基于IETM的運載火箭電氣試驗信息管理系統設計

王 丹,黃 皓,陳 策,尹祿高

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

傳統運載火箭電氣試驗管理信息化手段十分落后。試驗過程中的各項過程文件和檢查表格等均采用紙質記錄，由試驗人員手寫完成。試驗資源、過程、記錄、任務調度等信息缺乏有效的管理。隨著我國航天事業的迅速發展、運載火箭電氣技術的不斷先進、發射測試任務的愈加繁忙，這些紙質記錄資料數量日益龐大，十分不利于管理，查找與比對也極為不便[1-3]。

交互式電子技術手冊(interactive electronic technical manual，IETM)[4]綜合應用了計算機網絡、數據庫和多媒體等技術的優勢，將內容繁雜的操作、檢查、維修等信息，按照相關的標準有機地管理起來，以最優化的形式將文字、表格、圖形、圖像、聲音、視頻、動畫等各種信息直觀地顯示于電子屏幕上，提供便捷的交互方式進行查閱和記錄，將系統操作人員或維修技術人員所需的信息，精確生動地展現在使用者面前，為設備使用和保障活動的實施帶來了便利[5]。IETM優化了信息的組織管理樣式，使用計算機為載體，具有縮放、翻滾、色彩、聲音、動畫等附加性能，可以更加方便快捷地查找信息，實現了人與數據的交互。目前，基于IETM的各類信息管理系統已廣泛應用于運載火箭的技術資料查閱、培訓、測試與維修等工作中[6]。

本文設計了基于IETM的運載火箭電氣試驗信息管理系統，充分考慮運載火箭種類繁多、技術狀態不一，借鑒國內外IETM平臺研制核心技術和先進經驗，利用基于平板電腦的IETM實現試驗流程、試驗操作及試驗記錄的電子化，實現試驗數據管理的智能化。

1 設計目標

運載火箭電氣試驗信息管理系統設計目標為：

1)資料查閱——支持操作崗位進行現場技術資料查閱及使用；

2)數據下載及上傳——操作終端可以從服務器端下載試驗任務相關信息、操作規程、檢查確認表格及文件資料等；也可以向服務器端上傳簽署完整的檢查確認表格，支持離線本地存儲數據；

3)試驗記錄表格填寫——操作終端提供現試驗記錄表格信息的錄入功能；

4)試驗流程管理——具備試驗流程及計劃編排功能，計劃編排可按照試驗項目要求的時間節點進行調整。能實現試驗項目的增加和減少，基本屬性信息的編輯與查看，包括開始時間、完成時間、參與崗位、具體執行人等；

5)數據同步——提供管理系統與終端進行數據同步功能，實現試驗計劃、試驗任務、試驗人員、試驗結果等數據同步，允許終端處于離線狀態，采用本地存儲數據；

6)信息查詢——系統具備試驗進展查詢功能；

7)數據導出——在試驗任務結束后可以按要求生成試驗流程管理相關的數據庫文件，以便形成知識系統。

系統還需具備其他基本功能，包括用戶權限管理、數據安全管理、數據備份、預留數據共享接口等[7]。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

運載火箭電氣試驗信息管理系統整體由試驗管理終端、測試數據庫平臺和數據服務器平臺三部分組成，如圖1。

圖1 運載火箭電氣試驗信息管理系統架構圖

圖2 運載火箭電氣試驗信息管理系統工作流程

數據服務器平臺實現系統統一管理的功能，完成試驗、數據、流程、設備、權限的統一分配和管理；測試數據庫平臺實現系統統一存儲、調用的功能，由基礎數據庫、試驗數據庫、業務數據庫和故障數據庫組成，數據邊界劃分清晰，通過外聯映射實現數據關聯；試驗管理終端為整個系統的執行平臺，負責試驗的執行、試驗數據采集、實驗室日常數據采集和用戶自學習、培訓的功能。

