航空發動機試驗多系統數據融合設計

文維陽，陳震宇

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

航空發動機技術是涉及多學科和多工程領域的1 項復雜的技術，其試驗貫穿整個研制過程和技術發展的各環節。在發動機地面試驗時，涉及到試車臺上多系統協調工作[1]。隨著發動機型號不斷增加和研制的深入，試驗的復雜性也隨之增加，參與試驗的系統越來越多，信息化程度越來越高。這些系統都成為試驗的主要數據源，導致了試驗數據量劇增。數據源的多樣化導致了試驗數據類型的多樣化，數據類型除了傳統的結構化數據外，還產生了文檔、圖片、視頻、音頻等非結構化數據。為了能夠全面、準確地監視發動機狀態、控制試驗進度、分析試驗數據，需要對各系統進行數據融合，實現數據共享，最終實現對試車臺上的試驗設備、試驗流程、試驗數據的統一管理[2]。

數據融合的概念始于20 世紀70 年代，進入90 年代后，隨著傳感器技術的迅速發展以及軍事領域的強烈需求，數據融合引起了廣泛重視。近些年世界范圍內對其普遍關注，并在一些重大研究項目上取得了突破性進展，該技術不斷應用到各行各業中，包括復雜工業過程控制、機器人、自動目標識別、交通管制、慣性導航、海洋監視和管理、農業、遙感、醫療診斷、圖像處理、模式識別等領域。目前世界各國紛紛開展此項技術的研究與應用。Zervas 等[3]開展了多方面的數據融合理論與應用研究；Li 等[4]從融合理論、融合架構、多傳感數據融合等方面進行研究，并應用于軍事領域。中國的數據融合技術雖然起步較晚，但在各種基金的資助下，一批高校和研究所開始廣泛開展相關研究，取得了一大批理論研究成果。如劉同明等[5]在多傳感器數據融合、數據融合結構與算法等方面進行了研究；羅俊海等[6]在信息融合理論、應用、傳感器管理等方面進行了研究。以上研究僅限于結構化數據的融合，對于文檔、圖片、視頻、音頻等非結構化數據的融合存在數據融合度低、缺乏統一管理、結構化數據與非結構化數據綜合利用率低等不足。

本文以數據融合理念為核心，采用數據管理技術及網絡數據通訊技術進行了多信息源的融合，為航空發動機的地面試驗提供了技術保障。

1 通訊協議設計

與發動機試驗相關的系統一般包括臺架測試系統、臺架電氣系統、發動機控制系統、試驗流程管理系統、試驗數據管理系統、遠程監視系統、音視頻系統等。各系統的融合管理是以測試系統及數據庫服務器為核心，通過多種通訊協議來實現數據通訊。根據不同的硬件設備屬性及軟件開發平臺，應用到的通訊協議主要有：TCP/IP、UDP、OPC、ONVIF、RTP/RTSP、TDS等。多系統融合數據流傳輸方式如圖1所示。

圖1 多系統融合數據流傳輸方式

傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）及用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）用于試驗數據的通訊，主要采用Winsock 和DataSocket 2 種通訊控件來實現一對一、一對多、多對多的通訊。如臺架測試系統與流程管理系統的數據通訊、臺架測試系統與數據庫服務器的數據通訊均采用此通訊協議。

對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應勒用（Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control，OPC）用于基于WinCC 平臺電氣系統之間的數據通訊。如臺架電氣系統與進排氣控制系統、臺架電氣系統與臺架測試系統。

開放網絡視頻接口評判協議（Open Network Video Interface Forum，ONVIF）用于實現視頻/音頻系統各種參數的獲取與配置，而音視頻流多媒體傳輸采用的是實時傳輸協議（Real-time Transport Protocol，RTP）和實時流傳輸協議（Real-Time Streaming Protocol，RTSP）實現。如臺架測試系統通過ONVIF 協議實現對網絡視頻監視設備參數的配置及獲取，同時利用RTP/RTSP 協議得到試驗現場的圖像和聲音。遠程監視系統也是利用RTP/RTSP 協議獲取試驗現場的視頻音頻信息。

