飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

賀謙

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省西安市 710065）

1 引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)是一個(gè)連續(xù)加載的過(guò)程，載荷譜包含了不同飛行情況的載荷的隨機(jī)組合[1]，在試驗(yàn)過(guò)程中要用一套加載裝置模擬整個(gè)疲勞試驗(yàn)中幾百種飛行狀態(tài)的受力情況，需要對(duì)設(shè)計(jì)疲勞載荷譜做一定的處理才能轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)疲勞載荷譜[2]。目前，針對(duì)疲勞試驗(yàn)載荷的設(shè)計(jì)過(guò)程還以人工手動(dòng)處理為主，效率較低且容易出錯(cuò)[3]。因此，開發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)，提高載荷設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，對(duì)于提升試驗(yàn)水平具有重要意義。

根據(jù)疲勞試驗(yàn)載荷設(shè)計(jì)流程，本文提出包括平衡計(jì)算、載荷分區(qū)、確定分布、載荷優(yōu)化、誤差評(píng)估和時(shí)間步長(zhǎng)優(yōu)化六個(gè)功能模塊，并分別從系統(tǒng)總體架構(gòu)、軟件體系架構(gòu)、系統(tǒng)主界面入口等幾個(gè)方面對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)架構(gòu)思路進(jìn)行了說(shuō)明。該架構(gòu)將是后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)的依據(jù)。

2 系統(tǒng)功能要求

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平衡計(jì)算、載荷分區(qū)、確定分布、載荷優(yōu)化、誤差評(píng)估和時(shí)間步長(zhǎng)優(yōu)化六個(gè)個(gè)功能模塊，通過(guò)引入一系列物理概念明確、在數(shù)學(xué)上成熟的算法，進(jìn)行迭代、邏輯判斷等優(yōu)化循環(huán)，使處理結(jié)果逐步滿足試驗(yàn)要求。設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。其中，平衡計(jì)算是為檢查各工況載荷是否正確，其判據(jù)是各工況全機(jī)載荷平衡；載荷分區(qū)主要是檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)載荷之間的相關(guān)性，使分區(qū)載荷合力的壓心分散性最小；確定分布是給每個(gè)載荷分區(qū)確定一個(gè)載荷分布規(guī)律；載荷優(yōu)化是在保證總體平衡的前提下，分配及調(diào)整各分區(qū)的載荷，逐步使各種誤差滿足要求的過(guò)程；誤差評(píng)估載荷設(shè)計(jì)結(jié)果誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；時(shí)間步長(zhǎng)優(yōu)化是對(duì)載荷譜各加載點(diǎn)加載時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，給出最優(yōu)加載時(shí)間步長(zhǎng)。六大模塊相互聯(lián)系，共同構(gòu)成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)的功能核心。

3 面向微服務(wù)的系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

與傳統(tǒng)整體化系統(tǒng)架構(gòu)緊耦合的特性不同，飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)以系統(tǒng)平臺(tái)與算法組件的松耦合為目標(biāo)，具備業(yè)務(wù)功能獨(dú)立部署、遷移靈活、適合敏捷開發(fā)的功能。

微服務(wù)架構(gòu)由一組能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)功能松耦合，具備自動(dòng)化獨(dú)立部署機(jī)制。這些服務(wù)可以由不同的編程語(yǔ)言編寫而成，并使用不同的存儲(chǔ)技術(shù)[4]。因此，本文采用微服務(wù)技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖1：飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理流程

圖2：系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)總體架構(gòu)包括業(yè)務(wù)應(yīng)用層（微服務(wù)組件層）、業(yè)務(wù)支撐層和資源層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層針對(duì)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，提供專業(yè)的載荷處理分析應(yīng)用模塊，為載荷處理人員提供載荷處理“獨(dú)立服務(wù)”或按載荷處理流程下的“一組服務(wù)”；業(yè)務(wù)支撐層提供可擴(kuò)展的載荷處理系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自研方法、通用工具集成、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的模板化，實(shí)現(xiàn)流程模板及數(shù)據(jù)的集中管理及可視化，針對(duì)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求，基于載荷處理系統(tǒng)平臺(tái)，封裝專業(yè)算法、搭建專業(yè)流程，管理流程初始數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)以及結(jié)果數(shù)據(jù)。資源層針對(duì)軟件資源，結(jié)合載荷處理系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件集成，針對(duì)數(shù)據(jù)資源，提供初始數(shù)據(jù)等統(tǒng)一管理。