系統三部分從功能上分工明確，實現了從試驗任務的安排、試驗流程的開發、試驗任務的發布、試驗過程的執行、試驗數據的采集和數據的上傳存儲等整個試驗流程的管理。

2.2 系統工作原理

試驗任務由數據服務器平臺發起，試驗管理終端進行試驗執行和數據采集。數據服務器平臺編寫試驗任務，將試驗任務發布后，保存到測試數據庫平臺中，試驗管理終端連接服務器硬件，通過數據中間件服務實現試驗任務的下發、技術資料的同步和試驗數據的上傳。在數據同步的過程中，數據中間件服務將同步狀態反饋給試驗管理終端進行顯示，使用戶可了解同步狀態。

試驗任務下發到試驗管理終端后，操作人員通過身份認證后登陸平臺，通過終端進行試驗流程的執行，在執行過程中，可查閱試驗項關聯的技術資料，輔助試驗執行。

系統工作流程如圖2。

2.3 網絡拓撲結構

運載火箭電氣試驗信息管理系統網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 運載火箭電氣試驗信息管理系統網絡拓撲結構

數據服務器平臺部署在硬件服務器上，用戶通過瀏覽器可訪問平臺相關內容；測試數據庫平臺部署在硬件服務器上，用戶可通過數據庫管理軟件進行平臺訪問；試驗管理終端部署在硬件手持終端上，操作人員登錄后，可進行試驗操作；數據通信中間件部署在硬件服務器上，終端通過USB模式連接服務器，進行數據通信。

2.4 軟件設計

2.4.1 試驗管理終端設計

試驗管理終端主要負責試驗任務的下載、查看、記錄與上傳，同時作為輔助終端，進行試驗過程指導、技術資料查看。包括用戶管理功能模塊、資料管理功能模塊、試驗管理功能模塊、日常管理功能模塊和電子審簽功能模塊。

用戶管理功能模塊對試驗管理終端的使用人員進行身份確認工作，終端中管理的用戶信息是從數據服務器平臺進行同步的。操作人員通過用戶名+用戶編碼+密碼的方式進行身份確認。

資料管理功能模塊實現對試驗現場技術資料的工程化管理[8]。終端中管理的技術資料是從數據服務器平臺通過數據通信中間件的方式獲取，也可以通過導入外部文件的方式進行獲取。

試驗管理功能模塊主要功能是實現試驗過程的電子化、標準化和無紙化，通過手持終端進行試驗的標準操作、過程指導和數據采集。通過數據通信中間件，實現試驗任務文件的下載，解析試驗任務文件，以標準格式進行視圖展示。操作人員可在流程視圖中進行操作，提供文本輸入、拍照、視頻、掃碼等方式進行試驗數據的采集。

日常管理功能模塊實現對日常工作數據管理，包括環境數據、儀器、設備數據等的管理工作，具備錄入、查詢、統計、查閱等功能。

電子審簽功能模塊對于試驗過程中或試驗結束后需要的檢查確認流程進行電子審簽管理，檢查確認流程同該試驗的等級匹配，用戶可在數據服務器平臺中的試驗管理功能模塊進行設置。試驗的電子審簽需要進行審簽人員的身份確認，審簽人員點擊“檢查確認項”，進行用戶名、用戶編碼、密碼的輸入，身份確認后，可進行意見簽署，以及是否同意進入下一審簽環節。對于審簽結果，系統自動填寫審簽時間，從系統時間中獲取。

對于采集的試驗數據，終端平臺提供加密提交的功能，手持終端通過USB連接數據服務器平臺，實現試驗數據的上傳、入庫操作。

2.4.2 測試數據庫平臺設計

測試數據庫平臺主要負責管理相關數據的存儲，主要包括試驗任務、設備信息、試驗記錄數據、故障庫、技術文件等信息。測試數據庫包括基礎數據庫、試驗數據庫、業務數據庫和故障數據庫等。基礎數據庫存儲系統中涉及的各種基礎信息(包括人員、部門、角色、權限、儀器、設備、環境、文檔等基礎信息)[9]。試驗數據庫存儲與試驗有關的試驗任務、試驗流程、試驗數據等信息。業務數據庫存儲試驗室日常業務信息(試驗任務發布、審批流程等業務管理信息)。故障數據庫存儲試驗過程中故障信息(包括試驗編號、故障名稱、故障編號、故障現象、排故結果、排故流程等屬性)。

