劉 波，李 靜，朱金慧

（中國人民解放軍63796部隊，西昌，615000）

0 引 言

航天發(fā)射試驗任務中，運載火箭飛行中速度、位置等實時狀態(tài)在測控系統(tǒng)實時顯示，但是其內(nèi)部各系統(tǒng)的運行狀態(tài)不可知，直接影響對火箭飛行狀態(tài)的評判。航天發(fā)射試驗任務快速評估系統(tǒng)（簡稱：快速評估系統(tǒng)），就是從火箭起飛開始，實時收集并實時判定飛行數(shù)據(jù)及航天器入軌情況，完成對飛行關鍵事件、各系統(tǒng)工作情況、運載火箭飛行情況及飛行任務結果的分析及故障定位，依據(jù)評定準則，得出飛行任務的快速分析評定結論[1]。

快速評估系統(tǒng)實現(xiàn)了飛行數(shù)據(jù)實時判讀、智能評估、自動報表，提高領域專家分析評定的效率和質量，是一款準實時軟件，其實時數(shù)據(jù)驅動的自動判讀、智能評估、實時顯示是其重點關鍵技術，對于其它實時軟件的設計與實現(xiàn)具有重要參考價值。

1 快速評估模型

快速評估依據(jù)實時飛行數(shù)據(jù)對火箭飛行情況進行評估，其核心是劃分層次結構及構建判斷矩陣。對運載火箭飛行結果的評估分解為對分系統(tǒng)的評估，對分系統(tǒng)的評估進一步分解為對設備/子系統(tǒng)和關鍵參數(shù)（具有決定性指標）的評估，從而形成自上而下的按層次逐層支配的關系。

分系統(tǒng)、設備/子系統(tǒng)、火箭（關鍵）參數(shù)統(tǒng)稱為評估對象，具有層次性結構，利用組合模式建立系統(tǒng)評估模型[2]，如圖1所示。

圖1 評估對象模型示意Fig.1 A Schematic for Evaluation Object Model

2 基于實時數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)設計

快速評估系統(tǒng)硬件組成包括接口微機、數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)臺評估終端、網(wǎng)絡打印等，通過任務IP網(wǎng)與中心機通信。系統(tǒng)采用典型3層Client/Server結構設計[3]，數(shù)據(jù)層提供來自于網(wǎng)絡的實時飛行數(shù)據(jù)和來自于數(shù)據(jù)庫的參數(shù)判讀規(guī)則、系統(tǒng)評估規(guī)則及其它各類基本信息；功能層提供各類評估業(yè)務模型，包括參數(shù)及其判讀模型、子系統(tǒng)及其評估模型、飛行時序事件模型、飛行結果評估模型；表示層提供人機交互接口，包括任務管理、評估規(guī)則管理、數(shù)據(jù)管理和實時評估等界面，如圖2所示。

圖2 快速評估系統(tǒng)邏輯結構Fig.2 Logic Architecture of the Fast Evaluation System

2.1 實時數(shù)據(jù)處理流程

對各評估對象的分析評估歸根結底是對火箭參數(shù)的分析判讀，數(shù)據(jù)是進行評估的基礎。系統(tǒng)從中心機接收數(shù)據(jù)處理為分類數(shù)據(jù)，再分發(fā)到每個參數(shù)成為其當前值（有些參數(shù)還需要系統(tǒng)進一步計算處理才能得到），參數(shù)對當前值判讀得到其判讀結果，然后子系統(tǒng)、系統(tǒng)等評估要素根據(jù)評估模型進行評估得到評估結果。軟件界面UI實時顯示參數(shù)當前值、數(shù)據(jù)曲線和判讀結果以及分系統(tǒng)、關鍵動作等評估對象的評估結果。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流視圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流視圖Fig.3 Data Flow Diagram

運載火箭參數(shù)較多（一般2000個以上，某些型號多達5000余個），采樣頻率較高（至少10 Hz），如果每接收到一包網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)后都要完成解算、處理、判讀、評估、顯示等工作，整個處理周期耗時較長，必然影響下一包數(shù)據(jù)的接收，因此需要采取異步調(diào)用或多線程技術對數(shù)據(jù)處理流程進行動態(tài)解耦。

根據(jù)系統(tǒng)工作特點，實時數(shù)據(jù)評估可分為網(wǎng)絡接收解算數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)評估、更新顯示界面3個步驟，分別工作在 3個不同的工作線程，實現(xiàn)動態(tài)解耦，具體實現(xiàn)方法如下：

a）數(shù)據(jù)管理器增加一個鏈表用于緩存內(nèi)部接口送來的數(shù)據(jù)，稱為待處理數(shù)據(jù)鏈表；

b）內(nèi)部接口接收解算中心機數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)管理器，數(shù)據(jù)管理器將數(shù)據(jù)緩存到待處理數(shù)據(jù)鏈表中立即返回，此時內(nèi)部接口準備好接收下一包中心機數(shù)據(jù)；

