航天器熱試驗查詢統(tǒng)計系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

航天器熱試驗查詢統(tǒng)計系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭鵬，廖韜，梁碩，王擎宇

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

針對航天器真空熱試驗數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)利用率不高的特點，提出了一種基于數(shù)據(jù)庫的試驗數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計方法方法，以改善現(xiàn)有的以文件系統(tǒng)為主的數(shù)據(jù)存儲模式；通過對試驗數(shù)據(jù)格式的分析和現(xiàn)有工作流程的優(yōu)化，將試驗數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、試驗管理、策略管理和統(tǒng)計分析等4個大的功能模塊，利用過濾算法自動生成試驗工況點信息，并通過試驗工況點自動生成單次試驗的統(tǒng)計報告，進而實現(xiàn)對所有試驗數(shù)據(jù)的綜合查詢統(tǒng)計功能；目前系統(tǒng)已應用于航天器熱試驗任務中，經過測試，系統(tǒng)功能和性能指標滿足試驗需求，解決了實際問題。

真空熱試驗;數(shù)據(jù)庫;數(shù)字化技術;UML建模

0 引言

在航天器及其部組件研制過程中，真空熱試驗是地面試驗中驗證產品可靠性的重要試驗項目之一，是提高航天器在軌運行可靠性的一種有效、必要的手段[1]。其主要目的是通過模擬太空的溫度、真空度、外熱流等環(huán)境來驗證航天器設計的合理性，考核各系統(tǒng)的性能，以及暴露航天器制造工藝、材料、結構等方面的缺陷，盡可能在地面發(fā)現(xiàn)問題，從而提高航天器在軌運行的可靠性。采集和模擬衛(wèi)星的溫度和外熱流就是熱試驗測控系統(tǒng)的主要工作,主要包括溫度測量和外熱流模擬兩部分。試驗測控系統(tǒng)的中心是試驗測試網絡，數(shù)采儀器、電源、計算機等測試設備通過測試網絡級聯(lián)在一起，可以實現(xiàn)采集溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)等功能，計算機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過算法驅動相關設備，實現(xiàn)對航天器施加外熱流的模擬與調節(jié)。

在航天器真空熱試驗的試驗過程中，產生了大量的試驗數(shù)據(jù)，包括溫度、電流電壓等重要的試驗數(shù)據(jù)，而目前大量數(shù)據(jù)多以文本形式存儲，對數(shù)據(jù)進行挖掘和分析統(tǒng)計比較困難。本課題旨在開發(fā)一套試驗數(shù)據(jù)管理分析軟件，將現(xiàn)有熱試驗數(shù)據(jù)轉存到數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫基礎上進行數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)總體設計

現(xiàn)有的以文件系統(tǒng)為主的數(shù)據(jù)存儲模式，是很難對試驗數(shù)據(jù)進行高效的利用的。因此，系統(tǒng)將采用數(shù)據(jù)庫來存儲配置信息和試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)以單次試驗為單位存儲在數(shù)據(jù)庫的相應數(shù)據(jù)表中，每次試驗的數(shù)據(jù)包括儀器設備信息、試驗信息、參數(shù)配置信息以及試驗過程數(shù)據(jù)等基礎數(shù)據(jù)。

為了對歷史數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析，還需要對這些基礎的歷史數(shù)據(jù)進行一些處理。比如需要對試驗的溫度數(shù)據(jù)進行工況點的自動判讀。工況點判讀是對單次航天器熱試驗過程時間節(jié)點的最基礎描述，通過工況點判讀可以得到試驗的時間分段信息、變化速率、平衡保持時間、工況轉換時間等關鍵參數(shù)，進而才能對多次試驗進行綜合的統(tǒng)計分析。

系統(tǒng)最核心的功能是對歷史試驗數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計，通過工況點判讀功能對每一次試驗數(shù)據(jù)進行了規(guī)范化，進而可以實現(xiàn)在多個試驗數(shù)據(jù)之間進行對比分析。由于分析統(tǒng)計的需求很多，而且不同的人員可能有不同的查詢統(tǒng)計需求，因此系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計功能應該設計的較為靈活。系統(tǒng)采用兩種方式進行查詢統(tǒng)計，一種是常規(guī)查詢統(tǒng)計，列出一些最常用的查詢統(tǒng)計的條件，進行多條件組合查詢；另外一沖方式是通過策略定制的方式進行查詢統(tǒng)計。用戶將特殊的查詢統(tǒng)計需求提交給系統(tǒng)管理員，系統(tǒng)管理員通過策略定制的功能將用戶的特殊查詢需求通過SQL查詢語句的形式存儲到數(shù)據(jù)庫的策略定制表中，用戶便可以通過該條策略進行特殊的查詢統(tǒng)計，同時，該條策略也將保存在數(shù)據(jù)庫中，可供其他用戶重復使用。

