數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在航空發(fā)動機(jī)試驗管理中的應(yīng)用

0 引言

隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，基于VXI、LXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括現(xiàn)代智能化精密儀器儀表壓力掃描閥等已被廣泛應(yīng)用于各發(fā)動機(jī)車臺試驗，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時鐘同步及精度等問題已基本滿足測試要求，可以說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)跨越了從人工讀數(shù)到自動測試、人機(jī)交互實時監(jiān)視的里程碑

。隨著航空發(fā)動機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)試驗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)提出了越來越高的要求，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。王晶等人研究了以多線程并發(fā)設(shè)計思想提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體性能

。而高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集不僅要考慮數(shù)據(jù)源的物理性質(zhì)、數(shù)據(jù)處理性能，還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的管理。

許多專家學(xué)者都認(rèn)為從定性到定量綜合集成方法是系統(tǒng)學(xué)討論班最大的成果，這是中國人智慧和原始創(chuàng)新。我們認(rèn)為還有一個重大的成果，就是系統(tǒng)學(xué)討論班培養(yǎng)了一批研究復(fù)雜系統(tǒng)工程的人才，這批人在各個領(lǐng)域及各類復(fù)雜系統(tǒng)工程研究和實踐中發(fā)揮了重要作用，繼承和發(fā)展并廣泛實踐了錢學(xué)森系統(tǒng)思想、理論、方法等。

民用航空發(fā)動機(jī)試驗具有試驗科目多、涉及專業(yè)多、測點通道多、精度和實時性要求高，單次試驗連續(xù)運轉(zhuǎn)時間長、數(shù)據(jù)量大等特點。目前普遍存在試驗頻度高、配置量大、時間緊等現(xiàn)象；且試驗后技術(shù)人員分析處理數(shù)據(jù)難度大，較難從中提取本專業(yè)所需數(shù)據(jù)信息；試驗流程、定位故障記錄模糊等問題。因此，如何更加高效的管理航空發(fā)動機(jī)試驗數(shù)據(jù)的研究十分必要。

結(jié)合航空發(fā)動機(jī)試驗全生命周期管理特征，在試驗準(zhǔn)備、試驗過程、試驗結(jié)束階段，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理職責(zé)分別體現(xiàn)在試驗參數(shù)的配置管理、試驗過程管理及試驗數(shù)據(jù)記錄管理三個方面，本文也將針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在這三方面的應(yīng)用方法進(jìn)行探討。

這里不得不提及明末官員的一套重要讀物——崇禎年間南京金陵書坊刊刻的《重刻合并官常政要全書》,該書為叢書匯編，共收錄文獻(xiàn)29部，總計50卷。曲長海對所收文獻(xiàn)分為五類：一為官箴類(狹義)，主要以為官之道與行政經(jīng)驗為主要內(nèi)容，如《呂氏官箴》《初仕要覽》《牧民政要》等；二為文告、套語，為官吏書寫公文提供模板或范文，如《四六合律判語》《律條告示活套》等；三是法律的解釋與應(yīng)用類，有《重修問刑條例題稿》《法家裒集》《問刑條例》；“四是法醫(yī)類，在刑事案件中為官員提供技術(shù)指導(dǎo)，有《洗冤錄》《無冤錄》《平冤錄》；最后是禮儀類，指導(dǎo)在不同場合實施適宜的禮儀規(guī)范，如《新官到任儀注》《官員品級考》”[4]。

1 試驗參數(shù)配置管理研究

1.1 試驗參數(shù)配置管理的特征

在發(fā)動機(jī)研制階段，同系列不同型號試驗件，甚至是同一試驗件改裝后反復(fù)上下臺，亦或同一系列發(fā)動機(jī)因試驗科目不同更換試驗臺開展試驗迭代驗證的情況常有發(fā)生。而民用航空發(fā)動機(jī)溫度、壓力等常規(guī)測點少則千點，如果每一次都針對不同的試驗次從頭開始進(jìn)行通道配置，那將是一個非常龐大的工作量。對于同一次上臺僅試驗次間的更改，如在原有配置下不斷的更新修訂，存在試驗數(shù)據(jù)的溯源性差、人為管理易疏漏等缺點。

被驚醒的李青海發(fā)現(xiàn)，多年來聚斂的不義之財就像套在他脖子上的繩索，收縮得越來越緊，勒得他喘不過氣來。李青海接受審查調(diào)查后坦承，面對越來越多的錢，不僅沒有高興和滿足感，反而隨著時間推移越來越害怕。