c）創(chuàng)建一個輔助線程用于驅動整個實時評估業(yè)務過程，該線程循環(huán)檢查待處理數(shù)據(jù)鏈表，若有數(shù)據(jù)，從鏈表中取出、處理、分發(fā)，進而驅動參數(shù)判讀和（子）系統(tǒng)評估，但基本不直接更新界面（個別情況例外）；

d）主線程設置定時器周期更新界面，其處理序列如圖4所示。

圖4 多線程下的實時評估序列Fig.4 Multi-thread Real-time Evaluation Sequence Diagram

e）綜上，待處理數(shù)據(jù)鏈表為兩個線程所共享，根據(jù)多線程工作原則，需要對鏈表加鎖同步操作以避免沖突[4]，如圖5所示。

圖5 待處理數(shù)據(jù)鏈表多線程同步處理Fig.5 Multi-threaded Synchronization Processing of Pending Data Linked List

2.2 實時事件驅動

火箭飛行時序是火箭飛行過程中發(fā)出的時間程序指令集合，是根據(jù)火箭飛行狀態(tài)實時計算后發(fā)出的浮動基準時間指令，和起飛信號一起，組成飛行時序的基準指令。時串是以箭機發(fā)出的時序信號為基礎，按以時序時間為基準的預定時間發(fā)出步序和時串控制信號，以引爆和控制相應火工品和電磁閥門等受控對象，控制火箭各個飛行段的動作。當特定指令發(fā)生，火箭參數(shù)的動態(tài)特性將會發(fā)生變化，一個或多個評估對象將被評估。例如 tk1為箭載計算機發(fā)出的一級關機信號，當其發(fā)生時，火箭一級相關參數(shù)將停止自動判讀，二級相關參數(shù)將啟動判讀，同時對火箭各分系統(tǒng)一級飛行段工作情況進行評估。

火箭時序時串指令的特性在 C#中使用事件（event）類型進行描述，而且使用事件類型之后，可應用觀察者模式對參數(shù)判據(jù)改變、啟動評估等功能進行設計，降低對象間的耦合性，將靜態(tài)的組合關系變?yōu)檫\行時的動態(tài)組合關系。

系統(tǒng)實現(xiàn)了兩種實時事件，一種是特定類別事件，依賴于多個參數(shù)或某一類別參數(shù)，中心機提供的數(shù)據(jù)包括遙測、外測、安控、通信等多種類別信息，不同類別的信息按表進行組織，特定類別信息的出現(xiàn)，本身代表現(xiàn)實事件，如衛(wèi)星入軌參數(shù)出現(xiàn)表明星箭已經(jīng)分離并且初軌已經(jīng)確定，另一種是時序時串發(fā)生事件，這類事件依賴于單個具體參數(shù)。時序時串發(fā)生事件的生成算法如圖6所示。數(shù)據(jù)管理器向參數(shù)分發(fā)數(shù)據(jù)時，調(diào)用參數(shù)的新數(shù)據(jù)到來響應函數(shù)，根據(jù)參數(shù)的不同類別，新數(shù)據(jù)到來響應函數(shù)有不同行為，時序時串參數(shù)首先檢查新值與其當前值是否一致，如果不一致，則通過時序時串表來檢查該值是否是一個有效的時序時串，如果是，則設置為當前值，并激發(fā)時序時串發(fā)生事件，否則不予處理。

圖6 時序時串發(fā)生事件生成算法Fig.6 Timing Sequence Generation Algorithm

2.3 參數(shù)判據(jù)管理與判讀

火箭參數(shù)在飛行過程中通常具有動態(tài)特性，不同時段其范圍要求不同，可以用參數(shù)的分時段判據(jù)描述，一般表示為 JC={P，Tb，Te，Max，Min}，各項要素說明如表1所示。

表1 判據(jù)要素說明表Tab.1 Criterion Elements Specification

按200個關鍵參數(shù)、每個參數(shù)平均10條分時段判據(jù)計，則規(guī)則庫多達2000條記錄。若每個參數(shù)每個數(shù)據(jù)判讀均查詢規(guī)則庫，數(shù)據(jù)采樣頻率計10 Hz，則每秒需平均遍歷記錄1萬條。這種額外的消耗對實時系統(tǒng)非常不利。因此提高判據(jù)調(diào)度和參數(shù)判讀的效率是提高系統(tǒng)實時性的關鍵。

系統(tǒng)采用基于時間同步的參數(shù)判據(jù)調(diào)度算法，在恰當時機為每個參數(shù)指定判據(jù)，從而使參數(shù)判讀過程中無需查詢規(guī)則庫，提高效率，算法序列如圖7所示。

圖7 參數(shù)判據(jù)調(diào)度算法序列圖Fig.7 Parameter Criterions Scheduling Algorithm Sequence Diagram

