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(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

安全與效率是飛行試驗永恒的主題，遙測監(jiān)控是實現(xiàn)飛行試驗實時預(yù)警、確保試飛安全，提高試飛效率、縮短試飛周期的重要手段，飛行試驗遙測監(jiān)控技術(shù)一直是國內(nèi)、外航空飛行試驗領(lǐng)域研究和拓展的關(guān)鍵技術(shù)，隨著近幾年我國試飛型號任務(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，已成為航空飛行試驗遙測監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)研究中重點突破的難題。另外，隨著 飛行試驗“智能化監(jiān)控技術(shù)”的研究方向的提出，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(jìn)行更廣更深更細(xì)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)外基于智能化的監(jiān)控技術(shù)取得了飛快的發(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[1]由于結(jié)合了許多的自動功能，使得其接口形式多樣，而且開發(fā)和維護(hù)成本相對較高，而對于飛行試驗這一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，提供的許多“大而全”的功能對于很多用戶也并不適用，造成極大的資源浪費。在設(shè)計中工程技術(shù)人員在開發(fā)某一專用系統(tǒng)時一些專業(yè)性的ActiveX控件和特殊的I/O設(shè)備的驅(qū)動需要自己手動添加[2]，這種設(shè)計思路和架構(gòu)不僅沒有實現(xiàn)自動化，更談不上智能化。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、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，目前還沒有一種智能化的軟件設(shè)計架構(gòu)滿足實時監(jiān)控任務(wù)。

飛行試驗研究院基于智能化試飛測試軟件設(shè)計架構(gòu)，采用模塊化設(shè)計思想，研究開發(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(jìn)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(jìn)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 智能化軟件總體架構(gòu)設(shè)計

智能化實時監(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[3]，劃分為3個功能模塊：控制/管理模塊、數(shù)據(jù)接口模塊和界面顯示模塊，3個單元獨立的完成各自功能而又相互連接，軟件體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件總體架構(gòu)圖

1)I/O驅(qū)動模塊：它是試飛測試智能化實時監(jiān)控架構(gòu)中不可或缺的部分，由信息數(shù)據(jù)處理觸發(fā)模塊和接口匹配模塊組成，通過該驅(qū)動模塊實現(xiàn)實時監(jiān)控軟件和前端遙測信號進(jìn)行交互式數(shù)據(jù)通信，是實時數(shù)監(jiān)控軟件與遙測前端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的橋梁，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)控制/管理理模塊：用于管理和維護(hù)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，同時運行管理模塊還將接收到的網(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，并把飛行所需的結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇缑骘@示模塊進(jìn)行符號參數(shù)、圖形和曲線進(jìn)行顯示。此外，控制/管理理模塊承擔(dān)著科目備份和新增任務(wù)功能。

3)界面顯示模塊：它是基于圖形顯示系統(tǒng)生成的開發(fā)環(huán)境。界面圖形顯示試飛工程師的人機交互界面通過創(chuàng)建系列化的用戶數(shù)據(jù)文件及操作，形成參數(shù)功能應(yīng)用系統(tǒng)。通過設(shè)計的定制化監(jiān)控應(yīng)用程序可在終端機的操作系統(tǒng)中運行和顯示。在監(jiān)控界面進(jìn)行參數(shù)核實、報送、設(shè)置告警門限以及文檔生成和記錄功能。其數(shù)據(jù)源都可以通過圖形界面來指定，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(jìn)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 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)和運算配置。使用戶實現(xiàn)對監(jiān)控畫面的智能操作。編輯好的畫面進(jìn)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)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[4]，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(jìn)行地面復(fù)現(xiàn)，智能化實時監(jiān)控軟件架構(gòu)設(shè)計時需要創(chuàng)建適合試飛功能的模型數(shù)據(jù)庫為不同課題的試飛工程師和飛行指揮員提供個性化的選擇。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。

