航天器材料及器件地面模擬試驗數據庫系統設計與實現

李洪普，李興冀，楊劍群，王 成，李曉峰，李 鋒

(1.中船重工奧藍托無錫軟件技術有限公司，江蘇 無錫 214000；2.哈爾濱工業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150001；3.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214000)

0 引言

隨著我國航天事業的蓬勃快速發展，對航天器長壽命、高可靠的要求隨之不斷增長，對于航天器材料和電器元件的空間應用可靠性及其保障技術日益受到重視。同時，由于現代衛星大量使用新型材料和新技術，環境因素對航天器材料應用的影響不容忽視，在地面嚴格控制材料和電器元件空間應用的性能并掌握基于地面模擬測試的試驗數據是研制高品質、長壽命、高可靠航天器的重要手段。

現階段航天器材料和電器元件特征參數主要來源于地面模擬試驗仿真模型數據參數測試、地面模擬試驗以及整理收錄的部分國內外試驗數據。通過匯聚已有航天器材料與電器元件基本性能參數數據和地面模擬試驗數據，并對外提供數據裝載、數據管理、數據展示、數據應用、更新維護等功能，挖掘航天器材料與電器元件相關數據的潛在價值，對于縮短航天器材料與電器元件測試周期、降低航天器材料與電器元件研發成本，進而提升航天器設計與研制水平具有重要的意義。

現如今大部分航天器材料或電器元件數據庫系統存在數據參數種類單一、操作功能簡單、數據相對孤立等缺點。針對上述缺點，提出航天器材料與器件地面模擬試驗數據庫系統(簡稱“地面模擬試驗數據庫系統”，下同)設計，在滿足數據裝載、數據管理、數據展示、數據應用以及更新維護等功能基礎上新增數據分析功能，通過集成專用分析算法并提供自定義分析算法接口，方便用戶快速分析測試數據并展示分析結果；提供多種數據調用接口，方便其它仿真分析軟件調用獲取數據，實現數據的分發與共享；同時，基于光學字符識別(OCR, optical character recognition)技術，自動提取國內外公開試驗報告中的數據并納入本數據庫，顯著提升人工錄入數據的效率與質量。另外，本數據庫收錄的數據也可為相關行業仿真分析領域的數據模型建立、仿真結果分析比對提供參考數據。

1 系統架構和原理

1.1 系統業務架構

本系統涉及的航天器材料和電器元件特征參數主要來源于仿真模型數據參數測試、地面模擬試驗以及整理收錄的部分國內外試驗數據。數據來源途徑不同，數據類型及格式多樣，通過對地面模擬試驗各類試驗數據信息和數據關系進行充分梳理，提煉其中共性特征，梳理各自的差異特征，從而制定出多源異構數據的數據庫模型及導入規范，通過數據集成接口實現數據的標準化入庫。

根據地面模擬試驗數據庫系統特性，將整個數據庫劃分為多個子庫，各子庫下分別存儲不同的基礎信息、地面模擬試驗數據以及第三方文檔資料，并針對各類型數據提供數據裝載、數據管理、數據展示、數據應用、系統管理和接口管理等功能。同時集成與仿真分析軟件數據接口，實現與仿真分析軟件的數據交互，整個數據庫系統的業務架構如圖1所示。

圖1 系統業務架構

1.2 系統技術架構

地面模擬試驗數據庫系統基于典型的瀏覽器/服務器 (B/S, browser/server)架構進行開發，B/S是典型的瀏覽器/服務器體系，即在瀏覽器一端采用交互式Web頁面，服務器端連接數據庫服務，構成瀏覽器/服務器模型，其模式相較于傳統的客戶端/服務器模式具有降低硬件配置、減少軟件安裝、縮減部署代價、提高可維護性和可擴展性等優勢。整體的技術架構包含客戶端、服務器端(包含模型層、控制層、業務邏輯層、持久層、基礎層和數據庫)兩個角色，各角色的功能定位如下。

