一种工业物联网通信链路质量动态评估与网络故障自愈方法及系统与流程

本发明涉及一种工业物联网的，具体涉及一种工业物联网通信链路质量动态评估与网络故障自愈方法及系统。

背景技术：

1、工业物联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的关键基础设施，其通信链路的可靠性与低时延特性直接影响自动化车间等复杂生产场景的运行效能。随着工业现场海量异构感知终端的并发接入，网络环境面临电磁干扰与多源异构流量冲击，现有的链路质量评估与故障恢复机制暴露出以下技术局限：首先，在数据采集层面，传统的应用层探测手段容易受到工业网关自身操作系统网络协议栈的上下文切换与排队调度抖动干扰，导致测量数据包含较大的伪延迟误差，难以有效区分线路物理衰减与内核层面的拥塞；其次，在时序处理层面，现有的预测模型需要依赖长周期的平滑特征矩阵进行训练与评估，但工业现场面对光纤被意外切断等突发物理故障时又需要具备毫秒级的实时响应能力，传统的串行数据处理架构难以调和“长周期趋势观察”与“瞬时故障防御”在时序尺度上的差异，等待数据聚合可能会导致设备物理碰撞；再次，在故障预测层面，设备老化引起的渐变故障与环境底噪引起的瞬态波动难以有效区分，导致单一的线性预测模型在处理非平稳、随机波动的链路特征时容易发生过拟合，从而引起故障误报；最后，在网络自愈决策层面，现有技术在面临区域性电磁干扰时，通常采用最短路径算法将业务流切换至在物理空间上相邻的备用链路，由于未充分考虑物理布线的空间相关性，容易遭受共因电磁干扰而引发二次物理断连，并且在多重并发故障导致海量设备同时脱网时，缺乏有效的资源抢占仲裁与降级机制，低优先级数据与核心控制指令无差别争抢残存备用通道，最终可能引发全局资源拥塞与控制业务的响应超时。

技术实现思路

1、本发明提供了一种工业物联网通信链路质量动态评估与网络故障自愈方法及系统，目的是解决现有技术中如何克服工业物联网复杂工况下底层协议栈排队抖动带来的测量失真，调和故障预测所需的平滑时序特征与突发故障的实时阻断需求，并在区域性空间电磁干扰及多重并发故障引发的资源竞争下，实现核心业务流的可靠协同自愈的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种工业物联网通信链路质量动态评估与网络故障自愈方法及系统，包括：通过部署于工业网关的数据采集模块执行非对称多尺度跨层嗅探，获取携带硬件时间戳的原始探测数据，所述原始探测数据包含往返时延值和丢包率值；将所述原始探测数据输入多尺度时序聚合架构进行分离处理，所述多尺度时序聚合架构并行运行稳态背景分析路径和瞬态异常直通路径，所述稳态背景分析路径输出多维度的归一化时序特征矩阵，所述瞬态异常直通路径基于物理阻断绝对阈值输出硬件中断信号；当未接收到所述硬件中断信号时，将所述归一化时序特征矩阵输入基于连续域至离散域跨态同构映射的预测推演模型，输出渐变型故障的后验概率；当接收到所述硬件中断信号时，直接输出突发型故障的后验概率；当任一所述后验概率超过自愈触发阈值时，基于动态维护的链路空间相关性矩阵，对受影响的业务流执行协同自愈策略，所述协同自愈策略包括备用链路物理切换与多维令牌动态收缩调度。

