賈 雨，覃楊森，齊禪穎，王 爽

（1.中國飛行試驗(yàn)研究院 西安市 710089；2.西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展總公司 西安 710089）

組件式自主實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)技術(shù)研究

賈 雨1，覃楊森1，齊禪穎1，王 爽2

（1.中國飛行試驗(yàn)研究院 西安市 710089；2.西安遠(yuǎn)方航空技術(shù)發(fā)展總公司 西安 710089）

針對當(dāng)前飛行試驗(yàn)強(qiáng)度不斷加大，驗(yàn)證科目特別是風(fēng)險(xiǎn)科目越來越多，試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)時(shí)間緊、修改頻繁的問題，提出了基于組件的試飛自主實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺軟件設(shè)計(jì)方法。通過采用組件式設(shè)計(jì)思想，利用組件式方法在Visual Studio平臺下開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于組件的自主監(jiān)控平臺。經(jīng)過飛行試驗(yàn)使用驗(yàn)證，證明了該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)安全監(jiān)控畫面的動態(tài)設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)試飛需求對監(jiān)控畫面進(jìn)行快速調(diào)整，有效提高了試飛監(jiān)控準(zhǔn)備效率。

組件式；自主監(jiān)控；動態(tài)編輯；軟件定制

試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控[1-2]是指飛行指揮人員和地面試飛工程師通過數(shù)字、曲線、儀表燈可視化手段確定飛機(jī)飛行狀態(tài)以及動作是否到位，不僅可以迅速判斷飛行試驗(yàn)的結(jié)果，而且對確保試飛安全具有重要意義。隨著型號飛機(jī)及飛行任務(wù)的不斷增加，對監(jiān)控畫面的要求也越來越高，特別是近幾年，新型號接踵而至，風(fēng)險(xiǎn)試飛科目不斷增加，需要監(jiān)控的參數(shù)大幅提升，對監(jiān)控畫面進(jìn)行快速準(zhǔn)備和便于修改的需求越來越突出。

1 傳統(tǒng)監(jiān)控軟件

目前，我院的監(jiān)控軟件[3]主要使用LabVIEW和C++Bulider設(shè)計(jì)，如圖1所示。多年的實(shí)踐表明，這種軟件設(shè)計(jì)方法存在一些較為突出的缺陷：第一，采用這種傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)，代碼龐大，修改困難，需要專業(yè)人員編寫，導(dǎo)致其開發(fā)周期長；第二，監(jiān)控畫面基本有數(shù)據(jù)處理工程師獨(dú)立制作完成，缺乏試飛工程師的有效參與；第三，由于試飛課題需求的個性化，使得已開發(fā)成功的監(jiān)控軟件需要修改，完全重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致大量重復(fù)性的開發(fā)工作，極大浪費(fèi)人力和時(shí)間；第四，監(jiān)控畫面顯示內(nèi)容固定，不具備根據(jù)新需求實(shí)時(shí)動態(tài)修改的功能，需要專業(yè)人員修改代碼來增減監(jiān)控顯示內(nèi)容，時(shí)效性差。

針對上述問題，本項(xiàng)目借鑒工業(yè)化組態(tài)軟件[1，4]的設(shè)計(jì)方法，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，研究開發(fā)基于組件的自主監(jiān)控平臺。使用靈活的組件方式（而不是編程方式），為數(shù)據(jù)處理工程師提供快速構(gòu)建監(jiān)控畫面的平臺，使用戶能根據(jù)自己監(jiān)控參數(shù)的任意組態(tài)[6-7]，完成最終的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面編輯。項(xiàng)目中不僅對常用的LabVIEW控件進(jìn)行封裝優(yōu)化，并使其能夠脫離LabVIEW安裝環(huán)境運(yùn)行，而且根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控中的實(shí)際需求，編寫設(shè)計(jì)一套數(shù)字、曲線、儀表監(jiān)、飛機(jī)平顯及通用電子地圖等監(jiān)控組件，實(shí)現(xiàn)二者的統(tǒng)一靈活調(diào)用；數(shù)據(jù)處理工程師能夠按照實(shí)時(shí)/預(yù)處理任務(wù)書中監(jiān)控參數(shù)的要求表現(xiàn)形式選擇數(shù)字、曲線、儀表等組件并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置即可快速完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)，而不要求數(shù)據(jù)處理工程師具備專業(yè)的編程知識，有效的提高了畫面準(zhǔn)備效率，降低了畫面設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度；在監(jiān)控過程中，數(shù)據(jù)處理工程師、試飛工程師可以根據(jù)任務(wù)需求實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控參數(shù)的調(diào)整；本平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理常用的基本算法，滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)處理需求，使得監(jiān)控參數(shù)以正確的形式呈現(xiàn)給試飛工程師。