1.2.1 客戶端

提供用戶訪問web服務的一個平臺，用戶通過瀏覽器實現發送數據請求、接收服務器返回的數據、解析服務器所傳送回來的數據。使用到的技術框架包括VUE.js、EXT.js等。

1.2.2 服務器端

服務器端負責運行及發布web應用服務，承擔著響應客戶端請求、執行業務邏輯、訪問數據庫以及反饋請求數據等功能，使用到的技術框架或路線包括Struct2、Hibernate、Spring等。

1.3 數據庫選型

出于可靠性、穩定性以及彈性可擴展等因素的考慮，本系統采用傳統的Oracle數據庫作為底層的數據庫軟件，

Oracle數據庫是以高級結構化查詢語言(SQL, structured query language)為基礎的大型關系型數據庫，方便邏輯管理并操縱大量有規律數據的集合，具有可移植性好、使用方便、功能強大等諸多優點，能在所有主流平臺上運行(包括Windows、Linux等)，對開發商全力支持。

2 地面模擬試驗數據庫設計

2.1 系統組成

系統的整體組成主要包括4個層級：門戶層、功能層、服務支撐層、硬件層，各層級內容如下。

1)展示層：本系統通過系統門戶，展示地面模擬試驗數據相關，并提供各項業務功能的快速入口。

2)功能層：本系統通過功能層，提供各項具體功能，滿足各類數據使用人員對地面模擬試驗數據的入庫、管理、查詢、應用的需求，并通過集成接口，實現與仿真分析系統的數據傳輸。

3)服務支撐層：本系統的服務支撐層主要提供基礎性的功能組件，分為服務器端組件。服務器端組件提供平臺事務處理、數據接口、數據緩存、工作流引擎、報告生成和檢索引擎等，能夠為系統讀取和提交服務器端的數據提供連接和訪問服務。

4)資源層：資源層提供支撐本系統運行的軟硬件平臺。

圖2 系統應用分層設計

2.2 系統功能設計

根據業務需求，地面模擬試驗數據庫提供數據裝載、數據管理、數據應用、數據展示、系統管理和接口管理等功能模塊，各功能模塊又包含不同的子功能點，整個系統的功能模塊劃分如圖3所示。

圖3 系統功能模塊劃分

2.3 數據庫設計

本系統目前采用世界上流行的Oracle數據庫，該數據庫可移植性好、使用方便、功能強，適用于各類大、中、小微機環境。它是一種高效率的、可靠性好的、適應高吞吐量的數據庫方案。

根據業務需求，地面模擬試驗數據庫共包含物質庫、試驗庫、標準庫和報告庫共四大類庫，四大類庫存儲表單按照存儲對象不同共分為物質基礎信息表、地面模擬試驗記錄表、地面模擬試驗工況表、地面模擬試驗結果表、試驗標準記錄表、試驗報告記錄表以及系統表6大類。

2.4 數據處理流程

在系統中，基本性能參數數據、地面模擬試驗數據、試驗標準與報告會通過人工整理或軟件自動提取成符合入庫數據規則的標準數據，在數據導入階段進行數據校準與錄入，系統根據數據性質進行分類存儲和管理，系統所存儲的數據將通過WEB界面、分析工具、統計報表、數據統計等形式展示，涵蓋了二維、三維展示以及文檔在線瀏覽。

2.5 關鍵功能設計

在地面模擬試驗數據庫系統中，基于系統特性設計數據錄入、數據展示、數據提取、數據分析、系統管理等功能。

2.5.1 數據錄入

數據錄入功能用于實現包括物質基本信息、仿真數據、試驗數據等的錄入，根據數據特性創建數據錄入界面。地面模擬試驗物質基本信息應包括名稱、型號、生產廠家、批次等信息；地面模擬試驗數據包括地面模擬試驗和仿真計算數據，文件包括第三方機構公開的pdf格式的試驗標準文件和試驗報告文件，錄入數據時，系統會根據業務規則對錄入的數據進行校驗，只有符合業務規則的數據才能夠正確存儲到指定的數據庫中，否則將提示錄入失敗。

