基于MATLAB GUI 的測試數據比對分析軟件設計

2022-08-25 10:46:48梁海波黃萬偉

導彈與航天運載技術 2022年4期

梁海波，黃萬偉，李浩，王尚，李然

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京，100854）

0 引言

近年來，航天裝備研發的進程不斷加快，在發射前對飛行器電氣產品的穩定度、可靠性等性能指標進行全面的分析，盡可能從歷史測試數據中發現潛藏的隱患，對成功發射至關重要。對于電氣系統的設計人員來說，通過對電氣產品的歷次測試數據進行比對分析，能夠直接或間接地獲取產品的異常信息，該信息能為隱患的初步定位提供有效依據。例如，對某個產品在各測試階段的數據進行橫向比對時，發現某一參數值雖然在設計指標范圍內，但有向判據范圍外漂移的趨勢，這類現象就要求設計人員提升對該產品的關注度，并采取進一步的分析排查措施。因此，開展測試數據比對分析工作，有利于在萌芽狀態發現問題，有效遏制隱患向事故轉化。

王毅等對測試數據的自動判讀技術進行了深入的研究，然而，自動判讀算法往往具有一定的應用局限性，主要表現在3 個方面：a）在實施過程中，需要對原始數據進行預處理，如剔除野值、截取某段數據等，而這些預處理操作將增加數據漏判的風險；b）對于已經出現異常緩變趨勢但仍滿足判據要求的測試數據，雖然存在一定的隱患，但自動判讀軟件往往無法有效識別出來；c）自動判讀軟件注重單次測試數據的實時判讀，而對于多次測試數據的橫向比對分析需求，往往無能為力，仍然依賴于人工分析。因此，開發數據比對分析軟件，有利于提升設計人員對大量測試數據進行橫向比對分析的效率，是彌補常規自動判讀技術缺陷的一個有益的補充手段。

數據比對分析軟件由于其使用場景的針對性較強，目前尚無通用化的軟件平臺。按照其實現的功能進行劃分，一般可分為兩類：a）側重于通過比對算法判斷比對對象的相似度，如民用領域的指紋數據比對系統、足跡數據比對系統；b）側重于比對數據的收集和組織，形成直觀呈現的圖表為相關人員提供參考。本文所實現的軟件屬于后者，主要將電氣設備的多次測試數據進行匯集、整理，保留測試數據的所有原始特征，將比對結果進行圖表化展現，為設計人員進行數據比對分析提供便利，從而進一步提升設備潛在隱患和風險的識別率。

1 測試參數分析

飛行器電氣系統的測試參數數據量大，數據類型多，不同的參數對處理要求也各不相同。電壓模擬量通常用于表征設備的工作狀態，根據參數自身的屬性以及測試場景的不同，可將電壓模擬量參數分為兩類。

a）平滑緩變參數。這類參數從加電開始到測試結束，中間變化較少，需要關注的重點是加電時刻的跳變過程、測試過程是否存在波動、負載變化情況等。

b）變化緩變參數。這類參數主要表征飛行控制軟件施加給某些設備的激勵以及執行情況，測試目的在于檢查飛行控制軟件能否給出規定范圍內的激勵，執行設備能否執行相應動作。若表示執行情況的曲線與激勵曲線的形狀變化一致且同步，則表示該設備工作正常。

以某型飛行器控制系統為例，電氣設備包括控制組合、伺服機構、慣組、綜合控制器等。在系統設計時，以上述設備的二次電源電壓模擬量作為表征設備是否正常工作的標志性參數，如表1 所示。

表1 設備的二次電源電壓參數Tab.1 Voltage Parameters of Secondary Power of Equipments

二次電源電壓模擬量，屬于平滑緩變參數，設計人員需要從數據曲線上判讀是否超出判據范圍，以及是否存在數據跳點、異常波動等。而如表2 所示的伺服機構指令電壓與反饋電壓參數，則用于反映伺服機構響應指令的正確性。通過比對分析數據曲線，當每個舵片的反饋電壓均能夠正確跟蹤指令電壓時，則可判定伺服機構狀態正常。下面，以表1 和表2 中的參數為研究對象，開展基于MATLAB GUI 的測試數據比對分析軟件設計。

表2 伺服指令電壓與反饋電壓參數Tab.2 Voltage Parameters of Servo Command and Feedback

2 數據比對分析軟件設計

2.1 MATLAB GUI 軟件開發流程

MATLAB GUI圖形化界面是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等控件構成的用戶界面。用戶通過一定的方法（如鼠標或鍵盤）選擇、激活這些圖形控件，可以使計算機產生繪圖、數據分析等動作或變化。

