飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)采集控制系統(tǒng)

陳 霞， 楊 宇， 杜振華， 趙 罡

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱飛機(jī)強(qiáng)度疲勞試驗(yàn))是飛機(jī)實(shí)際使用情況的再現(xiàn)，是獲得結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，查找結(jié)構(gòu)的薄弱部位和保證結(jié)構(gòu)完整性的重要技術(shù)保障手段[1-2]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，而飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損傷往往細(xì)小不易發(fā)覺(jué)，但會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成影響，導(dǎo)致飛行故障甚至造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，因此通過(guò)試驗(yàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷隱患、極易產(chǎn)生問(wèn)題區(qū)域，對(duì)飛機(jī)的整體性能和安全有著至關(guān)重要的作用。到目前為止，無(wú)損檢測(cè)依然是發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)損傷的重要手段，但是無(wú)損檢測(cè)有很大的局限性。這種方法存在實(shí)時(shí)性差、受人為因素影響大、漏檢率高、人力物力成本高、探測(cè)形狀和區(qū)域受限、僅能進(jìn)行事后檢測(cè)、不能主動(dòng)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring,SHM)技術(shù)是近幾年快速發(fā)展的在線損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)，SHM技術(shù)通過(guò)集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感器/驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的提取和損傷(包括人員不可達(dá)部位)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在線識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和故障，判定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康診斷，以確保結(jié)構(gòu)完整性和降低維護(hù)費(fèi)用。飛機(jī)強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)中的SHM，根據(jù)傳感器水平及監(jiān)測(cè)策略的不同需要采用不同的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如載荷監(jiān)測(cè)采用光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器技術(shù)，損傷監(jiān)測(cè)采用導(dǎo)波(Piezoelectric Transducer,PZT)傳感器技術(shù)和聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)傳感器技術(shù)。

全機(jī)疲勞試驗(yàn)中的SHM，由于監(jiān)測(cè)部位多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的傳感器種類(lèi)和數(shù)量也就非常多，通常一個(gè)試驗(yàn)需要多臺(tái)傳感器控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)施監(jiān)測(cè)。這種分散的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程運(yùn)用中會(huì)帶來(lái)以下幾個(gè)問(wèn)題：不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)采集的同步性很難保證；數(shù)據(jù)回收存儲(chǔ)困難；需要較多設(shè)備操作人員，監(jiān)測(cè)效率低下。目前國(guó)內(nèi)外的SHM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是針對(duì)某一類(lèi)型的傳感器技術(shù)。在國(guó)際上，航空領(lǐng)域運(yùn)用較為廣泛的預(yù)測(cè)與健康管理(Integrated Vehicle Health Management,PHM)、NASA制定并實(shí)施的飛行器綜合健康管理(Prognostics and Health Management,IVHM)都是側(cè)重于健康管理指導(dǎo)多學(xué)科交叉整合的系統(tǒng)，對(duì)最底層的多傳感器集成采集控制方面并沒(méi)有給出具體的解決方案[3-5]。國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)的最新SHM也是針對(duì)單一監(jiān)測(cè)手段。

本文實(shí)現(xiàn)的SHM集成采集控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的軟件架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種SHM傳感技術(shù)的集成采集控制。詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及達(dá)到的性能指標(biāo)，重點(diǎn)闡述了3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)、多任務(wù)技術(shù)、不同類(lèi)型子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)異構(gòu)處理技術(shù)。最后，本系統(tǒng)通過(guò)在某全機(jī)疲勞試驗(yàn)中的長(zhǎng)期運(yùn)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)達(dá)到了工程運(yùn)用的要求，最大化發(fā)揮了SHM的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

在全機(jī)疲勞試驗(yàn)中通常需要多臺(tái)傳感器控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)施監(jiān)測(cè)，每臺(tái)設(shè)備需要專人操作，各自獨(dú)立完成控制和數(shù)據(jù)采集處理，最后由各操作人員將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)中心，完成匯總。這種方式存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：在試驗(yàn)效率上，每臺(tái)控制系統(tǒng)需要一位操作人員，耗費(fèi)大量的人力；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在離散的設(shè)備終端，數(shù)據(jù)回收存儲(chǔ)困難；每臺(tái)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的時(shí)間不同步造成了數(shù)據(jù)時(shí)域的不同步，給多傳感器信息融合時(shí)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)引入了誤差；最后，不同類(lèi)型以及不同廠家的采集設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不利于多傳感器的信息融合且極大降低了數(shù)據(jù)傳輸及分析的效率。

