]信息关联标绘到对应的设备位置上(如房间、机柜，大屏某行某列)，帮助快速定位故障位置实施排查处置，实现系统的可视化健康监视管理。 健康运行监视对故障诊断处置的工作进程进行监视，并能够对故障处置结果进行分类统计，给出故障处置效果评估结果。

2.4 软件运行流程

健康管理软件系统运行流程如图6 所示。

图6 LED 显示系统自动化健康管理系统运行流程

用户首先经过一体化软件框架的身份认证，由统一入口登录健康管理软件系统。

按照标准服务调用方式启动运行配置软件模块对所有运行软件模块的启动配置文件参数进行初始化设置并启动所有软件。

数据采集模块采用轮询或强制中断方式收集LED 显示系统各设备的运行状态并调用数据访问模块对数据进行校验、分类和格式化存储。同时，以格式化数据库方式共享至健康运行监视模块。

数据挖掘分析模块实时监视[13]接收系统状态数据，并根据数据类型选取健康模型库进行数据分析和模型匹配，形成故障告警、风险预警和运行统计等分析结果，分别推送至健康运行监视和诊断决策[14]模块。

诊断决策根据分析结果制定处置预案和计划，并形成设备处置指令任务单和参数配置指令任务单，推送至运行配置模块对指定设备执行相关操控处置指令。 同时，将预案计划和任务单推送至健康运行监视模块。

运行配置根据诊断决策模块推送的任务单对系统制定设备远程操控或对软件运行配置参数进行修改，并重新启动指定软件模块。

健康运行监视模块实时监视和收集来自数据采集、数据挖掘分析、诊断处置以及数据库相关库表数据，并以图表等形式进行数据分类实时展示、预警、统计和预测评估。

3 结论

研究建立LED 显示系统自动化健康管理系统是LED 技术发展的必然要求。 通过实际应用表明该系统能够对分布式、大规模的显示系统提供快速、直观、有效的设备故障定位和系统整体风险预警[15]。 并能够借助该系统自动对故障维修经验进行固化而为后续运维管理提供诊断模型支持。 系统具备的运行前合规性一致检查和运行中的故障隐患实时监测预警，以及基于知识库的应急处置任务单干预对基于LED 大屏显示系统进行安全监控、决策指挥的工程任务应用具有重要现实意义。