基于VC++的飛機載荷譜數據可視化技術?

李五一, 閆楚良, 田兆鋒, 孟慶瑞

(北京飛機強度研究所 北京,100083)

引 言

載荷譜是飛機定壽、延壽和結構可靠性設計的基礎,為獲取載荷譜必須進行大量的實測飛行,取得能夠代表真實情況的典型載荷-時間歷程。早期數據處理大量采用人工計數處理的方式,這種辦法顯然不能滿足現代載荷譜測量的需要。從20世紀70年代開始,計算機作為輔助的數據處理手段被引入到飛機載荷譜數據處理中,隨著測試技術和設備的發展,數據量呈現爆炸式的增長,采集的數據具有類型復雜、數據量大的特點,對于不同的機型,采集參數不同,數據結構也不相同[1-4],單一的數據處理工具Excel,Matlab根本無法滿足用戶的需求,數據可視化技術的發展為存儲、組織和管理、分析和處理海量數據提供了一條有效地技術途徑。

1 數據可視化與飛機載荷譜的關系

近年來,隨著計算機技術特別是圖形學技術的迅猛發展,可視化技術涵蓋了更廣泛的內容,出現了數據可視化的概念。數據可視化(data visualization)技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術,將數據轉換為圖形、圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等多個領域,成為研究數據表示、數據處理、決策分析等一系列問題的綜合技術[5-7]。利用數據可視化技術可將飛機載荷譜實測數據及相關信息的處理及分析方法與先進的圖形技術結合起來,形象地表達數據和計算結果,從而加快數據處理效率。數據可視化技術可以使用圖形、曲線等方式顯示實測數據,使用戶對數據的有效性判斷更準確,剖析更清晰;數據可視化技術能夠為處理數據提供人機交互的手段,實現用戶與計算機之間交流與反饋的機制,是將專家知識與經驗作用于計算機的橋梁;數據可視化技術可以以三維圖形動態模擬飛機和儀表在飛行時的實際狀態,直觀準確地反映飛機的實際飛行姿態和飛行過程、駕駛艙儀表實際工作情況等,真實再現飛行過程。如果能充分利用數據可視化技術豐富的圖形表達能力,在準確表達原始數據的基礎上,通過人機交互融入用戶自身的專家知識與經驗,能夠達到快速準確地分析處理飛機載荷譜數據的目的[8-9]。

2 數據可視化模型

飛機載荷譜數據具有數據量大、類型復雜等特點[10-11],根據飛機載荷譜數據資源特點提出了 3層結構模型:a.底層數據層;b.中間語言層;c.頂層用戶端,如圖1所示。

圖1 數據可視化3層結構模型

2.1 底層數據層

底層數據層是數據可視化數據準備階段,是數據存儲的地方,提供飛機載荷譜實測數據和描述性的文檔。由于實測數據量很大,全部數據可能分布在多臺服務器上存儲和管理,形成了實測數據存儲服務器組,而非結構化數據分布在文檔存儲服務器上,可以針對不同的應用選取不同的數據源。

2.2 中間語言層

中間語言層是數據可視化設計的關鍵部位,針對飛機載荷譜數據資源的特點設計了柔性數據層(flexible data layer,簡稱FDL)。柔性數據層是為了適應不同格式飛機實測數據文件而實現的一個抽象層,完成頂層用戶端與底層數據層之間的交互訪問操作,將用戶操作和數據庫訪問相隔離。柔性數據層FDL的具體結構如圖 2所示。

柔性數據層 FDL包括以下幾部分:

1)底層的 FDL Interface文件接口層:配合不同的數據描述文件,實現不同結構文件的實測數據的物理讀取;

圖2 柔性數據層結構圖

2)物理量轉換層:將測量碼值根據標定數據處理結果轉換為物理量,內含轉換公式解釋器,提供使用文本形式配置轉換公式的能力;

3)當量修正層:將物理量進行當量修正等的轉換,得到真實的物理量;

4)虛擬參數:又稱為導出參數,該參數并沒有真正地測量,可以通過一個或多個實測參數經過計算導出,但對頂層應用軟件,就像是真實測量的參數一樣,故稱為虛擬參數;

5)用戶自定義插件 DLL:對于虛擬參數無法描述,或者計算方法比較特殊的自定義參數,還提供了DLL插件規范和模板,用戶按照規范書寫,包含相應格式計算函數的 DLL既可進行擴充;

6)SmartRT動態數據接口:用于讀取各種采集設備所傳送的動態數據流;

