基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的試驗專網(wǎng)架構(gòu)分析

弓曉波，陳 瀟

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著更多新型號的立項、研制及開始驗證試驗，飛機的質(zhì)量、可靠性、維修性、保障性及功能參數(shù)體系等系統(tǒng)指標(biāo)已從設(shè)計開始分布到零部件、部件、分系統(tǒng)及系統(tǒng)的生產(chǎn)、試驗等研制開發(fā)過程各個階段，即把總體技術(shù)及可靠性要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品開發(fā)過程每個階段的各種技術(shù)要求的體系及它所規(guī)定的工程方法。因此，對航空產(chǎn)品研制全過程的試驗任務(wù)、試驗數(shù)據(jù)、質(zhì)量記錄綜合管理、綜合處理、綜合分析是對航空產(chǎn)品系統(tǒng)質(zhì)量綜合評測的依據(jù)，亟需通過數(shù)字強度的建設(shè)補充完善,該工作由試驗數(shù)字化工程來完成。

隨著新一代信息技術(shù)與強度技術(shù)的高速發(fā)展，各個領(lǐng)域也誕生了各種試驗規(guī)范、試驗方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的實時采集可通過試驗測控系統(tǒng)和自動測試設(shè)備測試通道自動錄入計算機系統(tǒng)，并通過各種網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑傳送到遠(yuǎn)程終端。因此，設(shè)計單位、適航代表以及各局方可以在辦公室或指揮中心觀察各分現(xiàn)場的主要試驗任務(wù)及試驗結(jié)果。根據(jù)成熟的試驗數(shù)據(jù)處理過程，通過試驗專網(wǎng)平臺，實時在線顯示試驗數(shù)據(jù)，并及時給出狀態(tài)結(jié)果，對超出范圍的狀態(tài)及時告警等[1]。

因此，目前強度試驗的技術(shù)手段和管理手段的改變已經(jīng)勢在必行，亟需建立基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的試驗專網(wǎng)，構(gòu)建強度試驗數(shù)字底座，支持強度試驗數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2 業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施

實驗室測控設(shè)備及試驗設(shè)施數(shù)量多、類型多、系統(tǒng)多，但沒有集中、統(tǒng)一管理。在試驗程序傳輸、試驗過程管理、版本控制、數(shù)據(jù)安全等方面存在一些問題：

(1)試驗設(shè)備數(shù)量多、類型多，目前有控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)，但沒有集中、統(tǒng)一管理，未建立覆蓋整個園區(qū)的試驗網(wǎng)絡(luò)。

(2)設(shè)備來自多個制造商，出廠時間有遠(yuǎn)有近，每次執(zhí)行試驗程序時，都需要技術(shù)組工作人員到試驗現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備操作，既占用了技術(shù)人員較多的時間，也占用了較多的工時，影響了試驗的效率。

(3)部分設(shè)備支持網(wǎng)卡傳輸，但因在采用計算機設(shè)置參數(shù)時，無嚴(yán)格病毒防范措施，安全性方面有很大隱患。

2.2 試驗管理

目前，在強度試驗中缺乏對試驗數(shù)據(jù)的深入分析、對比的手段，同時也缺乏對以往強度試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)后續(xù)發(fā)掘和利用的能力。

(1)各試驗室針對不同的試驗件和試驗文檔，缺乏目錄式、流程化的管理系統(tǒng)。

(2)試驗程序設(shè)計好了之后，要經(jīng)過試測來糾正錯誤和優(yōu)化流程，試驗件的狀態(tài)及試驗的更改，也需要有效的版本控制。

(3)試驗數(shù)據(jù)的匯總都是通過手工來完成，工作量大，容易出錯，且不容易確定更改影響范圍，影響了工作的效率。

(4)試驗完成后，數(shù)據(jù)都存儲在各自的電腦，不回傳到服務(wù)器保存，試驗數(shù)據(jù)的全生命周期管理，還不能得到相對有效的掌控。

2.3 試驗業(yè)務(wù)

