SER: SISTEMA EXPERTO PARA LA GESTIÓN DE FALLOS DE UNA RED DE RADIOENLACES.

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1 SER: SISTEMA EXPERTO PARA LA GESTIÓN DE FALLOS DE UNA RED DE RADIOENLACES. Carlos León 1, Juan B. Casado 2, Fernando Gonzalo 2, Joaquín Luque 1. 1 Universidad de Sevilla 2 Compañía Sevillana de Electricidad. Departamento de Tecnología Electrónica Facultad de Informática y Estadística Campus Universitario de Reina Mercedes SEVILLA (Spain) RESUMEN En este artículo se expone el desarrollo de un sistema experto basado en reglas, capaz de gestionar los fallos que acontecen en la red de radioenlaces, de la Compañía Sevillana de Electricidad (CSE). SER (Sistema Experto para la gestión de fallos de una red de Radioenlaces) actúa aconsejando a un operador humano, filtrando y priorizando las alarmas que llegan al centro de control procedentes de la red de radioenlaces por medio de un sistema SCADA, detectando las posibles averías que provocan dichas alarmas y suministrando recomendaciones para solucionarlas. Actualmente se dispone de un prototipo con mas de 120 reglas, implementado empleando el shell ART-IM, operando en una estación de trabajo Sun SPARCstation 10, aplicado a la supervisión de la mencionada red de radioenlaces. El sistema está concebido en el marco del Proyecto NOMOS (Sistema integrado experto para la explotación de la red de comunicaciones de una compañía eléctrica) y financiado por el Programa de Investigación Electrotécnica (P.I.E), dependiente del Ministerio de Industria y Energía. Palabras-clave: Redes de Telecomunicación, Gestión de Alarmas, Sistemas Expertos. 1. Introducción Tradicionalmente, las empresas eléctricas en todo el mundo han dispuesto de redes privadas de telecomunicación, al menos para las actividades más directamente relacionadas con el proceso productivo por una serie de razones técnicas (altos niveles de seguridad y disponibilidad), económicas (emplazamientos alejados de núcleos de población) y, recientemente, estratégicas (posicionamiento frente a posibles liberalizaciones en el mercado de telecomunicaciones). En los últimos años, una serie de factores [1] ha hecho imprescindible el uso de un sistema de control para la explotación de estas redes de telecomunicación. Entre ellos podrían citarse entre otros: el paso de sistemas analógicos a digitales, la creciente integración de los sistemas de telecomunicación, el aumento en la complejidad de las redes, tanto desde el punto de vista del tamaño como desde el de la gestión, el creciente valor estratégico de las telecomunicaciones y la necesidad de disminuir los costes de operación y mantenimiento. Sin embargo existen un cierto número de problemas (principalmente derivados de la presencia de una

2 gran variedad de soluciones ofertadas por los suministradores, que únicamente soportan la gestión de sus equipos propios, siendo incompatibles al no adoptar estándares internacionales) que dificultan el disponer de un sistema capaz de llevar a cabo la gestión global de los sistemas de telecomunicaciones. Entre ellos pueden citarse: costo en equipos, gestión fragmentaria de la red o necesidad de personal cualificado dedicado exclusivamente a la gestión. Para afrontar estos problemas surge el concepto de los sistemas integrados de operación [2], que mediante distintos mecanismos, tratan de soportar en una única plataforma los sistemas parciales anteriormente mencionados. Paralelamente a la tendencia hacia la integración se une el empleo de técnicas de sistemas expertos como medio de mejorar las prestaciones y aliviar algunas de las dificultades que puedan presentarse. Es en este ámbito donde debe situarse el sistema SER, que forma parte del Proyecto NOMOS, acometido por Sevillana de Electricidad y Unión Eléctrica Fenosa (UEF), en colaboración con el Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad de Sevilla. 2. El proyecto NOMOS El proyecto NOMOS tiene como objetivo la construcción de un Sistema Integrado Experto para la Gestión de la Red de Comunicaciones en el entorno de las Compañías Eléctricas. Básicamente, el sistema NOMOS ha de integrar la información de gestión procedente de las diversas subredes de telecomunicaciones de una empresa eléctrica, aplicando a la misma la actuación de un sistema experto que auxilie en la interpretación de las informaciones recibidas y oriente al operador sobre la causa y localización de problemas, indicándole posibles medidas a tomar. Para lograrlo, las premisas básicas de su desarrollo son: * El sistema ha de poseer un carácter eminentemente abierto. * Ofrecer un único interfaz que integre todas las actividades relativas a la Gestión, Operación y Explotación de cada una de las subredes de telecomunicaciones a gestionar, lo cual facilitará la asimilación y aprendizaje del sistema. * Las decisiones de diseño, se apoyarán, salvo excepciones, en los estándares y recomendaciones elaboradas por los correspondientes comités o secciones de los organismos e instituciones internacionales más representativas: IEEE, ISO, ITU-T, etc. En cada caso, han sido objeto de evaluación los modelos, normas y/o recomendaciones relativas al problema en cuestión, adoptándose las que se consideraron más apropiadas para los objetivos del sistema NOMOS. NOMOS presenta una serie de aspectos destacados o novedosos, entre los que pueden ser mencionados su generalidad, derivada del carácter abierto que posee y de la utilización de estándares, lo que permite su aplicación a cualquier red de telecomunicaciones; su capacidad para integrar diversos aspectos de la gestión de diferentes redes, así como la aplicación, por vez primera, de un tratamiento experto a la gestión de averías en redes de telecomunicaciones dentro del Sector Eléctrico (existen diversos trabajos en el tratamiento de averías para la red eléctrica [3], pero no para la red de telecomunicaciones). Aunque la filosofía del sistema es aplicable a cualquier red, NOMOS implementa la integración para seis subredes diferentes, pertenecientes a dos compañías eléctricas distintas: Subred de Radioenlaces, Red de Cross-Connect Digital TITAN y Red de Centralitas Digitales ALCATEL 4000, pertenecientes todas ellas a la CSE, y Subred de equipos de transmisión de NOKIA, Equipos de transmisión ALCATEL y Red de Modems de TELDAT, pertenecientes a UEF. En este artículo se describe el trabajo llevado a cabo para desarrollar el sistema experto encargado de la gestión de fallos de la subred de Radioenlaces de la CSE.