2.4.3 數據服務器平臺設計

數據服務器平臺主要實現試驗任務的編輯、下發，試驗數據的上傳、展示和導出功能。包括試驗管理功能模塊、數據管理功能模塊、技術資料管理功能模塊、試驗儀器管理功能模塊、終端管理功能模塊、系統管理功能模塊和查詢統計功能模塊。

試驗管理功能模塊提供試驗流程及計劃編排功能，編排主要按項目時間節點進行[10]。在系統中能實現對試驗項目添加或減少，對其基本屬性信息的編輯與查看，如開始時間、完成時間、所屬崗位、具體執行人等；可通過平臺引導的方式完成試驗的開發，也可以通過導入外部標準流程文件的方式進行試驗流程的開發。提供對試驗的編輯、修改、刪除、拷貝等功能。

數據管理功能模塊主要實現數據服務器平臺與試驗管理終端之間的數據同步和數據導出為標準格式的功能。實現對系統中的數據(試驗流程信息、試驗記錄表格文件、技術及管理文件、試驗采集的數據、環境數據等)進行統一管理。

技術資料管理模塊實現對平臺中技術資料的新增、編輯和刪除操作，形成平臺的技術資料庫。在編輯試驗流程步驟的時候，可以從技術資料庫中關聯相關的指導資料。

試驗儀器管理模塊可實現試驗儀器的增加、編輯和刪除操作，試驗流程可從試驗儀器管理模塊中關聯相關的試驗儀器。

終端管理功能模塊包括新增終端、編輯終端、終端刪除和終端查詢等。

系統管理功能模塊實現對系統中人員、部門、崗位、角色、權限的管理。系統以樹形列表的形式列出資源，管理員可以為某個角色授權。

查詢統計功能模塊提供數據(試驗數據、故障數據、儀器數據、環境數據、技術資料、人員信息、日志等)的查詢統計功能。

2.4.4 數據通信中間件設計

數據通信中間件實現跨操作系統(Window server和Android)的數據通信功能，基于多媒體傳輸協議(MTP)，實現試驗管理終端和數據服務器平臺之間的試驗任務下發、技術資料同步和試驗數據入庫的功能。

數據通信中間件服務部署在硬件服務器端。

2.5 技術難點與解決方法

2.5.1 可靠性設計

系統設計主要采取以下幾個方面的手段，保證軟硬件及數據的穩定、運行安全可靠：

1)軟件的設計采取模塊化的獨立組件設計方法，實現數據處理、控制和顯示的過程分離，保證軟件功能模塊間的相互獨立，軟件模塊在運行穩定可靠；

2)軟件的架構采用能夠適應冗余的應用級備份，可將所有試驗數據和文件附件備份到指定目錄(定期自動備份或手動備份)，備份數據可恢復；

3)數據采集采用多線程處理技術，將數據顯示、數據存儲、數據采集等線程進行分離，對數據緩存的權限進行明確的劃分，保證數據的完整和存儲過程的可控；

4)手持終端硬件不包含任何無線上網功能模塊，USB、網絡接口等必須通過指定計算機進行連接，當與其他設備互聯時不能夠被識別。終端硬件信息存儲在數據服務器，當終端連接硬件服務器時，通過中間件獲取終端信息，通過與數據庫中硬件信息進行比較，確定該終端是否合法，對于合法識別的終端可進行識別和數據同步。

2.5.2 接口設計

運載火箭電氣試驗信息管理系統接口主要包括內部接口以及外部接口兩個部分的接口內容。其中，內部接口為試驗管理終端、測試數據庫平臺和數據服務器平臺之間的數據通訊接口，外部接口為與外部數據、文件之間的交換接口。接口關系圖如圖4所示。

圖4 系統接口關系圖

具體接口內容包括如下。

1)內部接口：試驗管理終端同數據服務器平臺之間通過數據通信中間件方式進行試驗任務、試驗數據、技術資料的下載、同步和上傳，通信中間件基于MTP協議進行封裝；

2)外部接口：系統外部接口包括測試數據庫平臺與Office應用軟件之間提供拷貝、粘貼、鏈接應用接口；數據服務器平臺導入外部文件自動生成試驗任務/儀器信息等，試驗任務導出為標準格式報表。

