基于VC++的飛機載荷譜數(shù)據(jù)可視化技術?

李五一, 閆楚良, 田兆鋒, 孟慶瑞

(北京飛機強度研究所 北京,100083)

引 言

載荷譜是飛機定壽、延壽和結構可靠性設計的基礎,為獲取載荷譜必須進行大量的實測飛行,取得能夠代表真實情況的典型載荷-時間歷程。早期數(shù)據(jù)處理大量采用人工計數(shù)處理的方式,這種辦法顯然不能滿足現(xiàn)代載荷譜測量的需要。從20世紀70年代開始,計算機作為輔助的數(shù)據(jù)處理手段被引入到飛機載荷譜數(shù)據(jù)處理中,隨著測試技術和設備的發(fā)展,數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式的增長,采集的數(shù)據(jù)具有類型復雜、數(shù)據(jù)量大的特點,對于不同的機型,采集參數(shù)不同,數(shù)據(jù)結構也不相同[1-4],單一的數(shù)據(jù)處理工具Excel,Matlab根本無法滿足用戶的需求,數(shù)據(jù)可視化技術的發(fā)展為存儲、組織和管理、分析和處理海量數(shù)據(jù)提供了一條有效地技術途徑。

1 數(shù)據(jù)可視化與飛機載荷譜的關系

近年來,隨著計算機技術特別是圖形學技術的迅猛發(fā)展,可視化技術涵蓋了更廣泛的內容,出現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化的概念。數(shù)據(jù)可視化(data visualization)技術指的是運用計算機圖形學和圖像處理技術,將數(shù)據(jù)轉換為圖形、圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互技術等多個領域,成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術[5-7]。利用數(shù)據(jù)可視化技術可將飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)及相關信息的處理及分析方法與先進的圖形技術結合起來,形象地表達數(shù)據(jù)和計算結果,從而加快數(shù)據(jù)處理效率。數(shù)據(jù)可視化技術可以使用圖形、曲線等方式顯示實測數(shù)據(jù),使用戶對數(shù)據(jù)的有效性判斷更準確,剖析更清晰;數(shù)據(jù)可視化技術能夠為處理數(shù)據(jù)提供人機交互的手段,實現(xiàn)用戶與計算機之間交流與反饋的機制,是將專家知識與經驗作用于計算機的橋梁;數(shù)據(jù)可視化技術可以以三維圖形動態(tài)模擬飛機和儀表在飛行時的實際狀態(tài),直觀準確地反映飛機的實際飛行姿態(tài)和飛行過程、駕駛艙儀表實際工作情況等,真實再現(xiàn)飛行過程。如果能充分利用數(shù)據(jù)可視化技術豐富的圖形表達能力,在準確表達原始數(shù)據(jù)的基礎上,通過人機交互融入用戶自身的專家知識與經驗,能夠達到快速準確地分析處理飛機載荷譜數(shù)據(jù)的目的[8-9]。

2 數(shù)據(jù)可視化模型

飛機載荷譜數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型復雜等特點[10-11],根據(jù)飛機載荷譜數(shù)據(jù)資源特點提出了 3層結構模型:a.底層數(shù)據(jù)層;b.中間語言層;c.頂層用戶端,如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)可視化3層結構模型

2.1 底層數(shù)據(jù)層

底層數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)準備階段,是數(shù)據(jù)存儲的地方,提供飛機載荷譜實測數(shù)據(jù)和描述性的文檔。由于實測數(shù)據(jù)量很大,全部數(shù)據(jù)可能分布在多臺服務器上存儲和管理,形成了實測數(shù)據(jù)存儲服務器組,而非結構化數(shù)據(jù)分布在文檔存儲服務器上,可以針對不同的應用選取不同的數(shù)據(jù)源。