3 3. La subred de Radioenlaces de la CSE La subred de Radioenlaces de la CSE está constituida, básicamente, por equipos de transmisión/recepción digital vía radio en las bandas de UHF y SHF, equipos multiplexores digitales de tercero, segundo y primer orden, estos últimos empleando la técnica MIC, y un conjunto de equipos auxiliares, instalados en una serie de 39 subestaciones, cubriendo un área aproximada de Km 2. La gestión de operación de los equipos de transmisión de la subred de radioenlaces se realiza actualmente a través del Sistema de Supervisión de Comunicaciones (SSC). Dicho sistema monitoriza, en tiempo real, los principales parámetros de la red, empleando para ello la información suministrada por un sistema SCADA, constituido por un Centro de Control (instalado en el edificio central de la CSE) y un conjunto de remotas (RTUs) instaladas en los distintos centros. La necesidad de emplear un sistema tipo SCADA viene impuesta por las limitadas capacidades de gestión remota que poseen los equipos de la subred de radioenlaces. El Sistema de Supervisión de Comunicaciones permite que el operador solicite información sobre estados digitales, medidas analógicas e incidencias registradas por cada una de las estaciones remotas. A partir de la información suministrada, el operador puede llevar directamente a cabo una serie de acciones a través del SSC, o bien, en el caso de que esto no sea posible o aconsejable, dar las órdenes para que lgún técnico se desplace a la estación en cuestión y soluciones directamente el problema planteado (Fig. 1). Figura 1 - El Sistema de Supervisión de Comunicaciones

4 La operación del sistema no se realiza de modo continuado, es decir, no hay en todo momento un operador interaccionando con el SSC. Usualmente, la persona responsable controla periódicamente la Lista de Alarmas Presentes para detectar la presencia de algún problema, a no ser que reciba aviso de averías o fallos en las comunicaciones que requieran su intervención inmediata. 4. El sistema SER A lo largo de este apartado se describirán una serie de aspectos relacionados con el sistema experto, entre ellos los objetivos planteados, el proceso de desarrollo y los resultados obtenidos Objetivos del Sistema Experto En el caso de la Subred de Radioenlaces se pretende solucionar o paliar dos inconvenientes: 1.- La gran cantidad de información que llega al operador procedente del SSC, que en el caso de avería grave puede sobrecargarlo, disminuyendo su rendimiento. 2.- La necesidad de que el operador del sistema posea un alto grado de cualificación y experiencia, ya que el SSC no suministra información directa sobre las incidencias o averías que pueden ocasionar cada alarma o conjunto de alarmas. Para lograr estos objetivos, el Sistema Experto debe actuar facilitando la labor del operador que se encuentra en el Centro de Control, de modo que, a partir de la información proveniente del SSC al que se encuentra conectado, realice una serie de tareas, que permitan paliar los problemas anteriormente mencionados (Fig. 2): Figura 2 - Esquema de funcionamiento de SER * Filtrado de alarmas redundantes, que pueden saturar la capacidad del operador. En el caso del SSC, se eliminan alarmas que aparecen y desaparecen reiteradamente en un corto intervalo de

