多風洞共享的通用型試驗數據處理系統

鄧曉曼, 范金磊, 余 立, 李春彥, 何 福

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

多風洞共享的通用型試驗數據處理系統

鄧曉曼*, 范金磊, 余 立, 李春彥, 何 福

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

為建立規范高效的風洞試驗數據系統，提高數據處理與分析的可靠性和自動化、智能化水平，制定完善了試驗數據處理方法、流程、符號接口等規范，采用面向服務的軟件架構及異構數據存儲管理、基于動態編譯的自定義公式擴展、基于元數據與模板的文件可視化排版等技術，解決了處理方法與流程控制、數據流轉與輸出等通用化的關鍵問題，建立了多風洞共享、多試驗類型通用的試驗數據處理與分析系統。應用3年來，完成高速所6座風洞占試驗總車次71.2%的數據處理，覆蓋單/多天平測力、測壓、通氣測力、混合測力測壓、噴流及部分特種試驗等類型，系統具有規范、高效、開放的特點，是一種具有推廣應用價值的風洞試驗數據系統解決方案。

風洞試驗；數據處理；數據系統；面向服務架構；通用

0 引 言

高效率地獲取穩定、可靠和盡可能豐富的地面模擬數據是風洞試驗的價值所在[1]，作為風洞試驗的重要環節，試驗數據處理與分析需要面向每一位客戶的特定試驗要求提交定制化的試驗數據和報告。長期以來，這種定制化的需求使得風洞試驗數據處理采用以每項試驗為生命周期、重復編寫或修改處理公式與程序的模式，存在處理方法難以規范、處理程序重復開發、使用維護復雜、試驗數據共享困難等問題，制約了風洞試驗數據的可靠性與試驗效率的提高。

國外風洞試驗機構在解決上述問題時采用了以下主要途徑：(1)制訂不同層次的技術規范和標準指南[2-4]，在規范框架下建立標準化的風洞試驗數據系統，提高系統通用性、實現流程統一和信息共享。如NASA阿姆斯研究中心的標準數據系統為幾座生產型風洞提供數據處理服務，常規試驗由“標準化計算包”完成，特殊計算則需單獨編程和驗證確認[5]；ONERA與DNW聯合為客戶制定了通用的風洞數據格式(Wind Tunnel Data Format,WDF)實現平臺無關的訪問與展示等[6]。(2)在規范的數據系統基礎上，進一步對軟硬件架構進行通用化設計，提高系統的開放性、靈活性。如阿諾德工程發展中心在5座風洞試驗系統升級改造時采用相同的系統架構、接口和軟件包[7]，DNW的GAIUS 系統、NASA阿姆斯的DARWIN系統，具有各自標準化分布式架構、遠程訪問與數據分發功能，為各自多座風洞共享應用，極大地提高了試驗效率和質量，提高設備與數據的利用率，滿足未來風洞高度互聯與數據融合的需要[8-10]。

國內相關單位的研發思路主要在改進軟件設計方法上，較典型的系統如：CARDC低速所的“基于LabVIEW 平臺的8m×6m風洞測力數據通用軟件”，借鑒面向對象編程思想，采用了算法動態加載設計，使軟件靈活應對非標準公式的計算處理；中航空工業沈陽空氣動力研究院的“FL-3風洞數據處理規范化軟件”等，著重通過運用腳本語言(VBScript)使程序代碼界面化、計算公式可編輯，提高系統的靈活性和適應性；這些系統針對特定風洞、特定試驗類型實現局部規范與通用，但仍然依賴崗位人員修改處理公式與代碼，無法徹底克服傳統專用系統弊端，由于缺乏整體規范化設計與技術支持，使系統適用范圍小、難以獲得長期更好的應用效果[11-13]。

隨著中國空氣動力研究與發展中心高速風洞群試驗能力的不斷提高，對規范高效的試驗數據處理流程、精準快捷處理分析能力需求日益迫切，工業部門也希望風洞現場能夠對數據的共享利用提供支持。通過借鑒國外先進經驗與理念，采用風洞數據系統整體規范化設計與通用化技術相結合，建立了國內首套多風洞共享、多類型試驗通用的數據處理分析系統，并在高速風洞群成功應用。

