仇 釬，陸 超，馬前容，劉慧芳

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621700；2.首都航天機(jī)械公司，北京100044)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，試驗(yàn)性能分析人員需要快速完成數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、處理、分析和結(jié)果評(píng)定等多項(xiàng)工作，為項(xiàng)目決策者提供關(guān)鍵信息。近年來(lái)，隨著試驗(yàn)類(lèi)型、任務(wù)量和試車(chē)時(shí)數(shù)的快速增長(zhǎng)，用戶(hù)對(duì)試驗(yàn)安全性與信息及時(shí)性的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析程序已無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。國(guó)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析技術(shù)正朝著通用化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，如AEDC(美國(guó)阿諾德工程發(fā)展中心)、AF?FTC(美國(guó)空軍飛行試驗(yàn)中心)和NAVAIR(美國(guó)海軍航空司令部)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的通用分析系統(tǒng)CAP[1-2]，其主要特點(diǎn)是采用了通用分析方法與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、通用基礎(chǔ)架構(gòu)和統(tǒng)一開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。而國(guó)內(nèi)主要仍以面向過(guò)程和面向?qū)ο蟮膶?zhuān)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為主[3-4]，各試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)工作相對(duì)獨(dú)立，且存在一定重復(fù)。

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)和地面臺(tái)試驗(yàn)的性能數(shù)據(jù)分析需求，以面向服務(wù)的插件框架技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能分析通用平臺(tái)(CATPAP)的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案并完成了軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。經(jīng)多個(gè)試車(chē)臺(tái)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有統(tǒng)一的業(yè)務(wù)界面，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，顯著提升了試車(chē)臺(tái)的數(shù)據(jù)分析效率，為試驗(yàn)性能分析應(yīng)用軟件的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)提供一個(gè)便捷的平臺(tái)。

2 系統(tǒng)集成與框架設(shè)計(jì)

試驗(yàn)性能分析是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為信息流的多任務(wù)過(guò)程集合，需要并行開(kāi)展數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證、性能預(yù)測(cè)、故障識(shí)別與診斷、穩(wěn)態(tài)/過(guò)渡態(tài)性能數(shù)據(jù)處理與分析(包括實(shí)時(shí)處理和后處理)。隨著試驗(yàn)任務(wù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)性和有效性要求的提升，要開(kāi)展不同業(yè)務(wù)的處理軟件集成。傳統(tǒng)的面向過(guò)程或面向?qū)ο蟮募煞绞?，過(guò)程函數(shù)或?qū)ο蠼M件只能應(yīng)用于固定任務(wù)，缺乏通用性和擴(kuò)展性。目前企業(yè)級(jí)應(yīng)用集成較為理想的一種解決方案是面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)[5]，其高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)原則可確保系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)業(yè)務(wù)的需要對(duì)服務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和快速重組。但SOA尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前最常用的技術(shù)包括Web Service和插件技術(shù)。前者可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言的互操作，最大程度地復(fù)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)及應(yīng)用[6]；后者采用標(biāo)準(zhǔn)接口將不同功能分別封裝，降低模塊間的耦合程度，實(shí)現(xiàn)軟件服務(wù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展[7]。本文將二者相結(jié)合，基于軟件分層的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)制定發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能分析的公共數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)、互操作規(guī)范及界面規(guī)范等，建立起一個(gè)支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和互操作、可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的分布式插件框架平臺(tái)(圖1)。此平臺(tái)作為一個(gè)服務(wù)容器，提供插件接口規(guī)范、配置管理、服務(wù)發(fā)布、部署和更新管理、異常與日志管理、事件發(fā)布與訂閱等服務(wù)。用戶(hù)可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的需求在線定制不同的業(yè)務(wù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)性能處理不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)集成。插件開(kāi)發(fā)人員則無(wú)需考慮繁雜的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與底層服務(wù)，可專(zhuān)注于分析業(yè)務(wù)插件的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

3 主要插件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)服務(wù)

目前行業(yè)內(nèi)尚未統(tǒng)一發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，不同試車(chē)臺(tái)的數(shù)據(jù)格式各異，信息完整度不同，不利于數(shù)據(jù)的使用[8]。為滿(mǎn)足性能分析對(duì)信息完備性的需求，本文定義的數(shù)據(jù)類(lèi)包含了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的任務(wù)、科目、試驗(yàn)點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、通道配置、時(shí)間、歷程數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)時(shí)均值、壞點(diǎn)剔換信息、軟件配置和試驗(yàn)事件等信息(圖2(a))。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用于不同的試車(chē)臺(tái)和不同類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，具有較好的交互性、通用性和完備性，可滿(mǎn)足試驗(yàn)性能分析需求。在統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)服務(wù)采用事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和多線程處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能處理多個(gè)業(yè)務(wù)操作的并發(fā)執(zhí)行(圖2(b))。

