多風(fēng)洞共享的通用型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

鄧曉曼, 范金磊, 余 立, 李春彥, 何 福

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

多風(fēng)洞共享的通用型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

鄧曉曼*, 范金磊, 余 立, 李春彥, 何 福

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

為建立規(guī)范高效的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)處理與分析的可靠性和自動(dòng)化、智能化水平，制定完善了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、流程、符號(hào)接口等規(guī)范，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)及異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、基于動(dòng)態(tài)編譯的自定義公式擴(kuò)展、基于元數(shù)據(jù)與模板的文件可視化排版等技術(shù)，解決了處理方法與流程控制、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與輸出等通用化的關(guān)鍵問(wèn)題，建立了多風(fēng)洞共享、多試驗(yàn)類型通用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)。應(yīng)用3年來(lái)，完成高速所6座風(fēng)洞占試驗(yàn)總車次71.2%的數(shù)據(jù)處理，覆蓋單/多天平測(cè)力、測(cè)壓、通氣測(cè)力、混合測(cè)力測(cè)壓、噴流及部分特種試驗(yàn)等類型，系統(tǒng)具有規(guī)范、高效、開(kāi)放的特點(diǎn)，是一種具有推廣應(yīng)用價(jià)值的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)解決方案。

風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)系統(tǒng)；面向服務(wù)架構(gòu)；通用

0 引 言

高效率地獲取穩(wěn)定、可靠和盡可能豐富的地面模擬數(shù)據(jù)是風(fēng)洞試驗(yàn)的價(jià)值所在[1]，作為風(fēng)洞試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析需要面向每一位客戶的特定試驗(yàn)要求提交定制化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和報(bào)告。長(zhǎng)期以來(lái)，這種定制化的需求使得風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用以每項(xiàng)試驗(yàn)為生命周期、重復(fù)編寫(xiě)或修改處理公式與程序的模式，存在處理方法難以規(guī)范、處理程序重復(fù)開(kāi)發(fā)、使用維護(hù)復(fù)雜、試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享困難等問(wèn)題，制約了風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性與試驗(yàn)效率的提高。

國(guó)外風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)在解決上述問(wèn)題時(shí)采用了以下主要途徑：(1)制訂不同層次的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)指南[2-4]，在規(guī)范框架下建立標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)通用性、實(shí)現(xiàn)流程統(tǒng)一和信息共享。如NASA阿姆斯研究中心的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)為幾座生產(chǎn)型風(fēng)洞提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)，常規(guī)試驗(yàn)由“標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算包”完成，特殊計(jì)算則需單獨(dú)編程和驗(yàn)證確認(rèn)[5]；ONERA與DNW聯(lián)合為客戶制定了通用的風(fēng)洞數(shù)據(jù)格式(Wind Tunnel Data Format,WDF)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)的訪問(wèn)與展示等[6]。(2)在規(guī)范的數(shù)據(jù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)軟硬件架構(gòu)進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的開(kāi)放性、靈活性。如阿諾德工程發(fā)展中心在5座風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)采用相同的系統(tǒng)架構(gòu)、接口和軟件包[7]，DNW的GAIUS 系統(tǒng)、NASA阿姆斯的DARWIN系統(tǒng)，具有各自標(biāo)準(zhǔn)化分布式架構(gòu)、遠(yuǎn)程訪問(wèn)與數(shù)據(jù)分發(fā)功能，為各自多座風(fēng)洞共享應(yīng)用，極大地提高了試驗(yàn)效率和質(zhì)量，提高設(shè)備與數(shù)據(jù)的利用率，滿足未來(lái)風(fēng)洞高度互聯(lián)與數(shù)據(jù)融合的需要[8-10]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)單位的研發(fā)思路主要在改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)方法上，較典型的系統(tǒng)如：CARDC低速所的“基于LabVIEW 平臺(tái)的8m×6m風(fēng)洞測(cè)力數(shù)據(jù)通用軟件”，借鑒面向?qū)ο缶幊趟枷?，采用了算法?dòng)態(tài)加載設(shè)計(jì)，使軟件靈活應(yīng)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)公式的計(jì)算處理；中航空工業(yè)沈陽(yáng)空氣動(dòng)力研究院的“FL-3風(fēng)洞數(shù)據(jù)處理規(guī)范化軟件”等，著重通過(guò)運(yùn)用腳本語(yǔ)言(VBScript)使程序代碼界面化、計(jì)算公式可編輯，提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性；這些系統(tǒng)針對(duì)特定風(fēng)洞、特定試驗(yàn)類型實(shí)現(xiàn)局部規(guī)范與通用，但仍然依賴崗位人員修改處理公式與代碼，無(wú)法徹底克服傳統(tǒng)專用系統(tǒng)弊端，由于缺乏整體規(guī)范化設(shè)計(jì)與技術(shù)支持，使系統(tǒng)適用范圍小、難以獲得長(zhǎng)期更好的應(yīng)用效果[11-13]。

