賈 雨，王 爽，覃楊森，齊禪穎

(1.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089；2.西安遠方航空技術(shù)發(fā)展總公司，陜西 西安 710089)

基于組態(tài)的試飛實時監(jiān)控技術(shù)

賈 雨1，王 爽2，覃楊森1，齊禪穎1

(1.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089；2.西安遠方航空技術(shù)發(fā)展總公司，陜西 西安 710089)

針對當(dāng)前飛行試驗強度不斷加大，驗證科目特別是風(fēng)險科目越來越多，試飛實時監(jiān)控軟件設(shè)計時間緊、修改頻繁的問題，提出了基于組件的試飛自主實時監(jiān)控平臺軟件設(shè)計方法。通過采用組件式設(shè)計思想，利用組件式方法在Visual Studio平臺下開發(fā)實現(xiàn)了基于組件的自主監(jiān)控平臺。解決了以往“一個監(jiān)控科目，一套監(jiān)控畫面軟件”的技術(shù)瓶頸問題，改變了以往實時監(jiān)控軟件開發(fā)代碼復(fù)雜龐大、重復(fù)性開發(fā)工作量巨大、不具備根據(jù)新要求實時動態(tài)修改的能力等固有缺陷。軟件實現(xiàn)了圖形元素可重組、參數(shù)算法可定義和兼容多個實時系統(tǒng)平臺，用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，不用進行繁瑣復(fù)雜的編程操作，只需要通過鼠標(biāo)點擊創(chuàng)建所需功能組件并進行相應(yīng)的參數(shù)配置，即可構(gòu)建一套最適合自己的實時監(jiān)控軟件。經(jīng)過飛行試驗使用驗證，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，同時能夠根據(jù)試飛需求對監(jiān)控畫面進行快速調(diào)整，有效提高了試飛監(jiān)控準(zhǔn)備效率。

飛行試驗；實時監(jiān)控；監(jiān)控畫面設(shè)計；組態(tài)軟件

0 引 言

飛行試驗遙測監(jiān)控技術(shù)一直是國內(nèi)外飛行試驗領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)飛行試驗實時監(jiān)控、確保試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期的重要手段。近年來，隨著國內(nèi)試飛型號任務(wù)的增加，實時監(jiān)控課題也越來越多。為滿足日益增長的實時監(jiān)控需求、提高監(jiān)控效率，如何提升“一個監(jiān)控科目，一套監(jiān)控畫面軟件”的實時監(jiān)控模式，已成為飛行試驗實時監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究中重點解決的難題。另外，隨著飛行試驗“智能化監(jiān)控技術(shù)”研究方向的提出，對地面飛行實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)在“多目標(biāo)多科目實時自主監(jiān)控”方面提出了新的目標(biāo)，并需要進行更廣、更深、更細的研究，有規(guī)劃分階段逐步突破所面臨的技術(shù)難題。

近年來，國內(nèi)外基于組態(tài)[1-2]的監(jiān)控技術(shù)取得了飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也日趨拓展，吸引了國內(nèi)外眾多自動化公司紛紛投資開展相關(guān)技術(shù)的研究。組態(tài)監(jiān)控軟件具備靈活、便捷的開發(fā)環(huán)境，集成了非常多的監(jiān)控功能，因而可以適應(yīng)不同工業(yè)自動化領(lǐng)域，具有很強的通用性。其通用性特征，為其贏得了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但是同時也帶來了一定的后果：組態(tài)監(jiān)控軟件產(chǎn)品集成了非常多的功能，使得系統(tǒng)過于龐雜，開發(fā)成本和使用成本急劇增加，而對于某一特定應(yīng)用環(huán)境，提供的許多“大而全”的功能對于多數(shù)用戶并不適用，造成極大的資源浪費。通用式的組態(tài)軟件，由于其開發(fā)面向各行業(yè)用戶，沒有針對某行業(yè)進行特定的優(yōu)化，導(dǎo)致行業(yè)開發(fā)人員在開發(fā)某一專用系統(tǒng)時一些專業(yè)性的ActiveX控件[3-4]和特殊的I/O設(shè)備的驅(qū)動需要手動添加，與基于傳統(tǒng)程序設(shè)計語言開發(fā)相比，實際上并沒有減輕多少工作量。據(jù)統(tǒng)計，監(jiān)控組態(tài)軟件產(chǎn)品的功能只能發(fā)揮30%以下。遙測實時監(jiān)控系統(tǒng)針對飛行試驗地面實時監(jiān)控的特定需求，其數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)傳輸模式[5]、監(jiān)控軟件組成結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式都有其自身特點。針對試飛實時監(jiān)控的特殊需求，目前還沒有一款相關(guān)軟件能夠滿足實時監(jiān)控任務(wù)。

