航空飛行試驗(yàn)工程大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析

韓成杰

（中航西飛試飛站，陜西 西安 710089）

1 項(xiàng)目大數(shù)據(jù)的特征

航空飛行試驗(yàn)工程系統(tǒng)復(fù)雜，其涉及的部門(mén)之廣，涉及的過(guò)程之復(fù)雜，涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)之多都是可數(shù)的。此外，因?yàn)轱w機(jī)系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以系統(tǒng)在試驗(yàn)時(shí)其周期都比較長(zhǎng)并且還較難控制風(fēng)險(xiǎn)，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的事故率經(jīng)常降不下來(lái)，也就時(shí)常引發(fā)機(jī)毀人亡的事故。另外，系統(tǒng)研發(fā)的耗資巨大，正常要占達(dá)產(chǎn)品總研制投資的50%以上。研究所獲得的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的特征是非常典型的大數(shù)據(jù)所擁有的特征[1]。

另外，除了大數(shù)據(jù)所具有的4V特征以外，其還具備著以下特征：

（1）精確性要求高。必須真實(shí)、精確、完整、可靠。

（2）非結(jié)構(gòu)化。復(fù)雜性，97%的無(wú)法結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，難以分析處理。

航空素來(lái)有“工業(yè)之花”的美譽(yù)，與之相關(guān)的裝備在試驗(yàn)時(shí)的復(fù)雜程度決定了其試飛數(shù)據(jù)的復(fù)雜。其對(duì)應(yīng)的試飛數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的機(jī)器、各系統(tǒng)間的綜合狀態(tài)都包含了各種各樣極其復(fù)雜且多變的、在真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)下的環(huán)境條件因素，并且其中還包含了工程科技和各種狀態(tài)糾纏下的復(fù)雜邏輯交互，可想而知其復(fù)雜程度。

如下圖，為此項(xiàng)相應(yīng)大數(shù)據(jù)寓性特征。

圖1 試飛工程大數(shù)據(jù)的屬性特征

本項(xiàng)目中的大數(shù)據(jù)和其他行業(yè)中的大數(shù)據(jù)一樣，越來(lái)越復(fù)雜的因素和逐漸擴(kuò)大的行業(yè)規(guī)模都給與之對(duì)應(yīng)的管理工作和處理工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，不斷發(fā)展的航空裝備對(duì)本項(xiàng)大數(shù)據(jù)的管理以及應(yīng)用方面的廣度和深度，對(duì)于其處理效率以及功能方面的全面以及多樣等都提出了巨大的要求。本文在此分析了此類(lèi)大數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與近年來(lái)我國(guó)在這一項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐以及工作管理中所取得的相關(guān)研究成果相互結(jié)合，并且深入分析本項(xiàng)行業(yè)技術(shù)所能夠發(fā)展的未來(lái)方向，進(jìn)而針對(duì)性的對(duì)此項(xiàng)管理以及應(yīng)用提出若干建議。

2 飛行試驗(yàn)工程的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目所形成的數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象以及試驗(yàn)工程全過(guò)程進(jìn)行涵蓋所形成的。

下圖是本項(xiàng)目試驗(yàn)中，各項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)所形成的管理結(jié)構(gòu)模型。

航空產(chǎn)品的生命周期應(yīng)當(dāng)包括設(shè)計(jì)的制造、設(shè)計(jì)的試驗(yàn)以及保障4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 航空飛行試驗(yàn)工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

本類(lèi)工程大數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)，可以從以下方面進(jìn)行：

2.1 結(jié)合傳統(tǒng)以及現(xiàn)代數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的設(shè)計(jì)思想

以前的數(shù)據(jù)庫(kù)所要解決的是業(yè)務(wù)之間自動(dòng)化模塊的處理問(wèn)題，目的是為了有效實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目之間能夠進(jìn)行聯(lián)機(jī)處理，而現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)所要解決的卻是遺留下來(lái)的歷史數(shù)據(jù)中的工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總體業(yè)務(wù)的有效決策。因此，本類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理不僅要滿(mǎn)足其下所有型號(hào)在試驗(yàn)后產(chǎn)生數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行有效處理，并且還要對(duì)相關(guān)試驗(yàn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀上的積累以及管理，以此來(lái)滿(mǎn)足工程在試驗(yàn)時(shí)的分析需要以及在試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行回查時(shí)的需要。

