陳詠梅

（中國商飛民用飛機試飛中心，上海201323）

0 引言

試飛數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)作為民機試飛過程中的重要決策性支持系統(tǒng)，主要功能是利用可視化控件實時顯示試飛數(shù)據(jù)，反應(yīng)飛機當(dāng)前的試飛狀態(tài)、試驗效果等信息，為指揮人員、保障人員、飛機設(shè)計人員等提供決策依據(jù)。因此，構(gòu)建實時性能卓越、功能豐富的試飛數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)對于增強試飛安全、改進試飛方法策略、提高試飛效率等具有重要意義。

在當(dāng)前試飛模式下，國內(nèi)的主流試飛機構(gòu)往往采用Labview、DataView、VC++等環(huán)境開發(fā)實時監(jiān)控程序，在試飛過程中顯示試飛數(shù)據(jù)，而不能進行復(fù)雜分析和處理[5]，對于試驗點有效性的確認以及飛機安全性狀態(tài)的判斷需要技術(shù)人員進行二次解析、分析，這一重復(fù)性步驟降低了試飛效率，不利于縮短試飛周期。

本文立足于民機試飛模式，從試飛安全監(jiān)控、實時分析等兩個角度，基于數(shù)據(jù)、邏輯、顯示三層架構(gòu)，利用 WPF（Windows Presentation Foundation）技術(shù)設(shè)計了試飛數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多線程同步技術(shù)在傳統(tǒng)監(jiān)控形式上集成了數(shù)據(jù)實時存儲、實時分析、實時回放、信息標(biāo)記與共享等功能，系統(tǒng)特點包括：

1）應(yīng)用WPF技術(shù)能夠逼真的模擬PFD、MFD等機載畫面；

2）三層架構(gòu)易于系統(tǒng)維護；

3）業(yè)務(wù)邏輯、運算、分析與顯示相互獨立，實時性能得到較大提高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試飛數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層與顯示層的三層結(jié)構(gòu)，其原理如圖1所示。

在數(shù)據(jù)層，試飛參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)接口傳入實時數(shù)據(jù)服務(wù)器，由實時數(shù)據(jù)服務(wù)器經(jīng)數(shù)據(jù)解析、封裝，然后以UDP廣播的方式發(fā)送至監(jiān)控終端和應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器作為應(yīng)用層主要設(shè)備，常駐運行數(shù)據(jù)備份緩存、同步、標(biāo)記與共享、告警、實時分析等服務(wù)線程，同時與監(jiān)控終端之間建立面向連接的TCP協(xié)議，以響應(yīng)監(jiān)控終端請求完成數(shù)據(jù)實時回放、分析等功能。主要服務(wù)功能如下：

1）備份緩存服務(wù)：負責(zé)接收數(shù)據(jù)層發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以二進制流的格式寫進數(shù)據(jù)文件以作備份，以響應(yīng)監(jiān)控終端的請求數(shù)據(jù)回放的請求。

2）同步服務(wù)：負責(zé)實現(xiàn)監(jiān)控終端數(shù)據(jù)的實時回放功能，同步服務(wù)為每一臺接入系統(tǒng)的監(jiān)控終端建立10 min～15 min的數(shù)據(jù)緩沖池，當(dāng)接收到監(jiān)控終端的回放請求時，同步服務(wù)根據(jù)監(jiān)控終端的請求時刻從緩沖池中選擇相應(yīng)時長的試飛數(shù)據(jù)、封裝后傳輸至監(jiān)控終端，若請求時刻不在緩沖池中，則同步服務(wù)會從備份二進制文件中讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端進行回放。

3）實時分析：負責(zé)對試飛數(shù)據(jù)進行實時分析，并將分析結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控終端進行實時顯示；

4）告警服務(wù)：負責(zé)調(diào)用告警事件對試飛數(shù)據(jù)進行告警判斷，同時間結(jié)果發(fā)送給實時監(jiān)控終端。

表示層為運行于實時監(jiān)控終端的監(jiān)控畫面程序，采用WPF技術(shù)，利用C#編程語言編輯開發(fā)，數(shù)據(jù)的顯示方式包括動態(tài)曲線、雙態(tài)燈、數(shù)值顯示、虛擬儀表、刷新列表。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 實時監(jiān)控程序開發(fā)

實時監(jiān)控程序通過各類顯示控件實時刷新數(shù)據(jù)，包括前臺UI和參數(shù)驅(qū)動兩個部分。監(jiān)控程序的前臺UI基于WPF中的XAML語言[4]，采用其矢量圖繪制引擎實現(xiàn)，本系統(tǒng)主要顯示數(shù)據(jù)的趨勢、具體數(shù)值、參數(shù)狀態(tài)等，由繪制的曲線繪制框、條圖儀、虛擬儀表、數(shù)值顯示框以及結(jié)合 Grid、StackPanel、DockPanel等布局控件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示：

利用多線程和DataBinding可實現(xiàn)參數(shù)與現(xiàn)實控件的綁定與驅(qū)動。處理原則如下：

1）數(shù)據(jù)顯示刷新率不大于60 Hz采用 Data Binding：利用數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示控件的依賴屬性實現(xiàn)，其模型如圖3所示。

圖2 前臺UI和參數(shù)驅(qū)動

圖3 WPF數(shù)據(jù)驅(qū)動模型

程序語言可描述為：DisplayControl.SetBinding（DependencyProperty dp， Bindingbase binding），其中：