3.2 組態(tài)視圖

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)和臺(tái)份的增多，專(zhuān)用性能分析程序需要反復(fù)更改源代碼并重新編譯，難以滿(mǎn)足試車(chē)臺(tái)日益提升的通用性需求。如圖3所示，將工業(yè)監(jiān)控軟件和發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件中使用的組態(tài)建模方法引入到試驗(yàn)性能分析中，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)與熱力學(xué)基礎(chǔ)算法、發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算方法、信號(hào)處理算法和統(tǒng)計(jì)算法的梳理與封裝，建立起通用的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能分析專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)庫(kù)，與組態(tài)視圖控件進(jìn)行融合。用戶(hù)通過(guò)圖形交互界面構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能處理模型，可快速完成不同試驗(yàn)對(duì)象的性能處理任務(wù)[9]。

3.3 試驗(yàn)性能處理

試驗(yàn)性能處理的主要任務(wù)包括性能參數(shù)計(jì)算和過(guò)渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)兩類(lèi)。穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)計(jì)算一般分為實(shí)時(shí)計(jì)算和后處理計(jì)算兩種，前者是對(duì)實(shí)時(shí)接收的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和發(fā)布，后者是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)均值進(jìn)行后處理計(jì)算和存儲(chǔ)。過(guò)渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計(jì)是對(duì)歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)設(shè)定條件完成時(shí)間、瞬時(shí)值、極值和均值等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行狀態(tài)判別、故障識(shí)別和有效性判別等。

由組態(tài)視圖插件構(gòu)建的穩(wěn)態(tài)分析模型可以根據(jù)實(shí)時(shí)和后處理的不同需求進(jìn)行參數(shù)配置，實(shí)時(shí)計(jì)算由數(shù)據(jù)事件驅(qū)動(dòng)，后處理計(jì)算由狀態(tài)事件驅(qū)動(dòng)；過(guò)渡態(tài)分析模型則可以根據(jù)過(guò)渡態(tài)統(tǒng)計(jì)需求進(jìn)行濾波、變換和判別邏輯參數(shù)配置，其參數(shù)統(tǒng)計(jì)與狀態(tài)判別等任務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)事件驅(qū)動(dòng)，與CAP類(lèi)似，可通過(guò)組態(tài)的邏輯組合設(shè)置不同類(lèi)型的過(guò)渡態(tài)狀態(tài)判別[10]。圖4為典型的性能處理流程圖。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)的邏輯組合識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中事件的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并驅(qū)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)分析任務(wù)的自動(dòng)化處理。

3.4 狀態(tài)監(jiān)視

試驗(yàn)過(guò)程中，性能處理人員還可通過(guò)動(dòng)態(tài)添加歷程曲線、XY曲線、測(cè)點(diǎn)分布圖與幅頻特性圖等數(shù)據(jù)可視化控件，選擇不同的測(cè)試參數(shù)或性能計(jì)算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)、設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視，提升故障判別效率。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

在Net Framework 4.0框架下，利用C#的反射、互操作、異步委托、網(wǎng)絡(luò)與并性編程等技術(shù)構(gòu)建了面向服務(wù)的插件框架平臺(tái)，完成了事件與數(shù)據(jù)服務(wù)、狀態(tài)監(jiān)視插件、穩(wěn)態(tài)性能處理插件和起動(dòng)特性分析插件的開(kāi)發(fā)與集成，如圖5所示。分別在高空臺(tái)和地面臺(tái)上完成了多型發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中，可以在統(tǒng)一界面下同時(shí)開(kāi)展穩(wěn)態(tài)性能處理和起動(dòng)特性分析，并實(shí)時(shí)監(jiān)視相關(guān)測(cè)試參數(shù)，完成試驗(yàn)性能分析多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行。原來(lái)由人工處理的很多任務(wù)實(shí)現(xiàn)了軟件自動(dòng)處理，提升了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的工作效率。此外，還開(kāi)展了自動(dòng)試車(chē)記錄插件和高空臺(tái)附加阻力分析插件等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)流和事件流的自動(dòng)處理應(yīng)用設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，平臺(tái)的通用性與易擴(kuò)展性也得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建的CATPAP摒棄了以往傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠡蛎嫦蚪M件的集成方式，以面向服務(wù)的插件框架技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)服務(wù)、組態(tài)視圖、性能處理和狀態(tài)監(jiān)視進(jìn)行了系統(tǒng)集成。經(jīng)多個(gè)試車(chē)臺(tái)應(yīng)用驗(yàn)證，該平臺(tái)可顯著提升試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)分析效率，為試驗(yàn)性能分析自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)途徑提供了一種參考。但目前僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理，還需要擴(kuò)展仿真、信號(hào)處理、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比和故障診斷等模塊，完善系統(tǒng)自動(dòng)分析功能，進(jìn)一步探索智能化的試驗(yàn)性能分析專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，并開(kāi)展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。

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