針對(duì)以上問(wèn)題和需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的分布式、多線程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)集成采集控制系統(tǒng)。系統(tǒng)滿足以下設(shè)計(jì)指標(biāo)。

① 高同步快速響應(yīng)。每一臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都要做到同步快速響應(yīng)試驗(yàn)加載系統(tǒng)發(fā)出的采集指令，響應(yīng)時(shí)間<50 ms。

② 快速采集控制。在疲勞試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)過(guò)程中須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有數(shù)據(jù)的采集，一旦錯(cuò)過(guò)采集時(shí)間會(huì)造成數(shù)據(jù)無(wú)效，試驗(yàn)加載系統(tǒng)每次的測(cè)量等待時(shí)間為300～500 ms，所以每一臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從接收采集數(shù)據(jù)的指令到所有的數(shù)據(jù)采集結(jié)束的全程用時(shí)須<300 ms才能保證采集數(shù)據(jù)的有效性。

③ 易擴(kuò)展。隨著試驗(yàn)中損傷的增加，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的類(lèi)型和數(shù)量也隨之增加，這就要求系統(tǒng)能夠任意添加不同類(lèi)型的傳感器設(shè)備，可以添加的數(shù)量理論上不限(由運(yùn)行集成采集控制系統(tǒng)的設(shè)備性能決定)。

④ 高度集成。要求所有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都集成為一個(gè)整體，僅需極少的人員甚至一人操作即可，最大限度地節(jié)省了人力并提高生產(chǎn)效率。

本系統(tǒng)的難點(diǎn)在于需要同時(shí)滿足以上4個(gè)指標(biāo)。不僅要求采集系統(tǒng)響應(yīng)速度極快，能夠在系統(tǒng)要求時(shí)間內(nèi)捕捉采樣時(shí)機(jī)，迅速采集數(shù)據(jù)并及時(shí)處理、上傳存儲(chǔ)，而且需要系統(tǒng)具有極強(qiáng)的兼容性，能夠?qū)π再|(zhì)特征完全不同的傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)處理、傳輸、融合等，并且系統(tǒng)要高度集成化。綜合分析以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)基于高效的C++14標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，這種語(yǔ)言執(zhí)行效率非常高但是開(kāi)發(fā)難度較大。系統(tǒng)采用總-分的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)總的運(yùn)行在集成采集控制服務(wù)器上的主節(jié)點(diǎn)管理所有的傳感器子節(jié)點(diǎn)，每增加一個(gè)子系統(tǒng)只需要添加一個(gè)子節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都用一個(gè)獨(dú)立的子線程控制，達(dá)到高效率的響應(yīng)速度。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入數(shù)據(jù)隊(duì)列，然后以數(shù)據(jù)流的形式流入各處理終端，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理[6-10]。

系統(tǒng)運(yùn)行在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接傳感器設(shè)備及試驗(yàn)加載控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分，本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端，為客戶端提供實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，另外將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器作為數(shù)據(jù)備份，存儲(chǔ)的本地?cái)?shù)據(jù)定期通過(guò)云服務(wù)同步備份到數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。圖1描述了本系統(tǒng)的總-分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分布式、模塊化的特點(diǎn)，以及總節(jié)點(diǎn)(集成采集控制服務(wù)器)與子節(jié)點(diǎn)(傳感器子系統(tǒng))之間的交互關(guān)系。依據(jù)此框架，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)光柵光纖傳感器、壓電傳感器、聲發(fā)射傳感器的數(shù)據(jù)采集控制和對(duì)試驗(yàn)加載控制系統(tǒng)發(fā)出采集指令的快速響應(yīng)。本系統(tǒng)已在某飛機(jī)的全機(jī)疲勞試驗(yàn)中長(zhǎng)期使用，證明系統(tǒng)的擴(kuò)展功能、 整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)能力、子系統(tǒng)的同步性都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，極大提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和隱患發(fā)現(xiàn)的能力[11-14]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 子節(jié)點(diǎn)采集控制類(lèi)設(shè)計(jì)

