仇 釬，陸 超，馬前容，劉慧芳

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院高空模擬技術重點實驗室，四川綿陽621700；2.首都航天機械公司，北京100044)

1 引言

航空發(fā)動機試驗中，試驗性能分析人員需要快速完成數據的驗證、處理、分析和結果評定等多項工作，為項目決策者提供關鍵信息。近年來，隨著試驗類型、任務量和試車時數的快速增長，用戶對試驗安全性與信息及時性的要求越來越高，傳統(tǒng)的數據處理與分析程序已無法滿足試驗需求。國外的試驗數據驗證與分析技術正朝著通用化、自動化和智能化方向發(fā)展，如AEDC(美國阿諾德工程發(fā)展中心)、AF?FTC(美國空軍飛行試驗中心)和NAVAIR(美國海軍航空司令部)聯合開發(fā)的通用分析系統(tǒng)CAP[1-2]，其主要特點是采用了通用分析方法與評定標準、通用基礎架構和統(tǒng)一開發(fā)語言。而國內主要仍以面向過程和面向對象的專用試驗數據分析系統(tǒng)為主[3-4]，各試驗機構的相關研究與開發(fā)工作相對獨立，且存在一定重復。

本文針對航空發(fā)動機高空臺和地面臺試驗的性能數據分析需求，以面向服務的插件框架技術為基礎，提出了一種航空發(fā)動機試驗性能分析通用平臺(CATPAP)的系統(tǒng)框架設計方案并完成了軟件系統(tǒng)開發(fā)。經多個試車臺應用表明，該系統(tǒng)具有統(tǒng)一的業(yè)務界面，可動態(tài)擴展，顯著提升了試車臺的數據分析效率，為試驗性能分析應用軟件的創(chuàng)新開發(fā)提供一個便捷的平臺。

2 系統(tǒng)集成與框架設計

試驗性能分析是數據流轉化為信息流的多任務過程集合，需要并行開展數據有效性驗證、性能預測、故障識別與診斷、穩(wěn)態(tài)/過渡態(tài)性能數據處理與分析(包括實時處理和后處理)。隨著試驗任務對試驗結果實時性和有效性要求的提升，要開展不同業(yè)務的處理軟件集成。傳統(tǒng)的面向過程或面向對象的集成方式，過程函數或對象組件只能應用于固定任務，缺乏通用性和擴展性。目前企業(yè)級應用集成較為理想的一種解決方案是面向服務架構(SOA)[5]，其高內聚、低耦合的設計原則可確保系統(tǒng)根據試驗業(yè)務的需要對服務進行動態(tài)調整和快速重組。但SOA尚未形成統(tǒng)一的標準規(guī)范，目前最常用的技術包括Web Service和插件技術。前者可以在網絡環(huán)境下實現跨平臺、跨語言的互操作，最大程度地復用現有數據及應用[6]；后者采用標準接口將不同功能分別封裝，降低模塊間的耦合程度，實現軟件服務動態(tài)擴展[7]。本文將二者相結合，基于軟件分層的設計思想，通過制定發(fā)動機試驗性能分析的公共數據模型標準、互操作規(guī)范及界面規(guī)范等，建立起一個支持數據共享和互操作、可動態(tài)擴展的分布式插件框架平臺(圖1)。此平臺作為一個服務容器，提供插件接口規(guī)范、配置管理、服務發(fā)布、部署和更新管理、異常與日志管理、事件發(fā)布與訂閱等服務。用戶可根據試驗數據分析的需求在線定制不同的業(yè)務服務，實現試驗性能處理不同業(yè)務應用的動態(tài)集成。插件開發(fā)人員則無需考慮繁雜的數據格式轉換與底層服務，可專注于分析業(yè)務插件的創(chuàng)新開發(fā)與應用。

3 主要插件設計

3.1 數據服務

目前行業(yè)內尚未統(tǒng)一發(fā)動機試驗數據格式標準，不同試車臺的數據格式各異，信息完整度不同，不利于數據的使用[8]。為滿足性能分析對信息完備性的需求，本文定義的數據類包含了發(fā)動機試驗的任務、科目、試驗點、發(fā)動機狀態(tài)、通道配置、時間、歷程數據、穩(wěn)態(tài)時均值、壞點剔換信息、軟件配置和試驗事件等信息(圖2(a))。經應用驗證，這種數據結構適用于不同的試車臺和不同類型的發(fā)動機試驗，具有較好的交互性、通用性和完備性，可滿足試驗性能分析需求。在統(tǒng)一數據結構的基礎上，數據服務采用事件驅動架構和多線程處理技術來實現性能處理多個業(yè)務操作的并發(fā)執(zhí)行(圖2(b))。