對(duì)于一種型號(hào)的航空器來(lái)說(shuō)，其在進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)往往都會(huì)進(jìn)行幾千架次的試驗(yàn)，而每一次所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息都幾乎會(huì)超過(guò)或者接近1TB，而且這些數(shù)據(jù)一般都不會(huì)被刪除掉，而是會(huì)緊緊伴隨著航空器的生命周期一直存在，項(xiàng)目的數(shù)據(jù)在進(jìn)行管理時(shí)不僅要滿(mǎn)足持續(xù)試飛時(shí)數(shù)據(jù)在處理時(shí)的需要，還會(huì)伴隨著試飛任務(wù)的不斷進(jìn)行而深入展開(kāi)，不斷的進(jìn)行抽取，通過(guò)提煉歷史綜信來(lái)滿(mǎn)足試飛工程時(shí)的決策分析，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)符合數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的特點(diǎn)，如集成、時(shí)變以及穩(wěn)定等，并且還應(yīng)當(dāng)兼顧試飛時(shí)的業(yè)務(wù)需求以及航空科研時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的需要。

2.2 通過(guò)建立元數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足本類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要

元數(shù)據(jù)是一種提供信息資源或者關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，它是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也是一種信息資源的結(jié)構(gòu)化描述。其為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中心庫(kù)，是我們組織、維管此類(lèi)應(yīng)用模型的基礎(chǔ)紐帶。

故，要針對(duì)此類(lèi)工程的數(shù)據(jù)信息之特點(diǎn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)有機(jī)地關(guān)聯(lián)、聚合起繁雜資訊，從而形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。

2.3 航空大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)

本項(xiàng)技術(shù)，是一種借助圖形化手段，來(lái)，明晰地傳達(dá)關(guān)聯(lián)航空裝備運(yùn)行狀態(tài)的諸多信息技術(shù)，其代表為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。比如：于飛行器的設(shè)計(jì)階段早期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)數(shù)字樣機(jī)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的可視化，借助更直觀的方式將項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的理解真正提升。

其他類(lèi)似技術(shù)還包括，基于裝備損傷數(shù)據(jù)的相關(guān)三維建模。如加拿大的NGRAIN公司開(kāi)發(fā)出數(shù)字化解決工具，可允許對(duì)應(yīng)地勤人員現(xiàn)場(chǎng)能實(shí)時(shí)收集戰(zhàn)斗機(jī)之損傷數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的建模，大大降低了工作人員主觀誤判的程度，有效地把戰(zhàn)斗機(jī)的修復(fù)效率提高，此項(xiàng)技術(shù)今已應(yīng)用于美軍戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目。

2.4 圍繞試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)一體化的本項(xiàng)大數(shù)據(jù)管理模型

每一次不同型號(hào)的試飛試驗(yàn)都是相關(guān)產(chǎn)品在研制過(guò)程中的延續(xù)，并且在試飛時(shí)各業(yè)務(wù)流程之間相互緊扣并帶有技術(shù)復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此應(yīng)進(jìn)行對(duì)接。

其一體化主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、制造等方面進(jìn)行一體化處理，然后建立相關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)接口，并維護(hù)所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的完整性以及一致性之間的關(guān)聯(lián)，從而對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)和完善提供助力并進(jìn)行最后的運(yùn)維；其二是涵蓋本工程的全過(guò)程一體化，自項(xiàng)目規(guī)劃開(kāi)始，到具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行及其保障和相應(yīng)總結(jié)。