采用MATLAB GUI 開發環境GUIDE 進行可視化軟件開發，一般按照以下步驟進行：

a）確定軟件所要實現的主要功能，將軟件功能劃分為若干功能模塊；

b）繪制基本的用戶界面草圖，并對其進行修改，最終確定一個可行性最強的實現方案；

c）依據界面的實現方案，利用GUIDE 制作人機交互界面，編寫每個模塊的回調程序（Callback），并逐項進行功能測試；

d）編譯并發布軟件。

2.2 軟件總體設計

數據比對分析軟件主要用于將多次測試數據進行提取、分析，將同一參數的數據進行匯總、繪圖顯示，并對數據進行統計分析，將圖像和統計結果以文檔的形式導出，供設計人員進行數據分析使用。經過軟件需求分析，數據比對分析軟件的數據處理過程存在先后順序，是一種基于流程化操作的軟件。為了使數據比對分析軟件的程序設計更加有序化和合理化，將軟件功能劃分為若干個模塊，每個模塊能夠獨立地實現一個子功能，所有的模塊整合起來就可以實現完整的軟件功能。基于MATLAB GUI 的數據比對分析軟件功能如圖1 所示，將軟件劃分為5 個功能模塊，各模塊實現的主要功能如下。

圖1 數據比對分析軟件功能Fig.1 Functional of Data Comparison and Analysis Software

a）循環加載測試數據原始文件。由于歷次測試數據對應的數據文件均為相同文件名的.txt 文件，且分別保存在各自所屬測試項目的文件目錄中，同時批量加載存在操作上的困難，因此，采用循環導入的方式加載測試數據文件，同時手動輸入每個文件對應的測試項目名稱，并將該名稱作為后續曲線、圖表中的標簽項，以此來對測試數據進行區分。

b）數據文件名稱確認。輸入的測試文件名稱會同步顯示在數據顯示區，供用戶再次進行確認，如果存在錯誤，可以及時在界面上進行更正。

c）數據提取、歸類及整理。對所有加載成功的測試數據進行批量提取及保存，作為后續數據分析的原始數據庫。

d）曲線繪制與保存。將來自不同測試數據文件中相同的參數數據進行繪圖顯示，并保存至Word 文檔中。

e）數據包絡分析與保存。將所有參數進行統計分析，包括參數的最大值、均值及最小值，并保存至Excel文檔中。

2.3 軟件界面設計

根據前文確定的若干功能模塊，確定數據比對分析軟件界面上需要觸發按鈕（Pushbutton）、靜態文本框（Static Text）及編輯文本框（Edit Text）3 種控件類型。其中：各功能模塊的觸發功能采用觸發按鈕控件，數據名稱顯示區的提示字符采用靜態文本框控件，測試數據名稱顯示區采用編輯文本框控件。首先，根據界面設計草圖，將所有控件拖動到GUIDE 開發環境的前臺界面中，并調整每一個控件的位置，力求布局美觀。然后，依次通過各控件的屬性查看器對各控件的屬性進行設置，部分屬性值會同步更新到后臺的回調函數中。

2.4 軟件功能模塊設計

2.4.1 概述

軟件主界面作為用戶人機交互的接口，響應用戶對界面中各控件的操作（如點擊鼠標、輸入字符等），后臺的回調函數會執行相應的算法，并向前臺界面反饋信息。下面，將依次對各功能模塊的回調函數設計情況進行介紹。

2.4.2 循環加載文件

循環加載文件模塊主要用于多次獲取用戶選擇的文件路徑，并以對話框的形式請求用戶輸入本次測試文件對應的測試項目名稱，以便繪圖和數據分析使用，具體軟件流程如圖2 所示。

圖2 循環加載文件流程Fig.2 Flow Chart of Loop-load Data File

用戶每點擊一次主界面上面的“循環加載文件”按鈕，后臺回調函數加載一次文件，支持多次重復操作。獲取文件信息由函數uigetfile( )創建，通過對話框獲取用戶的輸入信息，返回文件的路徑、文件名等信息，便于后續對該文件進行數據讀操作。由于所有導入的原始測試數據的文件名稱均相同，無法在數據處理環節對數據來源進行區分，因此，通過對話框函數inputdlg( )，請求用戶為本次加載的文件命名（推薦輸入測試項目名稱），并保存。最后，通過函數set( )將用戶輸入的項目名稱打印在主界面的數據名稱顯示區。

