風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車(chē)技術(shù)研究中心，上海 201201)

風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車(chē)技術(shù)研究中心，上海 201201)

針對(duì)國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)體量大、種類(lèi)多、高時(shí)效、更新快等特點(diǎn)，引入了矩陣存儲(chǔ)模式替代了原有的分層存儲(chǔ)模式對(duì)現(xiàn)有風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新劃分與歸類(lèi)，優(yōu)化了數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。仔細(xì)分析該平臺(tái)在存儲(chǔ)規(guī)模、管理規(guī)范及使用功能等方面的需求后，擬選擇IBMx366型或同等級(jí)別的工作站及配套設(shè)備作為硬件基礎(chǔ)，同時(shí)明確了該平臺(tái)的面向?qū)ο?、使用?guī)范及管理辦法。該平臺(tái)所含寫(xiě)入/查詢/更新等常規(guī)功能采用Labview8.6軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及SQL語(yǔ)句腳本實(shí)現(xiàn)。該數(shù)據(jù)管理平臺(tái)已具備了一定實(shí)際功能，基本滿足對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的需求。

風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)據(jù)庫(kù)；SQL語(yǔ)言；Labview8.6平臺(tái)

0 引言

風(fēng)洞試驗(yàn)是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的重要手段，通過(guò)試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)是分析飛機(jī)氣動(dòng)性能、操穩(wěn)特性的主要依據(jù)。作為重要資料及成果，風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)采用合理的體系及高效的工具對(duì)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理[1]。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的研發(fā)機(jī)構(gòu)早已啟用了大型的數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，而國(guó)內(nèi)多數(shù)科研單位大多是以數(shù)據(jù)文件的形式個(gè)別存放，僅少部分引入了相對(duì)完整的管理機(jī)制。單獨(dú)存放會(huì)使數(shù)據(jù)之間缺乏邏輯聯(lián)系，無(wú)法反應(yīng)型號(hào)研制各階段氣動(dòng)設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程；缺乏統(tǒng)一歸口管理也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的歸檔、查詢工作的不便；對(duì)于部分重要的涉密試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還存在丟失，泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

本項(xiàng)研究來(lái)源于國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)研發(fā)單位某項(xiàng)基礎(chǔ)能力建設(shè)項(xiàng)目課題，其目的是借助高性能的硬件設(shè)備及恰當(dāng)?shù)能浖绦騽?chuàng)建一個(gè)兼具可靠性和實(shí)用性的中小型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)據(jù)平臺(tái)”) ，用來(lái)存儲(chǔ)具有一定規(guī)模的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)入庫(kù)、查詢進(jìn)行規(guī)范的管理。

本文從該數(shù)據(jù)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、需求分析、服務(wù)器硬件選型、管理機(jī)制及功能實(shí)現(xiàn)方法等多個(gè)方面論述了該數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念、過(guò)程及結(jié)果。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體定義及結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)平臺(tái)從結(jié)構(gòu)上可分為兩部分，即 “集成服務(wù)器(主端)”以及 “個(gè)人服務(wù)器(終端)”。

“數(shù)據(jù)平臺(tái)”的總體結(jié)構(gòu)及其劃分如圖1所示。集成服務(wù)器主要由一定規(guī)模的處理器和存儲(chǔ)空間構(gòu)成，其作用為存儲(chǔ)并備份大量的數(shù)據(jù)文件。個(gè)人服務(wù)器即搭載了操作系統(tǒng)的個(gè)人電腦或小型工作站，技術(shù)人員可通過(guò)其實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)及其他相關(guān)操作。集成服務(wù)器與衛(wèi)星服務(wù)器之間通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行轉(zhuǎn)接。

圖1 “數(shù)據(jù)平臺(tái)”總體結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)分類(lèi)

圖2 分層存儲(chǔ)模式

風(fēng)洞試驗(yàn)可按型號(hào)、階段、方法進(jìn)行類(lèi)別劃分，不同種類(lèi)的風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件在大小、格式、內(nèi)容上也均有所不同。對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有效地梳理和劃分可增強(qiáng)其邏輯關(guān)系，節(jié)省存儲(chǔ)空間，有利于“數(shù)據(jù)平臺(tái)”的整體運(yùn)行。

