飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)雙緩沖視景仿真系統(tǒng)設計

田兆鋒，閆楚良

(北京飛機強度研究所，北京100083)

飛機載荷譜實測是將飛機在使用過程中的狀態(tài)參數(shù)、載荷參數(shù)等進行信息采集和記錄，為飛機全機試驗、結構可靠性設計提供試驗數(shù)據(jù)與科學依據(jù)［1-2］.飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)類型復雜，對于不同的機型，采集參數(shù)不同，數(shù)據(jù)結構也不相同，使得飛機載荷譜數(shù)據(jù)資源比較難以組織和管理［3-6］.隨著測試需求的不斷提高和測試設備的迅速發(fā)展，在飛機載荷譜實測試驗中，飛行架次不斷增長，實測數(shù)據(jù)量急劇增加，以某預警機245個飛行架次為例，原始采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理中的過程數(shù)據(jù)達到了6 TB的級別，完全可以劃歸為大數(shù)據(jù)，這對于數(shù)據(jù)有效性驗證、機動動作判別和后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析帶來了極大的困難，并且技術人員會花費大量時間.

視景仿真系統(tǒng)是數(shù)據(jù)可視化技術的進一步發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化是運用計算機圖形學、圖像處理技術和虛擬現(xiàn)實將數(shù)據(jù)轉化為圖形或者場景并進行交互處理的理論、方法和技術［7］.視景仿真技術是綜合了數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡通訊和數(shù)據(jù)傳輸、模型仿真等多項高新技術發(fā)展而來的，在此基礎上形成的視景仿真系統(tǒng)為航空工業(yè)、軍事模擬等領域提供一種低成本、高安全性的數(shù)據(jù)分析和驗證方式［8-10］.通過視景仿真系統(tǒng)為使用者建立基于數(shù)據(jù)驅動的虛擬環(huán)境，從而使各種設計方案或者試驗數(shù)據(jù)得到虛擬實現(xiàn)和驗證，并可以反復修改，為設計者提供決策支持，可大幅度地降低設計成本和工作量，這一技術優(yōu)勢無疑會使視景仿真技術在軍事領域得到更為廣泛的應用.

目前，國外對視景仿真的研究主要集中在以下兩個方面:①構建通用的虛擬視景仿真應用開發(fā)平臺，能讓非專業(yè)人士開發(fā)出高水平的視景仿真應用;②重視在視景仿真中的技術細節(jié)部分，如場景管理、實體物理建模等.國內(nèi)的虛擬視景仿真領域面臨的主要問題是針對特定的視景仿真要獨立編寫程序來實現(xiàn)，未能形成通用的平臺來適應不同場景的虛擬視景仿真，對開發(fā)人員的專業(yè)素質要求比較高，項目開發(fā)周期長［11］.

在飛機載荷譜實測飛行試驗中，通常需要進行幾百架次的飛行，同步采集大量的實測數(shù)據(jù)，以往判斷飛行數(shù)據(jù)是否有效、飛機瞬時受載狀態(tài)和任務段劃分主要通過觀察關鍵參數(shù)的飛行曲線，其直觀性不足并且容易出現(xiàn)判斷錯誤［12］.

本文提出了基于數(shù)據(jù)雙緩沖和繪圖雙緩沖的方法，通過構建的飛行實測數(shù)據(jù)視景仿真系統(tǒng)連接實測數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫的方式，實現(xiàn)了TB級別的實測數(shù)據(jù)可視化分析與有效性驗證，為準確判讀數(shù)據(jù)有效性和任務段識別提供了直觀的決策依據(jù)，并且該系統(tǒng)可以自動匹配不同機型的數(shù)據(jù)和模型，具有良好的兼容性和適應性.

1 實測數(shù)據(jù)視景仿真系統(tǒng)設計

該視景仿真系統(tǒng)根據(jù)飛機載荷譜實測試驗特殊性和視景系統(tǒng)本身特點，提出了具體的要求，本文闡述的視景系統(tǒng)的設計和關鍵技術主要解決以下問題:①如何統(tǒng)一不同測試機型的實測數(shù)據(jù)結構:不同測試機型因測試要求不同形成的實測數(shù)據(jù)結構不同;②如何利用數(shù)據(jù)雙緩沖將實測數(shù)據(jù)庫中大量的實測數(shù)據(jù)作為仿真驅動數(shù)據(jù)并兼顧系統(tǒng)效率;③如何將復雜的飛機模型解析并自動匹配實測數(shù)據(jù);④如何利用繪圖雙緩沖解決視景仿真系統(tǒng)實時圖像閃爍問題.

