石英加速度計測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計與應用

付紅坡，王曉東，苗風海

（北京航天控制儀器研究所，北京100000）

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，作為慣性測量裝置中關(guān)鍵敏感器件的石英加速度計的應用越來越廣泛，很多關(guān)鍵型號已經(jīng)進入了批產(chǎn)階段。在目前的石英加速度計生產(chǎn)過程中，各階段測試已經(jīng)實現(xiàn)完全自動化，但是各項測試數(shù)據(jù)分散管理，存在數(shù)據(jù)“孤島”現(xiàn)象。而且由于生產(chǎn)時間限制，對石英加速度計的精度和穩(wěn)定性不能進行長時間的準確評估。因此需要創(chuàng)新測試數(shù)據(jù)管理與分析的方法，滿足現(xiàn)代軍工高科技企業(yè)管理的需要[1]。

本文采用信息化手段設計一款測試數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)，可以實現(xiàn)石英加速度計測試數(shù)據(jù)的存儲與處理，更重要的是可以積累并有效地管理測試數(shù)據(jù)，最大限度地挖掘每項測試數(shù)據(jù)中的有效信息，提高儀表精度與穩(wěn)定性。通過硬件設置和軟件編程構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，已經(jīng)在2019年1月研究所事業(yè)部內(nèi)初步開始使用，對提高生產(chǎn)效率、充分利用數(shù)據(jù)、提升儀表可靠性具有很大的意義。

1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能模塊

1.1 石英加速度計測試數(shù)據(jù)處理現(xiàn)狀

在當前的測試數(shù)據(jù)管理過程中，是相關(guān)人員運用簡單的工具和方法進行測試數(shù)據(jù)的查詢篩選、分析應用、轉(zhuǎn)換導出等過程，具體如圖1所示。

圖1 石英加速度計數(shù)據(jù)處理及分析過程Fig.1 Quartz accelerometer data processing and analysis process

由于石英加速度計測試項目多、步驟復雜，測試數(shù)據(jù)具有格式不統(tǒng)一、參數(shù)多數(shù)據(jù)量大、隨機性等特點，因此當前的人為簡單的管理與分析數(shù)據(jù)會出現(xiàn)許多弊端，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換易出錯、數(shù)據(jù)利用率低等。

1.2 系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)石英加速度計測試數(shù)據(jù)的特點及實際中測試數(shù)據(jù)處理過程，所設計的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應具有以下功能：數(shù)據(jù)實時共享、自動導入導出、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應用、安全保密等，此系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

圖2 測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Module structure of test data management system

測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分為4 個模塊，即數(shù)據(jù)庫管理、測試數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理分析、測試數(shù)據(jù)應用。數(shù)據(jù)庫管理模塊，主要進行數(shù)據(jù)的導入導出、數(shù)據(jù)導入檢查、數(shù)據(jù)的狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和數(shù)據(jù)的查詢、篩選、導出；數(shù)據(jù)處理分析模塊利用數(shù)學手段主要進行數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)可視化與數(shù)據(jù)的相關(guān)計算；數(shù)據(jù)應用模塊，可以進行石英加速度計的質(zhì)量分類、性能參數(shù)變化預測、石英加速度計的長期穩(wěn)定性評估。所有模塊均集成于測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之中，以服務器為基礎在網(wǎng)站平臺上進行系統(tǒng)的使用。該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要功能如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要功能Fig.3 Main functions of the data management system

該測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要具備4 個功能，包括數(shù)據(jù)存儲能力：可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)的導入；數(shù)據(jù)管理能力：以測試數(shù)據(jù)為支撐，以數(shù)據(jù)管理、共享為核心，為生產(chǎn)測試提供高效的數(shù)據(jù)整合與管理工具，幫助工藝人員進行數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理；數(shù)據(jù)分析能力：從海量測試數(shù)據(jù)中挖掘數(shù)據(jù)價值，讓數(shù)據(jù)分析與生產(chǎn)測試相結(jié)合，將有價值的數(shù)據(jù)應用于儀表質(zhì)量的提升；數(shù)據(jù)應用能力：將測試數(shù)據(jù)進行可視化、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等對加速度計進行質(zhì)量分類，穩(wěn)定性預測評估等。

2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫為基礎，用python 與PHP 構(gòu)建服務器端程序，通過html+css+jquery 構(gòu)建Web Services 層程序來實現(xiàn)圖2所示各模塊功能的。