5 tiempo. * Detectar las posibles incidencias o averías ocurridas en el sistema a partir de la información sobre las alarmas presentes en cada momento. * Realizar una priorización de las incidencias o averías, a través de la asignación a cada una de ellas de un determinado Grado o Índice de Severidad, establecido por el experto. * Presentar al operador una serie de sugerencias de actuación, que le permitan corregir las incidencias o averías y mejorar la operación del sistema. * Todos las tareas anteriores han de ser cubiertos en un tiempo razonable para permitir la operación en tiempo real Proceso de Desarrollo Para alcanzar los objetivos establecidos anteriormente es necesario definir un esquema de desarrollo, que comprenda aspectos tales como la técnica de adquisición a emplear, el modo de representar el conocimiento adquirido, la herramienta a emplear para programar el sistema y los patrones de evaluación de resultados. En el caso del SSC se ha recurrido a una filosofía clásica de diseño, inspirada en la técnica de Prototipado Rápido, a lo largo de cinco fases fundamentales: 1.- Familiarización con el Dominio, en la que, a partir de la documentación existente y de la interacción con la persona que gestionaba el SSC, se establecieron los conocimientos fundamentales para una primera aproximación al problema planteado. 2.- Adquisición del Conocimiento, en la que a partir del experto y la técnica de adquisición seleccionada (Entrevista Estructurada) se llevó a cabo un proceso iterativo de extracción de reglas. En esta fase resultó fundamental la adecuada documentación de las sesiones de adquisición (a través de Resúmenes de las Reuniones) y su posterior codificación en forma de Reglas SI-ENTONCES. 3.- Representación del Conocimiento, empleando para ello un esquema en el que el conocimiento declarativo es almacenado en forma de hechos (alarmas procedentes del SSC), mientras que el conocimiento procedimental lo es en forma de reglas (información suministrada por el experto en torno al procesamiento de dichas alarmas). Un ejemplo de una de estas reglas puede verse en la Tabla I.

6 Tabla I - Ejemplo de regla del Sistema Experto para el SSC SSR1 A/B G.S: 3 SI: A CTR190/7 TX CX B y el operador comprueba que B CTR190/7 PRXX A < cierto umbral (establecido por dicho operador) ENTONCES: A.A: RC: FALLO EN MODULO DE TRANSMISION CTR190/7, CANAL X, ESTACION A REVISION DEL TRANSCEPTOR CTR190/7 Cada una de las reglas anteriormente mencionadas posee varios campos: * Nombre: que la identifica claramente del resto de reglas del sistema experto. En algunas casos el nombre incluye una letra mayúscula (p.e SSR1 A/B) indicando diversas variantes de una misma regla, que vendrán definidas por los valores de los parámetros X que aparecen en el antecedente de la regla. * Grado de Severidad (GS): que varía entre el valor 1 (mínima severidad) y el valor 5 (máxima severidad). * Antecedentes: encabezados por la palabra SI, se trata del conjunto de alarmas que deben presentarse para que la regla pueda dispararse, en ellos se emplea una notación reducida, similar a la suministrada por el SSC, para facilitar su comprensión por parte del personal conocedor del Sistema de Supervisión. Dicha notación reducida contempla únicamente la información esencial relativa a cada alarma persiguiendo la mayor generalidad posible. * Consecuencias: Encabezados por la palabra ENTONCES. En ellos aparece la información relativa a la posible Avería Asociada (AA) y Recomendaciones de Actuación (RC) frente al conjunto de alarmas dados, indicando en cada caso las estaciones y equipos implicados. La información se representa buscando generalidad, del mismo modo que ocurría en los antecedentes. 4.- Programación del sistema, una vez que se dispone del conocimiento representado de un modo adecuado, el siguiente paso en el proceso de desarrollo es transferir la información obtenida a un programa. Entre las herramientas disponibles comercialmente [4] la elección recayó en el shell ART-IM (Automated Reasoning Tool For Information Management) de Inference Corporation. Dicha elección se sustenta en las posibilidades de integración con otros módulos, la existencia de una documentación amplia, la relación calidad/coste y la existencia de versiones que ruedan en las plataformas previstas para el resto de NOMOS: ordenadores PC y estaciones de trabajo. Entre las particularidades relativas al soporte hardware, hay que mencionar la necesidad, en este tipo de sistemas, de cantidades grandes de memoria RAM. Esto se debe a la filosofía de funcionamiento del motor de inferencia, que debe contemplar, simultáneamente, todas las posibles interacciones entre las reglas y los hechos sobre las que estas se aplican. Concretamente en el caso de SER, se ha empleado como soporte de desarrollo una estación de