隨著中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速風(fēng)洞群試驗(yàn)?zāi)芰Φ牟粩嗵岣?，?duì)規(guī)范高效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程、精準(zhǔn)快捷處理分析能力需求日益迫切，工業(yè)部門也希望風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)能夠?qū)?shù)據(jù)的共享利用提供支持。通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)與理念，采用風(fēng)洞數(shù)據(jù)系統(tǒng)整體規(guī)范化設(shè)計(jì)與通用化技術(shù)相結(jié)合，建立了國(guó)內(nèi)首套多風(fēng)洞共享、多類型試驗(yàn)通用的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，并在高速風(fēng)洞群成功應(yīng)用。

本文包括6個(gè)部分，首先介紹了通過(guò)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行處理方法與流程優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，隨后介紹了系統(tǒng)分布式架構(gòu)、模塊組成及作用，第三、四部分詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通用性、擴(kuò)展性的關(guān)鍵技術(shù)方法，包括：基于XML的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自定義公式解析方法、基于元數(shù)據(jù)和模板的數(shù)據(jù)索引和可視化排版、流程自動(dòng)化等，最后介紹了應(yīng)用效果和結(jié)論。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化處理方法與流程、建立相適應(yīng)的技術(shù)規(guī)范是構(gòu)建風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，并需要涵蓋試驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈的各環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)計(jì)算、修正、存儲(chǔ)等，同時(shí)要充分考慮其完備性、可執(zhí)行性與擴(kuò)展性，以及規(guī)范之間關(guān)聯(lián)性，才能為系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可靠、通用、靈活奠定基礎(chǔ)。主要包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法規(guī)范，以及圍繞該核心方法與流程建立的數(shù)據(jù)格式與符號(hào)規(guī)范、設(shè)備與參數(shù)規(guī)范等3部分。

1.1 基于矩陣變換的常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

以高速風(fēng)洞試驗(yàn)和空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的國(guó)家(軍用)標(biāo)準(zhǔn)[14-17]為基本依據(jù)，針對(duì)高速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中單/多天平(模型)的支撐/組合方式，采用矩陣變換的方法進(jìn)行軸系轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖1)，形成了包含流場(chǎng)參數(shù)、天平載荷、底阻、通氣模型內(nèi)流參數(shù)、氣動(dòng)載荷、氣動(dòng)系數(shù)、插值、擬合、求導(dǎo)、自重計(jì)算等在內(nèi)的核心標(biāo)準(zhǔn)處理算法[18]，且關(guān)鍵輸入?yún)?shù)易于在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量與指定，適用性和可操作性強(qiáng)。

通過(guò)引入“虛擬主天平”，將無(wú)主天平的試驗(yàn)(如測(cè)壓試驗(yàn)、部件測(cè)力試驗(yàn)等)對(duì)模型空間姿態(tài)的描述統(tǒng)一到核心算法采用的“機(jī)構(gòu)-天平-模型”歐拉關(guān)系的描述框架下，拓寬了標(biāo)準(zhǔn)處理方法的適用范圍。

對(duì)相關(guān)基本輸入輸出參數(shù)的表述也進(jìn)行了規(guī)定，并通過(guò)任務(wù)書(shū)中參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理方法、流程的選擇配置，實(shí)現(xiàn)了各風(fēng)洞常規(guī)試驗(yàn)工況下計(jì)算處理方法與流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與規(guī)范。