如圖1所示，該系統(tǒng)結構主要由數(shù)據(jù)源、視景仿真數(shù)據(jù)庫和視景生成子系統(tǒng)組成.數(shù)據(jù)源主要包括兩部分:一部分是由飛機載荷譜實測改裝過程中加裝的傳感器或者機載計算機總線信號，實時按照一定的規(guī)范傳送到計算機而形成的實時數(shù)據(jù)流;另一部分是完成一定飛行架次后由數(shù)據(jù)采集設備提取的實測數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗有效后發(fā)布到載荷譜實測數(shù)據(jù)庫中.視景仿真數(shù)據(jù)庫由實測數(shù)據(jù)庫、地形地貌數(shù)據(jù)庫和飛行器模型數(shù)據(jù)庫構成，其中飛行器模型數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)庫相關聯(lián)，可以自動匹配飛行器模型與該機型的實測數(shù)據(jù).視景生成子系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)源驅動飛行器模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)雙緩沖和繪圖雙緩沖優(yōu)化生成實測數(shù)據(jù)視景實時傳送給用戶端.

圖1 飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)視景仿真系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of visual simulation system of aircrafts’load spectrum measured data

2 邏輯數(shù)據(jù)通道

飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)的主要對象是通過機載數(shù)據(jù)記錄設備所記錄下來的各種實測參數(shù)的脈沖編碼調(diào)制(PCM，Pulse Code Modulation)編碼數(shù)據(jù)流或者PCAP(Packet Capture)格式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，由于不同機型測試的參數(shù)數(shù)量、類型都不相同，因此，其記錄的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)結構各不相同.同時根據(jù)測試目的的不同，各種不同的參數(shù)使用不同的采樣頻率來進行記錄.如:飛機飛行參數(shù)等數(shù)據(jù)，采樣率32 Hz;機翼載荷變信號，采樣率64 Hz;飛機起落架載荷數(shù)據(jù)，256 Hz;振動信號，采樣率6144 Hz等，給同步記錄和后期處理數(shù)百甚至上千物理通道的飛行實測數(shù)據(jù)帶來極大困難.通常處理不同數(shù)據(jù)結構的實測數(shù)據(jù)文件有兩種方式:一種方式是針對不同的測試機型開發(fā)不同版本的數(shù)據(jù)處理軟件，此種方式開發(fā)的軟件無通用性，每個不同的機型都需要大量的軟件開發(fā)重構工作，但是不用考慮軟件兼容性;另一種方式是針對不同的機型編寫適用的數(shù)據(jù)接口，但會大大增加軟件的復雜程度，代碼調(diào)試和維護困難，而且新增機型測試項目仍然需要加入新的接口程序.飛機載荷譜實測過程中，測試方案和參數(shù)會不斷變化和調(diào)整，無論采取上述任何一種方式，都不能有效解決不同測試項目的數(shù)據(jù)結構不統(tǒng)一的問題.

本文為克服上述困難提出了邏輯數(shù)據(jù)通道的概念，建立了不同數(shù)據(jù)結構的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型.邏輯數(shù)據(jù)通道將每個實測參數(shù)定義為一個數(shù)據(jù)通道，所有的實測參數(shù)是同步采集的.以PCM數(shù)據(jù)流為例，采集的實測數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬信號離散化轉換為數(shù)字信號(如圖2所示)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以PCM數(shù)據(jù)幀的形式，串行化發(fā)送到接收設備或者保存到記錄設備.針對不同采樣率的特性，經(jīng)過數(shù)字化的PCM數(shù)據(jù)幀按照以下存儲策略行程物理通道文件:①以二進制格式保存數(shù)據(jù).②將PCM數(shù)據(jù)幀解碼，按采樣率將參數(shù)進行分組，將相同采樣率的參數(shù)存儲到同一個物理文件，如圖3所示，按照n種采樣率，形成n個數(shù)據(jù)文件.如果采樣率為nHz，那么每秒鐘的數(shù)據(jù)由n幀組成，每一幀由二進制形式存放的m個參數(shù)數(shù)值構成.③對每個物理文件，都具有成為具有簡單行格式的規(guī)則化的數(shù)據(jù)文件，有利于高效率的尋址和隨機讀寫.④不同文件之間，存在確定的幀時間同步關系.

圖2 PCM數(shù)據(jù)幀量化過程Fig.2 Digitization process of PCM data frame

圖3 數(shù)據(jù)文件構成Fig.3 Data file structure

根據(jù)以上存儲策略，每個飛行起落的實測數(shù)據(jù)通常由多個文件組成，文件擴展名以采樣率為標識，如A.32，A.64等形式，不同的文件可以有不同的采樣頻率，但應滿足整數(shù)倍數(shù)關系.通過對物理文件的分析和抽象，可以將物理文件轉化成為單一的邏輯數(shù)據(jù)文件(如圖4所示).通過邏輯數(shù)據(jù)通道完全屏蔽了物理數(shù)據(jù)通道的差異，對于用戶而言，飛行實測數(shù)據(jù)完全由不同采樣率組的數(shù)據(jù)文件組成.