為了方便多個用戶使用，系統(tǒng)采用B/S架構，即客戶端/服務器的模式，用戶只需要通過網頁的形式訪問系統(tǒng)服務器網站即可使用系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計功能。系統(tǒng)總體架構采用分層結構設計，如圖1所示，分為三層。包括：

1)數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，負責試驗數(shù)據(jù)的存儲。根據(jù)熱試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，系統(tǒng)采用動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫表的方式。系統(tǒng)采用ADODB作為存取數(shù)據(jù)庫的中間組件。數(shù)據(jù)庫分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和試驗數(shù)據(jù)庫兩部分。其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存儲用戶、日志、數(shù)據(jù)庫表信息等，試驗數(shù)據(jù)庫主要存儲試驗溫度，電流電壓等數(shù)據(jù)信息；

2)業(yè)務邏輯層：業(yè)務邏輯層是熱試驗數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計系統(tǒng)應用邏輯處理的核心，是系統(tǒng)具體業(yè)務操作的實現(xiàn)。主要分為4個大的業(yè)務模塊，分別是系統(tǒng)管理模塊、試驗管理模塊、策略管理模塊和統(tǒng)計分析模塊。另外業(yè)務邏輯層還包含數(shù)據(jù)訪問組件、通訊組件、圖表可視化組件及報表生成組件等服務組件，以支持業(yè)務功能模塊和數(shù)據(jù)庫及設備之間的數(shù)據(jù)交互；

3) 界面層：系統(tǒng)利用Eclipse開發(fā)環(huán)境以及JAVA語言，結合JavaScript腳本語言，依托真空熱試驗測控系統(tǒng)優(yōu)化后的流程，結合現(xiàn)有操作習慣進行設計，提供簡單可用的人機交互接口，將系統(tǒng)功能展現(xiàn)在用戶面前。

圖1 系統(tǒng)體系架構圖

2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，建立一系列數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表要具有可擴展性，可以自定義字段屬性，支持動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，這樣在后期的使用過程中一旦需要對數(shù)據(jù)項進行擴展，只需要在系統(tǒng)前端修改即可，不需要對底層代碼和數(shù)據(jù)庫結構進行修改。創(chuàng)建試驗數(shù)據(jù)庫功能是系統(tǒng)的核心功能之一，能夠建立一系列數(shù)據(jù)表存儲試驗數(shù)據(jù)信息，如試驗基本信息表、測點信息表、回路信息表、溫度數(shù)據(jù)表、電流電壓數(shù)據(jù)表、工況數(shù)據(jù)表、真空度數(shù)據(jù)表、熱沉溫度數(shù)據(jù)表、污染數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計策略信息表等。由于溫度測量點和加熱回路數(shù)量每次試驗都不盡相同，而且差別較大，以建立2 000個測點的溫度歷史數(shù)據(jù)表為例，設計數(shù)據(jù)庫必須考慮到數(shù)據(jù)庫存取速度以及龐大數(shù)據(jù)的處理速度問題。

按照通常的數(shù)據(jù)庫表設計方法，設計出的溫度歷史數(shù)據(jù)表結構如表1所示。

表1 一般的數(shù)據(jù)表結構

按照這樣的存儲方式，每個測量周期需要向數(shù)據(jù)庫表中插入約2 000條記錄，這個測量周期一般不超過1分鐘，那么一天就需要存儲超過288萬條數(shù)據(jù)，按試驗十天計算，就需要存儲超過2 880萬條記錄，這樣龐大的數(shù)據(jù)量，其檢索效率是相當?shù)偷?。而且，如果溫度當前值信息表也采用這種傳統(tǒng)的設計方法，雖然每分鐘要清空上次的記錄，但是，按照上述方式循環(huán)插入2 000條記錄大概需要5秒鐘的時間，這顯然是不能滿足系統(tǒng)要求的。