3.2 組態(tài)視圖

隨著發(fā)動機型號和臺份的增多，專用性能分析程序需要反復更改源代碼并重新編譯，難以滿足試車臺日益提升的通用性需求。如圖3所示，將工業(yè)監(jiān)控軟件和發(fā)動機仿真軟件中使用的組態(tài)建模方法引入到試驗性能分析中，通過對氣動與熱力學基礎算法、發(fā)動機性能計算方法、信號處理算法和統(tǒng)計算法的梳理與封裝，建立起通用的發(fā)動機試驗性能分析專業(yè)基礎庫，與組態(tài)視圖控件進行融合。用戶通過圖形交互界面構建發(fā)動機試驗性能處理模型，可快速完成不同試驗對象的性能處理任務[9]。

3.3 試驗性能處理

試驗性能處理的主要任務包括性能參數計算和過渡態(tài)參數統(tǒng)計兩類。穩(wěn)態(tài)性能參數計算一般分為實時計算和后處理計算兩種，前者是對實時接收的采集數據進行計算和發(fā)布，后者是對發(fā)動機穩(wěn)定狀態(tài)的數據時均值進行后處理計算和存儲。過渡態(tài)參數統(tǒng)計是對歷程數據進行計算和統(tǒng)計分析，根據設定條件完成時間、瞬時值、極值和均值等參數的統(tǒng)計，并進行狀態(tài)判別、故障識別和有效性判別等。

由組態(tài)視圖插件構建的穩(wěn)態(tài)分析模型可以根據實時和后處理的不同需求進行參數配置，實時計算由數據事件驅動，后處理計算由狀態(tài)事件驅動；過渡態(tài)分析模型則可以根據過渡態(tài)統(tǒng)計需求進行濾波、變換和判別邏輯參數配置，其參數統(tǒng)計與狀態(tài)判別等任務通過數據事件驅動，與CAP類似，可通過組態(tài)的邏輯組合設置不同類型的過渡態(tài)狀態(tài)判別[10]。圖4為典型的性能處理流程圖。通過對發(fā)動機狀態(tài)特征參數的邏輯組合識別，可實現試驗過程中事件的自動監(jiān)測，并驅動相關數據分析任務的自動化處理。

3.4 狀態(tài)監(jiān)視

試驗過程中，性能處理人員還可通過動態(tài)添加歷程曲線、XY曲線、測點分布圖與幅頻特性圖等數據可視化控件，選擇不同的測試參數或性能計算參數，實現對流場、設備和發(fā)動機工作狀態(tài)的監(jiān)視，提升故障判別效率。

4 系統(tǒng)實現與試驗驗證

在Net Framework 4.0框架下，利用C#的反射、互操作、異步委托、網絡與并性編程等技術構建了面向服務的插件框架平臺，完成了事件與數據服務、狀態(tài)監(jiān)視插件、穩(wěn)態(tài)性能處理插件和起動特性分析插件的開發(fā)與集成，如圖5所示。分別在高空臺和地面臺上完成了多型發(fā)動機的試驗驗證。試驗過程中，可以在統(tǒng)一界面下同時開展穩(wěn)態(tài)性能處理和起動特性分析，并實時監(jiān)視相關測試參數，完成試驗性能分析多任務的并發(fā)執(zhí)行。原來由人工處理的很多任務實現了軟件自動處理，提升了試驗數據分析的工作效率。此外，還開展了自動試車記錄插件和高空臺附加阻力分析插件等基于試驗數據流和事件流的自動處理應用設計與開發(fā)，平臺的通用性與易擴展性也得到了驗證。

5 結束語

本文構建的CATPAP摒棄了以往傳統(tǒng)的面向對象或面向組件的集成方式，以面向服務的插件框架技術為基礎，將數據服務、組態(tài)視圖、性能處理和狀態(tài)監(jiān)視進行了系統(tǒng)集成。經多個試車臺應用驗證，該平臺可顯著提升試驗性能數據分析效率，為試驗性能分析自動化實現途徑提供了一種參考。但目前僅實現了數據的基礎處理，還需要擴展仿真、信號處理、歷史數據對比和故障診斷等模塊，完善系統(tǒng)自動分析功能，進一步探索智能化的試驗性能分析專家系統(tǒng)實現方式，并開展相關技術驗證。

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