數(shù)據(jù)文件的分類(lèi)存儲(chǔ)一般可采用如圖2所示的“分層模式”與如圖3所示的“矩陣模式”。

圖3 矩陣存儲(chǔ)模式

“分層模式”是目前較常用的分類(lèi)存儲(chǔ)辦法，主要通過(guò)逐步分層劃分存儲(chǔ)空間，并以“路徑”的形式確定文件的存儲(chǔ)位置。該模式適用于數(shù)據(jù)文件數(shù)量較少，且數(shù)據(jù)之間邏輯關(guān)系較弱的情況，但在對(duì)體量較大的數(shù)據(jù)文件管理時(shí)效率較低。

“矩陣模式”主要通過(guò)同時(shí)定義數(shù)據(jù)文件在不同維度劃分存儲(chǔ)框架，并以“節(jié)點(diǎn)”的形式確定文件的存儲(chǔ)位置，更有利于進(jìn)行文件的快速定位并建立邏輯關(guān)系。

2 需求分析

2.1 存儲(chǔ)規(guī)模需求

該“數(shù)據(jù)平臺(tái)”的存儲(chǔ)空間需完全覆蓋現(xiàn)有數(shù)據(jù)文件存量及未來(lái)15年內(nèi)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)文件增量。截止2016年為止，風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的存量已達(dá)數(shù)百“千兆”量級(jí)；通過(guò)對(duì)當(dāng)前型號(hào)研發(fā)需求及后續(xù)型號(hào)發(fā)展規(guī)劃分析后預(yù)計(jì)，到2030年，數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)總量將數(shù)倍于當(dāng)前。同時(shí)為了確保數(shù)據(jù)的安全，應(yīng)預(yù)留數(shù)據(jù)文件熱備份所需的存儲(chǔ)空間。

綜合以上因素，該“數(shù)據(jù)平臺(tái)”存儲(chǔ)規(guī)模應(yīng)不小于2千“千兆”(約2TB)。

2.2 面向?qū)ο笮枨?/h3>

該“數(shù)據(jù)平臺(tái)”面向?qū)ο笾饕譃椤笆褂糜脩簟迸c“管理用戶”。前者主要為負(fù)責(zé)發(fā)布數(shù)據(jù)文件的技術(shù)人員和需要查閱分析數(shù)據(jù)的技術(shù)人員；后者主要為專(zhuān)業(yè)主管、部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)、型號(hào)(副)總師等，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的有效性和權(quán)威性進(jìn)行各級(jí)審核。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前潛在使用用戶人數(shù)約為30余人，管理用戶人數(shù)約為10人，合計(jì)約50人。

2.3 功能需求

為了提高風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用效率，該平臺(tái)應(yīng)具備數(shù)據(jù)錄入、分類(lèi)、查詢、下載及更新等功能。同時(shí)，為了規(guī)范試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理，該平臺(tái)應(yīng)同時(shí)兼具數(shù)據(jù)有效性審查、使用記錄留存等功能，用于相關(guān)專(zhuān)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)使用情況的跟蹤及備份。

3 硬件設(shè)備選擇

為了滿足2.1中所述存儲(chǔ)規(guī)模需求，應(yīng)合理選用硬件設(shè)備作為數(shù)據(jù)平臺(tái)的重要載體。數(shù)據(jù)平臺(tái)的硬件設(shè)備主要包括：處理器(CPU)、電源系統(tǒng)、內(nèi)存、硬盤(pán)、外存儲(chǔ)器及機(jī)架等。選擇硬件設(shè)備時(shí)主要應(yīng)遵循以下原則。

3.1 高性能原則

高性能原則是指所選擇的服務(wù)器硬件設(shè)備不僅能高速高效地處理數(shù)據(jù)上傳、下載、更新等要求，而且能夠滿足持續(xù)的存量增長(zhǎng)及新功能開(kāi)發(fā)。服務(wù)器設(shè)備的性能一般以Tpmc值進(jìn)行衡量[2]，即：