針對上述問題，該項目借鑒工業(yè)化組態(tài)軟件設(shè)計方法[6]，采用模塊化設(shè)計思想，研發(fā)基于組件的自主監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了組件對象可重組、參數(shù)算法可定義，為數(shù)據(jù)處理工程師提供快速構(gòu)建監(jiān)控軟件的平臺。平臺使用靈活的組件方式(而不是編程方式)，使用戶能根據(jù)監(jiān)控需求任意組態(tài)，設(shè)計完成實時監(jiān)控軟件。項目中根據(jù)實時監(jiān)控中的實際需求，編寫設(shè)計一套完整的數(shù)字、曲線、儀表、柱狀圖、飛機平顯及通用電子地圖等監(jiān)控組件，數(shù)據(jù)處理工程師能夠按照實時/預(yù)處理任務(wù)書中監(jiān)控參數(shù)的要求表現(xiàn)形式選擇相應(yīng)組件并進行相應(yīng)的參數(shù)配置，即可快速完成監(jiān)控軟件的設(shè)計，而不要求數(shù)據(jù)處理工程師具備專業(yè)的編程知識，有效提高了監(jiān)控軟件準(zhǔn)備效率，降低了監(jiān)控軟件設(shè)計的難度和復(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)需求實時進行監(jiān)控參數(shù)的調(diào)整；此外，該平臺實現(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)給試飛工程師及地面指揮人員。

1 軟件總體架構(gòu)設(shè)計

自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件平臺以功能模塊劃分為設(shè)計主導(dǎo)思路，劃分為三個功能模塊：數(shù)據(jù)I/O模塊、運行管理模塊、圖形界面模塊。三個部分接口清晰、功能獨立，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件總體架構(gòu)圖

(1)I/O驅(qū)動模塊：是試飛實時監(jiān)控組態(tài)軟件中必不可少的部分，由于和I/O設(shè)備通信，互相交換數(shù)據(jù)，包括接口模塊、實時通信模塊等。它是實時監(jiān)控軟件與遙測前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的橋梁，是該軟件的基礎(chǔ)，為整個軟件提供數(shù)據(jù)來源，向下為實時監(jiān)控客戶端提供監(jiān)控參數(shù)名，向上提供實時遙測數(shù)據(jù)。

(2)運行管理模塊：用于管理和維護工程中的各種信息，如監(jiān)控軟件通信配置信息、監(jiān)控頁面參數(shù)配置信息等，同時還將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理為可理解和便于進一步利用的結(jié)果，并把處理結(jié)果遞交給圖形界面模塊以驅(qū)動監(jiān)控組件。此外，該模塊還負(fù)責(zé)新建工程、工程備份等功能。

(3)圖形界面模塊：是一個進行圖形系統(tǒng)生成工作所依賴的開發(fā)環(huán)境。圖形界面是監(jiān)控系統(tǒng)的前端，通過建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件及操作，生成最終的圖形目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)。生成的目標(biāo)應(yīng)用程序可在圖形運行環(huán)境中運行。在圖形界面上還具備報警通知及確認(rèn)、報表組態(tài)及打印、顯示功能。各種報警、報表、趨勢都是動畫連接的對象。其數(shù)據(jù)源都可以通過圖形界面指定，然后通過運行模塊，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。

平臺主要實現(xiàn)的功能包括：

(1)實現(xiàn)監(jiān)控畫面軟件的動態(tài)編輯設(shè)計；

(2)使用靈活的組件方式(而非編程方式)，實現(xiàn)組件對象可重組、參數(shù)算法可定義，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；

(3)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)需求實時進行監(jiān)控參數(shù)的動態(tài)調(diào)整；

(4)實現(xiàn)試飛數(shù)據(jù)二次處理常用算法動態(tài)配置功能，滿足常規(guī)的數(shù)據(jù)處理需求。

2 軟件功能模塊設(shè)計

2.1圖形界面的設(shè)計及實現(xiàn)

圖形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，用戶可以方便地通過鼠標(biāo)拖拽組件的方式而不是編程方式進行控件的創(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)控組件并對其進行任意縮放和拖動位置以及進行參數(shù)和運算配置，從而實現(xiàn)用戶對監(jiān)控畫面的自由組態(tài)。編輯好的畫面進入運行狀態(tài)后，各組件接收過程邏輯層解算好的參數(shù)實現(xiàn)實時狀態(tài)刷新。該模塊的實現(xiàn)主要包括監(jiān)控組件模型庫的開發(fā)[3]以及組件的動態(tài)調(diào)用。

2.1.1 組件模型庫開發(fā)

