(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試所，西安 710089)

0 引言

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代飛行器的集成度和復(fù)雜度越來越高[1-2]，傳統(tǒng)的單架次單科目試飛遠(yuǎn)不能滿足飛行試驗(yàn)的需求，多科目試飛已經(jīng)成為飛行試驗(yàn)發(fā)展的必然選擇。多科目試飛需要的參數(shù)量大、采樣率高[3-4]，為解決這一問題，當(dāng)前飛行試驗(yàn)已廣泛采用網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試架構(gòu)下采集器將采集的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)包的形式發(fā)送至測(cè)試系統(tǒng)，多科目需要處理的參數(shù)就分布在這些網(wǎng)絡(luò)包中[5]。由于數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)包的形式在測(cè)試系統(tǒng)上傳輸，所以可以使用機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，這會(huì)極大地縮短獲取結(jié)果數(shù)據(jù)的時(shí)間。但是實(shí)時(shí)處理設(shè)備是機(jī)載嵌入式設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)處理的性能有限，如果沒有高效的多流多科目數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)時(shí)處理時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤從而得到不到正確的處理結(jié)果[3]。對(duì)于當(dāng)前多數(shù)據(jù)流多科目數(shù)據(jù)處理的需求，如何在多數(shù)據(jù)流的情況下實(shí)時(shí)處理多個(gè)科目，在機(jī)載實(shí)時(shí)處理設(shè)備性能允許的范圍內(nèi)，以最大的效率處理數(shù)據(jù)，是飛行試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

1 多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

1.1 多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理特點(diǎn)

飛行試驗(yàn)是武器裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)的三大環(huán)節(jié)之一[6-7]，現(xiàn)代飛行器在飛行試驗(yàn)階段需要處理性能、品質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)、雷達(dá)、航電等眾多試飛科目的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)單架次單科目的數(shù)據(jù)處理方式不能滿足眾多試飛科目的需求，為了提高試飛數(shù)據(jù)處理的效率和及時(shí)性，多科目試飛數(shù)據(jù)處理成為飛行試驗(yàn)的必然選擇[8]。另外由于武器裝備的試飛周期比較緊，多科目數(shù)據(jù)處理有助于加快飛行試驗(yàn)的進(jìn)度，縮短試飛周期。

多科目試飛數(shù)據(jù)處理需求的測(cè)試參數(shù)多、采樣率大，某型飛機(jī)在進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)需要采集一百多條數(shù)據(jù)流，處理三十多個(gè)科目，共計(jì)四萬多個(gè)參數(shù)、科目的采樣率從8到2048不等[9-10]。為了解決參數(shù)個(gè)數(shù)多，采樣率高的問題，現(xiàn)在飛行試驗(yàn)中廣泛采用網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)下，采集器將采集的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)包的形式發(fā)送至測(cè)試系統(tǒng)，多臺(tái)采集器會(huì)發(fā)送多條網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，多科目需要處理的參數(shù)就分布在這些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中[11-12]。

為提高數(shù)據(jù)處理的效率，眾多型號(hào)在飛行試驗(yàn)過程中使用了機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)接收機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)，然后根據(jù)多科目處理參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果寫入結(jié)果文件[13]。機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理極大地縮短了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間，但是由于多科目處理時(shí)參數(shù)數(shù)量多且采樣率大，而機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理設(shè)備的性能有限，所以需要設(shè)計(jì)高效的多流多科目數(shù)據(jù)處理算法，使得數(shù)據(jù)處理設(shè)備能夠滿足多流多科目數(shù)據(jù)處理的需求。多流多科目數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理如圖1所示。

圖1 多流多科目數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

根據(jù)實(shí)際試飛數(shù)據(jù)處理的情況，總結(jié)出多流多科目數(shù)據(jù)處理有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)有多條網(wǎng)絡(luò)流，每條數(shù)據(jù)流由連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)包組成，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包有各自獨(dú)立的KEY值，該值是該網(wǎng)絡(luò)流的唯一標(biāo)識(shí)；

2)網(wǎng)絡(luò)包的帶寬比較高，例如某型機(jī)可達(dá)50～60 Mbps，在實(shí)時(shí)處理時(shí)需要快速處理網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤；

3)每個(gè)科目都有各自的參數(shù)組，實(shí)時(shí)處理時(shí)需要根據(jù)每個(gè)科目的參數(shù)組處理數(shù)據(jù)，處理完成后將科目需要的結(jié)果發(fā)給課題；