算法主要包括4步：

a）初始化判據(jù)集合。

程序初始化階段，數(shù)據(jù)管理器從參數(shù)判讀規(guī)則庫中載入判據(jù)，并初始化 3個集合，鏈表List＜JC＞toLoadList用于按Tb升序排列已有確定的開始時刻的判據(jù)，鏈表List＜JC＞toUnloadList用于按Te升序排列已有確定的結束時刻的判據(jù)，字典Dictionay＜RocketParam，List＜JC＞＞tsDict用于存放與特定時序時串相關的判據(jù)鏈表。

b）更新判據(jù)集合。

當時序時串事件發(fā)生時，數(shù)據(jù)管理器根據(jù)該時序時串參數(shù)更新tsDict中相應的Tb值和/或Te值，并更新到toLoadList和toUnloadList中。

c）基于時間同步的判據(jù)調(diào)度。

在實時評估線程中，數(shù)據(jù)管理器處理每一包數(shù)據(jù)時，先獲取飛行時間fTime，遍歷toUnloadList，卸載Te值小于fTime的所有判據(jù)，并從toUnloadList中刪除；toLoadList類似處理。

d）數(shù)據(jù)分發(fā)和判讀。

依次調(diào)用參數(shù)的新數(shù)據(jù)到來響應函數(shù)，向每個參數(shù)分發(fā)新的數(shù)據(jù)，每個參數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)判讀函數(shù)依據(jù)判據(jù)進行判讀。為進一步提高判讀效率，使用NullObject模式用于判據(jù)不存在的情況[5]。

2.4 實時顯示

評估結果最終要以數(shù)值、文字、表格、曲線方式顯示，因為顯示界面（UI）工作于主線程，而數(shù)據(jù)處理、判讀、評估工作于后臺線程。在C#中后臺線程直接或間接訪問界面控件會引起跨線程操作異常。為解決這一問題，利用Control.Invoke方法將調(diào)用封送到主線程中，從而“感覺上”實現(xiàn)了跨線程更新[6]，跨線程更新UI的步驟為：

a）將直接或間接更新 UI的操作重構為界面更新函數(shù)；

b）在原來更新UI操作的位置查詢控件或窗體的InvokeRequired屬性，若為true，則以界面更新函數(shù)的委托為參數(shù)調(diào)用Control.Invoke，否則直接調(diào)用界面更新函數(shù)。

系統(tǒng)在顯示當前評估時段、起飛時間等界面上采用此操作。跨線程更新UI的優(yōu)點是在事件響應函數(shù)中更新UI，邏輯清晰易于維護。

快速評估系統(tǒng)通常需要顯示數(shù)十個參數(shù)的曲線，如果每個參數(shù)收到一次數(shù)據(jù)都更新自身曲線，將需要每秒更新數(shù)百次，而更新顯示是占用CPU較高的“昂貴”操作，此種情況下，系統(tǒng)必將不堪重負，故采取定時刷新技術。參數(shù)曲線、參數(shù)數(shù)據(jù)列表等更新頻率為1～2次/秒，飛行時間、北京時間等變化較快的信息更新頻率為3～5次/秒，這樣既減輕系統(tǒng)CPU占用率，又減少實時評估線程和主線程之間的耦合，同時也能滿足判讀、觀察的需要。

3 系統(tǒng)應用

快速評估系統(tǒng)分為主、副兩個界面，主界面涵蓋軟件功能區(qū)和系統(tǒng)評估區(qū)，用于顯示參數(shù)實時判讀情況、系統(tǒng)評估結果，載入預先定制界面，監(jiān)測臨時特定參數(shù)；副界面根據(jù)用戶需求，自由組合各類參數(shù)以表格、曲線等方式進行細節(jié)顯示，較好地滿足了參數(shù)數(shù)量繁多性、顯示形式多樣性、顯示效果清晰化和用戶操作快捷化等需求。同時，運載火箭本身是一個復雜的巨系統(tǒng)，對其飛行結果評估本身也有一個不斷深化的過程，快速評估系統(tǒng)支持對評估要素、評估規(guī)則、顯示形式、布局方式等全方位定制，較好地滿足了評估不斷“升級”的需求。軟件投入使用以來，既在數(shù)十次成功發(fā)射中輔助崗位人員對運載火箭飛行結果進行快速、全面、準確的評估，也在如CZ-5 Y2發(fā)射任務定位飛行失利的原因過程中發(fā)揮了重大作用，同時軟件的設計方法對于其他實時評估系統(tǒng)的設計具有借鑒意義。

4 結束語

快速評估系統(tǒng)通過綜合使用多線程、實時事件、封裝調(diào)用、定時更新等技術實現(xiàn)了基于實時數(shù)據(jù)驅動的自動判讀和智能評估，通過應用不同的配置，能夠完成CZ-3A、CZ-5、CZ-7等多個型號火箭的航天發(fā)射任務飛行結果快速分析，即使在長達7個多小時的特殊飛行任務中，系統(tǒng)能夠在緩存大量實時數(shù)據(jù)的同時，具備良好的實時性和有效性。