基于反射內存網的飛機仿真試驗數據庫系統研究

高振江，喬社娟，王 琪

（1.西安航空學院 能源與建筑學院，西安710077；2.西安航空學院 電子工程學院，西安710077；3.陜西四海測控技術有限公司 技術研發部，西安710075）

高速網絡技術在各種研究型工程試驗中的廣泛應用[1-2]，解決了多個子系統之間的實時數據共享與交互問題。 飛機仿真試驗對數據的實時性要求非常高，要求實時獲取、處理數據，確保飛行環境真實性。

目前，航空、航天領域中多使用以太網進行數據交互[3-4]，文獻[5-6]分別采用以太網與本地硬盤數據管理模式和以太網與SQL Server 數據庫管理模式，時延僅達毫秒級。 毫秒級的時延會造成不真實的飛行環境和條件；長時間、高頻次訪問也會造成數據庫響應延遲增大[7]，因此，開發設計一套時延小、響應快、安全可靠的網絡型數據庫管理系統非常重要。

本文采用時延僅400 ns 的GE PCI-5565 反射內存卡構建數據共享型實時網絡，采用Oracle 數據庫存儲各子系統的實時數據，中央控制中心系統實現歷史數據同步快速回放，在不影響各子系統試驗狀態的前提下，提高了飛行機動性，保證了飛機飛行環境的真實性。

1 系統總體設計

1.1 系統總體分析

飛機仿真試驗是一種綜合性試驗， 主要由飛控、液壓、溫度等子系統提供飛行環境數據，經仿真子系統對應算法運算后， 將結果數據提供給加載、頻響、能源、視頻監視等子系統。 一方面要求整個系統之間必須實現無縫連接，確保在數據交互、模式轉換、接口匹配和數據管理等方面達到最高的兼容性；另一方面要求高速響應實時傳輸數據、快速運算仿真數據，以保證對當前飛行狀態做出定量定性分析，對當前飛行環境做出真實確切判斷，從而確保進一步的飛行動作；同時對于過程較長的復雜試驗需要將多個子系統同一時刻的歷史數據按照同一時間軸回放，分析決策下一步動作。 因此，飛機仿真數據管理是整個試驗運行效率和飛行品質的關鍵技術所在。 本次設計選用時延400 ns 的反射內存卡構建網絡結構、安全快速的Oracle 數據庫存儲管理多個系統的實時數據、中央控制中心系統整體協調同步規劃試驗與同步回放多系統同一時刻的海量數據。

1.2 系統網絡結構設計

試驗對象是1∶1 大型飛機模型， 各測控系統分散布置在模型周圍，相隔距離小于200 m，飛控、液壓、溫度試驗是非常重要的原理性試驗，為了防止某個節點出現故障影響整個網絡，整個系統采用星形網絡拓撲結構，選用專用交換機和多模光纖進行數據交互。 數據庫系統和中央控制中心系統選用主流高端配置服務器機作為高性能工作站，本系統設計了23 個節點，其中，飛控系統3 個、液壓系統5個、溫度系統1 個、仿真系統5 個、加載系統2 個、頻響系統2 個、視頻監控2 個、能源1 個、數據庫系統1 個、中央控制中心系統1 個，需要4 臺8 口光纖交換機完成全部組網，圖1 所示是基于反射內存卡的系統實時網絡結構。

圖1 系統實時網絡結構Fig.1 System real-time network structure

2 數據庫分析與設計

2.1 數據庫需求分析

數據庫是整個系統數據存儲和管理的核心部分， 不同試驗選取的子系統和通道不完全相同，而且靜態試驗和動態試驗的采樣率也不盡相同，因此數據庫設計需要滿足以下要求：

完整性和實時性要求數據庫在獲取試驗數據的同時，具有快速響應存儲和查詢；

同步性特性分析需要將各個子系統同一時刻的數據顯示在同一時間軸進行數據回放，保證還原試驗過程中綜合狀態于環境等因素的真實性，各種數據表需要帶有同步性時標；

綜合性和模塊化試驗種類繁多，單個子系統通道多達256 路，每個通道具有測量類型、濾波、增益、隔離等多種配置方式，既要將各個試驗項目集中管理，又要將各個子系統的試驗配置、通道配置與試驗數據單獨模塊化管理。