1.2 高速風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)格式與符號(hào)規(guī)范

風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)一般包括3類：采集獲得的原始數(shù)據(jù)，參試設(shè)備信息、試驗(yàn)條件、模型狀態(tài)等各類參數(shù)，以及數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)。以往各風(fēng)洞采用的各自固定的數(shù)據(jù)格式，共享性、擴(kuò)展性差。本系統(tǒng)結(jié)合高速風(fēng)洞的試驗(yàn)需求，借鑒DNW及ONERA聯(lián)合提出的WDF的思想[6]，設(shè)計(jì)了包含自我描述信息、可擴(kuò)展的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，包括風(fēng)洞采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和壓力掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等。

對(duì)于各類參數(shù)數(shù)據(jù)，各風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)及參試客戶慣用的坐標(biāo)軸系、氣動(dòng)系數(shù)命名方法不同，容易引起歧義，參數(shù)名稱的混淆會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)論。本系統(tǒng)以空氣動(dòng)力學(xué)概念、量和符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15-17]為依據(jù)，結(jié)合前述的常規(guī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法[18],并借鑒AIAA地面測(cè)試技術(shù)委員會(huì)編寫(xiě)的風(fēng)洞試驗(yàn)命名法與坐標(biāo)系統(tǒng)規(guī)范[4]，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)采集、處理與存儲(chǔ)等過(guò)程中基本輸入?yún)?shù)符號(hào)與格式約定，以及結(jié)果數(shù)據(jù)描述等，為系統(tǒng)通用化的數(shù)據(jù)解析與流轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。

1.3 測(cè)試設(shè)備參數(shù)預(yù)處理優(yōu)化

規(guī)范風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)馬赫數(shù)修正方法、數(shù)據(jù)格式、馬赫數(shù)及修正量序列的有效位數(shù)等；規(guī)范總靜壓、底壓等傳感器校準(zhǔn)證書(shū)；規(guī)范應(yīng)變天平及支桿命名、天平電子證書(shū)文件格式，包括校準(zhǔn)系數(shù)矩陣、校準(zhǔn)電壓、組橋方式矩陣表達(dá)形式等。其中組橋矩陣可解析任意線性組橋，如表1所示，通過(guò)組橋矩陣解析了一臺(tái)8路輸出的5分量天平組橋公式，其中Mx分量的輸出為ΔUMx=ΔU5-ΔU6+ΔU7-ΔU8。

表1 天平組橋矩陣Table 1 Bridge matrix of balance

將這些以往散落于各風(fēng)洞專用處理軟件代碼中的重要參數(shù)數(shù)據(jù)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)中錄入和預(yù)處理，確保其正確可靠，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算程序的解耦，設(shè)備和條件變化時(shí)不再頻繁修改軟件代碼，可根據(jù)參數(shù)配置自動(dòng)到數(shù)據(jù)庫(kù)查詢證書(shū)、公式，并完成解析計(jì)算。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

構(gòu)建適用于多風(fēng)洞、多類型試驗(yàn)通用、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并不是一個(gè)規(guī)范系統(tǒng)的簡(jiǎn)單拷貝和操作界面的統(tǒng)一，需要從根本上打破風(fēng)洞間的信息孤島，建立一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠支持分布式應(yīng)用，具有良好的內(nèi)部機(jī)制保障系統(tǒng)的開(kāi)放性和擴(kuò)展性；系統(tǒng)可維性好，能夠?yàn)榱夹赃\(yùn)行提供可持續(xù)支持。

2.1 面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)

各風(fēng)洞傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模式，存在系統(tǒng)碎片化、可維性、復(fù)用性差、信息共享利用難等問(wèn)題，已經(jīng)難以適應(yīng)大型風(fēng)洞群跨地域運(yùn)行，以及規(guī)范化、信息化管理的需求。

WCF(Windows Communication Foundation)是微軟在眾多分布式通信技術(shù)(如DCOM、WebService、WSE、.Net Remoting以及MSMQ等)的基礎(chǔ)上，按照開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)推出的新一代通用分布式框架，可以通過(guò)統(tǒng)一的應(yīng)用編程接口(API)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的封裝以及各種異構(gòu)系統(tǒng)的互通和集成[19]。