表格數據流（Tabular Data Stream，TDS）是SQL Server 專用應用程序級協議，用來發送SQL 語句。TDS 使用1433 端口進行數據庫服務器和客戶端之間的數據通訊[7]。本系統應用的數據庫為Microsoft SQL Server，通過該協議可以實現對數據庫的操作，包括試驗設備信息的讀取、試驗流程信息的存儲、試驗數據的記錄與復放等。

2 多種數據通訊技術

2.1 Winsock技術

應用TCP/IP 或UDP 通訊協議進行數據通訊，一種方法是采用Windows Sockets 技術。Windows Sockets 是Windows 下得到廣泛應用的、開放的、支持多種協議的網絡編程接口，其可以很容易地訪問TCP/IP和UDP 網絡服務，不需要了解TCP/IP 和UDP 底層Winsock API 的具體細節。通過設置Winsock 控件的屬性和調用該控件的方法，很容易地連接到遠程計算機并進行雙向的數據交換。

使用Winsock 控件進行數據通訊時，數據流向為1 個服務器端計算機將試驗數據廣播發送到多個客戶端計算機上。根據客戶端計算機的數量，需要在服務器端計算機上為每一個客戶端分配1個Winsock控件及1個通訊端口。而2種通訊協議主要差異在于連接的方法。

TCP/IP 協議連接時，服務器中的每個Winsock 控件需要綁定1個固定端口并要處于Listen狀態。客戶端計算機需要Connect 服務器計算機的IP 地址及對應端口[8]，并且只有連接成功后才能通訊數據。因此該協議傳輸可靠，相對速度較慢。

UDP協議通訊時，服務器與客戶端只需綁定相同的固定端口，無需知道連接成功即可通訊數據。該協議雖傳輸速度快，但傳輸不可靠。

由于需要傳輸復雜數據結構的數據包，而Winsock控件只能夠發送字符串及字節數組形式的數據，所以需要先將數據包轉換為字節數組。通過CopyMemory 函數便可實現該功能。服務器端程序通過CopyMemory 函數將需要廣播的數據包轉換為byte數組，再通過SendData 命令將數據發出，客戶端程序通過GetData 命令接收到byte 數組，再通過CopyMemory 函數將字節數組轉換為完整的數據包結構，這樣就可以實現任何數據結構的數據包網絡通訊。由于Winsock 控件可以實現全雙工數據通訊，因此服務器端也可以接收到客戶端發送的數據。

為防止斷網斷電等意外發生，在客戶端編寫了看門狗程序[9]，可以實現服務器與客戶端斷網斷電恢復后的自動連接，進一步保證了數據通訊的可靠性。

考點“古希臘和古羅馬”由三大知識點構成：一是古希臘的民主制度，二是古希臘的人文精神，三是古羅馬的法律。在備課中，教師應當充分挖掘課外信息，可以通過學術期刊、網絡、書籍等多種方式搜集資料，補充相關知識。

2.2 DataSocket 技術

使用Winsock 控件作為通訊工具，必須事先知道客戶端計算機的數量，服務器端計算機再分配相應數量的端口號，每個端口號只能對應指定的1 個客戶端計算機。如果某個客戶端計算機長期不使用，該端口也不會被其它客戶端計算機使用，造成了系統資源的浪費，客戶端計算機的數量越多，這種浪費就越嚴重。而編寫服務器端動態加載卸載Winsock 控件及動態分配通訊端口的程序又相當復雜，因此在開發多客戶端項目的時候，可以使用DataSocket技術。

DataSocket 是NI 公司推出的1 項基于TCP/IP 標準的面向自動化測量和控制的新技術[10]，可用于1 個計算機內或者網絡中多個應用程序之間的數據交換，從而實現計算機之間的數據共享和實時發布。Data-Socket 技術包括DataSocket Server Manager、DataSocket Server和DataSocket API 3大部分。

