航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)性能分析通用平臺架構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

仇 釬，陸 超，馬前容，劉慧芳

(1.中國航發(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621700；2.首都航天機(jī)械公司，北京100044)

1 引言

航空發(fā)動機(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)果評定等多項(xiàng)工作，為項(xiàng)目決策者提供關(guān)鍵信息。近年來，隨著試驗(yàn)類型、任務(wù)量和試車時數(shù)的快速增長，用戶對試驗(yàn)安全性與信息及時性的要求越來越高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析程序已無法滿足試驗(yàn)需求。國外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析技術(shù)正朝著通用化、自動化和智能化方向發(fā)展，如AEDC(美國阿諾德工程發(fā)展中心)、AF?FTC(美國空軍飛行試驗(yàn)中心)和NAVAIR(美國海軍航空司令部)聯(lián)合開發(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定標(biāo)準(zhǔn)、通用基礎(chǔ)架構(gòu)和統(tǒng)一開發(fā)語言。而國內(nèi)主要仍以面向過程和面向?qū)ο蟮膶Ｓ迷囼?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)研究與開發(fā)工作相對獨(dú)立，且存在一定重復(fù)。

本文針對航空發(fā)動機(jī)高空臺和地面臺試驗(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)動機(jī)試驗(yàn)性能分析通用平臺(CATPAP)的系統(tǒng)框架設(shè)計方案并完成了軟件系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)多個試車臺應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有統(tǒng)一的業(yè)務(wù)界面，可動態(tài)擴(kuò)展，顯著提升了試車臺的數(shù)據(jù)分析效率，為試驗(yàn)性能分析應(yīng)用軟件的創(chuàng)新開發(fā)提供一個便捷的平臺。

2 系統(tǒng)集成與框架設(shè)計

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)過程集合，需要并行開展數(shù)據(jù)有效性驗(yàn)證、性能預(yù)測、故障識別與診斷、穩(wěn)態(tài)/過渡態(tài)性能數(shù)據(jù)處理與分析(包括實(shí)時處理和后處理)。隨著試驗(yàn)任務(wù)對試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時性和有效性要求的提升，要開展不同業(yè)務(wù)的處理軟件集成。傳統(tǒng)的面向過程或面向?qū)ο蟮募煞绞剑^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)計原則可確保系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)業(yè)務(wù)的需要對服務(wù)進(jìn)行動態(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、跨語言的互操作，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)計思想，通過制定發(fā)動機(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，建立起一個支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和互操作、可動態(tài)擴(kuò)展的分布式插件框架平臺(圖1)。此平臺作為一個服務(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)用的動態(tài)集成。插件開發(fā)人員則無需考慮繁雜的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與底層服務(wù)，可專注于分析業(yè)務(wù)插件的創(chuàng)新開發(fā)與應(yīng)用。

3 主要插件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)服務(wù)

目前行業(yè)內(nèi)尚未統(tǒng)一發(fā)動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，不同試車臺的數(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]。為滿足性能分析對信息完備性的需求，本文定義的數(shù)據(jù)類包含了發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的任務(wù)、科目、試驗(yàn)點(diǎn)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、通道配置、時間、歷程數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)時均值、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)適用于不同的試車臺和不同類型的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，具有較好的交互性、通用性和完備性，可滿足試驗(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)動架構(gòu)和多線程處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)性能處理多個業(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)動機(jī)型號和臺份的增多，專用性能分析程序需要反復(fù)更改源代碼并重新編譯，難以滿足試車臺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，通過對氣動與熱力學(xué)基礎(chǔ)算法、發(fā)動機(jī)性能計算方法、信號處理算法和統(tǒng)計算法的梳理與封裝，建立起通用的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)性能分析專業(yè)基礎(chǔ)庫，與組態(tài)視圖控件進(jìn)行融合。用戶通過圖形交互界面構(gòu)建發(fā)動機(jī)試驗(yàn)性能處理模型，可快速完成不同試驗(yàn)對象的性能處理任務(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)計算和過渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計兩類。穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)計算一般分為實(shí)時計算和后處理計算兩種，前者是對實(shí)時接收的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和發(fā)布，后者是對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)時均值進(jìn)行后處理計算和存儲。過渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計是對歷程數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和統(tǒng)計分析，根據(jù)設(shè)定條件完成時間、瞬時值、極值和均值等參數(shù)的統(tǒng)計，并進(jìn)行狀態(tài)判別、故障識別和有效性判別等。

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)時和后處理的不同需求進(jìn)行參數(shù)配置，實(shí)時計算由數(shù)據(jù)事件驅(qū)動，后處理計算由狀態(tài)事件驅(qū)動；過渡態(tài)分析模型則可以根據(jù)過渡態(tài)統(tǒng)計需求進(jìn)行濾波、變換和判別邏輯參數(shù)配置，其參數(shù)統(tǒng)計與狀態(tài)判別等任務(wù)通過數(shù)據(jù)事件驅(qū)動，與CAP類似，可通過組態(tài)的邏輯組合設(shè)置不同類型的過渡態(tài)狀態(tài)判別[10]。圖4為典型的性能處理流程圖。通過對發(fā)動機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)的邏輯組合識別，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中事件的自動監(jiān)測，并驅(qū)動相關(guān)數(shù)據(jù)分析任務(wù)的自動化處理。

3.4 狀態(tài)監(jiān)視

試驗(yàn)過程中，性能處理人員還可通過動態(tài)添加歷程曲線、XY曲線、測點(diǎn)分布圖與幅頻特性圖等數(shù)據(jù)可視化控件，選擇不同的測試參數(shù)或性能計算參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對流場、設(shè)備和發(fā)動機(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，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特性分析插件的開發(fā)與集成，如圖5所示。分別在高空臺和地面臺上完成了多型發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，可以在統(tǒng)一界面下同時開展穩(wěn)態(tài)性能處理和起動特性分析，并實(shí)時監(jiān)視相關(guān)測試參數(shù)，完成試驗(yàn)性能分析多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行。原來由人工處理的很多任務(wù)實(shí)現(xiàn)了軟件自動處理，提升了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的工作效率。此外，還開展了自動試車記錄插件和高空臺附加阻力分析插件等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)流和事件流的自動處理應(yīng)用設(shè)計與開發(fā)，平臺的通用性與易擴(kuò)展性也得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

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)多個試車臺應(yīng)用驗(yàn)證，該平臺可顯著提升試驗(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、信號處理、歷史數(shù)據(jù)對比和故障診斷等模塊，完善系統(tǒng)自動分析功能，進(jìn)一步探索智能化的試驗(yàn)性能分析專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，并開展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證。

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