,,

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

飛行試驗是在真實飛行條件下進行科學(xué)研究和產(chǎn)品鑒定試驗的過程，具有風(fēng)險高、投人大、周期緊[1]的特點。隨著近年來新機及改型機的大量涌現(xiàn)，以及新技術(shù)、新材料在新機上的應(yīng)用，使得試飛風(fēng)險隨之增加，實時安全監(jiān)控倍受各方的關(guān)注。而針對民用中大型飛機試飛，通常利用飛機的空間優(yōu)勢，建設(shè)機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以供試飛工程師、局方人員進行空中實時監(jiān)控，及時調(diào)整飛機狀態(tài)[2]，以提高試飛安全和質(zhì)量，這在我國ARJ21-700飛機的飛行試驗中得到了充分驗證與肯定。但隨著機載測試系統(tǒng)全面網(wǎng)絡(luò)化和新型航空總線的應(yīng)用，機載測試參數(shù)量也呈幾何倍數(shù)增加，從ARJ21-700到C919，測試參數(shù)從近8 000個增加到了近40 000個[3]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量更是高達50 Mbps以上，傳統(tǒng)的基于工控機服務(wù)器模式的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)無法滿足如此高速率的實時數(shù)據(jù)處理要求。因此，本文提出了一種新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)方法，不僅滿足機上大流量、高速率網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控需求，更是在任務(wù)結(jié)束后便可立即對重點關(guān)注的參數(shù)進行結(jié)果快速檢視，有效解決了長期困擾的地面海量數(shù)據(jù)處理速率的瓶頸問題，可為后續(xù)試飛科目的決策下達快速提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于C919型號試飛，在提高試飛安全、縮短試飛周期上發(fā)揮著重要作用。

1 機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通常由實時數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)交換單元和實時監(jiān)控單元組成[4]。其中實時數(shù)據(jù)處理單元是整個系統(tǒng)的核心部分，通常采用機載級工控機和桌面操作系統(tǒng)完成對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的實時接收、解包、分析和參數(shù)工程量轉(zhuǎn)換，并通過網(wǎng)絡(luò)交換單元分發(fā)至各個監(jiān)控顯示單元來實現(xiàn)參數(shù)的機上實時監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)實現(xiàn)監(jiān)控顯示單元與實時數(shù)據(jù)處理單元之間的數(shù)據(jù)通信，因此需要在每臺監(jiān)控顯示單元上部署監(jiān)控軟件。受工控機自身性能及操作系統(tǒng)資源調(diào)度限制，對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的接收和實時處理能力一般不超過40 Mbps，由于以往機載測試參數(shù)相對較少，機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量相對較低，這種模式的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還能夠滿足當(dāng)時型號的需求，但顯然不具備對C919大流量、高速率機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理能力。

1.2 嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

ARINC664等新型航空總線的應(yīng)用和機載網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)的發(fā)展，使得測試參數(shù)量成指數(shù)級增加，機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流已超過60 Mbps甚至更高，不僅對機載實時數(shù)據(jù)處理能力帶來巨大挑戰(zhàn)，同時地面試飛工程師對數(shù)據(jù)結(jié)果快速獲取的需求與海量數(shù)據(jù)處理時間長的現(xiàn)狀形成尖銳矛盾，儼然成為制約試飛效率的重要因素。為了解決這些問題，本文提出了一種嵌入式新型的機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)交換機和監(jiān)控顯示單元組成。其中，嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元是系統(tǒng)的核心，也是在實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)上的重要突破，采用了基于FPGA+DSP架構(gòu)的嵌入式多核處理器設(shè)備，并使用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)作為其運行環(huán)境。采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得功能針對性更強，可以充分利用嵌入式多核處理器資源和高速處理性能，可極大提高對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包實時接收和分析處理能力。

為了充分開發(fā)實時數(shù)據(jù)的價值，解決以往地面數(shù)據(jù)處理等待時間長的難題，將嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元的功能劃分成兩部分：監(jiān)控實時處理子單元和重要參數(shù)快速處理子單元。其中，監(jiān)控實時處理子單元主要根據(jù)機上實時監(jiān)控需求，對監(jiān)控參數(shù)進行預(yù)處理，并將結(jié)果的工程量數(shù)據(jù)打包后通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)至監(jiān)控顯示單元，實現(xiàn)機上的實時監(jiān)控；重要參數(shù)快速處理單元則主要根據(jù)快速處理參數(shù)組，對專業(yè)課題重點專注的參數(shù)進行實時在線處理，并將工程量結(jié)果文件按照任務(wù)要求分組存儲在1號固態(tài)盤，試飛任務(wù)結(jié)束后便可立即將SSD1固態(tài)盤內(nèi)容交給專業(yè)課題人員進行數(shù)據(jù)快速檢視，在短時間內(nèi)可為下一架次的試飛決策提供數(shù)據(jù)支持，省去了地面漫長的數(shù)據(jù)處理等待時間，顯著提高試飛效率。