2.5.3 安全保密設計

運載火箭電氣試驗信息管理系統采用安全策略服務的方式，對系統、平臺、接口、數據、文檔進行安全保密防護和管理。

1)透明加密技術：

采用透明加密技術進行數據和文檔的加密，透明加密技術是一種強制性的自動加密技術，文檔加密、解密過程對使用者無感知。平臺和終端安裝相關的加密策略，文檔或數據在受控范圍內透明使用，脫離受控環境，無法使用；

2)安全登錄：

終端用戶與數據服務器平臺同步，通過用戶名+用戶編碼+密碼的方式進行身份識別，密碼以隱碼的方式進行輸入；

3)文件訪問控制：

文件訪問控制是一種文檔安全增強策略，主要用于防護用戶重要數據被惡意刪除。文件訪問控制策略可以實現防止非法刪除目錄、文檔及更改文檔后綴名，用戶通過服務器管理平臺設置要保護的文檔目錄及文檔類型，客戶端根據策略對指定目錄進行保護，從而防止用戶核心數據惡意被刪除或更改文檔后綴名繞過文檔加密保護；

4)安全中間件：

以接口的方式為應用系統提供加解密能力，應用系統可以根據需要選擇加密接口、解密接口、流程接口等進行聯合開發，使加解密和業務系統融合為一體，提升應用系統的保密性，保障數據的安全性；

5)智能移動終端：

為智能移動設備提供專屬APP安全服務，保證通過移動設備下載到客戶端的加密數據可以正常查看，脫離受控范圍無法使用。此模塊與透明加密、應用安全網關或安全中間件等配合使用。

3 實驗結果與分析

目前，基于IETM的運載火箭電氣試驗信息管理系統已經在CZ-2C、CZ-3A等型號運載火箭測量系統綜合試驗中應用，有效解決了型號高強密度發射時期多發火箭電氣試驗并行開展情況下試驗信息管理復雜等問題。與原有紙質記錄資料相比，信息的查找效率提高了4倍以上。

通過數據服務器平臺編寫并發布一次試驗任務，同時試驗任務將保存到測試數據庫平臺中。試驗管理終端連接服務器硬件，通過數據通信中間件服務實現試驗任務的下發和技術資料的同步。試驗任務下發到試驗管理終端后，操作人員通過身份認證后登陸平臺，通過終端進行試驗流程的執行。在執行過程中，可查閱試驗項關聯的技術資料，輔助試驗執行。試驗結束后，再次使用終端連接服務器硬件，通過數據通信中間件服務實現試驗數據的上傳。

服務器端軟件采用Visual C#開發，實現了試驗人員信息管理、型號管理、試驗管理、故障管理、測試表格導入導出等功能。其中測試模板管理界面如圖5。

圖5 數據服務器平臺測試模板管理界面

操作終端基于Andriod環境開發，實現了試驗計劃查詢、文件資料查詢、測試表格導入導出、試驗過程記錄等功能，其中典型測試表格顯示界面以及試驗數據記錄界面如圖6和圖7。

圖6 試驗管理終端典型測試表格顯示界面

圖7 試驗管理終端試驗數據記錄界面

4 結束語

本文結合運載火箭電氣試驗的特點，設計了基于IETM的運載火箭電氣試驗信息管理系統。研究了系統的總體框架和網絡拓撲結構，重點介紹了系統中試驗管理終端、測試數據庫平臺、數據服務器平臺和數據通信中間件的設計，并對設計中遇到的關鍵技術問題進行了分析。通過在CZ-2C等型號運載火箭測量系統綜合試驗中的測試，驗證了系統功能的有效性和穩定性，達到了實際應用的要求。本系統在運載火箭電氣試驗中的應用，采用標準電子表格式管理，進一步規范了運載火箭電氣試驗的操作流程及試驗記錄與判讀，實現了試驗數據管理的智能化，也為多發次試驗數據的橫向比對提供了便利。