基于多源數(shù)據(jù)融合的整機(jī)試驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)

劉 冰，張建鋒，李 濤，牧 彬

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710065）

在飛機(jī)研制產(chǎn)業(yè)鏈中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是飛機(jī)研制中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行最全面、最接近真實(shí)的地面驗(yàn)證。其目的是鑒定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靜強(qiáng)度，并為驗(yàn)證強(qiáng)度和剛度的計(jì)算方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝的合理性提供必要的數(shù)據(jù)和資料[1]。航空產(chǎn)業(yè)中，需求與技術(shù)進(jìn)步在驅(qū)動(dòng)飛機(jī)性能方面不斷提升，作為確保飛機(jī)飛行安全最可靠的手段，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)也越來(lái)越復(fù)雜，試驗(yàn)規(guī)模越來(lái)越大。因此，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直觀的全狀態(tài)監(jiān)控，滿足整機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)的立體管控可視化及試驗(yàn)安全的需要，可有效控制試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)提升試驗(yàn)質(zhì)量具有重要意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)融合監(jiān)控開(kāi)展了較多研究，主要集中在圖像數(shù)據(jù)疊加[2]、多類型傳感器數(shù)據(jù)融合[3-9]和安全監(jiān)控及設(shè)備狀態(tài)診斷[10-11]等領(lǐng)域，在飛機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及信息監(jiān)控方面，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了一定的研究，主要包括全機(jī)靜力試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[12]、飛機(jī)姿態(tài)監(jiān)控與報(bào)警功能[13]及試驗(yàn)中異常響應(yīng)數(shù)據(jù)的及時(shí)判別[14-15]等，有效降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

上述學(xué)者在監(jiān)控領(lǐng)域取得了豐碩的成果，但是針對(duì)整機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)融合監(jiān)控研究較少，目前國(guó)內(nèi)僅能實(shí)現(xiàn)離散的試驗(yàn)視頻、施加載荷和響應(yīng)測(cè)量等數(shù)據(jù)監(jiān)控，面對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)及其模式的不確定性和多變性，尚未對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的多類型數(shù)據(jù)融合展示，且監(jiān)控信息無(wú)法與試驗(yàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。因此，本文以某型飛機(jī)疲勞試驗(yàn)為研究對(duì)象，開(kāi)展以視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)的試驗(yàn)機(jī)控制、應(yīng)變和位移等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究，研制一套基于多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合的整機(jī)試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)，建立結(jié)構(gòu)應(yīng)變、位移等試驗(yàn)數(shù)據(jù)與視頻信息之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)重點(diǎn)區(qū)域的全狀態(tài)監(jiān)控，最終達(dá)到提高試驗(yàn)質(zhì)量和安全的目的。

1 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)融合與監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)能將來(lái)自多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的有關(guān)信息進(jìn)行綜合與互補(bǔ)，消除單個(gè)數(shù)據(jù)帶來(lái)的片面性、缺陷性及錯(cuò)誤性問(wèn)題，使對(duì)事物的表述更加精確，為判斷和決策提高可靠的支撐。

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)源分析

全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)源包括載荷控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和試驗(yàn)仿真分析系統(tǒng)。試驗(yàn)載荷控制主要采用MTS、MOOG 等系統(tǒng)，其載荷譜運(yùn)行信息格式固定，本地存儲(chǔ)。試驗(yàn)響應(yīng)采集主要包括結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)和位移響應(yīng)采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含并且不限于光柵光纖、聲發(fā)射、散斑和智能涂層等系統(tǒng)，視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為包含時(shí)域信息的視頻，試驗(yàn)仿真分析數(shù)據(jù)主要是試驗(yàn)機(jī)強(qiáng)度、剛度等特征分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)用來(lái)監(jiān)控試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)、加載點(diǎn)及連接件等部位，提供試驗(yàn)機(jī)異常響應(yīng)、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)破壞和加載機(jī)構(gòu)異常等視頻信息，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、試驗(yàn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)架構(gòu)

多傳感器數(shù)據(jù)信息融合基本原理即充分利用若干個(gè)傳感器資源，在一定準(zhǔn)則下自動(dòng)分析、綜合以完成所需的決策，最終獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述[16]。

在全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中，視頻監(jiān)控、應(yīng)變、位移及健康檢測(cè)等各種采集的數(shù)據(jù)信息都具有不同的特征及意義，如實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)、同步/異步和圖像/數(shù)字等，進(jìn)而導(dǎo)致此類多源試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息具有更復(fù)雜的形式。因此試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合的硬件基礎(chǔ)，通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理提供數(shù)據(jù)融合功能。

試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，其主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)管理層和應(yīng)用層4 部分組成，具體如下。

圖1 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層。負(fù)責(zé)將整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集接入到試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一管理，可接入的數(shù)據(jù)種類豐富多樣，涵蓋結(jié)構(gòu)化與非機(jī)構(gòu)化的數(shù)據(jù)類型。

數(shù)據(jù)傳輸層。實(shí)現(xiàn)對(duì)接入的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)格式、傳輸協(xié)議及控制信令方面的格式化、規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化處理，使系統(tǒng)內(nèi)部按照統(tǒng)一的格式處理各種接入的數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理效率。

數(shù)據(jù)管理層。完成系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)管理和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)分發(fā)，存儲(chǔ)，以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)及聯(lián)動(dòng)關(guān)系配置等。包括系統(tǒng)不同表征量的閾值設(shè)定，以及數(shù)據(jù)自動(dòng)分析，向應(yīng)用層主動(dòng)發(fā)送異常數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。同時(shí)響應(yīng)應(yīng)用層的查詢，多維度顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層。是終端用戶與多源數(shù)據(jù)融合多維度顯示系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)的唯一接口，該層為用戶提供業(yè)務(wù)運(yùn)行與數(shù)據(jù)相關(guān)的基礎(chǔ)應(yīng)用，基于多源數(shù)據(jù)融合的異常數(shù)據(jù)分析應(yīng)用及基于預(yù)定路線巡游的多源數(shù)據(jù)顯示等一系列功能，并提供第三方平臺(tái)的2 次開(kāi)發(fā)接口，滿足其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的需求。