本文包括6個部分，首先介紹了通過技術規范進行處理方法與流程優化設計的主要內容，隨后介紹了系統分布式架構、模塊組成及作用，第三、四部分詳細介紹了實現系統通用性、擴展性的關鍵技術方法，包括：基于XML的基礎數據結構設計、自定義公式解析方法、基于元數據和模板的數據索引和可視化排版、流程自動化等，最后介紹了應用效果和結論。

1 試驗數據處理方法與流程優化設計

優化處理方法與流程、建立相適應的技術規范是構建風洞試驗數據系統的基礎支撐，并需要涵蓋試驗數據鏈的各環節，包括數據獲取，數據計算、修正、存儲等，同時要充分考慮其完備性、可執行性與擴展性，以及規范之間關聯性，才能為系統后續設計實現可靠、通用、靈活奠定基礎。主要包括試驗數據處理方法規范，以及圍繞該核心方法與流程建立的數據格式與符號規范、設備與參數規范等3部分。

1.1 基于矩陣變換的常規試驗數據處理方法

以高速風洞試驗和空氣動力學相關的國家(軍用)標準[14-17]為基本依據，針對高速風洞測力試驗中單/多天平(模型)的支撐/組合方式，采用矩陣變換的方法進行軸系轉換(見圖1)，形成了包含流場參數、天平載荷、底阻、通氣模型內流參數、氣動載荷、氣動系數、插值、擬合、求導、自重計算等在內的核心標準處理算法[18]，且關鍵輸入參數易于在風洞現場進行測量與指定，適用性和可操作性強。

通過引入“虛擬主天平”，將無主天平的試驗(如測壓試驗、部件測力試驗等)對模型空間姿態的描述統一到核心算法采用的“機構-天平-模型”歐拉關系的描述框架下，拓寬了標準處理方法的適用范圍。

對相關基本輸入輸出參數的表述也進行了規定，并通過任務書中參數的設定實現對數據處理方法、流程的選擇配置，實現了各風洞常規試驗工況下計算處理方法與流程的優化設計與規范。

1.2 高速風洞試驗數據格式與符號規范

風洞試驗數據一般包括3類：采集獲得的原始數據，參試設備信息、試驗條件、模型狀態等各類參數，以及數據處理產生的結果數據。以往各風洞采用的各自固定的數據格式，共享性、擴展性差。本系統結合高速風洞的試驗需求，借鑒DNW及ONERA聯合提出的WDF的思想[6]，設計了包含自我描述信息、可擴展的原始數據存儲格式，包括風洞采集系統數據存儲格式和壓力掃描系統數據存儲格式等。

對于各類參數數據，各風洞試驗機構及參試客戶慣用的坐標軸系、氣動系數命名方法不同，容易引起歧義，參數名稱的混淆會導致錯誤的試驗結論。本系統以空氣動力學概念、量和符號國家標準[15-17]為依據，結合前述的常規試驗數據處理方法[18],并借鑒AIAA地面測試技術委員會編寫的風洞試驗命名法與坐標系統規范[4]，統一了數據采集、處理與存儲等過程中基本輸入參數符號與格式約定，以及結果數據描述等，為系統通用化的數據解析與流轉奠定基礎。

1.3 測試設備參數預處理優化

規范風洞流場校測馬赫數修正方法、數據格式、馬赫數及修正量序列的有效位數等；規范總靜壓、底壓等傳感器校準證書；規范應變天平及支桿命名、天平電子證書文件格式，包括校準系數矩陣、校準電壓、組橋方式矩陣表達形式等。其中組橋矩陣可解析任意線性組橋，如表1所示，通過組橋矩陣解析了一臺8路輸出的5分量天平組橋公式，其中Mx分量的輸出為ΔUMx=ΔU5-ΔU6+ΔU7-ΔU8。

表1 天平組橋矩陣Table 1 Bridge matrix of balance

將這些以往散落于各風洞專用處理軟件代碼中的重要參數數據，在統一的系統中錄入和預處理，確保其正確可靠，同時實現了與計算程序的解耦，設備和條件變化時不再頻繁修改軟件代碼，可根據參數配置自動到數據庫查詢證書、公式，并完成解析計算。

2 系統架構設計

構建適用于多風洞、多類型試驗通用、統一的數據系統，并不是一個規范系統的簡單拷貝和操作界面的統一，需要從根本上打破風洞間的信息孤島，建立一個統一的系統架構，能夠支持分布式應用，具有良好的內部機制保障系統的開放性和擴展性；系統可維性好，能夠為良性運行提供可持續支持。