因此，本系統(tǒng)采用了改進的數(shù)據(jù)存儲方法，設計出的溫度歷史數(shù)據(jù)表結構如表2所示。

表2 改進的數(shù)據(jù)表結構

把2 000個測點的數(shù)據(jù)橫排，這樣每個測量周期只需要存儲一條記錄，因此存取速度明顯加快，存儲的數(shù)據(jù)行明顯減少，檢索速度也大大提高。因為不同的熱試驗，測點數(shù)量都不盡相同，而且溫度數(shù)據(jù)表的列數(shù)也達到了2 000行，以靜態(tài)方式建立該數(shù)據(jù)表顯然并不現(xiàn)實，所以就需要在數(shù)據(jù)庫管理子模塊中動態(tài)建立相應的數(shù)據(jù)表。溫度數(shù)據(jù)表結構如表3所示。

表3 溫度數(shù)據(jù)表

因為不同的試驗測點數(shù)量n都不盡相同，而且溫度數(shù)據(jù)表的列數(shù)如果過多的話，依靠手動靜態(tài)建立該表顯然并不現(xiàn)實，所以就需要在程序中動態(tài)建立溫度數(shù)據(jù)表。關鍵技術難點在于一個建表字符串，該字符串由循環(huán)產生，包含的是靜態(tài)建表示各個數(shù)據(jù)項的建立格式，也就是說，動態(tài)循環(huán)生成靜態(tài)的建表語句，在應用程序中執(zhí)行該語句動態(tài)建立數(shù)據(jù)表?？紤]到一個數(shù)據(jù)表的最大列長度限制和存儲效率，本方案采用分表機制，即當測點數(shù)量大于988時，就需要建立第二個表，結構與第一個相同，測點代號連續(xù)。第二個表測點序號最多到1 976，基本能滿足2 000點的測量要求。如果測點數(shù)量大于1 976，則還可以建立第三個表，最多可以再增加988個測點，以此類推。

數(shù)據(jù)庫表結構及各數(shù)據(jù)表之間的關系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫表結構及各數(shù)據(jù)表之間的關系

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 系統(tǒng)功能概述

系統(tǒng)的核心功能是對歷史試驗數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計，例如統(tǒng)計近100次試驗所有熱平衡工況的平衡溫度、對應的熱真空循環(huán)的拉偏溫度、各工況的極限溫度等。要實現(xiàn)以上統(tǒng)計分析功能，第一，要建立相應的數(shù)據(jù)庫，存儲歷史試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)等信息；第二，需要對歷次試驗過程的工況轉換時間點進行劃分，這是對試驗過程進行數(shù)據(jù)分析的一個關鍵功能。有了以上兩個基礎功能，就可以展開對試驗數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計了，而且分析統(tǒng)計功能支持策略自定義，可以隨時擴展。

3.2 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)具有后臺管理的功能，可以進行增刪用戶、用戶權限分配等用戶管理操作；可以對試驗基本信息進行管理，包括增加、修改、刪除試驗基本信息等功能；系統(tǒng)同時還具備查詢策略管理功能，如新建策略、修改策略信息和刪除策略信息等。系統(tǒng)通過后臺系統(tǒng)管理功能對系統(tǒng)基本信息進行維護和更新。后臺數(shù)據(jù)庫管理功能流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)還需要具備對試驗儀器設備等硬件資源的管理功能，測控系統(tǒng)硬件資源主要分為測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，有數(shù)采儀器、電源、電纜、插頭等，系統(tǒng)需要對這些設備的最新狀態(tài)進行記錄，包括維修狀態(tài)、保養(yǎng)狀態(tài)、使用狀態(tài)和計量狀態(tài)等。記錄結果存儲在數(shù)據(jù)庫中相應的記錄表中。試驗人員和系統(tǒng)管理員可以對當前資源進行實時的查看，設備資源信息發(fā)生變動時，系統(tǒng)管理員或其委派的設備管理員需要及時更新設備信息。在接到試驗任務后，系統(tǒng)管理員需要查看當前設備資源是否滿足試驗需求，如果不滿足，需要進行及時調配，即從別的地方調用設備到本地，進行入庫登記。必須保證硬件資源信息的完整性和正確性，因為系統(tǒng)的自動配置功能需要自動調取設備資源信息進行配置，如果資源信息有誤，則會直接導致配置結果產生錯誤。E-R圖即實體關系圖，可以很好地表達實體和屬性之間的關系，是數(shù)據(jù)庫設計的依據(jù)。硬件資源和各數(shù)據(jù)表之間的關系E-R圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)管理功能流程圖