2.2 中間語言層

中間語言層是數(shù)據(jù)可視化設計的關鍵部位,針對飛機載荷譜數(shù)據(jù)資源的特點設計了柔性數(shù)據(jù)層(flexible data layer,簡稱FDL)。柔性數(shù)據(jù)層是為了適應不同格式飛機實測數(shù)據(jù)文件而實現(xiàn)的一個抽象層,完成頂層用戶端與底層數(shù)據(jù)層之間的交互訪問操作,將用戶操作和數(shù)據(jù)庫訪問相隔離。柔性數(shù)據(jù)層FDL的具體結構如圖 2所示。

柔性數(shù)據(jù)層 FDL包括以下幾部分:

1)底層的 FDL Interface文件接口層:配合不同的數(shù)據(jù)描述文件,實現(xiàn)不同結構文件的實測數(shù)據(jù)的物理讀取;

圖2 柔性數(shù)據(jù)層結構圖

2)物理量轉換層:將測量碼值根據(jù)標定數(shù)據(jù)處理結果轉換為物理量,內含轉換公式解釋器,提供使用文本形式配置轉換公式的能力;

3)當量修正層:將物理量進行當量修正等的轉換,得到真實的物理量;

4)虛擬參數(shù):又稱為導出參數(shù),該參數(shù)并沒有真正地測量,可以通過一個或多個實測參數(shù)經過計算導出,但對頂層應用軟件,就像是真實測量的參數(shù)一樣,故稱為虛擬參數(shù);

5)用戶自定義插件 DLL:對于虛擬參數(shù)無法描述,或者計算方法比較特殊的自定義參數(shù),還提供了DLL插件規(guī)范和模板,用戶按照規(guī)范書寫,包含相應格式計算函數(shù)的 DLL既可進行擴充;

6)SmartRT動態(tài)數(shù)據(jù)接口:用于讀取各種采集設備所傳送的動態(tài)數(shù)據(jù)流;

7)應用編程接口(API):使得在 FDL基礎上開發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序使用統(tǒng)一的模式對數(shù)據(jù)進行讀取,而不再需要考慮物理數(shù)據(jù)文件格式的不同。

2.3 頂層用戶端

數(shù)據(jù)錄入存儲并經過中間語言層的邏輯分析后,被頂層用戶端程序調用,以曲線或圖形的方式顯示相應的數(shù)據(jù)信息,即數(shù)據(jù)可視化的結果,本系統(tǒng)的窗口界面是多窗口界面,包括飛行歷程可視化窗口、標定數(shù)據(jù)采集界面、實測數(shù)據(jù)顯示窗口等,通過多線程處理在同一時間調用不同的窗口進行可視化觀察。

3 飛機載荷譜數(shù)據(jù)可視化關鍵技術

3.1 通用數(shù)據(jù)接口技術

各種飛機載荷譜實測試驗,測試的參數(shù)數(shù)量、類型都是不一樣的,因此,其記錄的數(shù)據(jù)格式各不相同。在載荷譜測試項目中,根據(jù)測試目的的不同,各種不同的參數(shù)也使用不同的采樣頻率來進行記錄。為了處理不同飛機測試項目產生不同的數(shù)據(jù)文件格式,提出了載荷譜通用數(shù)據(jù)接口技術,建立的 FDL柔性數(shù)據(jù)層,以 C++類庫的形式提供給其他開發(fā)者使用,FDL提供了一組類和使用函數(shù),提供了一個規(guī)范的數(shù)據(jù)讀寫查詢接口,稱為應用編程接口(application programming interface,簡稱 API)。這使得在 FDL基礎上開發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序使用統(tǒng)一的模式對數(shù)據(jù)進行讀取,而不再需要考慮物理數(shù)據(jù)文件格式的不同。

