基于Web的靶場遙外測數(shù)據(jù)分析與快速發(fā)布系統(tǒng)

岳 佳， 崔永強， 安大偉

(中國太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術(shù)部 太原 030027)

引 言

當(dāng)前靶場飛行器發(fā)射試驗呈現(xiàn)出“短間隔、快流程”的新特點［1］，如何將靶場遙、外測數(shù)據(jù)處理結(jié)果快速轉(zhuǎn)化為有用信息，提高數(shù)據(jù)利用價值，使其更好地支持靶場決策已然成為一個亟需解決的新課題。傳統(tǒng)模式下，靶場遙、外測數(shù)據(jù)分析主要依靠準(zhǔn)實時和事后數(shù)據(jù)處理［2］，周期較長，這種模式已不能滿足新形勢的需要，特別是飛行異常情況下的數(shù)據(jù)支撐和故障分析定位的需求。因此，有必要建立一個遙、外測數(shù)據(jù)分析與快速發(fā)布系統(tǒng)，使其依托網(wǎng)絡(luò)平臺，借助多種數(shù)據(jù)分析手段，在對遙、外測數(shù)據(jù)快速處理的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地發(fā)布給決策者和型號部門，為發(fā)射試驗全信息的現(xiàn)場分析和判讀提供依據(jù)，為異常辨識、故障快速精確定位提供多角度數(shù)據(jù)支持，為飛行決策提供技術(shù)支撐。

1 主要功能

通過對靶場遙、外測數(shù)據(jù)分析與快速發(fā)布系統(tǒng)(下文簡稱系統(tǒng)或DAPS)進行需求分析，確定了系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)后臺管理和數(shù)據(jù)前臺顯示分析兩部分組成，后臺數(shù)據(jù)管理包含了海量數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)處理結(jié)果快速入庫等功能，數(shù)據(jù)前臺顯示分析主要完成基于Web的數(shù)據(jù)分層分類顯示、數(shù)據(jù)比對分析等功能。系統(tǒng)功能關(guān)系如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)管理

1.1.1 用戶管理

針對不同用戶，設(shè)立不同的用戶權(quán)限，行使對應(yīng)的數(shù)據(jù)管理職能。用戶根據(jù)權(quán)限劃分為三類，分別是系統(tǒng)管理員、遙測數(shù)據(jù)管理員和外測數(shù)據(jù)管理員。其中遙測數(shù)據(jù)管理員的權(quán)限是對遙測數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行入庫和維護;外測數(shù)據(jù)管理員的權(quán)限是對外測數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行入庫和維護;系統(tǒng)管理員的權(quán)限是對數(shù)據(jù)進行入庫、維護和配置管理，對用戶進行定義和授權(quán)。

1.1.2 遙測數(shù)據(jù)入庫及維護

圖1 系統(tǒng)功能關(guān)系Fig.1 System function

將遙測數(shù)據(jù)處理結(jié)果導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，主要包括遙測重要時間指令表和遙測參數(shù)結(jié)果文件;對遙測數(shù)據(jù)進行維護，包括瀏覽、刪除、增加、備份數(shù)據(jù)等。

1.1.3 外測數(shù)據(jù)入庫及維護

將外測數(shù)據(jù)處理結(jié)果導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，包括速度/高度數(shù)據(jù)、位置分量數(shù)據(jù)、速度分量數(shù)據(jù)、精度數(shù)據(jù)和光學(xué)圖像等;對外測數(shù)據(jù)進行維護，包括瀏覽、刪除、增加、備份數(shù)據(jù)等。

1.1.4 系統(tǒng)配置管理

對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的物理地址、連接、登陸設(shè)置等配置進行管理;對飛行器飛行時段和分系統(tǒng)等配置信息進行管理。