圖4 資源管理模塊數(shù)據(jù)E-R圖

3.3 工況時間點判讀功能

確定工況時間轉換節(jié)點是對試驗歷史數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計的先決條件，由于試驗數(shù)據(jù)量大，單純依靠人工手動判斷時間點的模式效率比較低下。因此工況時間點的自動判讀功能就成為了該系統(tǒng)的核心功能之一。該功能實現(xiàn)了對試驗工況時間節(jié)點的自動判讀，也就是可以定義出試驗中所有熱平衡工況和熱真空循環(huán)的開始、結束時間。通過工況點判讀可以得到試驗的時間分段信息、變化速率、平衡保持時間、工況轉換時間等關鍵參數(shù)，進而才能對多次試驗進行綜合的統(tǒng)計分析。該功能是實現(xiàn)其它數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的前提和關鍵。

實現(xiàn)的方法主要是通過試驗工況轉換時，對若干特征監(jiān)測點的溫度變化進行分析計算，通過特征值過濾算法對發(fā)生明顯溫度變化的若干特征監(jiān)測點的時間進行工況轉換時間點的劃分。自動劃分的結果通過圖形的形式直觀展現(xiàn)，并能夠通過人工方式對劃分結果進行修正。

工況時間點判讀功能流程圖如圖5所示。

圖5 工況時間點判讀功能流程圖

3.4 查詢統(tǒng)計功能

為便于用戶對歷史數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計，系統(tǒng)具備靈活的查詢統(tǒng)計功能。主要分為兩種方式，第一種方式是普通多條件組合查詢，通過對常用的檢索條件如試驗名稱、地點、時間、衛(wèi)星平臺、試驗設備、循環(huán)次數(shù)、溫度極值等多個條件組合查詢，可以查詢單詞或多次基本的試驗歷史數(shù)據(jù)信息，這也是最常用到的功能；另外一種方式是策略查詢功能。此處的策略是指統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)所采用的數(shù)據(jù)庫檢索條件。例如“最近100次熱平衡試驗的最高溫度”就是一條策略。系統(tǒng)最初自帶一些定義好的策略，供查詢統(tǒng)計使用，后期系統(tǒng)具有自定義策略的功能，即可以在使用過程中不斷擴展對數(shù)據(jù)的挖掘功能。數(shù)據(jù)庫中已經實現(xiàn)對所有試驗基礎數(shù)據(jù)的存儲，利用數(shù)據(jù)庫檢索功能，將策略定義成一個多條件查詢數(shù)據(jù)庫的字符串，也就是一條SQL查詢語句，將該字符串存儲到策略數(shù)據(jù)庫表中，系統(tǒng)通過調用策略字符串實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能。使用策略表的好處是系統(tǒng)的統(tǒng)計查詢功能可以根據(jù)需要不斷擴展，靈活性高。

同時，系統(tǒng)具有對查詢統(tǒng)計分析的結果導出成報表的功能；系統(tǒng)具有記錄上一次某策略統(tǒng)計結果的功能，包括統(tǒng)計數(shù)據(jù)、耗用時間、統(tǒng)計時間等。由于某些對大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計查詢耗時較長，而有些結果不需要頻繁統(tǒng)計，所以將統(tǒng)計結果保存下來，方便后續(xù)查詢工作。在進行統(tǒng)計查詢時，程序自動記錄開始和結束時間，并保存到數(shù)據(jù)庫中該條統(tǒng)計策略信息中，這樣下一次在進行該條策略統(tǒng)計時，就可以查看上一次的統(tǒng)計時間作為參考。

4 實驗結果與分析

系統(tǒng)采用B/S結構，利用Eclipse開發(fā)環(huán)境以及JAVA語言結合JavaScript腳本語言進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫。服務器端配置：Windows XP sp3，IE8.0以上， CPU i5以上性能，8 G以上內存，1 T以上硬盤?？蛻舳伺渲茫篧indows XP sp3，IE8.0以上， CPU i5以上性能，4 G以上內存。