“十三五”期間，我國(guó)將全面的啟動(dòng)實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的重大專(zhuān)項(xiàng)提升，同時(shí)包括C 919、C 929大飛機(jī)在內(nèi)的大量航空此項(xiàng)科研項(xiàng)目也將進(jìn)入關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。亟待大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠保駕護(hù)航上述項(xiàng)目的實(shí)施。通過(guò)以大數(shù)據(jù)為其研究資源和技術(shù)，繼而大力提升我航空領(lǐng)域的信息化支撐水平，該類(lèi)技術(shù)將會(huì)在航空工程領(lǐng)域獲得更進(jìn)一步的探索、應(yīng)用。

3 航空飛行試驗(yàn)工程大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用思考

3.1 基于SOA的試飛工程大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

本項(xiàng)內(nèi)容復(fù)雜，其共性特征未能掩蓋不同的領(lǐng)域，和諸多行業(yè)內(nèi)此項(xiàng)之物理與其邏輯應(yīng)用特性，亦更顯個(gè)中的復(fù)雜。

此一大數(shù)據(jù)既規(guī)模大，也具極強(qiáng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，故而必須涵蓋項(xiàng)目全過(guò)程，從而妥善解決項(xiàng)目的完整性建模管理分析、與整合共享。

圖為相應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)。

飛行試驗(yàn)工程的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)是一種基礎(chǔ)架構(gòu)，它是單位在試飛全過(guò)程中對(duì)大數(shù)據(jù)信息的完整性以及可靠性進(jìn)行管理和維護(hù)的一種架構(gòu)，同時(shí)也是本工程各項(xiàng)業(yè)務(wù)在工作開(kāi)展中的平臺(tái)架構(gòu)，以及實(shí)際工程管理應(yīng)用中的一個(gè)一體化平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全面高效管理、應(yīng)用數(shù)據(jù)信息。

在邏輯方面，數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)層，同時(shí)也為每一類(lèi)大數(shù)據(jù)匹配與其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)，而且還會(huì)以試驗(yàn)對(duì)象為連接點(diǎn)進(jìn)行互相關(guān)聯(lián)；項(xiàng)目的服務(wù)層一般會(huì)由面向服務(wù)的中間插件進(jìn)行組成集合，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工程的管理和應(yīng)用的服務(wù)，亦包括系統(tǒng)級(jí)別的應(yīng)服組件，例如項(xiàng)目中的異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理以及存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)中所包含的業(yè)務(wù)調(diào)度等相關(guān)的服務(wù)模塊，并通過(guò)面向服務(wù)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用的管理等；頂層一般都是面向用戶(hù)的接口層，可以通過(guò)B/S等接口模式來(lái)有效實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)于試驗(yàn)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

而此項(xiàng)大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系、飛其元數(shù)據(jù)之間的接口的標(biāo)準(zhǔn)，是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)以及進(jìn)行工程維護(hù)時(shí)的大數(shù)據(jù)完整性以及可靠性的重要支撐和紐帶，其貫穿于這項(xiàng)工程大數(shù)據(jù)管理的各個(gè)方面[2]。

3.2 航空飛行試驗(yàn)工程大數(shù)據(jù)的一體化采集以及系統(tǒng)化的管理

通過(guò)下圖能夠有效的看出本項(xiàng)大數(shù)據(jù)是通過(guò)較少的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非常多的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組合而成的一個(gè)有機(jī)整體。下圖為本工程全生命周期，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程概要示意。

此類(lèi)相應(yīng)系統(tǒng)涉及幾乎全部的工業(yè)專(zhuān)業(yè)，任何專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)和本項(xiàng)工程整體相同，都需經(jīng)過(guò)這5個(gè)過(guò)程。本項(xiàng)數(shù)據(jù)相互之間縱橫交錯(cuò)，無(wú)論從哪個(gè)角度進(jìn)行分析，都需要進(jìn)行系統(tǒng)性的管理以及一體化的采集，這樣才能有效的保證所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整且全面，而這種方式也是基于應(yīng)用的生命周期的tdm類(lèi)型技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

此外，隨著分析數(shù)據(jù)量增多以及航空裝備本就存在的系統(tǒng)耦合性，難以利用單純的統(tǒng)計(jì)分析方法準(zhǔn)確描述此類(lèi)裝備的狀態(tài)變化，而以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)無(wú)需依賴(lài)復(fù)雜系統(tǒng)之內(nèi)部邏輯關(guān)系的表達(dá)，對(duì)于該種裝備中復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)故障之耦合非線性狀況抗干擾能力較強(qiáng)，在此項(xiàng)目分析技術(shù)中起重要的作用[3]。