民用航空發(fā)動機(jī)對連續(xù)運轉(zhuǎn)時長有著嚴(yán)苛的要求，如壓氣機(jī)性能錄取試驗會連續(xù)運轉(zhuǎn)四小時以上，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會進(jìn)行持續(xù)完整的記錄。由于測點多、試驗科目多、涉及專業(yè)多等特點，如在同一文件中完成整個上臺試驗期間的試驗數(shù)據(jù)管理，對各專業(yè)提取所需通道進(jìn)行數(shù)據(jù)分析帶來較大困難，且同時存在著存儲傳輸過程慢、記錄文件應(yīng)用形式針對性不強等特點。

1.2 試驗參數(shù)配置管理設(shè)計

應(yīng)用分層級索引的概念對試驗配置進(jìn)行管理，可有效解決上述問題。分層索引旨在低維度中處理更高維度數(shù)據(jù)，應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗配置管理中，則主要利用其父節(jié)點與子節(jié)點的結(jié)構(gòu)，多個子節(jié)點共用繼承同一父節(jié)點上所有的通道，每次只需要進(jìn)行不同子節(jié)點間有差異的配置，則會大大減少配置的工作量，管理更加清晰高效。

試驗數(shù)據(jù)記錄方面，提出五種記錄方法以使用不同場景：

注意到，與文獻(xiàn)[24]中的3WLS算法相比，本文式(21)中增加了對θ1中x、y估計值的利用，因此，本文算法的定位精度更高.式(21)的加權(quán)最小二乘解為

2 試驗過程管理研究

2.1 試驗過程管理的特征

試驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集，不僅僅是試驗參數(shù)數(shù)據(jù)，也包括試驗操作指令。

針對操作指令的記錄，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)操作界面開發(fā)一個輸入文本的小窗口，將操作指令及實際工況發(fā)生信息錄入并存儲在數(shù)據(jù)庫中，從而試驗后即可獲取帶有時間戳的試驗流程信息。操作指令的管理可依據(jù)試驗工藝步驟進(jìn)行標(biāo)注劃分，如是啟動期間產(chǎn)生的，還是性能錄取間產(chǎn)生的，或是性能優(yōu)化試驗期間產(chǎn)生的。將試驗數(shù)據(jù)的記錄與工藝流程的記錄統(tǒng)一化管理，試驗后即可導(dǎo)出當(dāng)日試驗日志。

②操作指令。試驗中每條操作指令的下達(dá)與執(zhí)行都關(guān)系著試驗件及臺架的運行安全，試驗日志的記錄也被要求更為精準(zhǔn)。目前較常用的方法是，人工記錄試驗過程，查閱繁瑣，很難附帶試驗數(shù)據(jù)信息且記錄準(zhǔn)確度低，存在費時、費力等缺點。尤其在關(guān)鍵工序的執(zhí)行與試驗現(xiàn)場信號報警的記錄，事件發(fā)生時間無法直接估量。

2.2 試驗過程管理設(shè)計

⑤系統(tǒng)事件記錄。系統(tǒng)事件文件不但記錄了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動過程中的事件信息（如各測試子系統(tǒng)是否已連接初始化成功等），且包含試驗過程中通道報警、試驗日志啟停、計算程序變更等事件信息，記錄了試驗全過程的觸發(fā)事件。

①數(shù)據(jù)顯示。試驗過程中的數(shù)據(jù)主要通過界面顯示傳遞給試驗和設(shè)計人員。顯示的數(shù)據(jù)，通常為典型的一些性能計算通道，必要時結(jié)合圖形曲線顯示。對于稍有繁復(fù)的公式多采用試驗后處理的形式，試驗?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)微小的變化也需要試驗后進(jìn)行確認(rèn)分析。

3 試驗數(shù)據(jù)記錄管理研究

3.1 試驗數(shù)據(jù)記錄管理的特征

在針對導(dǎo)致城市污染的各種問題進(jìn)行分析的時候，會發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致城市出現(xiàn)污染的各個原因大不相同。其中通過對實際情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)最嚴(yán)重的問題之一就是汽車的尾氣排放。在當(dāng)前人們的日常生活質(zhì)量和水平不斷提升，私家車的數(shù)量也在不斷增加，這樣就會導(dǎo)致石油的整個消耗量越來越大。汽車在日常行駛過程中，難免會出現(xiàn)嚴(yán)重的尾氣排放，尾氣的增多，勢必會直接導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭受到嚴(yán)重的污染影響。

3.2 試驗數(shù)據(jù)記錄管理設(shè)計

試驗次管理方面，基于上文中提到的試驗管理配置具有唯一標(biāo)識的基礎(chǔ)上，針對同一上臺次的不同試驗日的試驗，采取試驗次管理唯一標(biāo)識策略，即根據(jù)當(dāng)日試驗工藝內(nèi)容，新建當(dāng)次試驗名稱，并在試驗結(jié)束時，對當(dāng)日試驗進(jìn)行描述備注加以對不同試驗次內(nèi)容的區(qū)分，利于試驗科目的追溯。