2.1 面向服務的系統架構

各風洞傳統的單機系統架構模式，存在系統碎片化、可維性、復用性差、信息共享利用難等問題，已經難以適應大型風洞群跨地域運行，以及規范化、信息化管理的需求。

WCF(Windows Communication Foundation)是微軟在眾多分布式通信技術(如DCOM、WebService、WSE、.Net Remoting以及MSMQ等)的基礎上，按照開放的標準推出的新一代通用分布式框架，可以通過統一的應用編程接口(API)實現服務的封裝以及各種異構系統的互通和集成[19]。

本系統采用了面向服務的架構模式，按照分層設計的理念，基于WCF技術設計了分布式架構，建立客戶端/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)混合模式的應用平臺和試驗數據中心，總體上分為5層，如圖2所示。將通用的功能(如數據管理、數據計算、設備信息管理等)發布為WCF服務，可被各風洞的多種客戶端遠程調用，復用性強，部署靈活，其模塊化程度高、組件之間松耦合，服務端和客戶端軟件模塊可以分別獨立升級，有效解決了系統的碎片化和難維護的問題；數據中心統一管理各風洞的試驗信息，實現了數據共享。

(1) 系統層。系統運行開發環境采用 Windows OS, .NET Framework4.0, SQL Server2012。

(2) 數據層。建立完整的試驗基礎數據庫，統一管理各風洞的試驗信息，包括用戶信息、各風洞支撐機構、試驗段、傳感器、天平及支桿、試驗項目、車次和試驗數據等信息。數據庫訪問接口將身份驗證、數據增刪改查、同步和備份等操作封裝為通用接口，供上層服務調用，便于數據庫重構、更換或升級維護。

(3) 服務層提供數據訪問、數據計算和軟件升級3個服務組件。其中數據計算服務包括實現基本參數處理的原子服務和在此基礎上進行復雜計算的組合服務，共同實現風洞試驗數據處理的標準核心計算流程，結合實現對自定義計算公式的解析服務，支持核心處理方法的擴展性設計，保障系統的架構穩定。

(4) 服務代理層。通過利用靜態類和哈希表，為客戶端提供了簡潔、高效、統一的訪問服務的方式。

(5) 表現層。實現Web網頁和客戶端界面2個部分訪問系統。其中，Web部分主要實現信息的查詢和管理；客戶端采用了基于WPF數據模板和控件模板的動態用戶界面設計技術[20]，實現了試驗數據處理的完整交互流程，見圖3和圖6～8。

2.2 系統主要軟硬件模塊分布

為便于各風洞不同崗位人員在不同階段、不同地點參與試驗過程，依托于科研試驗網，將系統各組件靈活部署在風洞現場、辦公終端和網絡中心，如圖4所示。

其中，數據服務、計算服務和數據庫部署在網絡中心和各風洞現場，互為備份，為各風洞提供統一的數據管理和數據處理服務，并實現與中心氣動數據庫的對接；升級服務部署在網絡中心，為所有客戶端提供統一的升級服務；數據處理客戶端可部署在風洞現場和辦公終端，完成數據處理、入庫及調試計算；分析驗算客戶端部署在風洞現場和辦公終端，提供數據可視化分析、驗算及報告繪圖等功能；質量管理客戶端部署在風洞現場，完成試驗開車任務單(含模型狀態、風洞狀態等參數)、天平證書、日志等錄入；通過瀏覽器可在網內各終端查詢與管理信息。

3 基于XML的基礎數據結構設計

風洞數據處理系統要面向多種類型試驗，各類試驗需要處理的數據項和處理要求存在差異。傳統的方法是針對不同的試驗類別，采用專用數據結構組織數據，造成格式復雜多變且和處理程序耦合緊密。

可擴展標記語言(Extensible Markup Language, XML)格式的數據包含能夠描述數據屬性的元數據，具有良好的自我描述性、結構靈活性和擴展性。在通用系統的開發中，使用了XML來描述系統基礎數據，并按照本文1.2節介紹的數據規范要求，將各類試驗數據按照數據性質(如數據來源是傳感器通道還是壓力掃描閥、結果類別是姿態角還是力或力矩等)進行分組、分層，以統一的樹狀結構組織到一起，有效地解決了異構數據的存儲與管理問題。