圖4 數據錄入校核流程

2.5.2 數據展示

數據展示功能分為組態控件展示、二維平面展示、三維模型展示以及文檔在線瀏覽等，通過不同形式的控件工具實現對地面模擬試驗物質基本信息、仿真試驗數據以及標準報告文檔的展示。

1)組態控件展示。

組態控件展示分為兩個部分：服務器端和瀏覽器端。為配合系統使用，服務器端采用Java進行開發，封裝成獨立jar包，配合visualization.properties文件進行參數配置以適應特定運行環境。瀏覽器端封裝js庫visualization.js，根據不同請求動態產生不同元素(圖片放大器、視頻播放器和ActiveX)進行展示。

2)二維平面展示。

二維平面展示主要采用基于JavaScript的開源可視化庫ECharts實現將地面模擬試驗物質特征參數以及試驗和計算分析結果進行展現，方便專業技術人員能夠準確了解物質自身情況以及試驗過程數據，進而更加直觀地分析試驗效果。

ECharts是由百度推出的一款基于JavaScript實現的可視化圖表庫，可向用戶提供直觀、形象、交互性強、可個性定制的數據可視化圖表。該圖表庫支持運行在通用計算機或移動終端上，兼容市面上大多數瀏覽器(如谷歌、火狐、Safari、IE等)，底層基于輕量級矢量圖形庫 ZRender來實現，提供常規的柱狀圖、條形圖、餅圖、折線圖、玫瑰圖、地圖、熱力圖等多種展現樣式，同時支持多圖表混合以及多維度堆積展現。

3)三維模型展示。

三維模型展示采用Jmol控件實現航天器組成材料內部分子結構的模型展示，以直觀的方式動態呈現出物質內部組成元素的三維結構。

Jmol是一個基于Java語言編寫的分子三維模型顯示工具庫，用于分子模型的編輯及瀏覽。該工具庫具有以下特點：①開源，支持跨平臺，兼容多種瀏覽器，支持多種語言；②支持常見的圖片格式，支持讀取來源于量子化學程序導出的文件格式，以及量子程序導出的包含多幀動畫的文件以及普通數學模型；③兼容多種分子格式，如CIF、mmCIF、GAMESS、CML、Ghemical、Gaussian 94/98/03等40多種格式，支持用程序自動解壓縮gzip壓縮的文件。

4)文檔在線瀏覽。

本系統提供文檔在線瀏覽功能，提升數據展示豐富性。通過JS庫封裝的pdf.js插件實現，該插件是由Mozilla 主導推出的，主要用于HTML5 平臺上在線閱讀PDF文檔。它通過查找項目中相對路徑下存放的文檔，加載顯示在頁面中供用戶查閱。Pdf.js框架的主要特性是不依賴于本地插件，不轉換為flash，純粹基于前端語言。基于該插件，可以實現在pdf瀏覽頁面文檔縮放、標記、打印、下載等功能。

2.5.3 數據提取

數據提取用于實現pdf格式的試驗報告文檔中表格數據的提取功能 ，即主要對文件中的數據進行識別提取，擴充地面模擬試驗數據庫的數據來源，豐富系統數據種類。該功能主要對國內外的資料文獻進行識別，通過掃描整篇文檔獲取表格數據和關鍵詞，通過人為篩選判斷從而提取有用數據進行展示和存儲。

圖5 數據自動識別與提取

針對航天器材料與器件地面模擬試驗報告(大多數為pdf格式)中的數據識別與提取功能，需要通過光學字符識別(OCR，optical character recognition)技術來實現，具體過程包含3個步驟：圖像預處理、圖像分割、字符識別。傳統OCR文本檢測技術所依賴的淺層次的圖像處理方法或圖像分割方法往往局限于成像清晰、背景干凈、字體簡單而又排列規整的文檔圖像。相較于傳統OCR文本檢測技術，深度學習OCR在精準度和檢測速度上具有極大的優勢。因而采用基于深度學習OCR算法的pdfplumber庫工具進行pdf表格數據的識別和提取。