DataSocket Server Manager 的主要功能是設置DataSocket Server 可連接的客戶程序的最大數目，設置用戶讀寫數據項的權限等；DataSocket Server 負責用戶的網絡連接與數據交換等；DataSocket API 包含有Open、Read、Write和Close等函數。

在遠程監視系統中，便應用到了DataSocket 技術。整個系統分為3 個層次，即臺架級服務器、所級服務器和遠程客戶端。臺架級服務器與所級服務器之間的數據通訊工具選用的是Winsock 控件。由于遠程客戶端注冊用戶數量大，為了合理利用所級服務器系統資源及多用戶動態管理，所級服務器與遠程用戶的通訊選用的是DataSocket技術。

在所級服務器計算機上運行DataSocket Server 應用程序，該應用程序自動建立用戶的請求連接，分配給遠程用戶空閑通訊端口，并通過Write 函數將試驗數據發送給所有連接上DataSocket Server 上的遠程用戶，遠程用戶在Update 響應事件中調用Read 函數即可獲取數據[11]。

2.3 OPC技術

OPC 技術是Microsoft 公司的對象鏈接和嵌入OLE／COM技術在過程控制方面的應用技術，為工業控制領域提供了標準的數據訪問機制[12]。OPC 技術采用客戶／服務器結構，提供了COM 接口和OLE 自動化接口2套接口方案。COM 接口效率高，通過該接口能夠發揮OPC服務器的最佳性能，采用C++語言的客戶一般采用此方案；OLE自動化接口使解釋性語言和宏語言訪問OPC 服務器成為可能，采用VB、C#語言的客戶一般采用此方案[13]，以簡化客戶應用程序的編制。

2.4 音視頻流媒體數據通訊

發動機試驗現場設有視頻/音頻監控系統。該系統主要包括視頻矩陣及硬盤錄像機，顯示和記錄現場不同位置的圖像及聲音信息。硬盤錄像機為該系統的核心，用于視頻音頻的收集及試驗信息的共享。

試車臺使用的硬盤錄像機支持多種通訊協議，應用到的協議有ONVIF、RTP/RTSP。ONVIF 為網絡視頻設備之間的信息交換定義通用協議，涉及設備發現、實時音視頻、攝像頭控制、錄像控制、視頻分析等方面。RTP/RTSP協議負責對流媒體數據進行封包并實現媒體流的實時傳輸及控制[14]。

從圖1 中可見，測試系統與遠程監視系統在試驗過程中均需要實時顯示現場的音視頻信息。具體的實現方法為：各系統軟件直接調用SDK 開發包中的應用函數，與硬盤錄像機數據通訊，即可實現對視頻/音頻系統中設備的操作及流媒體數據的獲取[15]。

在實際應用中，通常將流媒體數據與其它系統數據融合使用，試驗前必須進行各系統對時[16]，試驗中，各系統數據實時同步顯示在同一臺計算機程序上，以達到監控各試驗參數及發動機運行狀態的同步效果。

2.5 數據庫通訊

發動機試驗時，應用到的數據庫為SQL Server。數據庫主要存儲試驗設備、試驗流程、試驗數據等相關信息。這些試驗信息的獲取通過TDS 通訊協議實現[17]。TDS 協議用來發送SQL 語句，主要涉及到海量試驗數據的高速存儲及遠程多用戶數據訪問等方面。

在實際應用中，用于存儲試驗數據的數據表結構設計采用唯一性、可辨識性、參數可查詢性原則。采用標準化的試驗編號，即發動機型號-發動機編號-裝配次-上臺次-點火次五級，后綴試車性質描述關鍵字和時間，確保試驗數據的唯一性和可辨識性。采用數據表＋配置表的結構形式，保證數據表參數的可查詢性。目前試驗數據的存儲可以實現全部參數的試驗全過程高速實時記錄。