在總-分的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，集成采集控制服務(wù)器相當(dāng)于根，每個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)掛在根上的葉子節(jié)點(diǎn)，每增加一個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，只需增加葉子節(jié)點(diǎn)即可。這樣設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了集成化高、易擴(kuò)展的設(shè)計(jì)要求。但是監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)種類(lèi)較多，且各傳感器具有不同的信號(hào)特點(diǎn)，子系統(tǒng)的控制方法也有很大區(qū)別?？偣?jié)點(diǎn)對(duì)不同監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行專向控制的同時(shí)需要解決兼容性的矛盾。

綜上所述，監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)具備以下性能：每個(gè)監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)以統(tǒng)一的輸入輸出接口與總節(jié)點(diǎn)對(duì)接，這樣不同的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以相同的形式掛在根節(jié)點(diǎn)上，解決兼容性；對(duì)不同類(lèi)型子系統(tǒng)的控制通過(guò)控制子節(jié)點(diǎn)內(nèi)部不同的專項(xiàng)控制接口實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了子節(jié)點(diǎn)采集控制類(lèi)CDeviceManager，控制每一臺(tái)傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，這是一個(gè)基類(lèi)，不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一種此基類(lèi)派生出的設(shè)備管理類(lèi)，基類(lèi)與派生類(lèi)的關(guān)系如圖2所示?？偣?jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)不同派生類(lèi)的實(shí)例化控制傳感器子系統(tǒng)。

圖2 傳感器類(lèi)CDeviceManager結(jié)構(gòu)圖

在基類(lèi)中實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)主要功能：① 本系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)交互都是基于TCP/IP服務(wù)協(xié)議的，在基類(lèi)中實(shí)現(xiàn)基本的TCP/IP連接及網(wǎng)絡(luò)層面的數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)；② 子節(jié)點(diǎn)與總節(jié)點(diǎn)信息交互的功能，即數(shù)據(jù)的輸入輸出，這些數(shù)據(jù)包括總節(jié)點(diǎn)發(fā)出的控制指令、子節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)流向數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)接口。對(duì)子系統(tǒng)的控制在派生類(lèi)中實(shí)現(xiàn)，CDeviceManager類(lèi)以虛函數(shù)的形式預(yù)留了子節(jié)點(diǎn)的控制接口，通過(guò)這個(gè)接口實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集控制，不同的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的控制接口的實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性強(qiáng)，可以隨意增加傳感器的數(shù)量和種類(lèi)，不需要對(duì)程序的主框架做任何改動(dòng)，只要在相應(yīng)的派生類(lèi)中修改控制接口就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型傳感器設(shè)備的控制，新增的設(shè)備如果對(duì)應(yīng)已實(shí)現(xiàn)的派生類(lèi)，只需新添一個(gè)對(duì)應(yīng)類(lèi)的對(duì)象。

本系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從CDeviceManager派生出光纖光柵管理類(lèi)(CFbgManager)、聲發(fā)射類(lèi)(CAEManager)、壓電類(lèi)(CPZTManager)，能夠在某飛機(jī)的結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)中穩(wěn)定高效地控制傳感器設(shè)備。例如，對(duì)光纖光柵設(shè)備的管理，系統(tǒng)首先對(duì)每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備管理類(lèi)(CDeviceManager)的實(shí)例，通過(guò)試驗(yàn)配置信息確定類(lèi)型后選擇要實(shí)例化的派生類(lèi)(CFbgManager)，系統(tǒng)就可以自動(dòng)調(diào)用與設(shè)備類(lèi)型匹配的輸入輸出接口對(duì)其進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。