在試飛遙測實時監(jiān)控過程中，需要通過數(shù)字、儀表、曲線、柱狀圖等多種數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式對機上測試參數(shù)進行地面復(fù)現(xiàn)，自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件需要搭建完備的組件模型庫以供用戶選擇。因此，根據(jù)試飛監(jiān)控中的實際需求，開發(fā)了一組基于MFC的監(jiān)控組件，如儀表、曲線、柱狀圖等，以及飛機平顯、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，其通過實時接收的數(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，總是先用背景色將顯示區(qū)域清除，然后才調(diào)用OnPaint進行繪制，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。該系統(tǒng)采用雙緩沖機制[7]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。

中國飛行試驗研究院遙測實時監(jiān)控在幾十年的發(fā)展過程中，開發(fā)積累了相當(dāng)多的界面友好、功能強大的通用平臺監(jiān)控組件。軟件平臺中對常用的部分監(jiān)控組件進行提取和封裝優(yōu)化，滿足了基本的監(jiān)控軟件設(shè)計監(jiān)控組件元素的需求。平臺綜合加載了自定義組件、專用組件以及通用平臺組件，并對外提供統(tǒng)一接口形式進行管理，以實現(xiàn)組件的無差別動態(tài)生成、參數(shù)配置、運算配置與解析以及組件配置信息的存儲與解析。同時，具有良好的擴展性，新開發(fā)組件按照接口定義規(guī)則可以方便加入到平臺中。豐富的組件選擇為畫面的動態(tài)生成提供了極大的靈活性。

2.1.2 組件的動態(tài)調(diào)用

為了實現(xiàn)監(jiān)控組件的動態(tài)生成，位置移動和縮放，軟件在實現(xiàn)過程中為每一個監(jiān)控組件添加一個運行時包裝類。通過這種方法，可以實現(xiàn)將自定義組件如儀表曲線以及封裝好的通用平臺組件以統(tǒng)一的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)給開發(fā)人員，實現(xiàn)二者的統(tǒng)一靈活加載。軟件運行時，用戶點擊一個組件圖標(biāo)并拖放到指定位置，實際上就是為該組件的包裝類創(chuàng)建一個對象并進行顯示，同時可以用線框選中該組件，進行組件的移動、縮放，實現(xiàn)良好的人機交互。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)的運算信息。每一個組件的創(chuàng)建與運行都是獨立的，單個組件的修改與增刪不會對系統(tǒng)的運行產(chǎn)生任何影響。圖2是一幅監(jiān)控畫面的一般設(shè)計過程。

圖2 畫面生成過程

2.2運行管理模塊設(shè)計

2.2.1 參數(shù)運算動態(tài)配置及解析實現(xiàn)

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[8-9]字中包含了多個開關(guān)量。對于這部分參數(shù)，則需在監(jiān)控畫面中進行計算以得到正確的物理量。遙測數(shù)據(jù)處理常用算法包括多PCM字合并、取位以及表達式運算，圖3是一個組件完整的參數(shù)提取解算過程。

表達式動態(tài)解析[10-11]是該模塊實現(xiàn)的重點與難點。表達式解析是通過詞法分析和堆棧操作對表達式進行重新組合，形成一棵表達式樹，表達式計算是自上而下地深度遍歷表達式樹，計算每一個樹節(jié)點的值，根節(jié)點的值就是表達式最后的值。

圖3 參數(shù)提取過程

2.2.2 配置信息管理

在一個監(jiān)控軟件參數(shù)配置文件中，所有組件呈樹狀關(guān)系，如圖4所示。在畫面存儲時希望也能夠保持這種層次關(guān)系。該軟件采用XML(eXtensible Makeup Language)文檔來表示這種樹狀關(guān)系。XML[12-14]定義了利用簡單、易懂的標(biāo)簽對數(shù)據(jù)進行標(biāo)記的一般語法，提供了計算機文檔的一種標(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進行查看和修改，使用戶編輯十分方便。同樣，當(dāng)需要打開一幅畫面時，就可以根據(jù)XML文件中的節(jié)點及其屬性生成正確的圖形組件。

圖4 畫面存儲結(jié)構(gòu)

對于不同型號不同科目監(jiān)控軟件的配置信息，采用結(jié)構(gòu)化層次劃分進行管理，通過型號及科目劃分建立分層的配置信息庫結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)所有監(jiān)控軟件配置信息的結(jié)構(gòu)化存儲管理。

2.3I/O驅(qū)動模塊設(shè)計

系統(tǒng)通過建立Socket套接字的方式與遙測實時數(shù)據(jù)處理前端進行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)前，常用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)和UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)兩種。TCP是一種面向連接的協(xié)議，允許從一臺計算機發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機。兩臺TCP主機間進行數(shù)據(jù)交換之前，必須通過三次握手機制先相互建立會話，通過確認(rèn)和按順序傳遞數(shù)據(jù)來確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，其在發(fā)生丟包時會進行數(shù)據(jù)包重傳。TCP一般應(yīng)用在要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高可靠性的場合。UDP提供盡量傳遞的無連接數(shù)據(jù)服務(wù)，它不能確?；虼_認(rèn)數(shù)據(jù)傳遞或數(shù)據(jù)順序，由使用UDP的程序負(fù)責(zé)提供傳輸數(shù)據(jù)所需的可靠性。對同一個局域網(wǎng)來說，使用UDP能夠獲得良好的性能，它能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸量不太大、數(shù)據(jù)實時性較高的應(yīng)用場合，在這種情況下，UDP的低開銷和多播能力比TCP更合適。