4、在本发明的一方面，所述通过部署于工业网关的数据采集模块执行非对称多尺度跨层嗅探，获取携带硬件时间戳的原始探测数据的步骤，具体包括：

5、在传输层构造载荷包含微秒级发送时间戳的探测数据包；

6、在数据链路层同步构造扩展帧进行独立周期的辅助探测；

7、接收目标通信节点返回的响应包，通过网络接口控制器的硬件打标功能记录微秒级接收时间戳；

8、计算所述接收时间戳与所述发送时间戳的差值获取所述往返时延值。

9、在本发明的一方面，所述稳态背景分析路径输出多维度的归一化时序特征矩阵的步骤，具体包括：

10、基于中位数绝对偏差算法计算偏差估计值，将超过阈值的所述原始探测数据作为离群点进行剔除；

11、在一个预设的聚合时间窗口内，将剔除离群点后的所述往返时延值和所述丢包率值按照算术平均或累加方式进行时序对齐与聚合；

12、基于历史统计周期内的极大值和极小值，对聚合后的数据进行最小最大归一化处理，生成所述归一化时序特征矩阵。

13、在本发明的一方面，所述瞬态异常直通路径基于物理阻断绝对阈值输出硬件中断信号的步骤，具体包括：

14、在所述数据采集模块的内核态空间划分独立的高速缓存环形队列；

15、在不进行内核态到用户态数据拷贝的前提下，直接读取新到达的探测数据包的接收时间戳并计算瞬时往返时延值；

16、当所述瞬时往返时延值超过所述物理阻断绝对阈值时，向系统总线发送非屏蔽中断信号作为所述硬件中断信号，并强行挂起所述稳态背景分析路径的聚合线程。

17、在本发明的一方面，所述将所述归一化时序特征矩阵输入基于连续域至离散域跨态同构映射的预测推演模型，输出渐变型故障的后验概率的步骤，具体包括：

18、利用径向基函数神经网络对所述归一化时序特征矩阵进行高维空间分类；

19、通过自回归积分滑动平均算法基于历史综合质量评分推演下一时间步长的连续数值预测得分；

20、结合基于指数加权移动平均算法生成的动态自适应阈值边界，将所述连续数值预测得分映射为离散的观测状态序列；

21、将所述观测状态序列作为输入证据，利用历史故障数据构建的马尔可夫状态转移概率矩阵进行贝叶斯更新，输出所述渐变型故障的后验概率。

22、在本发明的一方面，所述基于动态维护的链路空间相关性矩阵，对受影响的业务流执行协同自愈策略的步骤中，关于所述链路空间相关性矩阵的应用具体包括：

23、在内存中动态维护表征不同物理链路在物理空间布线重合度加权值的所述链路空间相关性矩阵；

24、当主链路发生故障触发所述协同自愈策略时，提取备用链路与所述主链路的空间相关系数；

25、结合所述主链路与所述备用链路的当前丢包率值以及预设的电磁敏感度常量，计算该备用链路遭受共因电磁干扰的共因失效惩罚项；

26、仅当所述共因失效惩罚项低于预设的隔离安全阈值时，才允许将所述受影响的业务流切换至所述备用链路。

27、在本发明的一方面，所述多维令牌动态收缩调度具体包括多重并发故障下的冲突仲裁机制，具体执行步骤为：

28、当多个协同自愈策略竞争同一备用链路资源时，提取对应业务流的关键性等级标签映射为优先级评分，并基于所述后验概率对应的预测故障发生剩余时间提取故障紧迫度评分；

29、根据预设的分配权重对所述优先级评分与所述故障紧迫度评分进行线性加权，计算获取综合抢占指数；

30、向所述综合抢占指数高的业务流分配共享资源的独占使用权，对于所述综合抢占指数低的业务流对应的协同自愈策略予以驳回；

31、对被驳回的业务流，基于业务优先级的惩罚因子，强制下调双速率三色标记器中的承诺信息速率执行流量整形降级处理。

32、在本发明的一方面，在执行所述协同自愈策略之后，还包括自愈效果闭环评估步骤，具体包括：

33、采集自愈恢复后的网络质量指标，将其分类为正向指标和负向指标；

34、对于所述负向指标，采用历史最优基准值除以当前指标稳态值的倒置比率方式计算对应维度的稳态评分；

35、对于所述正向指标，采用当前指标稳态值除以标称最佳利用率值的正向比率方式计算对应维度的稳态评分；

36、基于所述稳态评分和业务报文的实际中断时长综合计算自愈效果最终得分，当所述自愈效果最终得分连续多个周期低于评估基准线时，利用自适应梯度下降算法迭代更新生成所述协同自愈策略的代价权重系数。

37、在本发明的一方面，所述对受影响的业务流执行协同自愈策略的步骤最后通过以下方式下发至底层网络设备：

38、通过协议适配层将抽象的策略指令翻译为网络配置协议报文或简单网络管理协议的设置指令；

39、采用批量配置下发机制，通过事务性提交操作确保多台网络设备的路由表项、队列调度参数和令牌桶速率限制参数在一个原子操作内同步生效以防止网络路由环路。

40、在本发明的另一方面，本发明还涉及一种工业物联网通信链路质量动态评估与网络故障自愈系统，包括：

41、数据采集模块，部署于工业网关，用于执行非对称多尺度跨层嗅探，获取携带硬件时间戳的原始探测数据，所述原始探测数据包含往返时延值和丢包率值；

42、数据预处理模块，运行多尺度时序聚合架构，用于将所述原始探测数据分离处理，其中稳态背景分析路径输出多维度的归一化时序特征矩阵，瞬态异常直通路径基于物理阻断绝对阈值输出硬件中断信号；

43、故障预测模块，用于在未接收到所述硬件中断信号时，将所述归一化时序特征矩阵输入基于连续域至离散域跨态同构映射的预测推演模型，输出渐变型故障的后验概率；在接收到所述硬件中断信号时，直接输出突发型故障的后验概率；

44、自愈决策与执行模块，用于当任一所述后验概率超过自愈触发阈值时，基于动态维护的链路空间相关性矩阵，对受影响的业务流执行协同自愈策略，所述协同自愈策略包括备用链路物理切换与多维令牌动态收缩调度。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、本发明通过解构底层物理硬件与高层逻辑算法的耦合关系，在复杂的工业物联网环境中实现了从数据感知到故障自愈的整体性能提升。在数据采集阶段，软硬件解耦的非对称多尺度跨层嗅探机制在网卡底层记录微秒级时间戳，排除了传统操作系统内核协议栈上下文切换与排队调度引入的伪延迟抖动，为全网链路评估提供了具备客观物理基准的底层数据。在时序处理层面，多尺度并行聚合架构克服了常规串行处理的局限，稳态背景路径通过数据清洗为预测模型提供平滑的特征，而瞬态异常直通路径则利用高速缓存环形队列与非屏蔽硬件中断机制，在物理链路发生硬阻断时跨层调度计算资源，有效调和了长周期趋势观察与毫秒级实时故障防御之间的时序矛盾。在故障预测环节，基于连续域至离散域的跨态同构映射推演，通过动态自适应阈值将连续的预测得分转换为离散状态再进行贝叶斯更新，该机制从数学拓扑层面分离了工业环境随机底噪引发的瞬态波动，降低了单一线性模型易过拟合并导致误报的概率。最后，在自愈决策与执行端，链路空间相关性评估通过共因失效惩罚拦截了可能遭受同源电磁干扰的备用链路，规避了二次物理断连风险；同时，在多重设备并发脱网引发全局资源竞争时，多维令牌动态收缩调度通过冲突仲裁机制降低了低优先级业务的发送速率，保障了核心控制指令在受限物理带宽下的稳定流转，最终借助代价权重的自适应梯度迭代，提升了网络系统对抗复杂生产环境长效衰变的自适应能力与协同恢复能力。