2.2 多線程并行多任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，加載速度也在提高，在循環(huán)加載的過(guò)程中，每次循環(huán)會(huì)給定一個(gè)特定的時(shí)間段(300～500 ms)采集數(shù)據(jù)，此時(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)保持不變。如果各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是串行采集的方式，當(dāng)子系統(tǒng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)總采集時(shí)間就會(huì)超過(guò)試驗(yàn)采集時(shí)間，造成數(shù)據(jù)失效。并且，串行采集同步性差，在試驗(yàn)要求的采集時(shí)段內(nèi)，飛機(jī)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)并非絕對(duì)靜止的，各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同步性越高，數(shù)據(jù)的可靠性亦越高。所以本系統(tǒng)采用了多線程、并行多任務(wù)的結(jié)構(gòu)，確保不同設(shè)備之間的采集同步和采集效率的最優(yōu)化。圖3描述了多線程并行任務(wù)的工作原理。將本系統(tǒng)的任務(wù)線程分為4類(lèi)：① 主任務(wù)線程，對(duì)應(yīng)于主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)子節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建和任務(wù)發(fā)布；② 設(shè)備線程，對(duì)應(yīng)于子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)各監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集；③ 觸發(fā)線程，負(fù)責(zé)與試驗(yàn)加載控制系統(tǒng)交互獲取觸發(fā)采集信號(hào)；④ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送(遠(yuǎn)程客戶端)。

圖3 多線程結(jié)構(gòu)圖

在某飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)中，具體工作流程如下：① 主任務(wù)線程創(chuàng)建觸發(fā)線程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程，并根據(jù)采用的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)量和類(lèi)型創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的設(shè)備線程，一臺(tái)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備線程。② 觸發(fā)線程以高頻率(設(shè)計(jì)指標(biāo)為20 kHz)監(jiān)測(cè)加載試驗(yàn)控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到觸發(fā)信號(hào)為真時(shí)，觸發(fā)線程通知主線程開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。③ 主線程立即向所有的設(shè)備子線程發(fā)送采集數(shù)據(jù)的線程消息，設(shè)備子線程收到指令后采集數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器設(shè)備收到指令信號(hào)后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集操作，所有的設(shè)備子線程采集到的數(shù)據(jù)都?jí)喝胪粋€(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列。④ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子線程不斷從隊(duì)列中取數(shù)據(jù),按照2.3節(jié)描述的隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析后按照數(shù)據(jù)類(lèi)型和同步ID號(hào)(同步ID號(hào)用來(lái)標(biāo)識(shí)是第幾次的觸發(fā)數(shù)據(jù))將相同ID和相同類(lèi)型的數(shù)據(jù)合并后存儲(chǔ)并發(fā)送。

這種相互獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)也極大地改善了系統(tǒng)的容錯(cuò)性，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中即使個(gè)別監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)出錯(cuò)，也不會(huì)影響其余的設(shè)備運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理。

2.3 通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)械硬盤(pán)的I/O速度有限，如果設(shè)備線程兼數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理將會(huì)極大地降低數(shù)據(jù)采集的速度，并且數(shù)據(jù)處理的能力也很難升級(jí)。本系統(tǒng)采用存儲(chǔ)線程加全局?jǐn)?shù)據(jù)隊(duì)列的模式解決存儲(chǔ)速度與采集速度不匹配的問(wèn)題。新添數(shù)據(jù)處理的某個(gè)功能只需要更改數(shù)據(jù)處理模塊即可。飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)中的健康監(jiān)測(cè)通常用到2種以上的傳感器，不同傳感器數(shù)據(jù)類(lèi)型差異很大。例如，光纖光柵傳感器采集數(shù)據(jù)為光柵傳感器感應(yīng)到的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，壓電傳感器采集數(shù)據(jù)為壓電片的波形數(shù)據(jù)，聲發(fā)射傳感器采集數(shù)據(jù)為每個(gè)聲發(fā)射傳感器的波形數(shù)據(jù)以及根據(jù)波形數(shù)據(jù)解析出的20多種波形參數(shù)。所以數(shù)據(jù)在壓入同一各數(shù)據(jù)隊(duì)列時(shí)必須做標(biāo)準(zhǔn)化處理，解決數(shù)據(jù)異構(gòu)問(wèn)題。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)管理類(lèi)CDataDeque對(duì)不同的數(shù)據(jù)元打包成結(jié)構(gòu)相同的隊(duì)列元素。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，每個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)元素包括兩部分：數(shù)據(jù)頭和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)頭標(biāo)明數(shù)據(jù)的特征信息由試驗(yàn)信息頭和設(shè)備信息頭兩部分組成，試驗(yàn)信息頭包括時(shí)間和加載控制系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí)的試驗(yàn)載荷等信息，設(shè)備信息頭說(shuō)明數(shù)據(jù)來(lái)自哪個(gè)設(shè)備哪類(lèi)傳感器；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就是每個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)。每采集一次數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)CDataDeque的對(duì)象并壓入數(shù)據(jù)隊(duì)列，數(shù)據(jù)處理模塊取出數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)拆包，根據(jù)數(shù)據(jù)頭的信息解析數(shù)據(jù)元素并處理。例如將相同類(lèi)型的數(shù)據(jù)存為一個(gè)文件或者將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理等。