2.1 數(shù)據(jù)導入導出技術(shù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)的特點，設計數(shù)據(jù)導入導出過程如圖4所示，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)語法轉(zhuǎn)換和標準數(shù)據(jù)導入導出3 個過程。其中數(shù)據(jù)格式和語法轉(zhuǎn)換器用GDL 編寫，導入接口與自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，導出接口為USB 接口[2]。

圖4 測試數(shù)據(jù)導入導出設計Fig.4 Design of test data import and export

2.2 數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術(shù)

數(shù)據(jù)庫的設計分為3 個步驟：分別為數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設計、邏輯結(jié)構(gòu)設計、物理結(jié)構(gòu)設計。在基本的數(shù)據(jù)庫設計的基礎上，進行數(shù)據(jù)庫優(yōu)化，讓使用人員可以進行數(shù)據(jù)查找和組織、增加數(shù)據(jù)校驗的規(guī)則和條件，完成數(shù)據(jù)修改、錄入、查看、刪除、上傳、下載等操作。而且可以生成“相關(guān)數(shù)據(jù)”查找，可以方便快速地查看和當前數(shù)據(jù)具有關(guān)聯(lián)其它數(shù)據(jù)信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析與應用研究

數(shù)據(jù)處理分析與應用模塊是利用python 對大量測試數(shù)據(jù)進行挖掘分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱含的、對石英加速度計生產(chǎn)及使用有價值的規(guī)律。有4 個部分：

穩(wěn)定性分析進行數(shù)值特征統(tǒng)計量計算和數(shù)據(jù)的可視化，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征和數(shù)據(jù)的變化圖形分析數(shù)據(jù)變化情況、穩(wěn)定程度；

回歸分析利用python 建立模型研究變量之間相互關(guān)系的密切程度。分析石英加速度計重要性能參數(shù)（零偏K0、標度因數(shù)K1、二次項系數(shù)K2等）與過程中某些測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性，得到影響加速度計性能參數(shù)的過程參數(shù)，為減小測試誤差，提高儀表精度提供數(shù)據(jù)支持[3]；

質(zhì)量分類利用決策樹方法進行石英加速度計的質(zhì)量分類。ID3 算法是典型的決策樹學習算法，采用ID3 算法將各項測試數(shù)據(jù)作為測試屬性，來進行加速度計的質(zhì)量劃分，得到對應不同條件要求的加速度計；

參數(shù)預測將神經(jīng)網(wǎng)絡模型作為石英加速度計參數(shù)時間序列的預測模型，將長期變化的K0、K1值看成隨機時間序列，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡對K0、K1的長期變化進行預測，為加速度計性能參數(shù)長期變化穩(wěn)定性水平評價提供手段[4]。

在此模塊使用人員可以靈活地挑選不同的數(shù)據(jù)記錄、不同的數(shù)學公式和不同的數(shù)學模型進行相關(guān)計算和繪圖操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效分析和最大化利用，可以實現(xiàn)對石英加速度計的穩(wěn)定性評判、相關(guān)性分析、質(zhì)量分類和長期穩(wěn)定性能評估。

3 實例驗證

在某一型號的50 只石英加速度計的測試數(shù)據(jù)處理中，利用本數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，全部過程只用了30 min。進行數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)處理篩選、數(shù)據(jù)導出、數(shù)據(jù)分析，具體系統(tǒng)功能界面如圖5～圖7所示。相比于之前的一到兩天，時間大大縮短，即保證了測試數(shù)據(jù)的完整性、正確性，又實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)最大化挖掘利用。

圖5 數(shù)據(jù)的導入導出界面Fig.5 Interface of data import and export

圖6 數(shù)據(jù)的管理界面Fig.6 Interface of data management

圖7 數(shù)據(jù)分析界面Fig.7 Interface of data analysis

4 結(jié)語

本文針對實際中石英加速度計測試數(shù)據(jù)處理過程存在的問題，設計了一個測試數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)挖掘分析相結(jié)合的測試數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)，使得今后的石英加速度計測試數(shù)據(jù)的管理具有系統(tǒng)性、安全性、高效性和靈活性。不但對于今后石英加速度計的生產(chǎn)測試效率的提高具有重大意義，而且為加速度計的質(zhì)量評估、長期穩(wěn)定性水平預測提供有效的手段，還可以為型號產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的提升提供了充分的技術(shù)支持。