2.5.4 數據分析

數據分析用于實現對仿真數據和試驗結果數據的分析處理。數據分析功能主要包括定制分析和自定義分析，針對多源異構地面模擬試驗數據，集成專用標準分析處理算法，快速進行分析處理相關試驗數據。

1)定制分析功能主要通過對仿真數據或試驗結果數據進行特定公式的計算得到分析結果，最后繪制出分析曲線。部分分析結果在繪制曲線時縱坐標需要用到取對數運算，結合系統前端開發語言采用ECharts工具庫實現。

2)自定義分析功能主要提供對仿真數據或試驗結果數據進行自定義公式的計算以此得到分析結果，自定義公式主要包含四則運算以及絕對值計算。該功能利用JavaScript提供的eval函數來進行運算，eval函數會對一個給定的包含JavaScript代碼的字符串進行評估，并嘗試執行隱含在字符串里的表達式或正確合法的JavaScript語句。然后eval函數會把最后一條語句或表達式所包含的引用或參數值作為返回值反饋給調用方。由于系統服務器端所采用的JAVA語言具有跨平臺性，從而通過調用基于JVM語言的javax.script包內的ScriptEngineManager類去執行腳本語言eval函數以實現公式計算。

2.5.5 系統管理

1)用戶管理。

用戶管理功能支持對使用人員的賬號基本信息及所屬部門信息進行管理，其中所屬部門信息支持提前預設，也支持自定義修改。系統管理員可以對用戶信息進行必要的新增、修改、刪除等操作。

圖6 用戶管理用例分解圖

2)三員管理。

本系統提供“三權分立”的權限管理機制(參見下圖)，包括以下主要的管理角色。

系統管理員：負責系統維護和數據庫維護等工作；

安全管理員：負責用戶角色管理和權限分配等工作；

審計管理員：負責審計系統日志，檢查異常操作行為。

3 系統實現

地面模擬試驗數據庫系統根據上述系統設計方案進行搭建。本章圍繞系統的關鍵功能，重點描述一下系統實現的效果。

3.1 數據錄入

在數據錄入時，在導入數據窗口填寫地面模擬試驗基本信息如測試對象分類、細分類型、試驗單位、試驗人員、試驗時間、來源、國別、類別以及數據文件，其中物質分類分為材料和器件兩類，細分類型中材料包括金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料四大類，器件類型包括晶體管、光電器件、只讀存儲器和閃存、RAM/ROM、AD/DA轉換器、FPGA、線性器件、邏輯器件、MOSFET等類型，其他信息依據實際情況填寫，導入數據窗口界面如7圖所示。

圖7 地面模擬試驗數據導入

數據文件的格式為zip壓縮包，通過客戶端瀏覽器上傳至后臺服務器端進行解壓縮和文件解析。數據文件內容在保存前會依據入庫標準進行校驗，試驗數據的入庫標準為以樹結構組織數據、描述材料、電器元件及其仿真與試驗的層次關系，不符合入庫的標準的數據則以彈窗等形式告知用戶錯誤原因并提醒用戶重新檢查整理數據包。

3.2 數據展示

數據展示方便用戶查看地面模擬試驗物質的基本信息，包括物質的內部分子結構、基本信息、力學、熱學、電學、磁學、光學等維度的相關屬性。在信息界面中包括二維平面圖、三維動態結構圖、基本屬性的展示，其中二維平面圖主要呈現物質相關圖片信息，三維動態結構圖基于Jmol呈現物質組成分子內部結構模，實際界面效果如圖8所示。