本系統(tǒng)采用了面向服務(wù)的架構(gòu)模式，按照分層設(shè)計(jì)的理念，基于WCF技術(shù)設(shè)計(jì)了分布式架構(gòu)，建立客戶端/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)混合模式的應(yīng)用平臺(tái)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)中心，總體上分為5層，如圖2所示。將通用的功能(如數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)計(jì)算、設(shè)備信息管理等)發(fā)布為WCF服務(wù)，可被各風(fēng)洞的多種客戶端遠(yuǎn)程調(diào)用，復(fù)用性強(qiáng)，部署靈活，其模塊化程度高、組件之間松耦合，服務(wù)端和客戶端軟件模塊可以分別獨(dú)立升級(jí)，有效解決了系統(tǒng)的碎片化和難維護(hù)的問(wèn)題；數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理各風(fēng)洞的試驗(yàn)信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

(1) 系統(tǒng)層。系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境采用 Windows OS, .NET Framework4.0, SQL Server2012。

(2) 數(shù)據(jù)層。建立完整的試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一管理各風(fēng)洞的試驗(yàn)信息，包括用戶信息、各風(fēng)洞支撐機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)段、傳感器、天平及支桿、試驗(yàn)項(xiàng)目、車次和試驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息。數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口將身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)增刪改查、同步和備份等操作封裝為通用接口，供上層服務(wù)調(diào)用，便于數(shù)據(jù)庫(kù)重構(gòu)、更換或升級(jí)維護(hù)。

(3) 服務(wù)層提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)計(jì)算和軟件升級(jí)3個(gè)服務(wù)組件。其中數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)包括實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)處理的原子服務(wù)和在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的組合服務(wù)，共同實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)核心計(jì)算流程，結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)自定義計(jì)算公式的解析服務(wù)，支持核心處理方法的擴(kuò)展性設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)的架構(gòu)穩(wěn)定。

(4) 服務(wù)代理層。通過(guò)利用靜態(tài)類和哈希表，為客戶端提供了簡(jiǎn)潔、高效、統(tǒng)一的訪問(wèn)服務(wù)的方式。

(5) 表現(xiàn)層。實(shí)現(xiàn)Web網(wǎng)頁(yè)和客戶端界面2個(gè)部分訪問(wèn)系統(tǒng)。其中，Web部分主要實(shí)現(xiàn)信息的查詢和管理；客戶端采用了基于WPF數(shù)據(jù)模板和控件模板的動(dòng)態(tài)用戶界面設(shè)計(jì)技術(shù)[20]，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的完整交互流程，見(jiàn)圖3和圖6～8。

2.2 系統(tǒng)主要軟硬件模塊分布

為便于各風(fēng)洞不同崗位人員在不同階段、不同地點(diǎn)參與試驗(yàn)過(guò)程，依托于科研試驗(yàn)網(wǎng)，將系統(tǒng)各組件靈活部署在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)、辦公終端和網(wǎng)絡(luò)中心，如圖4所示。

其中，數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)部署在網(wǎng)絡(luò)中心和各風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)，互為備份，為各風(fēng)洞提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)與中心氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接；升級(jí)服務(wù)部署在網(wǎng)絡(luò)中心，為所有客戶端提供統(tǒng)一的升級(jí)服務(wù)；數(shù)據(jù)處理客戶端可部署在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)和辦公終端，完成數(shù)據(jù)處理、入庫(kù)及調(diào)試計(jì)算；分析驗(yàn)算客戶端部署在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)和辦公終端，提供數(shù)據(jù)可視化分析、驗(yàn)算及報(bào)告繪圖等功能；質(zhì)量管理客戶端部署在風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)，完成試驗(yàn)開(kāi)車任務(wù)單(含模型狀態(tài)、風(fēng)洞狀態(tài)等參數(shù))、天平證書(shū)、日志等錄入；通過(guò)瀏覽器可在網(wǎng)內(nèi)各終端查詢與管理信息。