全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)前可通過(guò)數(shù)據(jù)管理層配置系統(tǒng)管理需要處理的數(shù)據(jù)源發(fā)出同步要求，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層實(shí)現(xiàn)多個(gè)離散數(shù)據(jù)源采集的數(shù)據(jù)包、視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收，并將接收到的原始網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。按照數(shù)據(jù)分析模塊定義的數(shù)據(jù)分析流程對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，獲取與之相關(guān)的其余數(shù)據(jù)源的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)可將原始網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)快速傳輸至數(shù)據(jù)中心和可視化系統(tǒng)等。

2 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合方案

2.1 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)讀取與時(shí)域同步

試驗(yàn)中，試驗(yàn)載荷施加系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)施加載荷，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)中的飛機(jī)進(jìn)行不同感知參量的實(shí)時(shí)測(cè)量，試驗(yàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)拍攝。

首先由試驗(yàn)載荷施加控制系統(tǒng)發(fā)出載荷施加指令，同時(shí)基于系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)管理模塊對(duì)所有接入的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集源發(fā)出數(shù)據(jù)同步采集指令，其次各數(shù)據(jù)采集源同步接收系統(tǒng)的IO 接口接收時(shí)域同步標(biāo)識(shí)，各數(shù)據(jù)源產(chǎn)出的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一時(shí)域的同步標(biāo)識(shí)，最后將數(shù)據(jù)統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)源的時(shí)間同步。同步標(biāo)識(shí)示意如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)時(shí)域同步示意

2.2 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及存儲(chǔ)

針對(duì)各類單獨(dú)存儲(chǔ)的多源數(shù)據(jù)，基于各數(shù)據(jù)源的相關(guān)性，搭建基于多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，具備全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)的大容量數(shù)據(jù)高速無(wú)線傳輸和試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

多源試驗(yàn)數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一時(shí)域，將試驗(yàn)機(jī)全機(jī)結(jié)構(gòu)按考核區(qū)域劃分，并依據(jù)采集數(shù)據(jù)所處試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過(guò)構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)分區(qū)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型，將各個(gè)離散的數(shù)據(jù)源形成一個(gè)群，群內(nèi)的數(shù)據(jù)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，所有群的集合則形成全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)集，最終為實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化提取提供支撐。

2.3 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)融合

試驗(yàn)中多源數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)構(gòu)建和結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)后，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)將讀入結(jié)構(gòu)應(yīng)變、位移等試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過(guò)SDK 方式與試驗(yàn)視頻監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接。系統(tǒng)首先獲取視頻平臺(tái)內(nèi)的視頻資源，提供系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)調(diào)用和相關(guān)功能的融合顯示。其次，調(diào)用試驗(yàn)載荷施加控制、應(yīng)變和位移等運(yùn)行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。最后，將試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)融合疊加，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)流程如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)多源數(shù)據(jù)流示意

3 工程應(yīng)用

基于上述方法研制了1 套多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合監(jiān)控系統(tǒng)，并以某型飛機(jī)疲勞試驗(yàn)為平臺(tái)，選取試驗(yàn)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與試驗(yàn)載荷施加數(shù)據(jù)2 類數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 試驗(yàn)視頻監(jiān)控的布置

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)立體場(chǎng)景環(huán)境下的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足整機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)作業(yè)、安全管控的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了整體規(guī)劃，沿實(shí)驗(yàn)室四周布置了多個(gè)高清相機(jī)，在中心點(diǎn)布置1 個(gè)全景相機(jī)。通過(guò)監(jiān)控相機(jī)構(gòu)建整個(gè)實(shí)驗(yàn)室三維立體監(jiān)控環(huán)境，基于“1張立體動(dòng)圖”實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域的信息監(jiān)控的全覆蓋，為試驗(yàn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 試驗(yàn)運(yùn)行信息數(shù)據(jù)的選取

結(jié)構(gòu)傳載路徑是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵因素，對(duì)于結(jié)構(gòu)傳載路徑上關(guān)鍵部位需要進(jìn)行全狀態(tài)監(jiān)控，如機(jī)翼主梁、翼身連接區(qū)域等。監(jiān)控的關(guān)鍵運(yùn)行信息包括載荷施加數(shù)據(jù)、應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)和位移測(cè)量數(shù)據(jù)等，此次選擇載荷施加數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，依據(jù)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)分區(qū)建立載荷數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出基于多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合的全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)，研制了1 套全狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并以某型機(jī)疲勞試驗(yàn)為平臺(tái)開(kāi)展了系統(tǒng)的測(cè)試工作。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)監(jiān)控視頻、試驗(yàn)載荷控制解析文件等多源數(shù)據(jù)的時(shí)域同步融合展示，初步具備試驗(yàn)全狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。未來(lái)還可增加融合數(shù)據(jù)類型如應(yīng)變、位移采集數(shù)據(jù)，并建立基于多源數(shù)據(jù)的決策分析，為打通“數(shù)據(jù)同步感知、數(shù)據(jù)高度融合、自動(dòng)分析及智能預(yù)警”的數(shù)字化試驗(yàn)監(jiān)控流程提供技術(shù)支撐，進(jìn)而加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)篩選自動(dòng)化處理，促進(jìn)民機(jī)整機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。