針對目前各型號發(fā)動機(jī)試驗參數(shù)特征進(jìn)行分析，主要包括試驗件測試參數(shù)、試驗件性能計算參數(shù)以及試驗臺參數(shù)。對于不同型號或是同一型號不同上臺次間，伴隨著設(shè)計輸入變更產(chǎn)生的同時，大部分原始參數(shù)測試是不變的，如壓氣機(jī)進(jìn)出口參數(shù)是典型必測科目，性能計算參數(shù)基本都是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的，臺架設(shè)備通道信息也往往是在試驗臺建設(shè)完成后固化的。

簡要的層級分布呈樹狀圖結(jié)構(gòu)，可參考如圖1所示的方案，分為七個層級。對于試驗臺固有設(shè)備信號，即所有試驗均會用到的通道設(shè)置為最高層級（L0）；試驗臺可分別開展兩種以上類型試驗，需要根據(jù)試驗需求切換試驗臺架的，將不同類型試驗共用的設(shè)備通道配置在次高層級（L1），如風(fēng)扇與壓氣機(jī)共用動力源的試驗臺，在此層級下可分為風(fēng)扇試驗間和壓氣機(jī)試驗間；同一系列發(fā)動機(jī)共用的設(shè)備通道、性能參數(shù)通道配置在中高層級（L2）；將同一系列同一型號的試驗件共用的通道配置配置在中低層級（L3），同時截止基于此層級的繼承關(guān)系，也表征著L2層級的某系列發(fā)動機(jī)與L1層級的某試驗臺開展試驗；將同一系列同一型號試驗件因上臺試驗次不同但共用的一些通道配置在次低層級（L4）；將同一系列統(tǒng)一型號不同上臺次自定義的通道配置在低層級（L5）；其他特殊的臨時需求等可配置在L6層級。最低層級的配置索引號是獨一無二的，代表著唯一的試驗配置信息。當(dāng)選中L6層級配置時，系統(tǒng)將會自動向上關(guān)聯(lián)其他層級配置，以組合成完整的試驗配置。

①試驗全通道記錄。此文件用于記錄全部試驗用通道，將臺架控制信號與試驗件測試數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，便于試驗全過程測試與控制的追溯。此文件在正常開展試驗時使用較少，多用于全系統(tǒng)備份、試驗回放或是試驗故障后處理場景（從中調(diào)取某一段時間的試驗數(shù)據(jù)）；存盤形式可以是占用空間比較小的二進(jìn)制格式。

②自定義過渡態(tài)通道記錄。試驗人員可依據(jù)各專業(yè)需求自定義通道、存儲頻率，直接生成文本可讀的文件；減少試驗后各專業(yè)后處理挑選通道解析的時間。

③穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)記錄。試驗工況穩(wěn)定后，輸出一個時間段內(nèi)的平均值文件，可以有效消除瞬態(tài)采集帶來的不確定誤差，使穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)更具代表性。

④關(guān)鍵日志記錄。在試驗件或臺架產(chǎn)生關(guān)鍵報警信號時觸發(fā)，記錄關(guān)鍵事件前后一段時間內(nèi)的關(guān)鍵通道，試驗人員可以對關(guān)鍵事件進(jìn)行關(guān)聯(lián)配置，自定義關(guān)鍵通道信息和存儲頻率等；試驗后可以通過此文件快速定位報警事件發(fā)生時間點，獲取關(guān)鍵參數(shù)信息。

針對試驗數(shù)據(jù)性能參數(shù)的計算，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供軟件開發(fā)工具包，用以輔助開發(fā)外圍第三方應(yīng)用程序，用以訪問數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的當(dāng)前值表，以保障數(shù)據(jù)運算的實時性，解決了像大量非對向氣流角探針氣流參數(shù)解算、帶有壓力損失的流量迭代實時計算難題。針對微小數(shù)據(jù)變化的顯示方面，采取最近幾個穩(wěn)態(tài)點繼承連續(xù)顯示的方法加以微小差異變化的區(qū)分。如性能錄取試驗中，往往更關(guān)注壓氣機(jī)最高效率點的獲取，而在試驗過程中通過對排氣閥門的控制，在接近最高效率點附近很難判別是否已經(jīng)到達(dá)或已經(jīng)越過最高效率點的錄取，則此時利用算法提取最近的兩個或三個穩(wěn)態(tài)點與實時效率數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋荒苛巳弧?/p>