3 基于XML的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)洞數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要面向多種類型試驗(yàn)，各類試驗(yàn)需要處理的數(shù)據(jù)項(xiàng)和處理要求存在差異。傳統(tǒng)的方法是針對(duì)不同的試驗(yàn)類別，采用專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，造成格式復(fù)雜多變且和處理程序耦合緊密。

可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(Extensible Markup Language, XML)格式的數(shù)據(jù)包含能夠描述數(shù)據(jù)屬性的元數(shù)據(jù)，具有良好的自我描述性、結(jié)構(gòu)靈活性和擴(kuò)展性。在通用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，使用了XML來(lái)描述系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并按照本文1.2節(jié)介紹的數(shù)據(jù)規(guī)范要求，將各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)性質(zhì)(如數(shù)據(jù)來(lái)源是傳感器通道還是壓力掃描閥、結(jié)果類別是姿態(tài)角還是力或力矩等)進(jìn)行分組、分層，以統(tǒng)一的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)組織到一起，有效地解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理問(wèn)題。

樹(shù)形的層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，當(dāng)現(xiàn)有層次或分支不滿足未來(lái)新試驗(yàn)需求時(shí)，只需在相應(yīng)位置增加新的數(shù)據(jù)層/組，即可存儲(chǔ)新增類別的數(shù)據(jù)；樹(shù)形結(jié)構(gòu)中每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都擁有唯一的索引路徑(從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn))，通過(guò)設(shè)計(jì)基于路徑的數(shù)據(jù)查詢模塊，為后續(xù)通用化的關(guān)鍵功能模塊——自定義公式解析和輸出文件自定義排版提供了技術(shù)支撐。

通過(guò)參數(shù)設(shè)置，建立元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)標(biāo)簽的映射，并轉(zhuǎn)換為XML文件格式入庫(kù)。針對(duì)前述3類數(shù)據(jù)文件在軟件中定義了原始數(shù)據(jù)、計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果3個(gè)類，類的數(shù)據(jù)成員和XML元素一一對(duì)應(yīng)。采用序列化/反序列化技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和加載，避免了大量的XML文件解析工作，處理過(guò)程簡(jiǎn)潔高效。

4 系統(tǒng)擴(kuò)展性功能模塊設(shè)計(jì)

面向服務(wù)的模塊化、層次化的架構(gòu)，以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等建立了系統(tǒng)通用化的核心，要實(shí)現(xiàn)多風(fēng)洞多類型試驗(yàn)通用、共享，系統(tǒng)還需具備良好開(kāi)放性和擴(kuò)展性，主要包括如何解決用戶數(shù)據(jù)處理與輸出格式的特殊要求，如何提供一站式數(shù)據(jù)處理、分析及自動(dòng)化的操作維護(hù)。

4.1 自定義參數(shù)公式解析方法

采用用戶添加自定義計(jì)算或輸出參數(shù)，自定義公式解析、自定義方法擴(kuò)展支持等3種途徑，形成可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)處理能力，滿足標(biāo)準(zhǔn)處理外的特殊計(jì)算需求。其實(shí)現(xiàn)原理是：用戶自主添加數(shù)學(xué)表達(dá)式，表達(dá)式可引用已有參數(shù)、數(shù)據(jù)或結(jié)果，可使用數(shù)學(xué)函數(shù)和分支判斷、循環(huán)等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)方法外的特殊計(jì)算，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化公式的解析轉(zhuǎn)換與執(zhí)行。

系統(tǒng)還提供了高效的公式錄入工具，如圖6所示。

對(duì)于特殊試驗(yàn)或一些特別復(fù)雜的處理，可遵照擴(kuò)展方法接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)新的擴(kuò)展方法模塊，上傳到服務(wù)器，由客戶端選擇調(diào)用即可。這些可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)保障了系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，面臨復(fù)雜的特殊計(jì)算需求也無(wú)需修改系統(tǒng)代碼，從而實(shí)現(xiàn)真正的通用。