圖4 隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測(cè)試

利用該系統(tǒng)對(duì)某飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)采用2臺(tái)光纖光柵采集系統(tǒng)、2臺(tái)聲發(fā)射采集控制、1臺(tái)壓電掃描控制系統(tǒng)。圖5為健康監(jiān)測(cè)集成采集控制系統(tǒng)界面。圖6為此次試驗(yàn)選用的光纖光柵傳感器配置示例。經(jīng)系統(tǒng)同步性及響應(yīng)測(cè)試，對(duì)連續(xù)10000次觸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)論：從加載控制系統(tǒng)發(fā)出采集指令到全部子系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為20～40 ms，滿足<50 ms設(shè)計(jì)指標(biāo)；快速采集控制測(cè)試時(shí)，所有的子系統(tǒng)從收到采集指令到采集的數(shù)據(jù)全部壓入數(shù)據(jù)隊(duì)列花費(fèi)時(shí)間為130～200 ms，增加一臺(tái)光纖光柵采集系統(tǒng)和聲發(fā)射采集控制系統(tǒng)后再進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)采集時(shí)間從統(tǒng)計(jì)意義上沒(méi)有明顯增加，滿足<300 ms的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在相同載荷工況下，處于正常飛機(jī)結(jié)構(gòu)區(qū)域的FBG傳感器數(shù)據(jù)由于同區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)重復(fù)性非常好。壓電系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也能夠按照預(yù)定的采樣次數(shù)完整回收。

圖5 健康監(jiān)測(cè)集成采集控制系統(tǒng)界面

圖6 多類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示例

從測(cè)試結(jié)果可以看出，新型系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可對(duì)多個(gè)通道的多種傳感器進(jìn)行有效控制并收集數(shù)據(jù)、快速處理，從而獲取結(jié)果。在試驗(yàn)中，原先試驗(yàn)設(shè)備所不能達(dá)到的同步控制、信號(hào)融合等，新技術(shù)都能有效實(shí)現(xiàn)。新型系統(tǒng)的測(cè)試能力、反應(yīng)速度、處理能力、通信容量等都有很大的提高。

4 發(fā)展前景

現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)步很快，能有力地促進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備的升級(jí)和改進(jìn)。但是受試驗(yàn)場(chǎng)地、操作人員、試驗(yàn)方法的限制，又需要試驗(yàn)設(shè)備相對(duì)穩(wěn)定，從而確保試驗(yàn)的一致性、可對(duì)比性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。新型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用總線集成化、子節(jié)點(diǎn)和并行化設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)之間獨(dú)立性較高，沒(méi)有干擾耦合等問(wèn)題，易于獨(dú)立升級(jí)，能夠確保在系統(tǒng)總體和系統(tǒng)控制不變的條件下，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和子系統(tǒng)都能方便迅速地升級(jí)和更換，方便系統(tǒng)及時(shí)采用最新科技成果，極大提高了系統(tǒng)模塊化，并且具備易升級(jí)、易維修的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，系統(tǒng)很多關(guān)鍵功能由軟件實(shí)現(xiàn)，極大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。因此可以通過(guò)軟件升級(jí)，方便迅速地實(shí)現(xiàn)性能提升、調(diào)整等。同時(shí)分布式和并行設(shè)計(jì)等新型設(shè)計(jì)思路的應(yīng)用，使系統(tǒng)具備較大的冗余量，為以后的升級(jí)、改造留下了充足的兼容性和信號(hào)容量，其改進(jìn)和升級(jí)的空間很大，有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了健康監(jiān)測(cè)集成采集控制系統(tǒng)，并通過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)，結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠同時(shí)控制不同類(lèi)型的傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)在特定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)下同時(shí)控制數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存，傳感器系統(tǒng)快速響應(yīng)采集觸發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存效率高、出錯(cuò)率低，滿足設(shè)計(jì)要求。