式中：v為峰值處理能力(次/分)；a為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)事物數(shù)；k為基準(zhǔn)TPC對(duì)應(yīng)指標(biāo)；e為偏差經(jīng)驗(yàn)值；η為處理能力冗余系數(shù)。

在充分考慮對(duì)存儲(chǔ)規(guī)模及多線程操作的要求，該服務(wù)器的Tpmc值范圍約為10 000，屬基礎(chǔ)水平。

3.2 可靠性原則

服務(wù)器的可靠性主要包括內(nèi)部報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、打印系統(tǒng)等。在必要時(shí)應(yīng)具備冗余技術(shù)，同時(shí)像硬盤(pán)、網(wǎng)卡、內(nèi)存、電源此類(lèi)設(shè)備要以穩(wěn)定耐用為止，防止重要數(shù)據(jù)因上述設(shè)備故障導(dǎo)致?lián)p失。

3.3 可擴(kuò)展性原則

服務(wù)器的可擴(kuò)展性即確保其應(yīng)能夠在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)其自身的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)，如：CPU型號(hào)升級(jí)、內(nèi)存擴(kuò)大、硬盤(pán)擴(kuò)大、更換網(wǎng)卡、增加終端數(shù)目、掛接硬盤(pán)陣列都需要服務(wù)器在整體上具有一個(gè)良好的可擴(kuò)充余地。采用DAS、NAS或SAN等實(shí)現(xiàn)技術(shù)可顯著提高可擴(kuò)展性。

4 數(shù)據(jù)入庫(kù)/查詢流程

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和權(quán)威性，并保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)添加和使用符合科研單位的規(guī)定，應(yīng)制定合理的管理機(jī)制，作為該數(shù)據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)則。

圖4(a)，4(b)分別規(guī)劃了數(shù)據(jù)入庫(kù)和數(shù)據(jù)下載的規(guī)范流程。

(a) 數(shù)據(jù)入庫(kù)流程 (b) 數(shù)據(jù)查詢流程 圖4 數(shù)據(jù)入庫(kù)和下載規(guī)范流程

數(shù)據(jù)入庫(kù)流程由主要試驗(yàn)負(fù)責(zé)人發(fā)起。上傳數(shù)據(jù)前應(yīng)保證試驗(yàn)單位提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確完整，格式統(tǒng)一，并填寫(xiě)“入庫(kù)信息表”中時(shí)間、地點(diǎn)、參與人員、有效車(chē)次等主要內(nèi)容。經(jīng)專(zhuān)業(yè)主管審核后存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在目錄中予以添加。

數(shù)據(jù)查詢流程主要由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員發(fā)起。在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到試驗(yàn)名稱(chēng)，提交查詢需求并通過(guò)專(zhuān)業(yè)主管后可訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)查詢。

5 系統(tǒng)主要程序

5.1 數(shù)據(jù)接口創(chuàng)建

根據(jù)該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，使用者通過(guò)終端與數(shù)據(jù)庫(kù)連接時(shí)應(yīng)先建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接口，才能進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)更新等操作[4]。

在WINDOWS環(huán)境下，操作端與數(shù)據(jù)庫(kù)終端的接口一般采用控件ActiveX創(chuàng)建。本數(shù)據(jù)平臺(tái)的接口將采用Labview8.6軟件自帶的ADO(ActiveX Data Objects)接口模塊進(jìn)行創(chuàng)建。

建立該數(shù)據(jù)接口如圖5所示，其具體步驟為：①建立連接節(jié)點(diǎn)；②打開(kāi)連接節(jié)點(diǎn)并定義數(shù)據(jù)(組)名稱(chēng)；③讀取SQL語(yǔ)句執(zhí)行腳本；④關(guān)閉連接節(jié)點(diǎn)；⑤注銷(xiāo)連接節(jié)點(diǎn)。