1.2 數(shù)據(jù)顯示分析

1.2.1 遙測參數(shù)處理結(jié)果分層分類顯示

將遙測參數(shù)的處理結(jié)果分層分類顯示，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的思路將遙測參數(shù)先按飛行時段分類再按系統(tǒng)分類，然后按照參數(shù)類型分類顯示，這種逐層分類的結(jié)構(gòu)具有可配置性，可以根據(jù)不同飛行器的特點和要求進行配置和調(diào)整。通過這種分層分類顯示可以明確參數(shù)歸屬范疇，更有效地進行關(guān)聯(lián)性比對分析和故障定位診斷。

系統(tǒng)可顯示遙測參數(shù)的具體信息，包括參數(shù)的序號、名稱、代號、量綱、理論范圍、測量時段、參數(shù)值等。遙測參數(shù)值信息以參數(shù)曲線和數(shù)值方式顯示，其它基本信息和時間指令參數(shù)以列表方式顯示。

1.2.2 外測數(shù)據(jù)處理結(jié)果分類顯示

將外測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果進行分類顯示，包括速度/高度曲線、彈道分量曲線和精度曲線三類。

速度/高度曲線采用雙坐標(biāo)軸方式，橫軸顯示時間，兩個縱軸分別顯示速度和高度。其它類別的曲線采用單坐標(biāo)軸方式。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)采用值域法、類比法、差分法等數(shù)據(jù)分析方法，充分利用先驗信息對數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)比對和參數(shù)間關(guān)聯(lián)性分析［3］，幫助辨識異常數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)有特殊標(biāo)記，以避免錯誤的引導(dǎo)，便于異常數(shù)據(jù)歸納分析。在對單個參數(shù)進行曲線畫圖分析時，能夠顯示理論值比對和幅值管道約束分析等。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果多媒體顯示

系統(tǒng)能夠顯示光學(xué)圖像，并能夠?qū)μ卣魇录D像進行局部放大分析，支持JPEG、BMP、PNG、TIFF、GIF等多種常用文件格式，并能夠以PDF文件或DOC文件方式顯示遙、外測數(shù)據(jù)綜合分析報告。

1.2.5 遙測故障模式顯示

遙測故障模式的分類顯示方式區(qū)別于正常情況下的遙測信息顯示，系統(tǒng)按照故障樹預(yù)先將遙測參數(shù)分類設(shè)定在相關(guān)聯(lián)的故障模式下，能夠在故障模式下完成更有針對性的數(shù)據(jù)分析［3］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)基于Web開發(fā)，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全共享。在Web網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)中，動態(tài)網(wǎng)頁語言各有優(yōu)勢與不足［4，5］。為了增強系統(tǒng)的獨立性、平臺無關(guān)性和安全性，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)層高效的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理能力，實現(xiàn)遙、外測數(shù)據(jù)的動態(tài)瀏覽，系統(tǒng)針對兩個功能軟件的需求特點，考慮到JSP在網(wǎng)頁解析執(zhí)行效率上的優(yōu)勢和系統(tǒng)開發(fā)成本，采用Apache+PHP組合方式開發(fā)數(shù)據(jù)管理軟件，采用Tomcat+JSP組合方式開發(fā)數(shù)據(jù)顯示分析軟件，使用Web瀏覽器作為客戶端，后臺數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。這兩種組合方式針對性強，工作效率很高，系統(tǒng)性能較強［4，5］。

2.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用B/S(Brower/Server網(wǎng)絡(luò)模式)三層結(jié)構(gòu)開發(fā)，三層結(jié)構(gòu)分別為用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層［6］。系統(tǒng)支持多用戶的并發(fā)訪問，而且能夠提供文本、圖形、圖像等服務(wù)，具有用戶界面統(tǒng)一、易于使用、維護簡單、擴展方便、信息共享程度高等優(yōu)點，實現(xiàn)了更大程度、更大范圍的數(shù)據(jù)庫資源共享。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