3.2 虛擬仿真技術

在實測數(shù)據(jù)處理平臺中載入飛行實測起落的數(shù)據(jù),同時打開飛行姿態(tài)模擬仿真的窗口,用戶可以交互地自由切換不同的視角對飛機進行觀察,在飛機動作的判讀、飛機狀態(tài)與載荷關聯(lián)分析、載荷譜實測飛行科目有效性判讀方面具有重要的應用價值。采用OpenGL三維仿真技術開發(fā)飛行過程的可視化仿真模塊,創(chuàng)建多種型號飛機的3D模型。

3.3 并行計算技術

數(shù)據(jù)可視化將實測數(shù)據(jù)及計算結果轉換為圖形圖像在屏幕上顯示出來,并進行交互處理。計算處理面臨三方面的挑戰(zhàn):a.多進程窗口界面,系統(tǒng)包含飛行歷程可視化、實測數(shù)據(jù)處理、振動數(shù)據(jù)處理等界面;b.數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)復雜程度大,隨著測試水平的提高和飛機要求實測參數(shù)的增加,數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)快速增長;c.要求數(shù)據(jù)實時性,虛擬仿真窗口要求數(shù)據(jù)不斷地刷新跟進飛機狀態(tài)的變化,這些都要求快速的處理速度。當前多核心CPU的普及為系統(tǒng)采用并行計算提供先決條件。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過對飛機載荷譜數(shù)據(jù)可視化技術的研究,在已有數(shù)據(jù)可視化模型的基礎上,利用 VC++2010開發(fā)工具、OpenGL圖形平臺以及 VTree SDK工具,重視面向對象的程序設計(OOP),利用其信息封裝、數(shù)據(jù)抽象、動態(tài)鏈接和繼承等特性進行開發(fā),功能上進行模塊劃分,覆蓋了飛機載荷譜項目從標定到數(shù)據(jù)處理的全部內容,并已成功應用到多個機種的實測飛行和數(shù)據(jù)處理中。

4.1 標定數(shù)據(jù)采集

標定采集模塊實現(xiàn)標定輸入載荷和輸出應變信號同步瞬時采集以及在線圖形化實時顯示,并對采集實測數(shù)據(jù)進行實時處理,給出標定試驗數(shù)據(jù)處理擬合結果,可依據(jù)數(shù)據(jù)的有效性,對標定試驗進行控制和調整,如圖 3所示。

圖3 標定數(shù)據(jù)記錄界面

4.2 實測數(shù)據(jù)處理

對實測參數(shù)載荷-時間歷程進行同步回放和瀏覽,以圖形的方式讓用戶在一屏上任選實測參數(shù)的時間歷程曲線,同時可以配合不同的數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理功能。

4.3 飛行歷程可視化

飛機飛行歷程可視化再現(xiàn)了飛機的實測飛行歷程,即可在飛行模擬窗口中看到與飛行實測數(shù)據(jù)時刻對應的飛機飛行姿態(tài)和動作,一方面可用于飛機載荷狀態(tài)的判別,另一方面,作為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)監(jiān)控手段,判斷該起落飛行員的空中動作是否滿足飛行訓練大綱規(guī)定的要求[12]。

5 結 論

1)飛機載荷譜數(shù)據(jù)可視化技術將數(shù)據(jù)用豐富的圖像、曲線、二維圖形、三維體顯示,并在人與數(shù)據(jù)、人與人之間實現(xiàn)圖像通信,為快速判斷數(shù)據(jù)有效性和進行數(shù)據(jù)處理提供有力工具,提高數(shù)據(jù)處理效率,使數(shù)據(jù)得到有效利用。

2)柔性數(shù)據(jù)層支持系統(tǒng)采集不同飛行測試設備的數(shù)據(jù)流,使用統(tǒng)一模式對數(shù)據(jù)進行讀取,解決異構異態(tài)數(shù)據(jù)處理的需要,具有高度適應性。

3)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的層次分離和功能塊劃分,便于系統(tǒng)的不斷更新、移植、裁減和擴充,有效降低系統(tǒng)開發(fā)和維護的復雜程度,提高系統(tǒng)可靠性。

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