4.2 定制數(shù)據(jù)文件的可視化排版

數(shù)據(jù)文件的輸出內(nèi)容、格式、編排順序等常常由客戶指定，變化最為頻繁，為使系統(tǒng)輸出通用、便利，開(kāi)發(fā)了基于元數(shù)據(jù)和模板的數(shù)據(jù)索引和可視化排版技術(shù)，用戶直接通過(guò)圖形化界面配置任意數(shù)量和內(nèi)容格式的輸出文件模板，數(shù)據(jù)依照模板輸出，圖7展示了排版界面，在樹(shù)形列表上，拖放數(shù)據(jù)項(xiàng)的索引路徑，在數(shù)據(jù)區(qū)塊編輯界面，編輯參數(shù)或索引路徑的分組與排序，實(shí)際數(shù)據(jù)將以排版順序及指定格式輸出到文件。

這種方式將軟件代碼、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸出格式相互解耦，數(shù)據(jù)輸出由操作員在所見(jiàn)即所得的界面上自由編排，簡(jiǎn)單、直觀、靈活地滿足各種定制化輸出需求。

4.3 數(shù)據(jù)分析輔助

數(shù)據(jù)分析客戶端能同時(shí)滿足顯示、分析和報(bào)告繪圖要求，具有豐富的交互分析和格式控制選項(xiàng)；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)相關(guān)試驗(yàn)狀態(tài)的自動(dòng)查詢、數(shù)據(jù)曲線自動(dòng)分組、排序和數(shù)據(jù)的更新；利用規(guī)范化的元數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了跨車次數(shù)據(jù)的自動(dòng)插值顯示，解決了長(zhǎng)期制約橫向和舵效曲線繪制效率的難題；實(shí)現(xiàn)了報(bào)告圖批量導(dǎo)出到Word文檔、自動(dòng)編號(hào)和自適應(yīng)排版，如圖8所示。

4.4 操作流程自動(dòng)化

基于統(tǒng)一的基礎(chǔ)架構(gòu)和接口統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)了系列應(yīng)用模塊，替代人工操作自動(dòng)完成繁瑣工作，進(jìn)一步保障了系統(tǒng)的可靠性和可維性，主要包括：

(1) 參數(shù)信息的統(tǒng)一錄入、審核和維護(hù)模塊，避免參數(shù)重復(fù)輸入的不一致與低效；(2)參數(shù)自檢模塊，完成參數(shù)合法性(值、格式是否正確有效)、合理性(參數(shù)是否滿足依存和限定條件)和完整性(數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)校驗(yàn)和警示；(3)一鍵完成計(jì)算、文件分發(fā)、入庫(kù)和打??；(4)數(shù)據(jù)驗(yàn)算工具自動(dòng)比較標(biāo)準(zhǔn)公式與傳統(tǒng)公式的結(jié)果差量，提高研判效率；(5)軟件核心邏輯具有完善的單元測(cè)試(Unit Test)，提高可維性；(6)利用共享網(wǎng)絡(luò)空間，基于FTP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和WCF實(shí)現(xiàn)通用的軟件自動(dòng)升級(jí)服務(wù)，新版軟件完成后，只需上傳到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)空間即可完成升級(jí)的推送。

5 應(yīng)用效果

2013年12月起該系統(tǒng)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的FL-21、FL-23、FL-24、FL-26、FL-28、FL-32等風(fēng)洞陸續(xù)投入應(yīng)用，涵蓋高速風(fēng)洞單/多天平測(cè)力、測(cè)壓、混合測(cè)力測(cè)壓、通氣測(cè)力等試驗(yàn)類型。

在2014～2016年的總試驗(yàn)車次中，采用通用系統(tǒng)處理的車次占71.2%(見(jiàn)圖9)，而對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法、軟件模塊等修訂維護(hù)僅由2人完成，至少縮減為原來(lái)的1/5。

Fig.9 The ratio of test runs processed by the general system to the total test runs