用戶界面層通過Web瀏覽器與用戶和管理員進行交互，接收用戶和管理員的輸入請求，并將服務(wù)器端傳來的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給客戶。業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)接收Web瀏覽器傳來的請求，并將請求傳給數(shù)據(jù)層，同時將請求處理結(jié)果發(fā)送給Web瀏覽器［7，8］，數(shù)據(jù)顯示分析軟件通過Ajax技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)管理軟件由Web表單和組件服務(wù)向客戶呈現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息。數(shù)據(jù)層中，數(shù)據(jù)顯示分析軟件通過JavaBean直接調(diào)用MySQL提供數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)管理軟件則通過PHP的MySQLi擴展庫操縱數(shù)據(jù)為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

DAPS的數(shù)據(jù)庫基于MySQL5.6設(shè)計。由于數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能都是基于MySQL數(shù)據(jù)庫進行，因此要對數(shù)據(jù)庫的各種操作和屬性進行封裝［8］，抽象成一個數(shù)據(jù)庫操作類Database_MySQL。

DAPS數(shù)據(jù)庫主要包括八個表，具體功能見表1。鑒于遙測數(shù)據(jù)類型多、參數(shù)相關(guān)要素(如量綱、理論范圍、參數(shù)名稱等)復(fù)雜等特點，本系統(tǒng)專門設(shè)計了Index表(索引表)作為遙測數(shù)據(jù)相關(guān)要素顯示時的依據(jù)，在索引表內(nèi)可以進行飛行時段、分系統(tǒng)、參數(shù)類型配置，異常數(shù)據(jù)標(biāo)識，故障模式分類標(biāo)注等，遙測參數(shù)的入庫、讀取數(shù)據(jù)信息也是基于索引表完成的。

2.3 主要功能模塊設(shè)計

通過分析、分解系統(tǒng)主要功能，將DAPS分為以下10個功能模塊:

①用戶管理

用戶管理根據(jù)服務(wù)器端設(shè)定的登錄用戶權(quán)限，通過訪問數(shù)據(jù)庫，獲取角色配置信息，為數(shù)據(jù)管理軟件用戶提供信息顯示和數(shù)據(jù)入庫功能。當(dāng)?shù)卿洈?shù)據(jù)管理軟件時，系統(tǒng)要對登錄用戶進行身份與權(quán)限驗證。系統(tǒng)管理員可實現(xiàn)對用戶的管理設(shè)置。

②配置文件管理

系統(tǒng)運行前對配置文件進行管理，軟件配置文件集中存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，系統(tǒng)管理員對服務(wù)器上的配置文件進行更新。配置文件包括登錄配置文件和界面顯示配置文件。

③數(shù)據(jù)入庫

數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)靶場遙、外測數(shù)據(jù)的本地或異地入庫。

④數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)管理軟件能夠瀏覽、增加、修改和刪除型號數(shù)據(jù)庫、飛行試驗數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)子表和索引表，并對數(shù)據(jù)庫進行備份和維護。

⑤數(shù)值顯示

系統(tǒng)提供數(shù)值顯示組件，顯示內(nèi)容包括遙測數(shù)據(jù)的相對時和參數(shù)值。

⑥列表顯示

系統(tǒng)提供列表顯示組件，列表顯示時間指令參數(shù)、索引表信息等。

⑦曲線顯示

系統(tǒng)提供曲線顯示分析組件，能夠完成遙測參數(shù)歷史數(shù)據(jù)比對、遙測參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析、遙測參數(shù)值域管道顯示、外測彈道數(shù)據(jù)雙坐標(biāo)軸顯示、分量曲線顯示等功能。

⑧文檔資料顯示

當(dāng)遙、外測綜合分析報告要以文檔資料方式顯示時，執(zhí)行文檔顯示組件。

⑨圖像顯示

當(dāng)要瀏覽圖像文件時，執(zhí)行圖像顯示組件。圖像文件為特征事件光學(xué)圖像。

⑩故障模式顯示

當(dāng)任務(wù)發(fā)生故障時，進入故障模式顯示界面。界面按照預(yù)先設(shè)定的故障模式分類顯示，顯示內(nèi)容包括故障模式及與其相關(guān)的遙測參數(shù)具體信息，并實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)曲線顯示、列表顯示和數(shù)值顯示功能。