(1)大量試驗數(shù)據(jù)無法深入分析、充分利用，是試驗數(shù)字化面臨的最主要問題。

(2)目前建設(shè)了TDM系統(tǒng)，以解決試驗數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)采集和處理問題，沒有覆蓋試驗現(xiàn)場的試驗數(shù)據(jù)實時收集、整理與挖掘工作。

(3)目前現(xiàn)場能源動力系統(tǒng)均為獨立的產(chǎn)品和系統(tǒng)，沒有將設(shè)備的狀態(tài)、運轉(zhuǎn)情況、完好性等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控，也沒有將其狀態(tài)匯總到現(xiàn)場的試驗系統(tǒng)中，因此可能會出現(xiàn)由于產(chǎn)品的故障導(dǎo)致試驗失敗、停擺等嚴(yán)重事故。

3 數(shù)據(jù)采集需求分析

數(shù)據(jù)采集的對象包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試驗控制系統(tǒng)、錄像系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。其中，動力系統(tǒng)又包括液壓系統(tǒng)、空壓機系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等。本文只對重點系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.1 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)有液壓油站系統(tǒng)需要增加以太網(wǎng)通信模塊，通過以太網(wǎng)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)采集至設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。能源動力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要素不多，數(shù)據(jù)目前都是通過自帶的PLC顯示，可通過RJ45接口，在遠(yuǎn)端以網(wǎng)頁的形式監(jiān)控，需將網(wǎng)頁的重要字段提取出來，結(jié)構(gòu)化的存儲與追溯[2]。

監(jiān)控數(shù)據(jù)包括油泵運行狀態(tài)、油泵運行時間、油池液位、油溫、分路閥狀態(tài)、分路(給油、回油)流量、分路油壓。

3.2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)各類試驗控制設(shè)備的類型，研發(fā)統(tǒng)一的控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？紤]控制系統(tǒng)的安全性，可采用兩種方案完成控制設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入。第一種方案通過解析控制系統(tǒng)的協(xié)議，利用控制系統(tǒng)中的交換機接口直接接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；第二種方案是利用控制系統(tǒng)的下位機，通過HDMI視頻信號，將下位機的視頻信號接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，增加個邊緣網(wǎng)關(guān)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識別視頻中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)[3]。

因CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以較小的計算量對格點化(grid-like topology)特征，例如像素和音頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，有穩(wěn)定的效果且對數(shù)據(jù)沒有額外的特征工程特征，主要用來識別位移、縮放及其他形式扭曲不變性的二維圖形[4]，所以通過在邊緣網(wǎng)關(guān)中嵌入CNN識別算法，選取視頻信號的關(guān)鍵特征，智能識別視頻信號中的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的變化，實現(xiàn)第二種方案[5]。

3.3 測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

RTD軟件已經(jīng)實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的實時采集與一致性評估分析，但介于后續(xù)需要使用測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)較多，例如健康監(jiān)測系統(tǒng)、無損檢測系統(tǒng)、試驗指揮系統(tǒng)等，需在RTD的基礎(chǔ)上，研發(fā)測量數(shù)據(jù)采集模型，建立測量數(shù)據(jù)建模與分發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模與分發(fā)[6]。

接口協(xié)議與數(shù)據(jù)格式因廠商不同而不同，采集系統(tǒng)已經(jīng)通過軟件，將不同采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)范為特定集中類型，以txt的文件形式保存在采集上位機上，具體格式如表1所示。

表1 采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式

4 架構(gòu)設(shè)計

針對上文的需求分析以及未來數(shù)字強度試驗新模式的要求，提出試驗業(yè)務(wù)協(xié)同支持環(huán)境架構(gòu)(如圖1所示)，為各個專業(yè)提供圍繞試驗業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同環(huán)境，功能包括試驗數(shù)據(jù)匯聚、建模、分發(fā)以及協(xié)同管控。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)一時間元，選取統(tǒng)一標(biāo)識(如加載步)，構(gòu)建控制數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、音視頻數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成強度試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)綜合展示與決策支持能力，提升試驗水平，提高試驗效率。