7 trabajo SUN SPARCSTATION 10 con 32 MB de memoria RAM. Entre los aspectos que han sido objeto de especial atención a la hora de abordar esta etapa están el razonamiento temporal y el control de la secuencia de ejecución. En cuanto al primero de ellos es preciso recordar que los sistemas expertos se encuentran usualmente con dificultades a la hora de considerar la variable tiempo en sus procesos de razonamiento [5]. En el caso de SER, se ha empleado una técnica consistente en tratar los instantes en los que aparecen las alarmas como si fuesen números. Para ello ha sido necesario modificar el formato de las alarmas del SSC, de modo que, por ejemplo, las 16:00:56:56,00 se convierten en Con esto se consigue que, en aquellas reglas en que sea importante la relación temporal entre las alarmas que contemplan, esta pueda evaluarse mediante una operación algebraica. En cuanto al control de la secuencia de ejecución, a pesar de que es sabido que, en general, el flujo de programa en un sistema experto no debe ser establecido a priori por el programador, hay casos en que se hace necesario. En el caso de SER, la razón de ello es lograr que las reglas responsables del filtrado de alarmas actúen en primer lugar, eliminando los datos redundantes, permitiendo que el resto de las reglas se aplique únicamente sobre los hechos significativos y reduciendo enormemente el tiempo de proceso así como también la cantidad de información redundante o no relevante presentada al operador. Para ello se emplea la facilidad ofrecida por el shell para priorizar las reglas (mediante el comando salience) de cara a su ejecución. 5.- Evaluación, diseñándose un procedimiento de evaluación, comprendido en dos etapas: Validación de la Base de Conocimiento, que se desarrolló paralelamente al proceso de Adquisición del Conocimiento y Verificación del Prototipo Final, cuyo objetivo fue lograr un Prototipo de SER funcionalmente correcto, haciendo especial énfasis en la velocidad del mismo, el proceso de filtrado y el examen de las interacciones no esperadas entre múltiples reglas Resultados Como consecuencia del proceso anteriormente descrito, se dispone de un prototipo de SER con las siguientes características fundamentales: * Comprende un total de 122 reglas, aunque no se cubren exhaustivamente todas las posibles alarmas e interacciones entre alarmas del SSC, estando el sistema abierto a incorporar todas las reglas que se deben. * Se trata de un sistema abierto y modular, al que se le pueden añadir nuevas reglas de un modo sencillo, de modo que el cliente pueda ampliar y modificar el sistema a voluntad para adaptarlo a las experiencias adquiridas en su operación. * El sistema es capaz de filtrar el número de alarmas que se desee, de acuerdo con un criterio de adyacencia temporal, que puede ser fijado por el operador (en el prototipo el intervalo es de un minuto). La efectividad del filtrado supera el 89%. 5. Conclusiones Como resultado del esfuerzo realizado en el desarrollo del sistema SER se ha llegado al convencimiento de que los sistemas expertos constituyen una alternativa válida para el desarrollo de utilidades que solventen el problema de la gestión integrada de averías en de redes de telecomunicaciones privadas. En cualquier caso, es preciso prestar especial atención al proceso de desarrollo de este tipo de sistemas, planificando cuidadosamente los pasos a seguir, si se desea disponer de soluciones válidas en un tiempo razonablemente corto.

8 En el caso concreto de SER, la metodología propuesta ha resultado ser viable, permitiendo lograr un prototipo totalmente funcional que lleva a cabo la tarea requerida de forma especialmente satisfactoria y que puede ser ampliado a voluntad por el futuro usuario del sistema. Dicha metodología puede hacerse extensible a la gestión de cualquier red de telecomunicaciones siempre que exista una experiencia previa en la supervisión de la misma. En el futuro próximo los esfuerzos en este campo habrán de dirigirse hacia conseguir sistemas lo suficientemente rápidos y fiables como para poder desempeñar su tarea de forma autónoma, sin necesidad de la presencia del ser humano. Referencias [1] S. Aidarous y T. Pleiyak. Telecommunications Network Management into the 21st Century. IEEE Press, [2] Draft Report on Telecomunications Networks Management in Power Utilities. CIGRE Study Committee 35, Working Group 02. March, [3] J. P. Bernard y D. Durocher. "An Expert System for Fault Diagnosis Integrated in Existing SCADA Systems", IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 1, February [4] M. Huneault, C. Rosu, R. Manoliu, y F. D. Galiana. "A Study of Knowledge Engineering Tools in Power Engineering Applications", IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 9, No. 4, November [5] T. J. Laffey, P. A. Cox, J. L. Schimidt, S. M. Kao y J.Y. Read. Real-time Knowledge Based Systems. AAAI