同時，整個系統(tǒng)采用了C/S+B/S的混合架構(gòu)模式，數(shù)據(jù)收發(fā)采用C/S方式以保證數(shù)據(jù)的實時性，而在畫面調(diào)度和管理上則采用B/S方式，通過在其中一臺監(jiān)控顯示單元上建立WEB站點，實現(xiàn)對監(jiān)控軟件的集中管理。監(jiān)控顯示單元通過瀏覽器請求站點方式實現(xiàn)監(jiān)控軟件的調(diào)度與顯示，簡化監(jiān)控軟件的部署和提高畫面更新與維護效率。

嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可實現(xiàn)不低于110 Mbps的機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收及分析處理能力，能夠完成近15 000個測試參數(shù)(32點/秒)的在線預(yù)處理和多采樣率分組存儲，是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理功能的重要擴充和能力提升。

1.3 新型系統(tǒng)處理流程設(shè)計

嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同時完成機上實時參數(shù)監(jiān)控和重要參數(shù)快速處理兩種功能，以滿足現(xiàn)有型號任務(wù)及數(shù)據(jù)結(jié)果快速獲取的需求，其處理流程如下：

1)加載試驗工程文件，獲取數(shù)據(jù)包KEY值、長度、參數(shù)個數(shù)、采樣率等信息；獲取參數(shù)名稱、包中地址、有效位、字長等信息；

2)加載參數(shù)組文件，獲取監(jiān)控參數(shù)列表和快速處理參數(shù)列表。監(jiān)控參數(shù)列表發(fā)送到監(jiān)控實時處理子單元；快速處理參數(shù)列表發(fā)送到重要參數(shù)快速處理子單元；在兩個子單元內(nèi)部建立對應(yīng)的參數(shù)索引和內(nèi)存映射表；

3)對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行實時采集、解包、參數(shù)挑選和工程量轉(zhuǎn)換，并將采樣率不同的數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)時間對齊處理后存入對應(yīng)緩存；

4)監(jiān)控實時處理子單元按照要求數(shù)據(jù)更新率向監(jiān)控顯示單元發(fā)送監(jiān)控參數(shù)工程量，為試飛工程師提供機上實時監(jiān)控；

5)重要參數(shù)快速處理子單元按照要求的數(shù)據(jù)更新率以數(shù)據(jù)塊形式進行在線存盤；4)和5)多線程并行進行。

6)試飛任務(wù)未結(jié)束，則跳轉(zhuǎn)至3)，否則結(jié)束。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

硬件是軟件行的平臺，軟件是系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)，兩者相輔相成。嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件主要包括任務(wù)管控任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件、基于B/S的畫面調(diào)度與管理軟件、系統(tǒng)管理與維護軟件。

2.1 任務(wù)管控軟件

任務(wù)管控軟件主要用于對機載測試系統(tǒng)中的采集器配置文件(又稱機載格式格柵文件)節(jié)點內(nèi)容進行解析，獲取機載采集器設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包及參數(shù)的詳細信息[5-6]，包括數(shù)據(jù)包的KEY值、長度、參數(shù)個數(shù)、采樣率等信息，以及參數(shù)的名稱、地址、有效位、字長等信息，通過導(dǎo)入?yún)?shù)的校線、有效位等信息，生成嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元識別的試驗工程文件(*.hea)和參數(shù)組文件(*.par)，以此作為嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元進行監(jiān)控參數(shù)處理和重要參數(shù)快速處理的依據(jù)性文件。任務(wù)管控軟件功能組成如圖3所示。