4)每個(gè)科目需求的采樣率是一固定值，但科目之間的采樣率不完全一致;

5)同一參數(shù)在不同科目中需要處理的采樣率不完全一致，但參數(shù)的采樣率和課題需求的采樣率一致；

6)多科目需要的參數(shù)可能出現(xiàn)重復(fù)，例如：氣壓高度、馬赫數(shù)等飛機(jī)基本參數(shù)幾乎所有的科目都需要進(jìn)行處理。

1.2 多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法

為解決多流多科目實(shí)時(shí)處理時(shí)的效率問題，設(shè)計(jì)多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法，最簡(jiǎn)單的辦法是將多科目數(shù)據(jù)按照單科目數(shù)據(jù)處理的方法逐個(gè)處理，具體做法是：讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，處理第一個(gè)科目的參數(shù)，第一個(gè)科目的參數(shù)處理完后處理第二個(gè)科目的參數(shù)，以此類推，直至處理完所有的科目，然后讀取下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的處理。按照單科目處理方法循環(huán)處理存在如下幾個(gè)方面的問題：

1)算法的處理效率比較低，對(duì)于多科目中的重復(fù)參數(shù)處理多次，浪費(fèi)了寶貴的計(jì)算資源。

2)單科目處理完后需要寫入結(jié)果文件，頻繁地進(jìn)行I/O操作，CPU的利用率不高；

3)數(shù)據(jù)處理時(shí)大量時(shí)間花費(fèi)在對(duì)參數(shù)的輪詢查找上了，浪費(fèi)了時(shí)間資源，難以保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

因?yàn)槎嗫颇繀?shù)中有部分參數(shù)會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，所以一個(gè)高效的辦法是：將多科目參數(shù)合并成一個(gè)參數(shù)列表，合并參數(shù)列表中包含所有的多科目處理參數(shù)且參數(shù)沒有重復(fù)，在處理時(shí)按照合并后的多科目參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理完成后將數(shù)據(jù)進(jìn)行分流得到各科目的處理結(jié)果。采用多科目數(shù)據(jù)合并處理的有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)多科目參數(shù)中重復(fù)的參數(shù)只用處理一次，極大地提高了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的效率；

2)可以通過合理設(shè)置數(shù)據(jù)緩存的辦法，減少I/O操作，提高CPU的利用率，在同等設(shè)備性能的情況下可以處理更多的參數(shù)；

3)數(shù)據(jù)處理時(shí)只需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行一遍輪詢查找，節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，提高了實(shí)時(shí)性。

由此可知：采用“合并-處理-分流”方法處理多流多科目數(shù)據(jù)，能夠有效提高數(shù)據(jù)處理的效率、保證實(shí)時(shí)性，所以將其作為機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)的多流多科目處理算法。

2 多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn)

為解決多數(shù)據(jù)流情況下試飛科目的快速增長(zhǎng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理效率之間的矛盾，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法，在保證數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)多科目數(shù)據(jù)的高效快速處理。按照“合并-處理-分流”的方法，首先將多科目處理參數(shù)按照參數(shù)基本信息進(jìn)行合并，形成合并參數(shù)列表，在合并參數(shù)列表中參數(shù)不會(huì)重復(fù)且沒有缺失，同時(shí)該列表是實(shí)時(shí)處理時(shí)需要處理的參數(shù)列表；然后在實(shí)時(shí)處理時(shí)，讀取并分析每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)，對(duì)合并參數(shù)列表中的參數(shù)進(jìn)行碼值提取和物理量轉(zhuǎn)化，通過合理設(shè)置緩沖區(qū)，將處理的結(jié)果數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)中；最后在處理完成后，按照數(shù)據(jù)分流的方法，將多科目中的每個(gè)參數(shù)從緩沖區(qū)中讀取出來寫入多科目的結(jié)果文件中，至此完成多流多科目數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。該算法的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多流多科目數(shù)據(jù)處理算法結(jié)構(gòu)

2.1 合并多科目處理參數(shù)

合并多科目處理參數(shù)有助于減少實(shí)時(shí)處理時(shí)對(duì)于多科目參數(shù)中重復(fù)參數(shù)的重復(fù)處理，所以數(shù)據(jù)合并時(shí)以減少參數(shù)重復(fù)為主要合并原則，多科目參數(shù)合并的方法是：