試驗機在空中飛行過程中，一般會設(shè)計多用途的監(jiān)控顯示畫面，并對畫面進(jìn)行實時調(diào)整和切換，在架構(gòu)設(shè)計時采用多線程調(diào)用機制，在圖形和畫面驅(qū)動前，先用OnPaint創(chuàng)建一組備份對象數(shù)據(jù)，將這組備份對象數(shù)據(jù)映射到前端顯示的內(nèi)存緩存區(qū)，利用虛擬技術(shù)將這組數(shù)據(jù)的驅(qū)動畫面顯示到監(jiān)控終端的計算機屏幕上，這樣就避免了因景色與繪圖內(nèi)容不一致造成的閃爍現(xiàn)象。通常需要創(chuàng)建多組監(jiān)控程序，并對其進(jìn)行參數(shù)編輯、縮放、移動等操作，這種情況下，會產(chǎn)生嚴(yán)重的跳動現(xiàn)象，給工程師帶來很大的不便。產(chǎn)生跳動的原因是：圖形界面需要重繪時，總是先用背景色將顯示區(qū)域覆蓋，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)生跳動現(xiàn)象。本架構(gòu)設(shè)計中，采用雙向緩存機制來編輯畫面，在繪圖區(qū)域顯示所需的畫面之前，先在內(nèi)存中生成與繪圖區(qū)域一致的類對象，將圖形繪制到這個內(nèi)存的類對象上，最后將這個類對象上的圖形復(fù)制到顯示屏幕上，加快繪圖編輯的速度，從而避免跳動現(xiàn)象。

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(jìn)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(jìn)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(kuò)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當(dāng)中，功能齊全的模型庫為監(jiān)控畫面提供了靈活的智能選擇。

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(jìn)行顯示，同時可以用線框選中該組件，進(jìn)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。對于這類嚴(yán)格從ICD中提取物理特性的參數(shù)，需要引入校線和計算公式進(jìn)行解析后最終形成工程物理數(shù)據(jù)包。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(dá)式運算，圖3是一個組件完整的參數(shù)提取解算過程。

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。按照智能化軟件設(shè)計架構(gòu)在監(jiān)控畫面存儲時也應(yīng)該保持這種樹狀關(guān)系，以便下次飛行時智能調(diào)用，在標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)下應(yīng)該使用XML(eXtensible Makeup Language)語言來實現(xiàn)這一功能。XML提供了一種智能的人機交互界面將實現(xiàn)的功能進(jìn)行簡單、便捷的標(biāo)注，同時也符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計需求結(jié)構(gòu)邏輯性強而且易于存儲。試飛工程師采用任何一種設(shè)計工具都可以實現(xiàn)查詢、顯示和編輯，畫面關(guān)聯(lián)性強易于同步屬性修改。

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(jìn)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。配置信息存儲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 存儲畫面的樹形結(jié)構(gòu)

圖5 信息配置庫的樹形結(jié)構(gòu)

2.3 I/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(jìn)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?qū)ο筮B接的協(xié)議，應(yīng)用在對參數(shù)數(shù)據(jù)要求可靠性極高的場合，實現(xiàn)從服務(wù)器到監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)控終端的直連互通，不做任何修改的將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；兩臺TCP主機之間進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)包重傳。

UDP協(xié)議使用內(nèi)部程序來實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，不能完全確保數(shù)據(jù)傳遞類型或順序，對同一個局域網(wǎng)來說，采用UDP協(xié)議可以實現(xiàn)良好的性能，它能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸量不太大、對數(shù)據(jù)實時性要求較高的工程項目中，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)備之間進(jìn)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。面向?qū)崟r性要求較高的試飛監(jiān)控畫面，UDP傳輸協(xié)議具有很強的適應(yīng)性和功能性。PCM數(shù)據(jù)處理前端服務(wù)器與本自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件建立UDP鏈接，從而實現(xiàn)將遙測數(shù)據(jù)“推送”到監(jiān)控軟件畫面，從而確保了數(shù)據(jù)的實時性。圖6是監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖6 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)建監(jiān)控畫面及實時監(jiān)控平臺，并通過后臺的資源信息配置庫進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理，如圖7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(jìn)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，極大的簡化了實時監(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，該基于組件配置的實時監(jiān)控軟件已成功應(yīng)用于運輸機、C919等型號的多架飛機試飛全過程，提供了持續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)鏈路，為地面監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、指揮決策提供了優(yōu)質(zhì)、高效的安全保障。

4 結(jié)束語

針對飛行試驗未來的發(fā)展需求，采用智能化試飛測試軟件體系設(shè)計架構(gòu)和模塊化方法，在Visual Studio平臺開發(fā)完成自主實時監(jiān)控組態(tài)軟件。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行，為試飛工程師和監(jiān)控指揮員提供及時、準(zhǔn)確的全過程試飛信息。與傳統(tǒng)的基于LabVIEW和C++ Bulider監(jiān)控畫面相比，具有自主程度高、記憶能力強等特點，能夠為未來的飛行試驗發(fā)展提高畫面準(zhǔn)備效率、提高畫面編輯的靈活性。

圖7 智能化測試架構(gòu)應(yīng)用場景圖

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