測量數據處理系統的設計與應用

(中國人民解放軍91550部隊 41分隊，遼寧 大連 116018)

0 引言

遙測系統作為運載火箭系統中不可缺少的重要組成部分和關鍵系統，用于測量箭體飛行和測試過程中各系統的工作狀態參數和環境數據。歷次試驗的測量數據是評定火箭的性能和進行技術改進、故障分析的重要基礎和依據，測量數據的處理尤為關鍵。

傳統模式下的遙測系統，測量數據處理效率較低，數據利用率不高。隨著火箭型號任務的不斷增多，各項試驗測量數據處理、判讀與管理的工作量劇增，同時，設計師系統對數據處理應用的要求越來越高，對數據共享、數據管理與利用的需求越來越迫切，傳統模式的局限性日益突顯。

測量數據處理系統以模塊化、平臺化的思路進行設計，以數據處理和數據管理為核心，以實時數據庫和事后數據庫為基礎，引入數據快速處理、網絡發布、數據共享與存儲等技術，構建分布式的測量數據處理與綜合管理平臺。該系統能夠更加快速、全面、準確地為運載火箭各參試系統提供測量數據，極大地提高了火箭測試效率，減少了系統測試時間和工作量。實例數據庫技術的引入，實現了歷次試驗測量數據的集中存儲和管理，有效降低了試驗數據統一管理的難度。系統的成功應用，有效解決了傳統測量數據處理模式的局限性，提高數據利用率和數據判讀的準確性，大幅提高系統測試效率，縮短了測試時間，實現測量數據在各系統間數據共享的同時，也為數據的自動化判讀、數據深度挖掘和再利用奠定了良好的基礎。

1 系統功能實現

測量數據處理系統實現了運載火箭系統總體環境參數(緩變、速變)、模擬量、數字量、總線、串口、計算機字、指令、圖像及總線等所有類型遙測參數的實時處理、測量數據集中存儲與管理、測量數據判讀等幾大主要功能。系統目標如下：

1)提高系統測試效率，減少系統測試時間和工作量，降低各項試驗測試成本；

2)實現歷次試驗測試數據的集中存儲和管理，便于數據比對，提高數據利用率；

3)實現數據的高效分析，提高數據分析的準確性；

4)實現測量數據在各系統間的數據共享，為自動化判讀和數據挖掘再利用奠定基礎。

為實現上述系統目標，系統以數據處理和管理為核心，以實時數據庫和事后數據庫為基礎，引入數據快速處理、網絡實時發布、數據集中存儲等技術，利用網絡平臺實現數據資源的共享，構建分布式的靈活可擴展的測量數據處理服務平臺，為各級用戶提供方便快捷的數據服務。

2 總體架構和工作原理

測量數據處理系統以軟件工程化角度考慮系統規劃和設計，注重可靠性、可維護性和可測試性。系統總體結構和設計思想如下。

2.1 通用系統數據結構

以數據庫系統為中心，采用面向對象的方法建立一個通用的系統數據結構，實現對測量數據和各類信息的集中存儲，通過連接數據庫，實現數據查詢、表現、瀏覽、判讀等功能。

2.2 模塊化的軟件結構

測量數據處理系統各個程序相互獨立，又共享統一的數據接口。各個程序獨立開發、測試，根據不同的使用需求，搭建滿足不同使用要求的應用。未來有新的需求時，可以單獨修改相應的模塊或者開發新的模塊，來適應和滿足使用需求。

2.3 服務器端與客戶端軟件架構

開發服務器核心管理軟件以及客戶端用戶界面軟件，服務器端軟件實現與數據處理軟件的接口，實現測量參數實時入庫。客戶端軟件實現數據庫的查詢和顯示、判讀功能，通過連接測量數據庫服務器，對統一存儲在關系數據庫中的歷次試驗信息、數據、參數處理結果等進行讀取、瀏覽和判讀等。

2.4 參數可配置化設計

采用參數化設計方法，軟件運行所需要的參數信息以配置文件的方式保存，程序啟動時，讀取配置文件中的參數信息。當運行環境和處理要求發生改變時，只需修改配置文件中的配置項就可以滿足要求，避免頻繁對軟件進行修改。