（1） DisplayControl——顯示控件，作為 Binding目標(biāo)；

（2） DependencyProperty——以 DependObject為宿主的依賴屬性，借助其SetValue及GetValue方法進行讀取和寫入；

（3）Bindingbase——用以聲明Binding的數(shù)據(jù)源。

2）數(shù)據(jù)顯示刷新率大于60Hz或曲線動態(tài)繪制采用多線程，利用委托統(tǒng)一主輔線程顯示數(shù)據(jù)，流程如圖4所示。

圖4 多線程顯示

2.2 備份緩存及同步服務(wù)

如前所述，數(shù)據(jù)備份緩存及同步服務(wù)主要是利用數(shù)據(jù)文件及內(nèi)存實時存儲數(shù)據(jù)，以作為實時回放的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)流程如圖5所示。

首先從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)數(shù)組長度；當(dāng)獲取的數(shù)據(jù)長度大于0（即緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)）時，提取數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)組；最后將提取的字節(jié)寫入數(shù)據(jù)存儲文件。

2.3 實時回放

實時回放是指在試飛數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的過程中監(jiān)控人員可對歷史數(shù)據(jù)進行實時回看，以檢查數(shù)據(jù)有效性和飛行異常，回放過程與實時監(jiān)控鏈路相對獨立，回放結(jié)束后可切換至實時監(jiān)控狀態(tài)。根據(jù)實際需求，本系統(tǒng)支持5 min～10 min以及全時間歷程的數(shù)據(jù)回放。系統(tǒng)工作時，應(yīng)用服務(wù)器偵聽實時監(jiān)控終端的回放請求，根據(jù)回放時間刻度從內(nèi)存數(shù)據(jù)文件中提取歷史數(shù)據(jù)完成回放，其工作流程如圖6所示。

2.4 實時分析

本系統(tǒng)基于實際試飛需求，集成了快速傅里葉變化（FFT）和數(shù)字濾波等典型數(shù)據(jù)分析方法，同時對實時分析狀態(tài)下的系統(tǒng)性能進行了分析。

2.4.1 快速傅里葉變換（FFT）

對于復(fù)數(shù)序列 x0，x1，...，xn-1，其離散傅里葉變換可以表示為：

式中：

2.4.2 數(shù)字濾波

本系統(tǒng)采用Buttertworth數(shù)字濾波器，主要涉及參數(shù)包括濾波器階數(shù)和截止頻率，可通過式（4）計算得出[2]。

式中：

ωc—— 截止頻率；

N——濾波器階數(shù)；

ωs—— 阻帶邊界頻率；

Rs—— 阻帶衰減（dB）。

實時分析過程利用多線程技術(shù)實現(xiàn)，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)實時監(jiān)控終端請求完成數(shù)據(jù)計算過程，同時將計算結(jié)果發(fā)送給訂閱的實時監(jiān)控終端，實現(xiàn)流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)實時分析流程

3 試驗

試驗數(shù)據(jù)源為仿真數(shù)據(jù)源，采用UDP廣播通信方式，每隔100ms發(fā)出200個參數(shù)，應(yīng)用層格式協(xié)議如圖8所示。

圖8 基于UDP的應(yīng)用層協(xié)議格式

其中：

連接字符為“&”；標(biāo)識字符為參數(shù)名稱；分隔字符為“，”；結(jié)束字符為“#”。

因此，應(yīng)用層數(shù)據(jù)可表示為 “12：23：59：242&Time，7.6284&Param1，…，4.6790&Param200#”。實時監(jiān)控程序與應(yīng)用服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)后，首先將Byte數(shù)組按照約定編碼格式（即Unicode）轉(zhuǎn)換成字符串[3]，然后以分隔符（“，”）將字符串拆分為參數(shù)數(shù)組，最后對該數(shù)組進行輪循，針對每一項按照連接字符（“&”）拆分并根據(jù)參數(shù)標(biāo)識符定位、綁定參數(shù)。實時監(jiān)控程序運行狀態(tài)如圖9所示。

圖9 實時監(jiān)控程序運行狀態(tài)

試驗中用于實時分析的參數(shù)由三個正弦信號復(fù)合而成，頻率分別為 0.5、1、1.5，幅值為 10、5、15，如式（5）所示：

分析結(jié)果如圖10所示，表1為原始信號，表2為濾波后幅值為15的正弦信號，表3、表4分別是原始信號及濾波后信號的FFT分析結(jié)果。根據(jù)式（6）、（7）計算信號頻率成分及對應(yīng)幅值。

式中：

f——信號頻率；

n——數(shù)據(jù)量；

fs——FFT計算后的頻率；

N——FFT幅頻譜數(shù)據(jù)點數(shù)，這里取值512；

A——信號幅值；

Af——FFT計算后的幅值。

圖10 數(shù)據(jù)實時分析結(jié)果

根據(jù)FFT分析出的雙邊幅頻譜可見，F(xiàn)FT分析過程準(zhǔn)確地識別了信號中的頻率成分。系統(tǒng)延時可利用同步狀態(tài)下的絕對時間差計算Δt=|t1-t2|=77ms，其中t1是接收數(shù)據(jù)的絕對時間，t2是完成處理后的絕對時間。

4 結(jié)論

本文數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層三層架構(gòu)，采用WPF技術(shù)設(shè)計了試飛數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)。通過試驗，系統(tǒng)模擬了試飛狀態(tài)，以UDP/IP為傳輸協(xié)議，在保證系統(tǒng)實時性能的前提下，合理的調(diào)配任務(wù)線程實現(xiàn)了在實時監(jiān)控過程中對試飛數(shù)據(jù)的實時存儲、備份、分析和回放等功能，為試飛數(shù)據(jù)監(jiān)控模式技術(shù)創(chuàng)新提供了新的參考依據(jù)。