1)剔除多科目參數(shù)中重復(fù)的參數(shù)，保證合并參數(shù)列表中每個(gè)參數(shù)只出現(xiàn)一次，并且沒有遺漏；

2)對(duì)于同一參數(shù)的不同采樣率，取最大的采樣率作為合并參數(shù)列表的采樣率；

最終形成的合并參數(shù)列表包含的參數(shù)為P1、P2、…、Pn,采樣率分別為S1、S2、…Sn。此外為了在數(shù)據(jù)處理時(shí)準(zhǔn)確定位某個(gè)數(shù)據(jù)包里要處理的參數(shù)，還需要分析合并參數(shù)列表中每個(gè)參數(shù)所屬的數(shù)據(jù)包。具體做法是：

1)分析機(jī)載信息配置文件，讀取網(wǎng)絡(luò)包的參數(shù)信息，將參數(shù)名和數(shù)據(jù)包一一對(duì)應(yīng)，找出機(jī)載測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包中都包含哪些參數(shù)；

2)按照合并參數(shù)列表的參數(shù)名查找每個(gè)參數(shù)所屬的數(shù)據(jù)包，形成待處理數(shù)據(jù)包列表，并詳細(xì)列出每個(gè)待處理數(shù)據(jù)包中包含的待處理參數(shù)。

2.2 合并參數(shù)實(shí)時(shí)處理

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，如果對(duì)于每個(gè)參數(shù)進(jìn)行解算完成之后直接寫入結(jié)果文件，這樣會(huì)頻繁的進(jìn)行I/O操作,降低了CPU的利用率,所以需要設(shè)置緩存來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果，處理完成后再進(jìn)行存儲(chǔ)。為了方便處理及實(shí)現(xiàn)，以一秒的結(jié)果數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行緩存，設(shè)計(jì)圖3所示的緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)為一個(gè)數(shù)組，數(shù)組前三個(gè)元素存放時(shí)、分、秒信息，后面的元素存放合并參數(shù)列表的處理結(jié)果。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將一秒鐘數(shù)據(jù)處理的結(jié)果放入該緩存中，當(dāng)緩沖區(qū)存滿后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流寫入多科目的結(jié)果文件中，然后清空緩存區(qū)繼續(xù)存儲(chǔ)下一秒的數(shù)據(jù)。

TIME……

圖3 實(shí)時(shí)處理緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)

合并參數(shù)列表中的參數(shù)處理結(jié)果在緩沖區(qū)的存放的原則是：

1)每個(gè)參數(shù)按照采樣率的大小占據(jù)緩存中的連續(xù)元素，參數(shù)Pi的采樣率為Si,那么該參數(shù)在緩存中占據(jù)Si個(gè)連續(xù)元素；

3)每個(gè)參數(shù)的緩沖區(qū)的元素按序存放采樣時(shí)刻的參數(shù)值，例如參數(shù)Pi的采樣率為8，那么這8個(gè)元素依次存放000、125、250、375、500、625、750、875毫秒時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

緩沖區(qū)設(shè)置完成之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理過程主要是在網(wǎng)絡(luò)流中找出待處理數(shù)據(jù)包和待處理參數(shù)，然后進(jìn)行碼值提取及物理量轉(zhuǎn)化，最后將結(jié)果寫入緩存中，具體過程如圖4所示。

1)讀取網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)，判讀網(wǎng)絡(luò)包的KEY值，分析其是否屬于需要處理的網(wǎng)絡(luò)包，若不需要處理，則跳過該數(shù)據(jù)包讀取下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包；

2)分析數(shù)據(jù)包處理列表，找出需要處理的網(wǎng)絡(luò)包都包含哪些待處理參數(shù)，詳細(xì)列出處理參數(shù)的信息，包括參數(shù)名、采樣率、校準(zhǔn)方式等

3)對(duì)于每一個(gè)需要處理的參數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)包中進(jìn)行碼值提取及物理量轉(zhuǎn)化。碼值提取可通過直接取值的方式獲取，一般包括單字提取、雙字提取、三字提取和四字提取；物理量轉(zhuǎn)化是將碼值按照參數(shù)校準(zhǔn)的方式轉(zhuǎn)化成物理量，校準(zhǔn)方式一般包括點(diǎn)對(duì)校準(zhǔn)、直線校準(zhǔn)、雙曲線校準(zhǔn)、多項(xiàng)式校準(zhǔn)等；

4)判斷該網(wǎng)絡(luò)包的時(shí)間，分析待處理的參數(shù)屬于緩存中的位置，將處理參數(shù)的結(jié)果按照參數(shù)在緩存中的存放方法放在緩存中；