2.5 參數信息的數據庫管理

測量系統參數信息以數據庫表的格式進行存儲和管理，并提供專門的參數數據庫管理程序完成各類參數信息的裝訂、查詢和管理，提高系統的通用性。

根據系統總體結構設計，對系統主要功能塊進行了劃分，系統功能劃分原則如下：

1)功能獨立原則，即綜合考慮功能的獨立性、部署位置等；

2)便于管理原則，即綜合考慮質量及配置管理成本、軟件設計約束等；

3)產品化原則，基于通用化考慮進行設計。

依據上述原則，系統主要劃分為測量數據處理系統和測量數據判讀管理系統兩大功能塊。測量數據處理功能是該系統的核心模塊，基于網絡技術、數據處理技術、數據庫技術實現，以測量數據庫為核心，以數據的快速處理與分析、網絡共享、信息化存儲為特征，基于C/S模式構建，完成對實時數據庫、各類數據及各個模塊的控制及調度功能。測量數據管理模塊實現數據庫的查詢和實例庫的管理、系統的校驗進入、數據瀏覽、數據管理、用戶管理、實例導入備份、日志管理等。系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

系統硬件主要由兩臺數據庫服務器、兩臺數據處理與發布工作站和多臺數據瀏覽終端組成。其中，遙測數據源為無線接收或存儲的測量數據原碼輸入。數據處理與發布工作站將從網絡接收到的測量原碼數據存入測量共享內存數據庫，通過消息機制通知測量數據實時處理程序，數據實時處理程序從共享內存數據庫獲取數據原碼，并通過數據處理管理程序從實時數據庫獲取參數信息，調用各類型參數數據處理程序分別對原碼數據進行逐幀處理，根據測量參數庫的裝訂公式，通過不同的數據處理和轉換算法，完成對試驗各類型測量參數的挑路和源碼處理轉換，得到數據處理結果，實現原碼數據實時處理，將處理后的結果存儲于內存數據庫中，利用實時數據庫技術，批量導入到試驗數據結果數據庫中，同時將參數值按照約定的接口關系發送至各瀏覽終端，為用戶提供實時查看、查詢測量數據處理結果的功能。數據庫服務器安裝關系數據庫，用來存放各發次試驗的數據處理結果，實現數據的統一存儲與管理，該數據庫是存儲數據的載體，所有的數據存儲在數據庫中。數據庫服務器和數據處理與發布工作站均采用雙機熱備份的方式，避免單點故障，提高系統的可靠性。系統軟件結構如圖2所示。

圖2 系統軟件結構圖

數據瀏覽終端運行測量數據管理系統，該客戶端軟件提供給用戶管理數據庫的界面，用戶通過界面可以進行各項數據瀏覽、數據備份、數據管理操作，通過連接訪問數據處理與發布工作站和數據庫服務器，實現試驗數據的實時瀏覽監測、數據判讀分析和綜合管理等功能。同一發次試驗的不同參數及不同發次試驗的測試數據通過系統均可實現橫向比對分析，通過參數判據的錄入，系統可實現對數據的自動化判讀，極大減少數據分析的工作量，提高數據判讀的準確性。數據瀏覽終端的數量根據數據分析和瀏覽的用戶數決定。

測量數據管理系統由三大部分組成：數據庫、服務器端存儲過程和客戶端軟件。數據庫是存儲數據的載體，所有的數據存儲在數據庫中。服務器端存儲過程完成實例庫的創建、數據的接收、數據的入庫，為客戶端軟件提供數據庫管理服務。客戶端軟件提供用戶管理數據庫的界面，用戶通過界面可以瀏覽數據、處理數據、判讀數據、管理實例庫、管理日志、管理用戶、管理試驗、導入原碼、備份和恢復試驗實例、打印和下載數據、生成測試報告。測量數據管理系統結構簡圖如圖3所示。

圖3 測量數據管理系統結構簡圖

為了方便用戶實時查看測量數據，系統設計開發WEB服務器程序和相關網頁、控件，WEB服務器程序響應來自用戶的查詢請求，把相關的數據發送至瀏覽器，瀏覽器使用嵌入在網頁中的顯示控件，完成對各類數據的推送功能。用戶只需要在聯網的計算機終端使用瀏覽器訪問WEB服務器，就可以查看各類數據信息，而不用在計算機上安裝專用軟件。