樹形的層次化數據結構易于擴展，當現有層次或分支不滿足未來新試驗需求時，只需在相應位置增加新的數據層/組，即可存儲新增類別的數據；樹形結構中每一個數據項都擁有唯一的索引路徑(從根節點到葉子節點)，通過設計基于路徑的數據查詢模塊，為后續通用化的關鍵功能模塊——自定義公式解析和輸出文件自定義排版提供了技術支撐。

通過參數設置，建立元數據與數據標簽的映射，并轉換為XML文件格式入庫。針對前述3類數據文件在軟件中定義了原始數據、計算參數和計算結果3個類，類的數據成員和XML元素一一對應。采用序列化/反序列化技術來進行數據存儲和加載，避免了大量的XML文件解析工作，處理過程簡潔高效。

4 系統擴展性功能模塊設計

面向服務的模塊化、層次化的架構，以及基礎數據結構設計等建立了系統通用化的核心，要實現多風洞多類型試驗通用、共享，系統還需具備良好開放性和擴展性，主要包括如何解決用戶數據處理與輸出格式的特殊要求，如何提供一站式數據處理、分析及自動化的操作維護。

4.1 自定義參數公式解析方法

采用用戶添加自定義計算或輸出參數，自定義公式解析、自定義方法擴展支持等3種途徑，形成可擴展的數據處理能力，滿足標準處理外的特殊計算需求。其實現原理是：用戶自主添加數學表達式，表達式可引用已有參數、數據或結果，可使用數學函數和分支判斷、循環等結構，實現標準方法外的特殊計算，如圖5所示，實現了自動化公式的解析轉換與執行。

系統還提供了高效的公式錄入工具，如圖6所示。

對于特殊試驗或一些特別復雜的處理，可遵照擴展方法接口規范，實現新的擴展方法模塊，上傳到服務器，由客戶端選擇調用即可。這些可擴展性設計保障了系統具有良好的適應性，面臨復雜的特殊計算需求也無需修改系統代碼，從而實現真正的通用。

4.2 定制數據文件的可視化排版

數據文件的輸出內容、格式、編排順序等常常由客戶指定，變化最為頻繁，為使系統輸出通用、便利，開發了基于元數據和模板的數據索引和可視化排版技術，用戶直接通過圖形化界面配置任意數量和內容格式的輸出文件模板，數據依照模板輸出，圖7展示了排版界面，在樹形列表上，拖放數據項的索引路徑，在數據區塊編輯界面，編輯參數或索引路徑的分組與排序，實際數據將以排版順序及指定格式輸出到文件。

這種方式將軟件代碼、試驗數據和輸出格式相互解耦，數據輸出由操作員在所見即所得的界面上自由編排，簡單、直觀、靈活地滿足各種定制化輸出需求。

4.3 數據分析輔助

數據分析客戶端能同時滿足顯示、分析和報告繪圖要求，具有豐富的交互分析和格式控制選項；實現了數據相關試驗狀態的自動查詢、數據曲線自動分組、排序和數據的更新；利用規范化的元數據，實現了跨車次數據的自動插值顯示，解決了長期制約橫向和舵效曲線繪制效率的難題；實現了報告圖批量導出到Word文檔、自動編號和自適應排版，如圖8所示。

4.4 操作流程自動化

基于統一的基礎架構和接口統籌開發了系列應用模塊，替代人工操作自動完成繁瑣工作，進一步保障了系統的可靠性和可維性，主要包括：

(1) 參數信息的統一錄入、審核和維護模塊，避免參數重復輸入的不一致與低效；(2)參數自檢模塊，完成參數合法性(值、格式是否正確有效)、合理性(參數是否滿足依存和限定條件)和完整性(數據長度)校驗和警示；(3)一鍵完成計算、文件分發、入庫和打印；(4)數據驗算工具自動比較標準公式與傳統公式的結果差量，提高研判效率；(5)軟件核心邏輯具有完善的單元測試(Unit Test)，提高可維性；(6)利用共享網絡空間，基于FTP網絡傳輸協議和WCF實現通用的軟件自動升級服務，新版軟件完成后，只需上傳到對應的網絡空間即可完成升級的推送。