系統(tǒng)功能模塊及對應(yīng)的用戶見圖3。

圖3 功能模塊及對應(yīng)的用戶Fig.3 System function modules and corresponding users

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)部署在服務(wù)器端，完成數(shù)據(jù)庫服務(wù)、數(shù)據(jù)管理Web服務(wù)和數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)eb服務(wù)。

3.1 數(shù)據(jù)管理軟件

根據(jù)主要功能模塊劃分，數(shù)據(jù)管理軟件可分為以下4個包:

①主框架包:實現(xiàn)程序啟動后Web網(wǎng)頁主框架的構(gòu)建和系統(tǒng)的登錄、退出、菜單顯示等功能。

②數(shù)據(jù)導(dǎo)入包:主要完成遙測參數(shù)和外測參數(shù)的數(shù)據(jù)入庫功能。

③數(shù)據(jù)庫管理包:主要完成型號和飛行試驗數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、刪除、備份、恢復(fù)，數(shù)據(jù)表的添加、刪除、清空數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用戶的添加、刪除、更新和權(quán)限管理，系統(tǒng)配置的變更等功能。

④基礎(chǔ)包:主要是對系統(tǒng)實現(xiàn)過程中經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)庫操作、腳本操作函數(shù)進行集成，封裝成類或類庫，供各個網(wǎng)頁頁面調(diào)用。

圖4 數(shù)據(jù)管理軟件遙測數(shù)據(jù)入庫頁面和登錄頁面Fig.4 Telemetry data loading & login pages of data management software

由于遙、外測數(shù)據(jù)量巨大，考慮到數(shù)據(jù)入庫會消耗大量計算機資源，影響數(shù)據(jù)顯示分析軟件的運行效果，因此數(shù)據(jù)管理軟件進程以多線程運行，這種結(jié)構(gòu)能夠加快數(shù)據(jù)入庫的速度，從而提高入庫效率。主控線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理進程的初始狀態(tài)設(shè)置，通過運行系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)頁類實例，構(gòu)成數(shù)據(jù)管理進程與管理員之間的交互環(huán)境，完成人機交互命令的解釋處理，為進程提供運行控制支持，并創(chuàng)建其它應(yīng)用處理線程。在數(shù)據(jù)庫管理過程中，系統(tǒng)管理員可以通過主線程完成系統(tǒng)框架的顯示與操作及各個網(wǎng)頁間的切換和顯示。在數(shù)據(jù)入庫過程中，入庫輔助線程負(fù)責(zé)完成遙、外測數(shù)據(jù)入庫。采用這種進程結(jié)構(gòu)，遙、外測數(shù)據(jù)文件上傳的平均速度不低于100MB/min，當(dāng)數(shù)據(jù)入庫達(dá)到峰值時，CPU占用率不超過50%，內(nèi)存余量不低于30%，增強了軟件的可靠性和實用性。數(shù)據(jù)管理軟件的遙測數(shù)據(jù)入庫界面和登錄界面如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)顯示分析軟件

根據(jù)主要功能模塊劃分，數(shù)據(jù)顯示分析軟件可分為以下3個包:

①數(shù)據(jù)處理包:實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)庫和文件中數(shù)據(jù)的處理和組織等功能。數(shù)據(jù)處理包主要從數(shù)據(jù)庫中提取飛行試驗參數(shù)配置信息和結(jié)果數(shù)據(jù)，在邏輯上封裝數(shù)據(jù)。包中的類均是Java Bean，被Servlet調(diào)用。