7)應用編程接口(API):使得在 FDL基礎上開發的數據處理程序使用統一的模式對數據進行讀取,而不再需要考慮物理數據文件格式的不同。

2.3 頂層用戶端

數據錄入存儲并經過中間語言層的邏輯分析后,被頂層用戶端程序調用,以曲線或圖形的方式顯示相應的數據信息,即數據可視化的結果,本系統的窗口界面是多窗口界面,包括飛行歷程可視化窗口、標定數據采集界面、實測數據顯示窗口等,通過多線程處理在同一時間調用不同的窗口進行可視化觀察。

3 飛機載荷譜數據可視化關鍵技術

3.1 通用數據接口技術

各種飛機載荷譜實測試驗,測試的參數數量、類型都是不一樣的,因此,其記錄的數據格式各不相同。在載荷譜測試項目中,根據測試目的的不同,各種不同的參數也使用不同的采樣頻率來進行記錄。為了處理不同飛機測試項目產生不同的數據文件格式,提出了載荷譜通用數據接口技術,建立的 FDL柔性數據層,以 C++類庫的形式提供給其他開發者使用,FDL提供了一組類和使用函數,提供了一個規范的數據讀寫查詢接口,稱為應用編程接口(application programming interface,簡稱 API)。這使得在 FDL基礎上開發的數據處理程序使用統一的模式對數據進行讀取,而不再需要考慮物理數據文件格式的不同。

3.2 虛擬仿真技術

在實測數據處理平臺中載入飛行實測起落的數據,同時打開飛行姿態模擬仿真的窗口,用戶可以交互地自由切換不同的視角對飛機進行觀察,在飛機動作的判讀、飛機狀態與載荷關聯分析、載荷譜實測飛行科目有效性判讀方面具有重要的應用價值。采用OpenGL三維仿真技術開發飛行過程的可視化仿真模塊,創建多種型號飛機的3D模型。

3.3 并行計算技術

數據可視化將實測數據及計算結果轉換為圖形圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理。計算處理面臨三方面的挑戰:a.多進程窗口界面,系統包含飛行歷程可視化、實測數據處理、振動數據處理等界面;b.數據量和數據復雜程度大,隨著測試水平的提高和飛機要求實測參數的增加,數據量呈現快速增長;c.要求數據實時性,虛擬仿真窗口要求數據不斷地刷新跟進飛機狀態的變化,這些都要求快速的處理速度。當前多核心CPU的普及為系統采用并行計算提供先決條件。

4 系統實現

通過對飛機載荷譜數據可視化技術的研究,在已有數據可視化模型的基礎上,利用 VC++2010開發工具、OpenGL圖形平臺以及 VTree SDK工具,重視面向對象的程序設計(OOP),利用其信息封裝、數據抽象、動態鏈接和繼承等特性進行開發,功能上進行模塊劃分,覆蓋了飛機載荷譜項目從標定到數據處理的全部內容,并已成功應用到多個機種的實測飛行和數據處理中。

4.1 標定數據采集

標定采集模塊實現標定輸入載荷和輸出應變信號同步瞬時采集以及在線圖形化實時顯示,并對采集實測數據進行實時處理,給出標定試驗數據處理擬合結果,可依據數據的有效性,對標定試驗進行控制和調整,如圖 3所示。

圖3 標定數據記錄界面

4.2 實測數據處理

對實測參數載荷-時間歷程進行同步回放和瀏覽,以圖形的方式讓用戶在一屏上任選實測參數的時間歷程曲線,同時可以配合不同的數據處理模塊實現不同的數據處理功能。

4.3 飛行歷程可視化

飛機飛行歷程可視化再現了飛機的實測飛行歷程,即可在飛行模擬窗口中看到與飛行實測數據時刻對應的飛機飛行姿態和動作,一方面可用于飛機載荷狀態的判別,另一方面,作為現場實測數據監控手段,判斷該起落飛行員的空中動作是否滿足飛行訓練大綱規定的要求[12]。

5 結 論

1)飛機載荷譜數據可視化技術將數據用豐富的圖像、曲線、二維圖形、三維體顯示,并在人與數據、人與人之間實現圖像通信,為快速判斷數據有效性和進行數據處理提供有力工具,提高數據處理效率,使數據得到有效利用。

2)柔性數據層支持系統采集不同飛行測試設備的數據流,使用統一模式對數據進行讀取,解決異構異態數據處理的需要,具有高度適應性。

3)數據可視化系統的層次分離和功能塊劃分,便于系統的不斷更新、移植、裁減和擴充,有效降低系統開發和維護的復雜程度,提高系統可靠性。

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