擴展性針對大型飛機研發項目的不斷更新，要求本數據庫采用分布式設計、 最小化共享資源，能夠并行增加或刪減內容。

2.2 數據庫結構設計

針對以上需求和反射內存卡信息共享型的網絡結構特點， 本系統在安全實時的Linux 環境下采用Oracle 數據庫建立分布式模塊化數據存儲與管理系統。 飛機仿真試驗的多樣性，子系統試驗配置參數、通道配置參數與試驗數據通過反射內存網將數據共享給數據庫，本數據庫系統按照模型關系和結構層次設計多種數據表，為了保證數據不被任意篡改設計用戶信息權限管理表，表1 是數據庫設計的主要數據表。

表1 數據庫設計的主要數據表Tab.1 Main data tables of database design

數據庫中各表信息采用分布式層次設計，各表須同步，如某次沖擊試驗的子系統選取、子系統試驗配置與通道配置、 子系統數據均需保持一致性，因此，每個試驗的相關信息都需帶有時標，同時帶有試驗啟動、停止時標。 同一試驗反復多次進行方可得到普遍性結論，高頻動態試驗數據量大、存儲頻率高，本文重點闡述試驗項目管理表和各子系統數據表的結構。 實現由中央控制中心系統單獨完成試驗過程中海量數據回放， 確保系統分工合理、性能最佳。

項目管理表定義了36 個字段，包括22 子系統選取、試驗名稱、啟停標識、啟動時標、停止時標、操作者、環境等信息，項目操作由中央控制中心系統統一管理，由于仿真試驗類型較多，試驗中各子系統以及子系統配置不同，為避免同一試驗中各個子系統可能提前結束或者異常終止影響整個試驗進行， 表設計時采用試驗名稱和啟動時標作為主鍵，縮短檢索時間。

各系統數據表采用相同結構， 方便批量操作，如加載1 數據表定義了5 個字段， 主要包含時標、系統狀態、傳輸數據序號、通道批數據、備注。 查詢數據時首先通過試驗名稱和啟動時標查詢相應配置表，根據加載1 通道配置表中的通道選擇情況分解對應通道數據， 對于沖擊振動試驗數據量很大，所有數據統一存儲為int32 類型，double 型數據轉換為int32 型數據的系數存儲于每個子系統試驗配置表中，節省存儲空間和傳輸時間，提高反射內存網和數據庫的利用率。

3 ORACLE 數據庫系統實現

3.1 數據庫的實時性

隨著數據庫在大型系統中的廣泛應用，數據庫的實時性要求越來越高，一般從硬件和軟件兩方面解決[8-9]。

硬件方面本系統選用反射內存卡和多模光纖組建分布式共享型網絡， 從數據寫入RAM 到其它節點的時延只有400 ns，各節點數據完全一致，反射內存卡通過向每個節點提供一套相同的數據備份，各節點可以并發訪問相同內容，也可以訪問組網內任意其他節點內存數據，與訪問自身內存數據沒有差別。 反射內存卡的數據傳輸速率高，沒有以太網的多層協議，峰值傳輸速率43 MB/s～174 MB/s，而且無需開發額外通信軟件， 通信開放透明，大大提高了傳輸速率、避免了網絡堵塞、節省了軟件開發。

軟件方面在安全、 高效的Linux 環境下選用ORACLE 數據庫，此數據庫是一款可調性較強的復雜軟件[10]。數據庫的性能既取決于設計結構，又取決于存儲和查詢優化（如CBO（Cost Based Optimizer）、SQL 語句解析優化）[11-12]。 本數據庫系統結合飛機仿真試驗多而繁的特點，采用分布式、模塊化、層次性結構設計，通過試驗啟停標識（Test_startstop）與傳輸數據序列（Data_id）字段判斷數據更新，從對應節點內存獲取批量數據保存在對應子系統通道批數據（Channels_data）字段中。在CBO 優化模式下通過優化器參數optimizer_mode 控制ORACLE 優化器生成不同模式下的執行計劃[13-14]，本數據庫系統采用ALL_ROWS 模式以最快的速度將SQL 執行完畢，返回全部結果集， 可以通過下面語句修改optimizer_mode：

alter system set optimizer_mode=all_rows scope=both。

試驗過程中多系統海量數據同步回放和試驗后期數據分析是試驗結論或試驗改進的一個重要環節，因此，查詢工作是本數據庫系統的又一個重要操作， 原本的SOL 語句消耗數據庫資源高達90%，實時查詢技術的關鍵在于SQL 語句優化[15]，中央控制中心系統對數據庫查詢設計使用的優化方式主要為以下幾點：