各風(fēng)洞參試人員在試驗(yàn)準(zhǔn)備、進(jìn)行、結(jié)束和歸檔等不同階段不同地點(diǎn)，都可以在統(tǒng)一的通用平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)查詢、處理分析等工作，如領(lǐng)導(dǎo)、專家和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可在科研網(wǎng)任意終端利用瀏覽器訪問(wèn)設(shè)備、試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)信息，或編寫(xiě)上傳數(shù)據(jù)處理任務(wù)書(shū)；數(shù)據(jù)分析人員利用風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)或科研辦公終端的數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)算客戶端，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、驗(yàn)算和報(bào)告撰寫(xiě)；風(fēng)洞崗位人員利用部署在各風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)的客戶端進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分發(fā)；維護(hù)人員可在辦公室及時(shí)解決風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，自動(dòng)進(jìn)行軟件升級(jí)部署。系統(tǒng)應(yīng)用大幅提高了風(fēng)洞試驗(yàn)的效率，如圖10所示(其中標(biāo)注*的工作由以往的人工操作變成了由系統(tǒng)全自動(dòng)完成，故認(rèn)為效率提升為100%)。

6 結(jié) 論

多風(fēng)洞共享的通用型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，面向參試人員提供了一個(gè)流程統(tǒng)一高效、界面友好易用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理共享平臺(tái)，其優(yōu)于以往傳統(tǒng)各風(fēng)洞專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

(1) 用規(guī)范化的方法統(tǒng)一了處理方法、流程、接口和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高速風(fēng)洞群各風(fēng)洞多種試驗(yàn)工況下通用的數(shù)據(jù)處理，無(wú)需每座風(fēng)洞、每項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理公式推導(dǎo)和修改軟件代碼，提高了效率和數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性；

(2) 用面向服務(wù)、層次化的基礎(chǔ)架構(gòu)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通用化的應(yīng)用模塊，功能覆蓋數(shù)據(jù)處理、分析、驗(yàn)算、報(bào)告繪圖和信息管理，支持遠(yuǎn)程維護(hù)升級(jí)，提升了系統(tǒng)的綜合處理能力，及自動(dòng)化、智能化程度；

(3) 形成了風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)操作運(yùn)行與維護(hù)管理互聯(lián)開(kāi)放的新模式，參試人員可不受地域、時(shí)間限制，在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析與訪問(wèn)，滿足高速風(fēng)洞群試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程集中處理與共享需求，有利于氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析與評(píng)估利用，并為更廣泛的數(shù)據(jù)共享奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]AIAA/GTTC. AIAA R-092-1-2003. Recommended practice: wind tunnel testing-Part 1: management volume[S]. Alexander Bell Drive, Reston, Virginia, USA, 2003.

[2]AIAA/GTTC. AIAA R-092-2-2003. Recommended practice: wind tunnel testing-Part 2: practitioners volume[S]. Alexander Bell Drive, Reston, Virginia, USA, 2003.

[3]戰(zhàn)培國(guó). 美國(guó)AIAA風(fēng)洞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2015, (11): 21-25.

[4]AIAA/GTTC. AIAA G-129-2012. Nomenclature and axis system for aerodynamic wind tunnel testing[S]. Alexander Bell Drive, Reston, Virginia, USA, 2012.

[5]Nikodym S. Test planning guide for high speed wind tunnels[M]. 5th ed. Moffett Field, California: Ames Research Center, 2005.

[6]van der DRAAI R, KRACK D. Wind tunnel data format for test results presentation[R]. ATA-TR-001-2002, 2006.

[7]Abbott C D. Status of AEDC Transonic, Supersonic, and Hypersonic Wind Tunnel Improvement Programs[R]. AIAA-2012-3172, 2012.

[8]Melanson M R, Chang M, Baker W M. Wind tunnel testing’s future- a vision of the next generation of wind tunnel test requirements and facilities[R]. AIAA-2010-0142, 2010.

[9]Detlef Krack. The Generic Automated Integrated Universal System(GAIUS) for Wind Tunnels[R]. AIAA-2009-2060, 2009.

[10]Walton J D, Filman R E. Korsmeyer D J. Evolution of the DARWIN system[R]. N20000092055, 2001.

[11]劉忠華, 唐喬喬, 張衛(wèi)國(guó), 等. 基于LabVIEW 的8m×6m風(fēng)洞數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第六屆三次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專委會(huì), 2012.

[12]伊宏偉, 王軍. FL-3風(fēng)洞數(shù)據(jù)處理軟件規(guī)范化設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第六屆二次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專委會(huì), 2011.