圖4 物理通道轉為邏輯數(shù)據(jù)通道Fig.4 Conversion of physical channel to logical data channel

3 基于數(shù)據(jù)雙緩沖和繪圖雙緩沖的視景仿真系統(tǒng)

3.1 基于數(shù)據(jù)雙緩沖的載荷譜數(shù)據(jù)庫

在數(shù)據(jù)層中，邏輯數(shù)據(jù)通道的建立完全屏蔽了不同數(shù)據(jù)結構的物理上的差異，其實現(xiàn)方式依賴于載荷譜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，視景仿真系統(tǒng)使用Visual C++的開發(fā)平臺，邏輯數(shù)據(jù)通道可由數(shù)據(jù)結構體定義，方式如下:

原始飛行數(shù)據(jù)由飛行實測數(shù)據(jù)服務器存儲，由于原始數(shù)據(jù)容量均為GB級別，考慮到視景仿真系統(tǒng)執(zhí)行效率問題，基于載荷譜實測數(shù)據(jù)庫采用了數(shù)據(jù)雙緩沖技術訪問實測數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)雙緩沖的實現(xiàn)原理如下:

1)客戶端使用自定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議訪問載荷譜數(shù)據(jù)庫獲得請求的機型數(shù)據(jù).自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式為App:///服務器地址+目錄+數(shù)據(jù)文件，客戶端會自動監(jiān)視此格式鏈接，一旦用戶請求此鏈接，客戶端軟件根據(jù)自定義協(xié)議鏈接格式進行解析得到真實的數(shù)據(jù)文件地址，取得數(shù)據(jù)文件進行處理.

2)為保證視景仿真系統(tǒng)的執(zhí)行效率，視景仿真系統(tǒng)客戶端運行時，在內(nèi)存開辟兩個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)A用于存儲從載荷譜數(shù)據(jù)庫取得實測數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)B用于存儲校驗后的緩沖區(qū)A的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)無碼，則使用前一時刻的數(shù)據(jù)進行視景仿真，以減少由于GPS信號丟失等原因造成的數(shù)據(jù)誤碼現(xiàn)象.

3.2 基于雙緩沖的視景繪圖機制

飛機模型的運動是基于該機型飛行實測數(shù)據(jù)驅動的.飛機姿態(tài)含6自由度參數(shù)，根據(jù)飛行實測數(shù)據(jù)的航姿信息，在飛行動力學理論的基礎上模擬飛行航跡［13］.為形成載荷-時間歷程的動態(tài)畫面，需在視景仿真系統(tǒng)窗口不斷刷新和繪制視圖.在未經(jīng)任何優(yōu)化的情況下，視圖會因為背景清除和繪制過程延遲而不斷閃爍.

雙緩沖的繪圖機制指的是在繪圖時除了在屏幕上有圖形進行顯示外，在內(nèi)存中也有圖形在繪制［14-17］.在屏幕上實現(xiàn)繪制圖形以前，OpenGL先分配兩個緩存區(qū)，在顯示前臺緩存中的圖像同時，后臺緩存繪制第2幅圖像.當后臺繪制完成后，后臺緩存中的圖像就顯示出來，此時原來的前臺緩存開始繪制第3幅圖像，通過不停地循環(huán)應用雙緩存，每一幀三維曲面只在繪制完成之后才顯示出來，所以觀察者可以看到每一幀繪制完成的三維場景，而不是場景的繪制過程，使得畫面看起來是連續(xù)的.

視景可視化系統(tǒng)主界面是飛行起落實測數(shù)據(jù)可視化視圖，用戶可以按照需要調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)回放速度，支持最大320倍速的數(shù)據(jù)實時回放并可以隨時調(diào)節(jié)播放速率.系統(tǒng)采用多窗口視圖方式開發(fā)，不同可視化窗口之間通過消息驅動，以獲取用戶指令和數(shù)據(jù)交換.飛行歷程曲線視圖將發(fā)送自定義消息WM_FLIGHTSIMBARUPDATE給飛行模擬窗口，將航姿數(shù)據(jù)存入數(shù)組數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址作為用戶自定義窗口消息的參數(shù)發(fā)送給飛行可視化窗口.

視景可視化系統(tǒng)在數(shù)據(jù)初始化后后臺產(chǎn)生定時器，以30 Hz的頻率向飛行視景可視化窗口發(fā)出更新數(shù)據(jù)的系統(tǒng)消息，以驅動可視化視圖的進行數(shù)據(jù)更新.通過系統(tǒng)消息驅動方式，簡化數(shù)據(jù)邏輯，不同視圖之間通過系統(tǒng)消息通信，異步地進行飛行模擬窗口更新，增強了各模塊之間的獨立性，避免了飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)變化時強制重繪可能導致的系統(tǒng)響應停頓的問題.