為保證整機試驗數據查詢、分析和使用的便捷性，實現試驗數據的規范化，結構化集中管理，以所區局域網為通訊媒介，在所本部設置試驗數據數據庫的總服務器，對各試車臺的試驗數據進行集中管理[18]。試車臺配備數據庫子服務器，分管試車臺的試驗數據，與所內服務器實現試驗數據的同步實時共享，互為備份，確保試驗數據的安全性。為保證試驗數據的高效使用，開發了1 套試驗數據的數據分析處理工具。數據分析處理工具包含如下功能：用戶管理，一人一帳戶；數據展現和曲線監視；多功能數據提取；關鍵量數據統計等。

3 多系統數據融合

目前發動機試驗時涉及到的試驗信息主要包括：發動機測試參數數據、現場音視頻數據、試驗流程數據、設備參數配置數據、電氣控制數據、文本信息數據等。多系統數據融合的設計原則是：以發動機型號為主線，按照試驗流程，將試驗信息先分類匯總，再根據各系統要求按需分發。

發動機參數數據的匯總分發由測試系統來完成。測試系統中配有單獨的數據匯總分發程序。該程序匯總臺架數采系統、電氣系統、發動機控制系統等系統各自采集的發動機參數數據，并將所有發動機參數利用Winsock 技術實時發布給其它系統。現場音視頻數據的匯總分發由硬盤錄像機來完成。硬盤錄像機將現場各個攝像頭及音頻采集卡搜集的信息通過網絡流媒體技術發送給各系統。試驗流程信息的匯總分發由試驗流程管理程序完成。試驗設備及試驗參數信息的存儲及查詢分析由數據庫服務器來完成[19]。多類型數據融合方式如圖2 所示，在實際應用中，如果用戶需要獲取某類信息，可利用相關的數據通訊技術從相關數據源選擇獲取。

圖2 多類型數據融合方式

遠程監視系統客戶端程序主界面如圖3 所示。該程序通過多種數據通訊技術的使用，可以實時同步監視在試發動機參數數據、試驗流程、現場音視頻等相關信息。由于各相關數據源的數據通訊協議、格式、速率各不相同，故在主程序中，分別采用對應技術實現通訊功能。對發動機參數獲取采用Winsock 技術，對試驗流程信息獲取采用DataSocket 技術，對音視頻信息獲取采用流媒體通訊技術，對試驗信息的查詢分析采用TDS 數據庫通訊技術。最終實現參數數據以波形圖、文本、虛擬儀表等形式展示、流程信息以表格的形式逐條展示、音視頻信息以多窗口的形式展示及試驗數據在線分析等功能。

圖3 遠程監視系統客戶端程序主界面

發動機參數數據的更新頻率為50次/s，音視頻信息的更新頻率為30幀/s，試驗流程信息的更新頻率為10條/s，系統客戶端采用50次/s輪巡的方式對所有數據源通訊端口進行監測，當某個數據源有數據更新時，對該端口實施數據接收及解析，并進行實時顯示和發布。

系統自動捕捉試車點火按鈕為數據記錄起始標記，同時觸發各子系統計時器，電動油門桿角度回零作為停止標記。計時器、油門桿角度、轉速等作為各數據關鍵字段關聯。各類信息分類存儲，發動機參數信息及試驗流程信息在數據庫中均以數據表的形式存儲，表格命名采用標準化的試驗編號，后綴描述關鍵字和時間，確保每次點火試車試驗數據與流程信息的關聯性，相關聯的數據表通過各自表中關鍵字段實現，復放時，數據信息與流程信息的同步顯示。音視頻信息存儲在硬盤錄像機中，與數據庫中的信息關聯通過每條記錄上的時間標簽來完成。

4 結束語

發動機試驗多系統數據融合設計是在多年的航空發動機整機試車的經驗總結基礎上，結合當今最前沿的高新技術，以試驗數據庫、網絡數據通訊為核心，實現了發動機試驗信息的統一管理。本設計具有收集試驗信息全、輸出功能復雜、使用靈活等特點，不僅可以完成各類型試驗，同時還解決了不同協議、不同格式、不同速率之間數據流的傳遞和管理等問題。目前該設計穩定運行多年，保障了多種型號發動機試驗工作圓滿，達到了預期的效果。