5)讀取下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包，重復(fù)進(jìn)行上述操作，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程

2.3 多科目參數(shù)數(shù)據(jù)分流

數(shù)據(jù)處理時(shí)將處理結(jié)果放入了緩存中，但課題需要的是單個(gè)科目的結(jié)果文件，所以需要將緩存中的數(shù)據(jù)寫入結(jié)果文件中。緩存中存儲(chǔ)的是合并參數(shù)列表中的數(shù)據(jù)，而要得到多課題結(jié)果文件就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流。在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存滿后進(jìn)行分流并將結(jié)果寫入課題需求的結(jié)果文件中，數(shù)據(jù)分流的方法是：

1)分析每一個(gè)科目的參數(shù)在合并參數(shù)列表中的位置，比較每一個(gè)科目參數(shù)需求的采樣率與綜合參數(shù)列表中該參數(shù)的采樣率，用綜合參數(shù)采樣率除以需求采樣率得到緩存中的取值步長(zhǎng)。

2)分析第一個(gè)科目的參數(shù)，按照該科目待處理參數(shù)的順序，依次在緩沖區(qū)中進(jìn)行取值，先取第一個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)步長(zhǎng)依次取下一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，把該秒的參數(shù)值都寫入文件中；

3)按照步驟2)的方法處理其他科目的參數(shù)，將所有科目數(shù)據(jù)分流完成并將處理的物理量寫入結(jié)果文件中；

4)改變緩沖區(qū)前三個(gè)元素的時(shí)間，將秒數(shù)加一，然后該緩沖區(qū)存儲(chǔ)下一秒的處理數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)存滿后，重復(fù)進(jìn)行上述操作，完成數(shù)據(jù)分流。

經(jīng)過“合并-處理-分流”的過程，所有科目中需求參數(shù)都已完成處理，每個(gè)科目都能得到正確的處理結(jié)果，并且多科目中的參數(shù)都不會(huì)被重復(fù)計(jì)算，這樣節(jié)省了時(shí)間和空間資源，保證了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了多流多科目數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理算法，應(yīng)用該算法處理多流多科目數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中使用某型號(hào)的機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理設(shè)備為系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，以某機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)流為處理對(duì)象，該系統(tǒng)共有128條網(wǎng)絡(luò)流。數(shù)據(jù)處理時(shí)共需要處理9個(gè)試飛科目，共計(jì)1 814個(gè)處理參數(shù)，多科目的名稱、采樣率、參數(shù)個(gè)數(shù)信息如表1所示。

表1 多科目參數(shù)信息

在多科目處理參數(shù)中，氣壓高度是所有科目都關(guān)注的參數(shù)，以該參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確與否的判斷依據(jù)。按照“合并-處理-分流”的方法處理多流多科目參數(shù)，合并后的參數(shù)列表中共有1 258個(gè)處理參數(shù)，每個(gè)參數(shù)的采樣率不等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理完成后，在每個(gè)課題的結(jié)果文件中分析氣壓高度的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)所有課題的氣壓高度數(shù)值相同。氣壓高度處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 氣壓高度處理結(jié)果

由數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可知，多流多科目數(shù)據(jù)處理算法的處理過程正確，對(duì)參數(shù)合并后能有效減少數(shù)據(jù)處理時(shí)的參數(shù)個(gè)數(shù)，并且能夠得到準(zhǔn)確的處理結(jié)果。基于該算法設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)中，有助于提高數(shù)據(jù)處理的效率，加快試飛進(jìn)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多流多科目數(shù)據(jù)處理的需求，提出了一種基于“合并—處理—分流”方法的多流多科目實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法，首先將多科目數(shù)據(jù)處理參數(shù)參數(shù)名、采樣率等信息進(jìn)行合并，形成一個(gè)合并處理參數(shù)列表，該參數(shù)列表包含了處理參數(shù)的基本信息；然后在實(shí)時(shí)處理時(shí)按照合并參數(shù)列表對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果存儲(chǔ)在緩存中；處理結(jié)束后通過書分流的辦法獲取處理結(jié)果，并將結(jié)果寫入課題需求的結(jié)果文件中。在試驗(yàn)總測(cè)試了該算法的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效解決多流多科目數(shù)據(jù)處理的問題，在得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)處理結(jié)果的同時(shí)大幅提高數(shù)據(jù)處理的效率。