3 關鍵技術

根據試驗測試需要，全部試驗數據處理結果要存儲在測量關系數據庫中，而傳統的關系數據庫技術沒有考慮數據的準實時存儲問題。在系統設計過程中，試驗結果寫入關系數據庫時，寫入速度不能滿足實際要求。數據處理結果寫入關系數據庫的速度只能達到15次/秒左右，比設定的數據原碼幀發送速度要慢，無法實現實時入庫。經過分析，問題原因為傳統關系數據庫不是為滿足實時要求而設計的，數據寫入性能不高，插入一條數據記錄時，記錄的字段越多，耗費的時間越多。一條一條的插入數據而不使用批量插入技術的情況下，數據寫入速度慢。通過采用動態創建測試數據表結構技術和關系數據庫數據記錄批處理技術，較好地解決了這個問題。具體方法是：以字符串的形式把測試結果依次保存在關系數據庫的臨時表中，數據記錄達到一定的數量時，把臨時表的結果使用批量導出技術，輸出到磁盤上的一個文件，然后對輸出文件使用批量導入技術插入到結果表。經測試，通過采用該方法，數據結果寫入速度基本達到預期速度。

要實時對遙測原碼數據幀進行處理，得到所有遙測參數的測量值，就要求具有快速、穩定、可靠的參數值保存和查詢的技術。通過應用實時數據庫技術，很好地滿足了系統的實時性要求。eXtremeDB是一款內存嵌入式實時數據庫系統，以其高性能、低開銷、穩定可靠的極速實時數據管理能力在數據管理領域及服務器實時數據管理領域有著廣泛的應用。該數據庫適用于各種需要高性能、小尺寸、緊密存儲、零內存分配或幾種屬性兼有的應用領域，能為各種平臺、操縱系統下各類應用程序提供高性能和可靠性。eXtremeDB有幾點特性：保持極小的必要堆空間：在某些配置上eXtremeDB只需要不到1K的堆空間；不同于普通數據庫，eXtremeDB與目的程序一同編譯，不單獨成為與目的程序通訊的獨立進程，使用內部API，性能大幅提升；通過緊密的集成持久存儲和宿主應用程序語言消除額外的代碼層。通常目標應用程序使用大量小規模的數據庫操作而非大數據量的操作，這意味著通過指向對象的指針或引用來從對象中獲得數據的操作必須非常迅速快捷，否則額外開銷(例如發送一個消息的開銷)會高得讓人無法接受。eXtremeDB的數據存取方法使得對持久對象的引用能夠和引用臨時數據一樣快速。作為面向實時數據管理的數據庫系統，eXtremeDB通過以下措施提高其實時性能：

1)根據用戶數據特征生成API；

2)數據存儲在內存中，不基于任何文件系統，取消了文件I/O操作的開銷；

3)省略了Cache開銷；

4)由于不基于文件系統，系統優化不再以減少文件訪問為目的，而是以減少CPU開銷為目的，因此是更高層次的優化。

如同實時操作系統一樣，交易賦予優先級，保證關鍵交易的實時性。采用實時數據庫技術后，保證了數據出入庫的吞吐率，系統能夠快速穩定地完成參數值的保存和獲取。

4 系統的應用

測量數據處理系統實現了面向全運載火箭系統的數據處理與信息服務平臺。相比于傳統數據處理軟件，該系統在數據處理實時性、數據判讀智能化以及可擴展性方面做了大幅改進、完善和提高，能夠完成對多種數據類型參數的實時處理、實時發送、多方式解析和自動化判讀，適用于運載火箭測量系統綜合試驗、匹配試驗、總檢查和火箭發射等各個階段。該系統在運載火箭型號測試中的應用極大地提高了系統測試效率，減少了系統測試時間和工作量，降低了測試成本，同時有利于提高測量系統測試數據的利用率和數據判讀的準確性。該系統將對運載火箭測試技術的發展產生積極的促進作用，具有顯著的應用價值、經濟價值和社會效益。