圖1 傳統(tǒng)監(jiān)控畫面

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)試飛實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)的特點(diǎn)，我們把自主監(jiān)控平臺劃分為3個功能模塊：數(shù)據(jù)I/O，過程邏輯，人機(jī)界面。3個部分接口清晰、功能獨(dú)立，圖2是軟件的結(jié)構(gòu)組成。數(shù)據(jù)I/O是本軟件的基礎(chǔ)，為整個軟件提供數(shù)據(jù)來源，它向下為實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端提供參數(shù)名，向上提供數(shù)據(jù)；過程邏輯將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理為可理解和便于進(jìn)一步利用的結(jié)果，并把處理結(jié)果遞交給人機(jī)界面模塊以驅(qū)動監(jiān)控組件；人機(jī)界面是監(jiān)控系統(tǒng)的前端，它通過過程邏輯模塊取得各種處理好的參數(shù)，把監(jiān)控對象通過儀表、曲線、告警燈等形式反映給試飛工程師。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)組成

2.1 人機(jī)界面

試飛工程師根據(jù)任務(wù)需求，選取不同類型的監(jiān)控組價(jià)如儀表、曲線、告警燈等并拖放到畫面相應(yīng)位置，為該組件配置監(jiān)控參數(shù)并添加適當(dāng)?shù)乃阈g(shù)運(yùn)算，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與監(jiān)控組件相關(guān)聯(lián)。用戶還可以將當(dāng)前編輯的畫面進(jìn)行保存以便下次使用。

1）拖放儀表、曲線、平顯地圖等控件到畫面相應(yīng)位置

2）參數(shù)配置

3）運(yùn)算表達(dá)式配置

4）配置輸入輸出

2.2 過程邏輯

系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的處理，試飛工程師使用時(shí)根據(jù)參數(shù)的不同需求定義了相應(yīng)的算術(shù)運(yùn)算，系統(tǒng)能夠解釋用戶的定義將接收到的數(shù)據(jù)解算成用戶所需的物理量并用于驅(qū)動監(jiān)控畫面上的各相應(yīng)監(jiān)控組件。過程如下：

1）啟動數(shù)據(jù)接收

2）各監(jiān)控組件從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中獲取所需參數(shù)

3）表達(dá)式解析，包括四則運(yùn)算、開方、冪次、通用三角函數(shù)

4）數(shù)據(jù)解算，包括取位，多字合并以及表達(dá)式運(yùn)算

5）組件數(shù)據(jù)驅(qū)動

2.3 數(shù)據(jù)I/O

本模塊首先向?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)客戶端發(fā)送當(dāng)前監(jiān)控畫面所需的所有監(jiān)控參數(shù)名列表，然后通過另一個套接字從客戶端取回所對應(yīng)的監(jiān)控參數(shù)，參數(shù)的位置和參數(shù)名列表一一對應(yīng)。過程如下：

1）與客戶端建立一個用于參數(shù)名發(fā)送的TCP鏈接；

2）發(fā)送當(dāng)前畫面所需參數(shù)名，關(guān)閉該鏈接；

3）與客戶端建立一個用于參數(shù)接收的TCP鏈接；

4）接收客戶端發(fā)送的參數(shù)。

本軟件的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序主要針對我院目前在用的各實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，接口定義明確，數(shù)據(jù)I/O模塊實(shí)現(xiàn)相對簡單，文章將著重介紹人機(jī)界面的設(shè)計(jì)以及過程邏輯的實(shí)現(xiàn)。