試飛實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)屬于專用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，數(shù)據(jù)一般不需要在交換設(shè)備間進行多級跳轉(zhuǎn)，因此，數(shù)據(jù)包丟失或出現(xiàn)錯序的幾率較低。同時，試飛實時監(jiān)控對數(shù)據(jù)實時性具有很高的要求，因此，選用UDP傳輸協(xié)議具有其特定的優(yōu)勢，PCM數(shù)據(jù)處理前端服務(wù)器與該自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件建立UDP鏈接，從而將遙測數(shù)據(jù)“推送”到監(jiān)控軟件畫面，確保數(shù)據(jù)的實時性。圖5是監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖5 監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)傳輸流程

3 應(yīng)用驗證及分析

將軟件安裝到實際飛行試驗中的監(jiān)控客戶端主機上，為試飛工程師及飛行指揮員提供快速構(gòu)建的監(jiān)控畫面及實時監(jiān)控平臺，并通過配置信息庫對其進行管理，如圖6所示。

在試飛過程中，試飛工程師根據(jù)任務(wù)需求通過鼠標(biāo)“拖拽”方式創(chuàng)建儀表、曲線等某一特定監(jiān)控組件，然后綁定監(jiān)控參數(shù)數(shù)據(jù)源并對其運算信息進行動態(tài)配置，自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件自動接入遙測實時監(jiān)控系統(tǒng)，便可完成試飛課題所關(guān)心機載測試參數(shù)的實時監(jiān)控，極大簡化了實時監(jiān)控任務(wù)準(zhǔn)備流程，有效降低了任務(wù)準(zhǔn)備壓力和復(fù)雜度。目前，該軟件已成功應(yīng)用于運輸機、ARJ21支線客機等型號的多架飛機試飛實時監(jiān)控當(dāng)中，在確保試飛安全和保障試飛任務(wù)高質(zhì)量完成中發(fā)揮著重要作用。

圖6 自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件應(yīng)用場景圖

4 結(jié)束語

為解決試飛實時監(jiān)控軟件設(shè)計時間緊、修改頻繁的問題，提出了基于組件的試飛自主實時監(jiān)控平臺軟件設(shè)計方法，并構(gòu)建了試飛自主實時監(jiān)控平臺。該自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件平臺在Visual Studio平臺下，采用組態(tài)軟件設(shè)計思想和模塊化方法開發(fā)完成。通過該平臺，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)控組件進行參數(shù)配置和運算配置，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)定義的運算進行相應(yīng)解算，驅(qū)動整個監(jiān)控畫面圖形元素的運行，為指揮人員和地面試飛工程師提供及時、準(zhǔn)確的飛機狀態(tài)信息。與傳統(tǒng)的基于LabVIEW和C++ Builder監(jiān)控畫面相比，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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A Real-time Monitoring Technology of Flight Test Based on Configuration

JIA Yu1，WANG Shuang2，QIN Yang-sen1，QI Chan-ying1

(1.Chinese Flight Test Establishment,Xi’an 710089,China; 2.Xi’an Yuanfang General Aviation Technology Development Corporation,Xi’an 710089,China)

In view of the problem that flight test strength increasing,verified subjects especially risk subjects becoming more and more currently,and real-time monitoring software in tight design time and modified frequently,a software design method for autonomous real-time monitoring platform based on components is proposed.By adopting the thought of component designing,an independent monitoring platform is developed by using the component method on the platform of Studio Visual,which has solved the technical bottleneck of "a monitoring subject,a set of monitoring screen software" and changed the inherent defects of complex and huge developing code for previous real-time monitoring software,heavy workload of repetitive development,and not having dynamic modification in accordance with new requirements.It is realized for software that the graphic elements are restructuring,the algorithm parameters are defined and real-time system platform is compatible.Users can use the functions of configuration software,and without the complex programming operation,only need to create the required functional components by mouse click and conduct the corresponding parameter configuration,which can build a real-time monitoring software most suitable for their own.After flight test,it is 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,which can effectively improve the flight test monitor preparation efficiency.

flight test;real-time monitoring;monitoring picture designing;configuration software

2016-08-31

：2016-12-07 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-07-05

國防基礎(chǔ)科研項目(A0520132031)

賈 雨(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為飛行試驗實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170705.1650.046.html

TN06

:A

:1673-629X(2017)09-0145-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.032