5 應用效果

2013年12月起該系統在中國空氣動力研究與發展中心的FL-21、FL-23、FL-24、FL-26、FL-28、FL-32等風洞陸續投入應用，涵蓋高速風洞單/多天平測力、測壓、混合測力測壓、通氣測力等試驗類型。

在2014～2016年的總試驗車次中，采用通用系統處理的車次占71.2%(見圖9)，而對系統的數據處理方法、軟件模塊等修訂維護僅由2人完成，至少縮減為原來的1/5。

Fig.9 The ratio of test runs processed by the general system to the total test runs

各風洞參試人員在試驗準備、進行、結束和歸檔等不同階段不同地點，都可以在統一的通用平臺上完成數據查詢、處理分析等工作，如領導、專家和項目負責人可在科研網任意終端利用瀏覽器訪問設備、試驗項目和數據信息，或編寫上傳數據處理任務書；數據分析人員利用風洞現場或科研辦公終端的數據分析和驗算客戶端，進行數據分析、驗算和報告撰寫；風洞崗位人員利用部署在各風洞現場的客戶端進行試驗數據處理和分發；維護人員可在辦公室及時解決風洞現場問題，自動進行軟件升級部署。系統應用大幅提高了風洞試驗的效率，如圖10所示(其中標注*的工作由以往的人工操作變成了由系統全自動完成，故認為效率提升為100%)。

6 結 論

多風洞共享的通用型試驗數據處理系統，面向參試人員提供了一個流程統一高效、界面友好易用的試驗數據處理共享平臺，其優于以往傳統各風洞專用數據處理系統的主要特點是：

(1) 用規范化的方法統一了處理方法、流程、接口和基礎數據結構，實現了高速風洞群各風洞多種試驗工況下通用的數據處理，無需每座風洞、每項試驗進行數據處理公式推導和修改軟件代碼，提高了效率和數據結果的可靠性；

(2) 用面向服務、層次化的基礎架構統籌設計實現了通用化的應用模塊，功能覆蓋數據處理、分析、驗算、報告繪圖和信息管理，支持遠程維護升級，提升了系統的綜合處理能力，及自動化、智能化程度；

(3) 形成了風洞試驗數據系統操作運行與維護管理互聯開放的新模式，參試人員可不受地域、時間限制，在統一平臺上進行數據處理、分析與訪問，滿足高速風洞群試驗數據的遠程集中處理與共享需求，有利于氣動數據庫建設和風洞試驗數據的綜合分析與評估利用，并為更廣泛的數據共享奠定技術基礎。

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(編輯：李金勇)

General data processing system for multiple wind tunnels

Deng Xiaoman*, Fan Jinlei, Yu Li, Li Chunyan, He Fu

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In order to improve the standardization and efficiency of the wind tunnel test data system and improve the reliability and automation of data processing and analysis, a general test data processing system is established for multiple wind tunnels and a variety of test types. On the basis of standardized data processing methodology, processes, symbols and formats, the general system uses the service-oriented software architecture, heterogeneous data storage management, the user defined formula expansion based on dynamic compilation, and the visualized file format editing based on metadata and template. Key problems of the general system are solved, such as the system architecture, processing methods and process control, data flow and file output, etc. In the last three years, 71.2% of test data of 6 wind tunnels in the High Speed Institute of China Aerodynamics Research and Development Center were processed by the general system, covered test types including single and multiple balances forces and moments measurement, pressure measurement, venting measurement, mixed forces and pressure measurement, jet test and some special tests. With the characteristics of being universal, efficient, and open, the general system is a data processing and management solution that worth promoting.

wind tunnel test;data processing;data system;service oriented architecture;general

1672-9897(2017)04-0064-07

10.11729/syltlx20170051

2017-04-25;

2017-06-02

DengXM,FanJL,YuL,etal.Generaldataprocessingsystemformultiplewindtunnels.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 64-70. 鄧曉曼, 范金磊, 余 立, 等. 多風洞共享的通用型試驗數據處理系統. 實驗流體力學, 2017, 31(4): 64-70.

TP274

A

鄧曉曼(1965-)，女，湖北武漢人，高級工程師。研究方向：風洞測量與數據處理。通信地址：中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所(621000)。E-mail：deng_shine@sina.cn

*通信作者 E-mail: deng_shine@sina.cn