圖8 三維展示

圖9 二維平面展示

在地面模擬試驗數據界面中，試驗工況信息和試驗結果數據以表格形式進行展示，用戶通過勾選不同工況即可在界面上加載出對應工況下的試驗數據。

3.3 數據統計

數據統計主要基于ECharts部分控件，根據航天器材料與器件的生產廠商、相關的試驗數量、試驗來源、試驗國別、試驗時間以及試驗單位進行統計展示，展示形式以ECharts圖表控件為主，通過柱狀圖、環形圖和餅圖等空間較為直觀形象的展示統計數據，統計效果如9圖所示。

3.4 數據提取

首先通過導入界面上傳pdf格式的文件，瀏覽器上傳文件至后臺服務器端進行掃描解析，將識別出來的表格信息存儲在一個Excel文件中，最終以Tab頁的形式展示文件中所有的表格信息，試驗數據導出前后的對比效果如圖10所示。

圖10 pdf識別前后對比

3.5 數據分析

在地面模擬試驗數據展示頁面中，通過勾選不同試驗工況加載器對應條件下試驗結果數據，同時，勾選航天器組成器件具體的結號進行常用5種定制分析算法的處理，定制分析結果支持縮放、下載等操作，具體效果如圖11所示。

在圖11中通過點擊添加圖標打開自定義分析處理窗口。在該窗口中，用戶可選擇其中任意一種工況的數據進行處理。界面提供X軸參數和Y軸參數，以下拉框的形式方便用戶選擇，選擇后自動關聯當前工況下指定的參數數據，當參數選擇完成后，分別在X軸表達式和Y軸表達式輸入框中進行自定義公式填寫，目前支持的計算符號涵蓋加、減、乘、除以及絕對值，填寫完成后點擊窗口上的“確定”按鈕即可在后臺啟動自定義數據分析任務，任務結束后分析效果在前端頁面自動展示。

圖11 定制分析

自定義分析處理后的數據展示形式與定制分析保持一致，采用ECharts的折線圖控件進行展示，并且支持縮放和下載。

3.6 系統管理

系統設置三員管理，系統管理員負責系統維護和數據庫維護等工作；安全管理員負責用戶角色管理和權限分配等工作；審計管理員負責審計系統日志，檢查異常操作行為，各管理員功能分工明確，各司其職。

圖12 自定義分析

4 結束語

本文主要介紹了地面模擬試驗數據庫系統以及系統中包含的物質庫、試驗庫、標準庫、報告庫這4個子庫，基于上述模塊設計了一套面向航天器材料與器件的地面模試驗數據庫系統，同時基于VUE、EXT、JAVA、Python等編程語言或技術，實現了該地面模擬試驗數據庫系統，具體內容總結如下：

1)簡要介紹地面模擬試驗數據庫系統的業務架構和數據流程。

2)重點闡述地面模擬試驗數據庫系統的關鍵功能設計。

3)詳細展示整體系統的實現過程和功能演示效果。

在系統的實際運行過程中，所設計的數據錄入、數據展示、數據提取、數據分析和系統管理等功能正常，達到預期目標。其中，數據分析功能集成專用標準分析處理算法，快速分析相關試驗數據，通過圖表形式更為直觀的展示分析處理結果，并且提供輸入自定義算法，靈活處理試驗數據。數據提取功能針對pdf格式文檔借助文字識別、圖像處理等技術實現自動提取表格數據，解決傳統人工提取數據存在的耗時長、出錯率高等弊端。對于相關領域的數據庫系統設計具有一定的參考價值和借鑒意義。

該系統仍有改進優化的方面：

1)隨著深度學習與OCR領域的結合，針對pdf文檔的識別提取能夠更為全面和智能，不但是表格數據更能進行關鍵詞搜索、曲線識別等。

2)提高自定分析算法所涵蓋的運算難度，添加更多的運算符號與運算規則。

3)當系統隨著使用年限的增加，數據庫存儲的數據量也將隨年增長，因而結合大數據技術優化數據庫存儲和查詢效率。