圖3 任務(wù)管控軟件功能組成

1)機載格式格柵解析模塊：對機載格式格柵文件各節(jié)點進行分析，提取網(wǎng)絡(luò)包、參數(shù)等信息，生成原始的試驗工程文件；

2)試驗工程文件導(dǎo)入模塊：用于導(dǎo)入工程文件，為參數(shù)查看或編輯做準備；

3)參數(shù)編輯模塊：實現(xiàn)對參數(shù)的名稱、字長、地址、有效位等信息的編輯功能；

4)校線錄入：為參數(shù)的校線錄入提供人機接口；

5)參數(shù)組提取模塊：從總的參數(shù)列表中提取部分參數(shù)形成一組或者多組文件，用于參數(shù)處理與結(jié)果分組。

2.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件

2.2.1 功能結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件是整個軟件的核心，運行在嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元上，采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，依據(jù)任務(wù)管控軟件生成的試驗工程文件，完成對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行實時接收、解包、監(jiān)控參數(shù)提取、快速處理參數(shù)提取、工程量轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和快速處理參數(shù)結(jié)果分組存儲等。其功能組成如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件功能組成

2.2.2 工作流程

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件首先加載試驗工程文件獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包信息(包ID、包長度、參數(shù)個數(shù)、包采樣率以及組播地址和端口號等)、參數(shù)信息(參數(shù)所在包ID、參數(shù)名稱、字長、校準類型、拼接和取位信息、校準值以及參數(shù)采樣率等)和參數(shù)組信息(監(jiān)控參數(shù)名、重要參數(shù)快速處理參數(shù)名及分組信息等)，并將信息綜合后存放在內(nèi)存的表結(jié)構(gòu)中。然后創(chuàng)建監(jiān)控實時處理環(huán)形緩存、原始數(shù)據(jù)存儲環(huán)形緩存以及重要參數(shù)快速處理環(huán)形緩存，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和存儲。

合理使用多線程技術(shù)可以有效提高程序的運行性能[7]。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件在獲取處理信息及開辟緩存后，創(chuàng)建了實時數(shù)據(jù)接收線程、監(jiān)控參數(shù)處理及快速處理線程、監(jiān)控參數(shù)工程量轉(zhuǎn)發(fā)線程、重要參數(shù)分組存儲線程、原始數(shù)據(jù)存儲線程以及系統(tǒng)配置及維護線程等，線程間通過信號量等多線程同步技術(shù)來進行線程協(xié)調(diào)運行。

同時，為了防止各線程同時對共有緩存區(qū)進行讀寫操作而出現(xiàn)不可預(yù)知的結(jié)果，采用關(guān)鍵代碼段對共有緩存區(qū)進行保護，確保數(shù)據(jù)的可靠性和軟件的穩(wěn)定性。軟件的處理流程如圖5所示。

圖5 軟件處理流程圖

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

在對機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行實時處理的整個過程中，數(shù)據(jù)接收、監(jiān)控參數(shù)與重要參數(shù)快速處理是過程的核心部分，直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的正常性和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確性。數(shù)據(jù)接收、監(jiān)控參數(shù)與重要參數(shù)快速處理的工作流程分別如圖6和圖7所示。在實時接收流程中，首先對接收到的機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的KEY值進行判斷，如果需要處理則將網(wǎng)絡(luò)包推入處理數(shù)據(jù)包環(huán)形緩存中，當(dāng)環(huán)形緩存達到滿狀態(tài)后，就釋放處理信號量對網(wǎng)絡(luò)包進行解析。同時對接收到網(wǎng)絡(luò)包進行原始數(shù)據(jù)存儲。

圖6 機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包接收流程圖

圖7 監(jiān)控參數(shù)與重要參數(shù)快速處理流程圖

對于機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的接收，需要在配置機載采集器時合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)包的大小。包太小，將造成數(shù)據(jù)包的頻率過高，在數(shù)據(jù)的接收和分析過程中容易丟包；包太大，每個包的參數(shù)過多，增加對參數(shù)的分析與處理時間，也會因處理不及時而丟包。對于不需要處理的小包數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接收前可以通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)交換機進行過濾。

監(jiān)控參數(shù)與重要參數(shù)快速處理線程得到信號量后，根據(jù)已獲知的參數(shù)信息從網(wǎng)絡(luò)包中進行提取和工程量轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)參數(shù)的性質(zhì)(監(jiān)控參數(shù)、快速處理參數(shù))推入相應(yīng)的緩存當(dāng)中，當(dāng)緩存達到滿狀態(tài)后，進行監(jiān)控參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)或者重要參數(shù)的存儲。