3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面模塊為試飛人員提供了與平臺交互的接口，是整個軟件的核心部分，用戶可以方便的通過鼠標(biāo)拖拽組件的方式而不是編程方式進(jìn)行控件的創(chuàng)建和配置編輯工作。監(jiān)控畫面的制作過程完全是一個可視化操作，利用鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，動態(tài)創(chuàng)建所需要的監(jiān)控組件并對其進(jìn)行任意縮放和拖動位置以及進(jìn)行參數(shù)和運(yùn)算配置。從而實(shí)現(xiàn)用戶對監(jiān)控畫面的自由組態(tài)[8]。編輯好的畫面進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，各組件接收過程邏輯層解算好的參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)刷新。該模塊的實(shí)現(xiàn)主要包括畫面組件的開發(fā)[6]以及組件的動態(tài)調(diào)用。

3.1 監(jiān)控組件開發(fā)

1）自定義組件的開發(fā)

根據(jù)試飛監(jiān)控中的實(shí)際需求，開發(fā)了一組基于MFC的監(jiān)控組件，包括告警燈、儀表、曲線、柱狀圖等，以及飛機(jī)平顯、地圖等專用組件。監(jiān)控組件的開發(fā)分為靜態(tài)和動態(tài)兩部分，靜態(tài)部分沒有參數(shù)驅(qū)動，一般為控件的基本屬性部分如背景，參數(shù)名稱等。動態(tài)部分的任務(wù)是以直觀的動畫來模擬現(xiàn)場，反映被控對象的變化，其通過實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)流來驅(qū)動。

監(jiān)控過程中，通常需要創(chuàng)建很多監(jiān)控組件，并對其進(jìn)行移動，縮放等操作，這種情況下，會產(chǎn)生嚴(yán)重的閃爍現(xiàn)象，給用戶帶來很大的不便。產(chǎn)生閃爍的原因是：窗口需要重繪時(shí)，總是先用背景色將顯示區(qū)域清除，然后才調(diào)用OnPaint進(jìn)行繪制，由于背景色與繪圖內(nèi)容差別較大，就會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。本系統(tǒng)中，采用雙緩沖機(jī)制[9]來繪制圖形，在繪圖區(qū)域顯示想要的畫面之前，先在內(nèi)存中創(chuàng)建一個與繪圖區(qū)域一致的對象，將圖形繪制到這個內(nèi)存對象上，再一次性將這個對象上的圖形拷貝到屏幕上，加快繪圖的速度，從而避免閃爍現(xiàn)象。

2）LabVIEW控件的封裝調(diào)用

LabVIEW[10]由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW控件美觀實(shí)用，目前，我院大量監(jiān)控畫面通過LabVIEW進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。NI也為第三方編程環(huán)境提供了一套功能完善的ActiveX控件，根據(jù)試飛監(jiān)控的實(shí)際需求，我們對常用的LabVIEW ActiveX控件進(jìn)行封裝優(yōu)化，以方便加載到自主監(jiān)控平臺中。豐富了用戶的選擇，使得數(shù)據(jù)處理工程師和地面試飛工程師可以根據(jù)任務(wù)的不同需求，選擇合適的組件來表現(xiàn)當(dāng)前監(jiān)控參數(shù)。

3.2 組件的動態(tài)調(diào)用

由于MFC中可以輕松實(shí)現(xiàn)對CStatic類型控件的動態(tài)生成，位置移動和縮放，因此為每個監(jiān)控組件生成一個基于CStatic類的運(yùn)行時(shí)包裝類，如圖3所示。通過這種方法，可以實(shí)現(xiàn)將自定義組件如儀表曲線以及封裝好的LabVIEW控件以統(tǒng)一的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)給開發(fā)人員，實(shí)現(xiàn)二者的統(tǒng)一靈活加載。軟件運(yùn)行時(shí)用戶點(diǎn)擊一個組件圖標(biāo)并拖放到指定位置實(shí)際上就是為該組件的包裝類創(chuàng)建一個對象并進(jìn)行顯示，并通過橡皮筋類（CRectTracker）來實(shí)現(xiàn)用線框選中該組件，并可以移動、縮放該組件，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。組件創(chuàng)建好之后，為該組件添加雙擊相應(yīng)事件，在彈出的對話框中設(shè)置該組件的基本屬性如組件名稱及背景顏色等、配置要監(jiān)控的參數(shù)以及參數(shù)的運(yùn)算信息。每一個組件的創(chuàng)建與運(yùn)行都是獨(dú)立的，單個組件的修改與增刪不會對系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。圖4是一幅監(jiān)控畫面的一般設(shè)計(jì)過程。