由于篇幅所限，文章僅就系統(tǒng)其中一個核心功能即工況點自動判讀功能進行說明。試驗操作人員在確定試驗數(shù)據(jù)導入完畢后，進入工況點自動判讀列表頁面。系統(tǒng)根據(jù)測量通道信息自動選擇若干特征測點作為工況自動判讀的參考點，點擊“生成工況點”按鈕，系統(tǒng)即可根據(jù)相應的算法及參數(shù)自動生成試驗全過程工況點。操作人員還可以通過修改合適的溫度閾值、測點閾值以及特征測點編號，對程序自動生成的關鍵時間節(jié)點的時間或備注信息進行調整和修改。自動生成關鍵工況時間節(jié)點后，操作人員不僅可以在列表頁面進行瀏覽和修改，同樣可以利用可視化技術，在圖形展示頁面進行工況關鍵時間節(jié)點的瀏覽和調整。圖形展示頁面可以更加直觀地展示試驗過程中關鍵溫度點的溫度變化情況，以及查看自動生成的工況關鍵時間節(jié)點是否準確。

系統(tǒng)開發(fā)完成后對系統(tǒng)功能及性能進行了一系列測試。系統(tǒng)功能測試采用黑盒測試，首先制定系統(tǒng)測試用例，指導測試工作的開展，測試用例選擇全面有效，能夠覆蓋所有的軟件功能及性能測試。根據(jù)系統(tǒng)設計說明共編制了5大塊100余項測試用例。通過功能測試對系統(tǒng)進行了一系列的修改，最終通過全部功能測試，系統(tǒng)功能滿足需求。在進行完系統(tǒng)功能測試后還進行了系統(tǒng)性能測試，共錄入數(shù)據(jù)庫約600余次衛(wèi)星試驗數(shù)據(jù)，多名測試人員同時對系統(tǒng)進行性能測試，測試結果如表4所示，系統(tǒng)性能測試結果良好。

表4 性能測試報告

5 結束語

本項目針對航天器熱試驗過程數(shù)據(jù)，建立了高效的數(shù)據(jù)庫存儲機制，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術實現(xiàn)了對歷史試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、對歷史試驗數(shù)據(jù)的關鍵時間節(jié)點進行自動判讀、試驗數(shù)據(jù)可視化展示以及數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計，從而為熱試驗過程關鍵數(shù)據(jù)分析提供支撐與依據(jù)。經過測試，系統(tǒng)各功能運行效果良好，提高了現(xiàn)有工作的效率，對于保證航天器熱試驗的順利進行以及對熱試驗數(shù)據(jù)進行挖掘分析有著積極的意義。

[1] 劉 暢, 王奕榮. 真空熱試驗測控軟件系統(tǒng)架構設計[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(3): 324-327.

[2] 連衛(wèi)民,等. 基于Web工程數(shù)據(jù)庫的SQL語言系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計,2006,27(18)：3424-3428.

[3] 黃本誠, 馬有禮. 航天器空間環(huán)境試驗技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2002.

DesignandRealizationofInquiryandStatisticsSystemforSpacecraftThermalTest

Guo Peng，Liao Tao，Liang Shuo，Wang Qingyu

(Beijing Institute of Spacecraft Environment and Engineering, Beijing 100094, China)

In order to solve the problem of large amount of data and low utilization rate of spacecraft vacuum thermal test. A test data query and statistics method based on database is proposed to improve the existing data storage model based on file system. Through the analysis of the experimental data format and the optimization of the existing workflow, the test data inquiry system is divided into four big function modules, such as system management, test management, tactic management and statistic analysis. The test time point information is automatically generated by using the filtering algorithm, and the statistical reports of the single test are generated automatically through the test time point, so as to realize the comprehensive inquiry and statistical function of all the test data. At present, the system has been applied to the spacecraft thermal test mission. After testing, the system functions and performance indicators meet the test requirements, and the system can solve practical problems.

vacuum thermal test; database; digital technology; UML modeling

2017-06-09；

2017-07-17。

郭 鵬(1980-)，男，河南人，工程師，碩士，主要從事航天器熱試驗溫度測量與控制方向的研究。

1671-4598(2017)11-0245-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.075

TP242

A