圖1 試驗專網(wǎng)總體架構(gòu)

4.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理是指試驗準(zhǔn)備階段的任務(wù)要求以及設(shè)備配置，如選取控制設(shè)備、采集設(shè)備、音視頻通道等，也可以具體到設(shè)備型號、通道、信號變換、試驗參數(shù)及其關(guān)聯(lián)，主要包括：

(1)任務(wù)配置：配置試驗項目信息、數(shù)據(jù)顯示、存儲、報警策略等。

(2)數(shù)據(jù)采集：包括控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓系統(tǒng)、電力、冷卻水等數(shù)據(jù)的采集配置。

(3)數(shù)據(jù)存儲：可以將采集到的試驗數(shù)據(jù)存儲在本地，支持文本文件、Excel文件、XML文件、ASCII文件、二進(jìn)制文件、MDB文件等，也支持將采集數(shù)據(jù)保存在緩存中，滿足數(shù)據(jù)實時分析等特殊要求。

(4)日志：記錄數(shù)據(jù)采集時間、操作記錄等信息。

(5)視圖：以曲線、數(shù)據(jù)表格、溫度計、儀表板等方式顯示試驗數(shù)據(jù)，并能讓用戶自定義顯示方式。

4.2 數(shù)據(jù)建模與分發(fā)

基于試驗數(shù)據(jù)模型體系，建立試驗數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個試驗業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收集與分發(fā)，并對外提供標(biāo)準(zhǔn)訪問接口，此模型建立之后將作為各實驗室試驗數(shù)據(jù)模型的一個基準(zhǔn)。不同實驗室根據(jù)關(guān)注點的不同，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裁減和增加。

強度試驗的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)因其業(yè)務(wù)的特殊性，需滿足較高級別的性能要求，包括提供實時數(shù)據(jù)解析、分發(fā)及傳輸?shù)哪芰ΓC合各試驗系統(tǒng)要求，統(tǒng)籌考慮未來建設(shè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要，強度試驗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的延遲應(yīng)小于10ms，DDS數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)采用發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，提供較高的服務(wù)質(zhì)量策略[7]。本文擬采用DDS協(xié)議，開展數(shù)據(jù)的實時、高效、靈活分發(fā)。在試驗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，通過一次發(fā)送，可實現(xiàn)多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)同時訂閱、接收的需求，且不會增加帶寬的壓力[8]。

4.3 綜合展示

提供整個試驗的設(shè)備設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、歷史趨勢、系統(tǒng)報警、過程數(shù)據(jù)報表。MTS監(jiān)控示意圖、真空泵監(jiān)控示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 MTS監(jiān)控示意圖

圖3 真空泵監(jiān)控示意圖

5 結(jié) 論

為了更好地實現(xiàn)高速協(xié)同的試驗專網(wǎng)建設(shè)，本文采用DDS技術(shù)實現(xiàn)試驗專網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。為保障試驗控制系統(tǒng)的安全可控，提出視頻接入加CNN解析的方案，實現(xiàn)試驗控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的提取。相較于傳統(tǒng)接入方式，此方案安全性較高，不會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，但實現(xiàn)成本較高，可靠性會出現(xiàn)一定程度降低，后續(xù)還需在工程實踐中進(jìn)一步論證。

本文闡述了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的試驗專網(wǎng)建設(shè)需求分析，從基礎(chǔ)設(shè)施、試驗管理、試驗業(yè)務(wù)方面對強度試驗專網(wǎng)的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，開展了強度試驗數(shù)據(jù)采集、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)建模與分發(fā)、數(shù)據(jù)綜合展示的需求分析。在需求分析的基礎(chǔ)上，圍繞試驗現(xiàn)場高速協(xié)同網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求，提出了強度試驗專網(wǎng)建設(shè)的總體目標(biāo)、建設(shè)思路與系統(tǒng)架構(gòu)，為系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計與實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。