3.3 通過(guò)專(zhuān)業(yè)需求作為牽引的數(shù)據(jù)處理和挖掘

這種大數(shù)據(jù)一般都是一種非?？茖W(xué)的系統(tǒng)性工程，其能夠充分反映出系統(tǒng)工程、飛機(jī)系統(tǒng)各專(zhuān)業(yè)之間的特征性數(shù)據(jù)，因此該類(lèi)大數(shù)據(jù)是真實(shí)且科學(xué)的，同時(shí)也是研究?jī)r(jià)值較大的。

3.3.1 對(duì)本項(xiàng)實(shí)施數(shù)據(jù)處理挖掘進(jìn)而提高試飛綜合效能

數(shù)據(jù)在進(jìn)行挖掘時(shí)就是一種另類(lèi)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，其一般是通過(guò)現(xiàn)代的數(shù)學(xué)方法以及數(shù)學(xué)原理并結(jié)合先進(jìn)的信息技術(shù)進(jìn)而提煉出原理與對(duì)應(yīng)的模型等[4]。

3.3.2 探索解決飛行器工程中科學(xué)難題的實(shí)用專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)挖掘

而且，傳統(tǒng)基于故障物理模型、抑或?qū)＜抑R(shí)庫(kù)的預(yù)故方法，由于依賴(lài)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和工程系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系描述，其對(duì)飛行器復(fù)雜系統(tǒng)里普存的高維度、涌現(xiàn)性還有非線性情況難以有效的進(jìn)行處理[5]。

而此類(lèi)數(shù)據(jù)資源的日益豐富，以及再次興起的機(jī)器學(xué)習(xí)，則為解決這些問(wèn)題開(kāi)創(chuàng)了一條新的思路——基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的飛行器的系統(tǒng)級(jí)故障預(yù)測(cè)，即在系統(tǒng)、子系統(tǒng)、零部件、人為影響因素、相關(guān)的使用環(huán)境等方面產(chǎn)生的多維、海量數(shù)據(jù)之基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)以及統(tǒng)計(jì)手段，對(duì)故障樣本庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練，于歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)工程系統(tǒng)復(fù)雜故障現(xiàn)象的演變趨勢(shì)，立足客觀數(shù)據(jù)的角度，而非傳統(tǒng)故障機(jī)理或經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的角度，推測(cè)航行系統(tǒng)在未來(lái)某段時(shí)間內(nèi)的故障類(lèi)型，從而實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)的對(duì)口故障預(yù)測(cè)[6]。

本類(lèi)大數(shù)據(jù)中，非結(jié)構(gòu)化測(cè)試的大數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析及處理，其所得的數(shù)據(jù)結(jié)果一般是以時(shí)間為過(guò)程并進(jìn)行同步軸的參數(shù)歷程數(shù)據(jù)，可以極為真實(shí)的反映出項(xiàng)目試飛員以及此類(lèi)飛機(jī)系統(tǒng)在整體上的運(yùn)行特征[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)飛行試驗(yàn)業(yè)務(wù)與其數(shù)據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合多年來(lái)在此項(xiàng)中，管理與應(yīng)用方面的一系列業(yè)務(wù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考業(yè)內(nèi)模型，將該類(lèi)大數(shù)據(jù)之標(biāo)準(zhǔn)體系作為項(xiàng)目基礎(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)涵蓋試飛工程的全過(guò)程，及去業(yè)務(wù)流程的數(shù)據(jù)質(zhì)控，并以一體化的運(yùn)管應(yīng)用為工程平臺(tái)，較為完整和全面的建設(shè)、形成了一套此類(lèi)大數(shù)據(jù)的高效運(yùn)維治理技術(shù)體系，為航空科研新階段的“大數(shù)據(jù)科研新時(shí)代范式”，奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)體系基礎(chǔ)。