圖3 各組件包裝類結(jié)構(gòu)

在一幅監(jiān)控畫面中所有組件呈樹狀關(guān)系，如下圖5所示。在畫面存儲時(shí)希望也能夠保持這種層次關(guān)系，本軟件采用XML （eXtensible Makeup Language）文檔來表示這種樹狀關(guān)系。XML[8]定義了利用簡單、易懂的標(biāo)簽對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記的一般語法，提供了計(jì)算機(jī)文檔的一種標(biāo)準(zhǔn)格式。利用XML文檔存儲編輯好的監(jiān)控畫面不但結(jié)構(gòu)清晰，而且完全以文本方式存儲，可以通過任何一種編輯工具都可以進(jìn)行查看和修改，使用戶編輯十分方便。同樣，當(dāng)需要打開一幅畫面時(shí)，就可以根據(jù)XML文件中的節(jié)點(diǎn)及其屬性生成正確的圖形組件。

圖4 畫面生成過程

4 過程邏輯層

圖5 畫面存儲結(jié)構(gòu)

從數(shù)據(jù)流的視角來看，自主監(jiān)控平臺可以看做一系列的數(shù)據(jù)輸入輸出接口和施加于輸入輸出之間的數(shù)據(jù)運(yùn)算。數(shù)據(jù)運(yùn)算過程可以是簡單的數(shù)據(jù)提取和格式轉(zhuǎn)換、同時(shí)也包括較為復(fù)雜的取位運(yùn)算、多字合并以及更為復(fù)雜的表達(dá)式運(yùn)算，對于常規(guī)監(jiān)控畫面來說，其輸入輸出接口和數(shù)據(jù)處理算法的組合都是確定的，然而本軟件中各組件相關(guān)的輸入?yún)?shù)和運(yùn)算都由用戶動態(tài)配置的，軟件無法預(yù)知所有的輸入輸出關(guān)系，因此，過程邏輯層的參數(shù)提取解算模塊需要通過解析用戶輸入的各組件配置信息，獲得各組件的輸入?yún)?shù)和對應(yīng)運(yùn)算類型，計(jì)算出所需要的物理量，從而驅(qū)動組件的動態(tài)運(yùn)行。

當(dāng)數(shù)據(jù)I/O層接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后，參數(shù)提取模塊根據(jù)每個組件的輸入?yún)?shù)名配置信息與數(shù)據(jù)I/O層向下發(fā)送的參數(shù)名列表建立相應(yīng)的映射，然后從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流中提取對應(yīng)的若干參數(shù)值，傳遞給參數(shù)解算模塊進(jìn)行運(yùn)算輸出或者直接輸出給該組件的數(shù)據(jù)驅(qū)動接口。

參數(shù)解算模塊接收到的PCM參數(shù)通常是由服務(wù)器軟件已經(jīng)解算好的物理量，對于該類型參數(shù)，解算模塊不做任何操作直接輸出到該組件的數(shù)據(jù)驅(qū)動接口。但是，同時(shí)也存在著部分服務(wù)器無法完成解算或解算過于復(fù)雜的參數(shù)，如一個PCM字中包含了多個開關(guān)量。對于這部分參數(shù)，則需要在監(jiān)控畫面中進(jìn)行計(jì)算以得到正確的物理量。圖6是一個組件完整的參數(shù)提取解算過程。

圖6 參數(shù)提取過程

1）取位、多字合并運(yùn)算

試飛遙測中PCM字[12]長為16位，監(jiān)控中，可能需要兩個或更多PCM字來表示一個完整的監(jiān)控參數(shù)，如429總線[13]參數(shù)；或者只需要一個PCM中的某幾位來表示一個參數(shù)，如告警燈等。這時(shí)，我們需要通過將實(shí)時(shí)獲取的參數(shù)進(jìn)行取位、多字合并運(yùn)算以得到正確的參數(shù)表現(xiàn)形式來驅(qū)動相應(yīng)監(jiān)控組件的運(yùn)行。