3.3 實測數(shù)據(jù)雙緩沖視景仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

在飛機實測數(shù)據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)庫基礎上，視景仿真系統(tǒng)客戶端采用ChtmlView模式內(nèi)嵌載荷譜數(shù)據(jù)庫訪問控件，當運行視景仿真系統(tǒng)時，客戶端軟件自動訪問飛機實測數(shù)據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)庫和飛機模型數(shù)據(jù)庫，并讀取客戶端軟件配置文件中［FlightSimModel］節(jié)點，該節(jié)點以 FlightSimModel=Key1.MS3D;Key2.MS3D;…;KeyN.MS3D 的格式定義了使用到的機型模型，其中Key1～KeyN為識別飛機機型的特征字，在某機型完成一個飛行架次，實測數(shù)據(jù)從機載數(shù)據(jù)采集器存儲介質轉換到計算機時，該特征字已經(jīng)寫入對應的飛行實測數(shù)據(jù)，視景仿真系統(tǒng)通過該特征字自動匹配機型實測數(shù)據(jù).

當視景仿真系統(tǒng)通過訪問實測數(shù)據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫取得指定飛行架次的實測數(shù)據(jù)后，通過解析實測數(shù)據(jù)頭特征字獲得需要的機型模型，用戶通過啟動飛行模擬窗口進入飛行歷程的可視化仿真，此時實測數(shù)據(jù)自動播放并實時驅動飛行模擬窗口更新，直至實測數(shù)據(jù)播放至結尾，從而實現(xiàn)整個飛行歷程的可視化再現(xiàn)，在此過程中，用戶可以通過鼠標滾輪調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)播放速度和點擊數(shù)據(jù)曲線任意位置查看飛機飛行狀態(tài)，以節(jié)省數(shù)據(jù)播放時間.

4 應用實例

以某型號飛機20110716A飛行架次數(shù)據(jù)為例，實測數(shù)據(jù)量10.6GB，在視景仿真系統(tǒng)配置文件中定義使用的飛機模型其格式如下:FlightSimModel=［Key］.MS3D，其中［Key］為識別飛行實測數(shù)據(jù)的特征字，在向服務器發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信息中包含了該關鍵字，服務器接受請求后，如果在該特征字描述的機型實測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了對應的飛行架次，便 以 APP:///服 務 器 地 址//數(shù) 據(jù) 目 錄//20110716A格式返回對應的該機型的實測數(shù)據(jù)文件，視景仿真系統(tǒng)首先生成實測數(shù)據(jù)輪廓，并從服務器端提取飛機航姿數(shù)據(jù)曲線，如圖5所示.通過視景仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)播放功能，實時解析實測數(shù)據(jù)，并以消息方式驅動實時更新數(shù)據(jù)，以獲得整個飛行實測歷程的可視化過程.圖6是根據(jù)對應航姿數(shù)據(jù)對整個飛行實測數(shù)據(jù)的可視化過程截圖.

圖5 飛行歷程曲線視圖Fig.5 Curve view of flight course

圖6 飛行視景可視化截圖Fig.6 Visualization screenshot of flight visual

5 結論

本文利用數(shù)據(jù)雙緩沖和繪圖雙緩沖機制，建立了飛行實測數(shù)據(jù)視景仿真系統(tǒng).系統(tǒng)利用邏輯數(shù)據(jù)通道的概念在服務器端以載荷譜數(shù)據(jù)庫為基礎，完全屏蔽了不同測試機型數(shù)據(jù)結構的差異，實現(xiàn)了異構數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，視景仿真系統(tǒng)客戶端內(nèi)嵌瀏覽器加載飛行實測數(shù)據(jù)，通過繪圖雙緩沖機制創(chuàng)建了飛行實測數(shù)據(jù)可視化環(huán)境，自動匹配機型數(shù)據(jù)，完整地再現(xiàn)整個飛行歷程，經(jīng)對實測數(shù)據(jù)進行仿真，結果表明:

1)該飛行實測數(shù)據(jù)視景仿真系統(tǒng)具有良好數(shù)據(jù)解析能力，目前完全滿足單個起落容量小于20 GB飛行歷程可視化性能需求，能夠批處理所有飛行起落數(shù)據(jù).

2)通過某殲擊機和某型預警機飛行實測歷程可視化仿真和校驗，可作為飛機飛行歷程機動動作識別的可視化工具，提高了技術人員采用關鍵參數(shù)判別機動動作的準確性和效率.

3)在飛行實測大綱確定的前提下，通過飛行歷程可視化仿真系統(tǒng)可以檢驗飛行數(shù)據(jù)是否滿足大綱規(guī)定的技術要求，為數(shù)據(jù)有效性驗證和數(shù)據(jù)后期處理提供可視化平臺.

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