關(guān)于試驗數(shù)據(jù)記錄方面的幾點建議：

S代表結(jié)構(gòu)特征量對設(shè)計參數(shù)的靈敏度矩陣。Δp=p-p0代表設(shè)計參數(shù)的誤差。利用拉各朗日乘數(shù)法，式(3)的極值問題轉(zhuǎn)化為如下的線性問題：

①頻率。試驗全通道的記錄，在試驗調(diào)臺或試驗臺系統(tǒng)有重大變更時，建議采取10Hz或更高記錄頻率，以備試驗臺系統(tǒng)故障全面排查；自定義過渡態(tài)通道記錄，可依據(jù)各專業(yè)需要進(jìn)行記錄頻率設(shè)置，并在結(jié)束記錄后即生成可讀文本隨即進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)查看；穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)記錄的頻率取決于采集通道自身，除此之外更應(yīng)該注重工況穩(wěn)定的定義及平均時長選取的標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)鍵日志記錄的頻率設(shè)置根據(jù)需求往往會比較高，這樣才能達(dá)到關(guān)鍵事件發(fā)生時前后一段時間內(nèi)的信息抓取。

②記錄流程。所述的幾種數(shù)據(jù)記錄方法，在數(shù)據(jù)溯源方面存在著一定的再生關(guān)系。建議記錄流程，如圖2所示。試驗開始前，首要開啟試驗全通道記錄功能，再而開啟自定義過渡態(tài)通道記錄，并在試驗前記錄一個穩(wěn)態(tài)點，用以試驗初始狀態(tài)記錄；試驗過程中，按需記錄穩(wěn)態(tài)點，關(guān)鍵時刻自動或手動觸發(fā)關(guān)鍵日志記錄，同時記錄試驗過程工藝指令信息或者其他系統(tǒng)報警信息；在試驗終止后，首要停止自定義過渡態(tài)通道記錄功能，繼而停止試驗全通道的記錄，并填寫當(dāng)日試驗信息簡要描述，用以清晰區(qū)分不同試驗科目。導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)時，除上述五種不同格式的數(shù)據(jù)外，結(jié)合3.2章節(jié)的試驗過程操作指令記錄，生成試驗日電子日志，包含試驗工藝操作信息、系統(tǒng)報警信息、關(guān)鍵的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)信息、試驗件狀態(tài)信息等。

4 結(jié)論

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出的試驗配置管理，利用分層索引的技術(shù)特點，較好的匹配了發(fā)動機(jī)的構(gòu)型管理，大幅降低了重復(fù)勞動量，溯源清晰。針對數(shù)據(jù)過程管理提出的第三方數(shù)據(jù)接口訪問數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)前值表方法及穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)繼承顯示方法均提升了數(shù)據(jù)實時計算及顯示的能力，減少試驗后處理及反復(fù)試驗的成本。試驗次的管理及數(shù)據(jù)記錄方法的設(shè)計，便于試驗人員和設(shè)計人員對試驗數(shù)據(jù)有針對性的提取，為試驗數(shù)據(jù)分析提供強有力的保障。試驗過程工藝操作指令及事件觸發(fā)的記錄，利于快速定位故障或特定試驗工況信息。

將“后廣轉(zhuǎn)為邊郡太守，徙上郡。嘗為隴西、北地、雁門、代郡、云中太守，皆以力戰(zhàn)為名?！币频健靶倥笕肷峡?，天子使中貴人從廣勒習(xí)兵擊匈奴……大軍不知廣之所之，故弗從”之后。瀧川資言《史記會注考證》考證：漢書，無后廣已下三十一字。歸有光曰：當(dāng)是欲敘匈奴入上郡事，故先書徙為上郡太守。其實為隴西、北地、雁門、代郡、云中，后乃徙上郡也。張文虎曰：后廣轉(zhuǎn)為至為名三十一字，疑當(dāng)在后文不知廣之所之故弗從下，而衍徙上郡三字，則與漢書次序合。愚按張說為是。

本文提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用方法，做到了試驗數(shù)據(jù)全方位、全過程的記錄，減輕了人工負(fù)擔(dān)，快速定位數(shù)據(jù)源。推進(jìn)試驗技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展。

[1]王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測與儀表，2004（08）：4-8.

[2]宋錦秀.微型計算機(jī)在全臺壓氣機(jī)試驗中的應(yīng)用[J].熱能動力工程，1988（06）：51-56.

[3]李正榮.基于LXI總線的壓氣機(jī)試驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].計算機(jī)測量與控制，2016，24（07）：39-41.

[4]王晶，黃玲娟.基于多線程的航空發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].測控技術(shù)，2017，36（05）：119-123.

[5]周海坤.高并發(fā)煤礦安全監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦安全，2018，49（06）：85-87，91.