4 基于“管道-過(guò)濾器”的軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

圖3：軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4：主界面設(shè)計(jì)

在面向微服務(wù)的系統(tǒng)總體架構(gòu)基礎(chǔ)上，本文采用“管道-過(guò)濾器”思想對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的高度擴(kuò)展性。

“管道-過(guò)濾器”模式是面向數(shù)據(jù)流的軟件體系結(jié)構(gòu)，主要用于數(shù)據(jù)處理的過(guò)濾器和用于數(shù)據(jù)流通的管道組成。過(guò)濾器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的加工和處理，每個(gè)過(guò)濾器包含一個(gè)封裝的處理程序、一個(gè)輸入接口和一個(gè)輸出接口，輸入接口接受特定格式的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)封裝的程序處理后傳送到輸出接口，將一個(gè)過(guò)濾器的輸出作為另一個(gè)過(guò)濾器的輸入[5]。過(guò)濾器之間由管道相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，每一個(gè)過(guò)濾器都是一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行程序，狀態(tài)不受其他過(guò)濾器的影響，實(shí)現(xiàn)了流程中每個(gè)構(gòu)件具有良好的封裝性。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)以工程方法組件化、業(yè)務(wù)流程模板化、數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化為指導(dǎo)思路，實(shí)現(xiàn)算法組件、流程模板、數(shù)據(jù)模型的定義及驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)化映射通過(guò)XML 存儲(chǔ)載荷處理的流程模板，XML 中以表述節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系，以表示具體的數(shù)據(jù)映射條目，映射條目可以有多個(gè)。數(shù)據(jù)映射以直觀的“拖-拉”形式進(jìn)行定義。平衡計(jì)算、載荷分區(qū)、確定分布、載荷優(yōu)化、誤差評(píng)估和時(shí)間步長(zhǎng)優(yōu)化等算法組件的全局參數(shù)根據(jù)名稱自動(dòng)映射，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)算法組件的全局參數(shù)設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)后，流程中的后續(xù)算法組件若用到同名全局參數(shù)時(shí)，將自動(dòng)獲取該參數(shù)值。

系統(tǒng)底層流程引擎FlowControl 包含控制流ControlFlow 及數(shù)據(jù)流DataFlow 兩方面的內(nèi)容。用控制流來(lái)定義流程執(zhí)行邏輯順序，支持分支判斷、循環(huán)、暫停、并行和子流程，用數(shù)據(jù)流來(lái)定義組件間數(shù)據(jù)傳遞。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，流程引擎在某節(jié)點(diǎn)運(yùn)行前，依據(jù)DataFlow 信息，找到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)DataLink關(guān)系，獲取最新數(shù)據(jù)。

采用“管道-過(guò)濾器”思想設(shè)計(jì)得到的飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3 所示，只要包括模型層、工具層和界面層。

模型層主要實(shí)現(xiàn)工具組件、流程模板、數(shù)據(jù)及服務(wù)模型的定義及驅(qū)動(dòng)；工具層提供一系列工具，實(shí)現(xiàn)組件實(shí)例化、“拖-拉”式流程設(shè)計(jì)、參數(shù)映射關(guān)系等功能；界面層提供模型樹、參數(shù)表格、任務(wù)樹等通用界面控件，可根據(jù)專業(yè)需求定制用戶界面。

5 主界面入口設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)主界面包括起始頁(yè)，工具集成，流程封裝、運(yùn)行監(jiān)控以及界面設(shè)計(jì)器，如圖4 所示。起始頁(yè)提供專業(yè)模板的快速入口；通過(guò)工具集成將平臺(tái)的算法組件進(jìn)行展示，可以查看當(dāng)前的算法組件的版本，詳細(xì)內(nèi)容，發(fā)布情況等信息；通過(guò)流程封裝完成算法組件封裝、算法組件發(fā)布、專業(yè)流程搭建以及輸入輸出數(shù)據(jù)設(shè)置。運(yùn)行監(jiān)控用于監(jiān)控當(dāng)前流程運(yùn)行狀態(tài)；界面設(shè)計(jì)器用于發(fā)布當(dāng)前應(yīng)用程序，讓用戶獨(dú)立運(yùn)行專業(yè)程序。

6 結(jié)論

根據(jù)疲勞試驗(yàn)載荷設(shè)計(jì)流程，確定了飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)六個(gè)功能模塊，分別從系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)主界面入口設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)載荷處理系統(tǒng)架構(gòu)思路進(jìn)行了說(shuō)明，為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)提供了依據(jù)。