首先，縮小海量數據查詢范圍。 不使用‘*’的SELECT 語句，避免全表遍歷。 根據多個條件字段逐層準確定位，使用一個或多個字段限定條件；

其次，在ORACLE 中選擇軟解析過程。 通過綁定變量重復提交相同的SQL 語句，降低了硬解析所消耗的CPU 和重要latch 資源；

再次，盡量少嵌套子查詢。 嵌套子查詢會消耗大量CPU 資源，對于較多or 運算的查詢分成用union all 聯結起來的多個查詢；

最后，盡量多用commit 語句提交事務。 即使釋放資源、解鎖、釋放日志空間、減少管理消耗，同時應減少大事務查詢操作。

如：查詢試驗名稱（Test_name）為“Vibrate”的某次試驗數據，可將名稱都為“Vibrate”以及對應的操作者、啟停時間等相關信息查詢列示出，后臺根據時標的唯一性查詢加載1 參數配置表得出試驗選取通道ID 及通道數目， 再批量獲取所需時間段內的數據。 所用語句如下：

sprintf（cTestName，“Vibrate”）；

select Operater，Start_time，Stop_time from TestManage where Test_name = cTestName；

select Data from LoadData1 where Time_flag >= Start_time and Time_flag <= Stop_time；

通過綁定變量模塊化逐層查詢，數據庫返回10 min 內的加載1 采樣率為10 kHz 的64 路通道數據（1500 MB），僅耗時2.46 s。

3.2 多系統數據回放同步快速性

飛機仿真試驗過程中根據前期試驗數據分析情況決策后續試驗操作，本系統設計中央控制中心系統與數據庫并行管理整個系統運行。 如圖2 所示是管理層功能。

大量數據顯示幾乎消耗全部CPU，將數據多系統的數據回放從子系統中獨立在中央控制中心系統有兩方面的優勢： ①降低了子系統運行負擔，避免了回放數據異常時導致子系統運行中斷情況發生；②可以將多個子系統同時刻數據在同一坐標軸中綜合分析。

圖2 管理層功能圖Fig.2 Management function diagram

3.3 飛機仿真試驗數據庫實現

本數據庫系統和中央控制中心系統均選用專用圖形設計工作站HP Z840 作為主機、 采用GE PCI-5565PIORC 反射內存卡和ACC-5595-208 交換機組建數據共享性高效分布式數據庫網絡。 數據庫系統采用ORACLE 11g R2 平臺， 中央控制中心系統使用測控領域成熟的LabWindows CVI 2014，系統之間通過數據交換傳遞信息。

4 結語

本文建立了一種基于反射內存網的飛機仿真試驗ORACLE 數據庫系統，針對飛機仿真試驗子系統繁雜的特點，介紹了系統網絡結構設計，描述了數據庫結構，利用響應速度快的反射內存網達到了多系統之間的數據交互的實時性要求， 采用ORACLE 數據庫系統和中央控制中心系統實現了實時存儲、管理、維護和試驗過程中同時刻海量歷史數據快速回放等功能。 本方案已應用在某型飛機研究設計的仿真試驗中，試驗結果表明本方案構建的實時網路系統之間數據交互最大時延為670 ns； 此數據庫系統能夠實時存儲、 管理21 個節點的試驗配置、通道配置與試驗數據，并能在某子系統出現異常時不影響整個系統運行的情況下保證試驗完整進行；同時開發中央控制中心系統，在數據庫優化查詢的原則下能夠快速回放液壓、溫度、飛控、能源等多系統至少兩小時以上的歷史數據，真實決策飛機飛行動作，提高飛行的真實度和飛行機動性。