圖5 接口建立

5.2 主要執(zhí)行腳本

5.2.1 數(shù)據(jù)上傳

當(dāng)需要上傳一定數(shù)量的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件時(shí)，可通過(guò)以下SQL腳本在數(shù)據(jù)庫(kù)中新建對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)位置，并將這些數(shù)據(jù)文件依次存儲(chǔ)。

上述SQL執(zhí)行腳本首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)文件對(duì)象“WindtunnelTest1”，并規(guī)定了其數(shù)據(jù)文件的各個(gè)字段的大小和性質(zhì)。然后在本地定位需上傳的數(shù)據(jù)文件后實(shí)現(xiàn)批量上傳。

5.2.2 數(shù)據(jù)查詢

當(dāng)根據(jù)一定條件對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中的某項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時(shí)，可采用select語(yǔ)句。如希望查詢某風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件中迎角α=10°，β=5°的升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)Cd，可采用以下SQL腳本執(zhí)行。

上述SQL執(zhí)行腳本首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中指定名稱(chēng)為“windtunneltest1”的數(shù)據(jù)文件，然后指定升力系數(shù)CL與阻力系數(shù)Cd作為查詢對(duì)象變量，并將條件值(即α=10,β=5)賦予該些變量。運(yùn)行后即可獲得該數(shù)據(jù)文件中與查詢條件匹配的結(jié)果。

5.2.3 數(shù)據(jù)更新

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的數(shù)據(jù)需要被新數(shù)據(jù)替換時(shí)，可以使用update(更新語(yǔ)句)。如將某數(shù)據(jù)文件中升降舵偏度δe為5°車(chē)次的俯仰力矩系數(shù)Cm修正+0.2，可采用以下SQL腳本執(zhí)行。

與“5.2.2數(shù)據(jù)查詢”類(lèi)似，上述腳本首先指定了需要更新的文件“windtunneltest1”，再指定升降舵偏度字段作為變更依據(jù)變量，然后指定俯仰力矩系數(shù)字段“Cm”作為變更對(duì)象變量，并按條件(修正量+0.2)對(duì)變量進(jìn)行重新賦值。同時(shí)，將字段名稱(chēng)“Cm”變更為“Cm1”，用于說(shuō)明該列數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)修正。

6 結(jié)論

通過(guò)配置合適的硬件設(shè)備，制定規(guī)范的管理機(jī)制以及各種SQL功能語(yǔ)句腳本建立了一套民用飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。該平臺(tái)總體上滿足數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存規(guī)模和操作功能的需求，可以在一定程度上規(guī)范數(shù)據(jù)管理，提高數(shù)據(jù)使用效率。

[1] 段丕軒，彭長(zhǎng)英，晉榮超. 低速風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[J]. 體力學(xué)試驗(yàn)與測(cè)量, 2003,17(4):92-95.

[2] 徐培鏇. 淺談數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的選型[J]. 科技信息, 2012,(21):58-58.

[3] 易偉建，何慶鋒，肖巖. 工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2006,33(2): 22-25.

[4] 楊毅秋，曾國(guó)保，李說(shuō). 軌道交通標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)及研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2013,30(6):88-91.

[5] 劉靈霞，秦蕊，彭仁強(qiáng). 基于Oracle平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究, 2012,(B12):48-51.

Design and Research of Wind Tunnel Test Data System

(Pan Asia Automotive Technical Center, Shanghai 201201, China)

According to the characteristics of wind tunnel test data, such as large quantity, different variety and updating frequency, matrix saving mode is used to replace traditional layer saving mode to re-classify current wind tunnel test data. Thus, such document structure of data is optimized. After analyzing the requirement of saving scale, managing criterion and function needs, it is suggested to select IBMx336 or equivalent hard-server as key hardware. Client, users’ guide and managing discipline are illuminated at same time. Function such as writing, searching and updating is realized by Labview 8.6 programming and SQL language script. Practicability of such system is validated and it really can help to meet the need of wind tunnel test data management in the relevant research.

wind tunnel test; database; SQL language;Labview8.6 programming system

V211.74

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.012

陳功男，碩士，工程師。主要研究方向：空氣動(dòng)力學(xué)；E-mial: gong2-chen@patac.com