2.4.3 數據名稱確認

為了避免用戶在上一環節輸入的測試項目名稱出現錯誤，已將輸入信息同步顯示在主界面上的數據名稱顯示區。用戶可對項目名稱再次進行確認，如果有錯誤，支持在數據顯示區對項目名稱進行在線修改，待用戶確認所有顯示信息均無錯誤后，通過鼠標點擊主界面上的數據名稱確認按鈕，完成數據名稱確認操作。

2.4.4 數據處理

數據處理模塊根據前兩個模塊提供的測試數據文件路徑和測試項目名稱，依次打開文件、讀取數據，并將所有數據保存在同一元胞數組中。由于元胞數組中保存的數據均為字符格式，無法進行數據分析，需將其轉換為數值格式。其中，數據讀取函數采用textscan( )，該函數不僅能按指定格式讀取數據，還能對數據進行處理，例如數據篩選、指定數據的字段等。數據格式轉換采用函數str2double( )，將元胞數據中的字符數據逐一轉換為雙精度浮點型。

2.4.5 曲線繪制與保存

a）曲線繪制。

MATLAB 提供了功能強大的繪圖函數，用戶可以很方便地繪制曲線。數據比對分析軟件將所有二次電源電壓、伺服指令電壓及反饋電壓等參數繪制成曲線，每個參數集中在一幅曲線圖中顯示，圖中用不同的曲線顏色和圖例來區分數據的來源（測試項目）。首先，創建所有曲線圖的句柄函數，然后依次定義每幅曲線圖的名稱、圖中曲線顏色及圖例、設置曲線縱軸的上、下限等操作。

為便于用戶直觀地觀察曲線與測試判據的相對關系，將曲線的縱軸上、下限值設定為判據值，一旦曲線超出圖幅的上限或下限，則判定數據超差。此外，通過MATLAB 曲線工具欄上的縮放功能，可實現曲線的局部、整體縮放顯示，便于用戶觀察曲線的細節。

MATLAB 繪圖函數的DefaultAxesColorOrder 參數默認只有7 種顏色。如果圖中曲線的數量超出7 種，后續曲線的顏色將從第1 種顏色起依次向下循環使用上述7 種顏色，導致曲線顏色重復，造成用戶無法有效區分參數的來源。因此，事先對 DefaultAxes ColorOrder 參數進行初始化定義。這里，采用函數rand( )隨機生成的數據序列為DefaultAxes ColorOrder 參數賦值，可以極大程度地規避曲線顏色重復的問題。

b）曲線保存。

曲線繪制完成后，可將其保存至Word 文檔中，便于用戶歸檔和后續查閱。由于微軟公司并未公開Office軟件文檔的結構，對Office 軟件的訪問和操作一般都是通過Office COM 組件實現的（除了Java 的PIO 庫，C#的NPIO 庫）。因此，利用MATLAB 生成Word報告，也只能通過與Word 相關的COM 組件及其接口來實現。

將數據寫入Word 文件，通常包括創建Word 服務器、建立Word 文檔、設置頁邊距、插入圖片、保存文件等操作，具體操作方法可參見文獻[9]。

2.4.6 數據包絡分析

在對數據歸檔時，往往需要提供測試數據的包絡情況。因此，利用函數max( )、mean( )、min( )分別得出參數在每次測試中的最大值、均值及最小值，實現對所有測試數據的統計學分析。統計結果得出后，將結果寫入Excel 文檔。保存Excel 文件的方法與保存至Word 文檔的方法類似，這里不再贅述。

2.5 軟件編譯與發布

為了方便用戶在不同平臺運行MATLAB GUI 開發的可執行程序，MATLAB 提供了編譯發布工具箱。在MATLAB 命令窗口中運行deploytool 命令，就可以調出該工具窗口，按照窗口中的提示流程步，可以方便、快捷地編譯發布MATLAB 程序。編譯、發布完成后，用戶進入*.exe 軟件所在的目錄，雙擊鼠標執行*.exe 文件即可運行軟件。

3 數據比對分析軟件應用

利用某型飛行器控制系統的多次實測數據，對數據比對分析軟件的功能實現情況進行驗證。啟動軟件，主界面如圖3 所示，界面左側為操作區，對應軟件的5個功能模塊；界面右側為數據名稱顯示區，顯示用戶輸入的測試數據文件名稱。參照軟件的使用方法，依次加載實測數據、確認數據名稱、繪制曲線并保存、進行數據包絡分析并保存，具體操作流程如下。