環(huán)形緩存由16個大小為8 MB的緩存組成，重要參數(shù)快速處理結(jié)果文件存儲在SSD1固態(tài)盤，原始數(shù)據(jù)存儲在SSD2固態(tài)盤。值得注意的是，在轉(zhuǎn)發(fā)頻率的控制上，軟件采用的是頻率參照法實現(xiàn)的，即預(yù)先選取2～3個頻率相同的網(wǎng)絡(luò)包作為參照，當(dāng)接收到該網(wǎng)絡(luò)包時就進行監(jiān)控參數(shù)工程量轉(zhuǎn)發(fā)，可以解決軟件定時誤差大、硬件定時中斷處理繁瑣的問題。選擇2～3個同頻率網(wǎng)絡(luò)包作為數(shù)據(jù)發(fā)送參照，是為了防止某一參照包因自身丟包而造成缺失數(shù)據(jù)發(fā)送參照。

2.3 畫面調(diào)度與管理軟件

畫面調(diào)度與管理軟件采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)，將其中一臺監(jiān)控顯示單元設(shè)計為WEB站點服務(wù)器，實現(xiàn)對監(jiān)控畫面的統(tǒng)一管理與調(diào)用。WEB站點采用SQL Server數(shù)據(jù)庫和APS.NET實現(xiàn)，監(jiān)控計算機使用瀏覽器訪問請求實現(xiàn)監(jiān)控軟件的加載和運行，可簡化機上軟件部署，提高任務(wù)更新與維護效率。

2.4 系統(tǒng)管理與維護軟件

系統(tǒng)管理與維護軟件主要為嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元提供可視化的配置與維護界面，以命令字的方式實現(xiàn)軟件與實時數(shù)據(jù)處理單元間的交互。主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置、任務(wù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)處理單元工作狀態(tài)監(jiān)視以及系統(tǒng)控制等。其中工作狀態(tài)監(jiān)視包括接收數(shù)據(jù)包速率(流量)及丟包統(tǒng)計、轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控參數(shù)數(shù)據(jù)包流量及包速率、固態(tài)盤文件記錄及磁盤空間信息等，便于對系統(tǒng)工作狀態(tài)及時掌握。

3 試驗結(jié)果與分析

嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)機上實時監(jiān)控和對重要參數(shù)的在線快速處理。為了驗證數(shù)據(jù)的正確性，將嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成的結(jié)果數(shù)據(jù)與地面對機載記錄數(shù)據(jù)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比分析，例如圖8所示的某參數(shù)數(shù)據(jù)曲線圖，數(shù)據(jù)結(jié)果值的誤差在課題人員進行數(shù)據(jù)分析允許的范圍內(nèi)，可以直接作為試飛任務(wù)結(jié)束后的快速數(shù)據(jù)分析和為下一次架次試飛決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 數(shù)據(jù)結(jié)果對比圖

4 結(jié)論

嵌入式新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以嵌入式實時數(shù)據(jù)處理單元作為數(shù)據(jù)處理核心，并在功能上分化為監(jiān)控實時處理子單元和重要參數(shù)快速處理子單元兩部分，既滿足了機上對大流量、高速率機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的實時處理與監(jiān)控需求，又通過對重要參數(shù)的在線實時處理與分組存儲功能，極大緩解了地面對海量數(shù)據(jù)處理的時間壓力，實現(xiàn)了80%以上測試參數(shù)的在線預(yù)處理，試飛任務(wù)結(jié)束后便可將記錄結(jié)果文件交給專業(yè)課題進行數(shù)據(jù)分析，能夠在短時間內(nèi)為下一架次試飛決策提供數(shù)據(jù)支持，進而提高試飛效率。新型機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于我國C919大型客機上，在保障試飛安全、提供試飛效率上發(fā)揮著重要作用。同時，本系統(tǒng)模式及實現(xiàn)方法也可為其它機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的建設(shè)提供參考和借鑒。

[1] 黨懷義. 云技術(shù)在飛行試驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J]. 測控技術(shù), 2014(3):49-51.

[2] 王彥慶, 陳彥強, 劉 磊. 機載實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2017, (14): 79-81.

[3] 戴衛(wèi)兵,王文麗. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在ARJ21試飛測試中的應(yīng)用[J]. 測控技術(shù), 2010,29(12):42-43.

[4] 房 瑾, 霍朝暉,聶 睿,等. 機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計工程, 2015,23(6):52-54.

[5] 李五一 , 閆楚良,趙麗娜. 飛行試驗機載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理技術(shù)研究[J]. 計算機測量與控制, 2015,23(10):3515-3517.

[6] 房 瑾, 張國旺,等. 民機機載實時處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 科技信息, 2014(5) :130-131.

[7] 孫 鑫, 余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2006.