2）表達(dá)式運(yùn)算

表達(dá)式解析[14]是通過詞法分析和堆棧操作對表達(dá)式進(jìn)行重新組合，形成一棵表達(dá)式樹，表達(dá)式計(jì)算是自上而下的深度遍歷表達(dá)式樹，計(jì)算每一個樹節(jié)點(diǎn)的值，根節(jié)點(diǎn)的值就是表達(dá)式最后的值。

數(shù)學(xué)表達(dá)式本質(zhì)上是一個字符串，所以詞法分析的任務(wù)是對構(gòu)成表達(dá)式的字符串流從左至右的掃描，然后根據(jù)構(gòu)詞規(guī)則識別表達(dá)式中的單詞和符號，并將其保存到定義好的EXNode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)包含了這個單詞或符號節(jié)點(diǎn)類型 （操作數(shù)或運(yùn)算符）等信息。詞法分析得到了可能的表達(dá)式樹節(jié)點(diǎn)，在構(gòu)造表達(dá)式樹之前，首先要根據(jù)事先定義好的構(gòu)詞規(guī)則對表達(dá)式的各個可能的樹節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合法性檢查，在確定所有的樹節(jié)點(diǎn)合法后，才能進(jìn)行堆棧操作構(gòu)建表達(dá)式樹。

表達(dá)式計(jì)算[15]是在表達(dá)式樹的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，首先通過對表達(dá)式樹的遍歷進(jìn)行表達(dá)式中常量，變量值進(jìn)行合法性檢查，然后采用遞歸的方法計(jì)算表達(dá)式樹的各個樹節(jié)點(diǎn)的值，根節(jié)點(diǎn)的值就是表達(dá)式的最終計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)束語

本組件式監(jiān)控平臺在Visual Studio平臺下，采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)思想和模塊化方法開發(fā)完成。通過該自主監(jiān)控平臺，數(shù)據(jù)處理工程師根據(jù)監(jiān)控參數(shù)的表現(xiàn)形式選擇相應(yīng)的監(jiān)控組件進(jìn)行參數(shù)配置和運(yùn)算配置即可完成監(jiān)控畫面的編輯任務(wù)；試飛工程師在監(jiān)控過程中可以靈活的調(diào)整監(jiān)控參數(shù)和畫面布局；軟件根據(jù)配置參數(shù)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并根據(jù)定義的運(yùn)算進(jìn)行相應(yīng)解算，驅(qū)動整個監(jiān)控畫面圖形元素的運(yùn)行，為指揮人員和地面試飛工程師提供及時(shí)、準(zhǔn)確的飛機(jī)狀態(tài)信息。與傳統(tǒng)的基于LabVIEW[16-17]和C++Bulider監(jiān)控畫面[18]相比，能夠有效提高畫面準(zhǔn)備效率，提高畫面編輯的靈活性。

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Research of component-type real-time monitoring platform designing technology

JIA Yu1，QIN Yang-sen1，QI Chan-ying1，WANG shuang2
（1.Chinese Flight Test Establishment，Xi'an 710089，China； 2.Xi'an Yuanfang General Aviation Technology Development Croporation，Xi'an 710089，China）

In view of the problem that flight test strength increasing，and verify subjects especially risk subjects becoming more and more currently，real-time monitoring software design time is very tight and modified frequently.autonomous real-time monitoring platform software designing method based on components was proposed in this paper.By adopting the thought of component designing，an independent monitoring platform is developed by using the component method on the platform of Studio Visual.After flight test validation，it proved that the platform can realize the dynamic designing of the safety monitoring picture，and adjust the monitor screen quickly according to the test requirements.The software effectively improve the flight test monitor preparation efficiency.

component-type； independent monitoring；dynamic design； software customization

TN06

A

1674－6236（2017）17-0041-05

2016-06-26稿件編號：201606199

賈 雨（1988—），男，陜西府谷人，碩士研究生，工程師。研究方向：試飛遙測監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理。