航空發(fā)動機試驗性能分析通用平臺架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

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(shù)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(shù)據(jù)的驗證、處理、分析和結(jié)果評定等多項工作，為項目決策者提供關(guān)鍵信息。近年來，隨著試驗類型、任務(wù)量和試車時數(shù)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(shù)據(jù)處理與分析程序已無法滿足試驗需求。國外的試驗數(shù)據(jù)驗證與分析技術(shù)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(lián)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(chǔ)架構(gòu)和統(tǒng)一開發(fā)語言。而國內(nèi)主要仍以面向過程和面向?qū)ο蟮膶Ｓ迷囼灁?shù)據(jù)分析系統(tǒng)為主[3-4]，各試驗機構(gòu)的相關(guān)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(shù)據(jù)分析需求，以面向服務(wù)的插件框架技術(shù)為基礎(chǔ)，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(shè)計方案并完成了軟件系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)多個試車臺應用表明，該系統(tǒng)具有統(tǒng)一的業(yè)務(wù)界面，可動態(tài)擴展，顯著提升了試車臺的數(shù)據(jù)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(shè)計

試驗性能分析是數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為信息流的多任務(wù)過程集合，需要并行開展數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理與分析(包括實時處理和后處理)。隨著試驗任務(wù)對試驗結(jié)果實時性和有效性要求的提升，要開展不同業(yè)務(wù)的處理軟件集成。傳統(tǒng)的面向過程或面向?qū)ο蟮募煞绞?，過程函數(shù)或?qū)ο蠼M件只能應用于固定任務(wù)，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(wù)架構(gòu)(SOA)[5]，其高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計原則可確保系統(tǒng)根據(jù)試驗業(yè)務(wù)的需要對服務(wù)進行動態(tài)調(diào)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(shù)包括Web Service和插件技術(shù)。前者可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)跨平臺、跨語言的互操作，最大程度地復用現(xiàn)有數(shù)據(jù)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(xiàn)軟件服務(wù)動態(tài)擴展[7]。本文將二者相結(jié)合，基于軟件分層的設(shè)計思想，通過制定發(fā)動機試驗性能分析的公共數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)容器，提供插件接口規(guī)范、配置管理、服務(wù)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(wù)。用戶可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析的需求在線定制不同的業(yè)務(wù)服務(wù)，實現(xiàn)試驗性能處理不同業(yè)務(wù)應用的動態(tài)集成。插件開發(fā)人員則無需考慮繁雜的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與底層服務(wù)，可專注于分析業(yè)務(wù)插件的創(chuàng)新開發(fā)與應用。

3 主要插件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)服務(wù)

目前行業(yè)內(nèi)尚未統(tǒng)一發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)格式標準，不同試車臺的數(shù)據(jù)格式各異，信息完整度不同，不利于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)類包含了發(fā)動機試驗的任務(wù)、科目、試驗點、發(fā)動機狀態(tài)、通道配置、時間、歷程數(shù)據(jù)、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(jīng)應用驗證，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)服務(wù)采用事件驅(qū)動架構(gòu)和多線程處理技術(shù)來實現(xiàn)性能處理多個業(yè)務(wù)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(chǔ)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(chǔ)庫，與組態(tài)視圖控件進行融合。用戶通過圖形交互界面構(gòu)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(wù)[9]。

3.3 試驗性能處理

試驗性能處理的主要任務(wù)包括性能參數(shù)計算和過渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計兩類。穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)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(shù)據(jù)進行計算和發(fā)布，后者是對發(fā)動機穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)時均值進行后處理計算和存儲。過渡態(tài)參數(shù)統(tǒng)計是對歷程數(shù)據(jù)進行計算和統(tǒng)計分析，根據(jù)設(shè)定條件完成時間、瞬時值、極值和均值等參數(shù)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(gòu)建的穩(wěn)態(tài)分析模型可以根據(jù)實時和后處理的不同需求進行參數(shù)配置，實時計算由數(shù)據(jù)事件驅(qū)動，后處理計算由狀態(tài)事件驅(qū)動；過渡態(tài)分析模型則可以根據(jù)過渡態(tài)統(tǒng)計需求進行濾波、變換和判別邏輯參數(shù)配置，其參數(shù)統(tǒng)計與狀態(tài)判別等任務(wù)通過數(shù)據(jù)事件驅(qū)動，與CAP類似，可通過組態(tài)的邏輯組合設(shè)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(shù)的邏輯組合識別，可實現(xiàn)試驗過程中事件的自動監(jiān)測，并驅(qū)動相關(guān)數(shù)據(jù)分析任務(wù)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(shù)據(jù)可視化控件，選擇不同的測試參數(shù)或性能計算參數(shù)，實現(xiàn)對流場、設(shè)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)與并性編程等技術(shù)構(gòu)建了面向服務(wù)的插件框架平臺，完成了事件與數(shù)據(jù)服務(wù)、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(guān)測試參數(shù)，完成試驗性能分析多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行。原來由人工處理的很多任務(wù)實現(xiàn)了軟件自動處理，提升了試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流和事件流的自動處理應用設(shè)計與開發(fā)，平臺的通用性與易擴展性也得到了驗證。

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建的CATPAP摒棄了以往傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠡蛎嫦蚪M件的集成方式，以面向服務(wù)的插件框架技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)服務(wù)、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(jīng)多個試車臺應用驗證，該平臺可顯著提升試驗性能數(shù)據(jù)分析效率，為試驗性能分析自動化實現(xiàn)途徑提供了一種參考。但目前僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理，還需要擴展仿真、信號處理、歷史數(shù)據(jù)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(xiàn)方式，并開展相關(guān)技術(shù)驗證。

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