[13]王艷. FL-2風(fēng)洞試驗(yàn)信息自動(dòng)化管理系統(tǒng)研究[C]//中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第六屆四次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)測(cè)控技術(shù)專委會(huì), 2013.

[14]熊能, 林俊, 王發(fā)祥, 等. GJB 7658-2012飛行器全模型測(cè)力高速風(fēng)洞試驗(yàn)方法[S]. 北京: 總裝備部軍標(biāo)出版社, 2012.

Xiong N, Lin J, Wang F X, et al. GJB7658-2012 Test method for aerodynamic force measurement of aircraft full model in high speed wind tunnel[S].Beijing: General Armament Department Military Standard Publishing Department, 2012.

[15]劉沛清, 邵箭, 李周復(fù), 等. GB/T l6638.1—2008空氣動(dòng)力學(xué)概念、量和符號(hào) 第1部分 空氣動(dòng)力學(xué)常用術(shù)語(yǔ)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

Liu P Q, Shao J, Li Z F, et al. GB/T l6638.1—2008 Aerodynamics-Concepts, quantities and symbols-Part 1: Aerodynamic terms in common use[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[16]劉沛清, 焦志強(qiáng), 李周復(fù), 等. GB/T l6638.2—2008空氣動(dòng)力學(xué)概念、量和符號(hào) 第2部分 坐標(biāo)軸系和飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

Liu P Q, Jiao Z Q, Li Z F, et al. GB/T l6638.2—2008 Aerodynamics-Concepts,quantities and symbols-Part 2: Axis systems and aircraft motion state quantities[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[17]陳晏清, 邵箭, 焦志強(qiáng), 等. GB/T l6638.4—2008空氣動(dòng)力學(xué)概念、量和符號(hào) 第4部分 飛行器的空氣動(dòng)力、力矩及其系數(shù)和導(dǎo)數(shù)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

Chen Y Q, Shao J, Jiao Z Q, et al. GB/T l6638.4—2008 Aerodynamics-Concepts,quantities and symbols-Part 4: Aerodynamic forces, moments, their coefficients and derivatives of aircraft[S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[18]路波, 余立, 郭洪濤, 等. 高速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2014.

[19]蔣金楠. WCF全面解析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[20]MacDonald Matthew. WPF編程寶典——使用C#2012和.NET4.5[M]. 第4版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.

MacDonald M. Pro WPF in C# 2012: Windows presentation foundation in .NET 4.5[M]. 4th ed. Beijing: Tsinghua University Press, 2013

(編輯：李金勇)

General data processing system for multiple wind tunnels

Deng Xiaoman*, Fan Jinlei, Yu Li, Li Chunyan, He Fu

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In order to improve the standardization and efficiency of the wind tunnel test data system and improve the reliability and automation of data processing and analysis, a general test data processing system is established for multiple wind tunnels and a variety of test types. On the basis of standardized data processing methodology, processes, symbols and formats, the general system uses the service-oriented software architecture, heterogeneous data storage management, the user defined formula expansion based on dynamic compilation, and the visualized file format editing based on metadata and template. Key problems of the general system are solved, such as the system architecture, processing methods and process control, data flow and file output, etc. In the last three years, 71.2% of test data of 6 wind tunnels in the High Speed Institute of China Aerodynamics Research and Development Center were processed by the general system, covered test types including single and multiple balances forces and moments measurement, pressure measurement, venting measurement, mixed forces and pressure measurement, jet test and some special tests. With the characteristics of being universal, efficient, and open, the general system is a data processing and management solution that worth promoting.

wind tunnel test;data processing;data system;service oriented architecture;general

1672-9897(2017)04-0064-07

10.11729/syltlx20170051

2017-04-25;

2017-06-02

DengXM,FanJL,YuL,etal.Generaldataprocessingsystemformultiplewindtunnels.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 64-70. 鄧曉曼, 范金磊, 余 立, 等. 多風(fēng)洞共享的通用型試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 64-70.

TP274

A

鄧曉曼(1965-)，女，湖北武漢人，高級(jí)工程師。研究方向：風(fēng)洞測(cè)量與數(shù)據(jù)處理。通信地址：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所(621000)。E-mail：deng_shine@sina.cn

*通信作者 E-mail: deng_shine@sina.cn