②邏輯控制與數(shù)據(jù)提供包:主要完成控制網(wǎng)頁顯示、為網(wǎng)頁提供數(shù)據(jù)等功能。包中的類均是Servlet，主要功能是提供JSP網(wǎng)頁和網(wǎng)站服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。軟件利用Ajax技術(shù)實現(xiàn)JSP網(wǎng)頁調(diào)用Servlet，Servlet通過調(diào)用DAPSBean中的JavaBean來獲取數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)返回給JSP網(wǎng)頁［9］。

③數(shù)據(jù)顯示包:實現(xiàn)遙、外測數(shù)據(jù)的快速顯示。遙測數(shù)據(jù)顯示主要完成遙測參數(shù)的分層分類瀏覽和數(shù)據(jù)比對顯示，以及時間指令表、分析報告和故障模式的顯示功能;外測數(shù)據(jù)顯示主要完成外測速度/高度數(shù)據(jù)、分量曲線、精度曲線、光學(xué)圖像和分析報告的顯示功能。

數(shù)據(jù)顯示分析軟件以多線程運行，在顯示過程中，用戶可以根據(jù)分析需要點擊導(dǎo)航欄中的按鈕，在遙測數(shù)據(jù)導(dǎo)航下完成按照系統(tǒng)分類、飛行段分類和故障模式分類的遙測參數(shù)曲線及數(shù)據(jù)的查詢分析，并在曲線顯示組件上完成遙測歷史數(shù)據(jù)比對、關(guān)聯(lián)性分析、理論值管道約束等數(shù)據(jù)分析過程;在外測數(shù)據(jù)導(dǎo)航下完成外測綜合彈道顯示、彈道精度顯示、光學(xué)圖像顯示等分析過程。此外，軟件還有遙、外測數(shù)據(jù)綜合分析報告瀏覽等功能。

數(shù)據(jù)顯示分析軟件充分考慮了顯示性能，由于曲線繪制最耗時間，因此在繪制時先判斷當(dāng)前計算出的像素點是否與上一個像素點一樣，如果一樣則不再重復(fù)繪制。通過方法優(yōu)化，曲線繪制耗時達(dá)到了指標(biāo)要求，當(dāng)數(shù)據(jù)文件比較大時(2MB～20MB)，參數(shù)曲線繪制時間小于20s;當(dāng)數(shù)據(jù)文件大小中等時(1MB～2MB)，參數(shù)曲線繪制時間小于10s;當(dāng)數(shù)據(jù)文件比較小時(小于1MB)，參數(shù)曲線繪制時間小于3s。數(shù)據(jù)顯示時CPU占用率不超過50%，內(nèi)存余量不低于30%，軟件的用戶體驗更加流暢、快捷。數(shù)據(jù)顯示分析軟件主界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)顯示分析軟件主頁面Fig.5 Main page of data display & analysis software

4 結(jié)束語

系統(tǒng)建設(shè)秉持“高效管理、快速發(fā)布、圖文并茂、綜合分析”的設(shè)計理念，基于Web技術(shù)開發(fā)了一個集試驗數(shù)據(jù)管理、發(fā)布和分析于一體的綜合試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，通過集成多種數(shù)據(jù)分析手段、運用多種顯示方式，將數(shù)據(jù)多角度、圖文并茂地展現(xiàn)出來，實現(xiàn)多型號遙、外測數(shù)據(jù)的集中存儲管理、分類聚焦、實時共享、合理使用，提高了試驗數(shù)據(jù)利用效率。通過信息的及時傳遞和共享，為試驗結(jié)果分析、異常數(shù)據(jù)辨識及故障快速定位提供了高效可靠的數(shù)據(jù)支持，更好地滿足多專業(yè)、多領(lǐng)域、多部門人員的需要。目前，該系統(tǒng)已在靶場飛行器發(fā)射試驗中得到廣泛應(yīng)用，為飛行決策提供了有效幫助，為靶場完成傳統(tǒng)試驗向智能試驗的轉(zhuǎn)變奠定了良好的基礎(chǔ)。

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