民航發動機健康管理數據庫的研究

荊 楠，李書明

(中國民航大學航空工程學院，天津 300300)

航空發動機健康管理系統（Engine Health Management,簡稱EHM）[1～2]，是在綜合利用了狀態監控、故障診斷、信息技術、人工智能等科技成果的基礎上，產生的一種全新的航空發動機使用和管理方案。其可以最大限度的預測發動機以及各部件的健康狀況，以進行及時維護，避免發動機在服役期間無法正常工作，同時又可避免不必要的檢查和維修，從而達到經濟性和可靠性的統一。

數據管理是實施EHM的基礎。其管理的對象是來自不同部門、不同型號的發動機數據信息。EHM系統需求和產生的數據種類多、邏輯結構復雜、診斷和預測數據需求大，且對數據的實時性和安全性要求高。數據庫技術是數據管理的成熟技術，具有數據結構化、最低冗余度、較高的數據獨立性、易于擴充、便于共享等優點。為了提高EHM系統的通用性和使用效率，降低成本，因此，設計了一個數據庫，以供各種診斷、預測算法以及可視化等各種處理程序使用，對來自不同平臺的發動機數據進行管理十分必要。

1 健康管理數據庫的設計流程

建立民航發動機健康管理數據庫的目的，是對健康管理的對象信息進行有效地管理，讓使用人員能夠對相關數據進行快速的查詢、分析和計算，完善發動機的使用和維護方案；利用數據庫存儲的歷史數據和案例與故障診斷和狀態監控的結果進行比較、分析及驗證，以提高發動機的使用效率，降低其維修成本。

數據庫的設計可以分為六個階段[3]，第一階段為需求分析，了解數據和相關處理，綜合用戶的應用需求；第二階段為概念結構設計，設計系統的E-R(Entity-Relationship Module)圖；第三階段為邏輯結構設計，將E-R圖轉化成數據庫支持的數據模型，形成數據庫的邏輯模式，并對其進行優化；第四階段為物理設計，形成數據庫內模式，安排數據庫的物理存儲，建立索引；第五階段為數據庫實施，設計數據庫系統的應用程序；第六階段為數據庫運行和維護。

2 健康管理數據庫的開發應用平臺

2.1 健康管理數據庫的硬件平臺構架

民航發動機健康管理數據庫系統，采用的分布式的運行結構，同時又對Web有應用要求，因此，采用以Web技術為中心的B/S構架[4]。B/S結構是目前數據庫應用和發展的趨勢，其具有應用方便，可擴展性好，容易部署和管理，有很好的通用性和跨平臺性，數據安全性和一致性好，升級維護簡單等優點。如圖1所示為健康管理數據庫的B/S結構圖。

圖1 健康管理數據庫B/S結構圖

2.2 健康管理數據庫的軟件平臺構架

數據庫的重要應用是數據的存儲和管理，考慮到系統的穩定性、事物處理能力、響應速度、數據管理范圍、并發處理等能力，后臺采用Oracle數據庫系統[5]；操作系統采用Windows系統，以保證軟件的安全性和可移植性。

2.3 健康管理數據的應用開發平臺

數據庫應用系統在NET環境下開發，同時利用ADO.NET數據訪問技術連接數據庫。在民航發動機健康管理數據庫的設計和開發中，主要利用NET實現接受客戶端的數據請求，處理查詢條件、連接數據庫進行數據操作并得到相應記錄，將記錄生成結果頁面、結果頁面的生成與提交等。

3 健康管理數據庫的系統設計

在數據庫的設計過程中，不僅要結合用戶需求和數據庫系統設計的要求，同時，還要解決數據的一致性、冗余性、訪問效率等問題，設計出滿足用戶需求、便于維護和擴充、具有好的可讀性、能夠滿足空間和效率要求的數據庫系統。

3.1 需求分析

民航發動機健康管理系統數據按照應用要求，具體可以分為選型清單信息、航線數據信息、車間數據信息，分析數據信息四大部分。每一部分所包含的內容如表1中所示。

表1 健康管理數據庫數據結構表

數據流圖可以直觀的表現出系統中數據處理的過程，能夠對用戶需求進行更進一步的分析和表達。在分析數據在系統內部邏輯流向和邏輯轉換的基礎上，用圖形的方式表示了民航發動機健康管理數據庫所完成的邏輯功能，如圖2所示。

3.2 概念結構

概念結構設計，就是將用戶需求抽象為信息結構，也就是概念模型的過程。本文數據庫的概念模型采用的是E-R模型，其構成成分是實體集、屬性和聯系集，這個模型了數據庫系統所管理的數據信息之間的關系。根據民航發動機健康管理數據庫用戶的需求可以得系統的E-R圖，如圖3所示：

圖2 健康管理數據庫的數據流圖

建立了E-R模型后，就可以將概念模型轉換為邏輯模型。邏輯模型與數據庫管理系統相聯系。因為民航發動機健康管理數據庫采用的是Oracle數據庫管理系統，所以，概念模型轉換為邏輯模型就是E-R模型轉換為關系模型[6]。

圖3 健康管理數據庫的E-R模型

4 健康管理數據庫的功能設計

健康管理數據庫功能可以分為用戶登錄和管理、數據查詢、圖像處理和生成、數據上傳和下載、系統管理等部分。

4.1 用戶登錄和管理

健康管理數據庫的數據對于保密性和安全性有很高的要求，為了保證系統和數據的安全性、可靠性，用戶登錄和管理模塊需要進行嚴格的管理[7]。用戶必須通過用戶名、密碼、驗證碼驗證后才能登錄界面進行應用管理和瀏覽。基于本系統采用的B/S結構，系統采用Session對象來有效阻止用戶通過猜測URL的方法跳過登錄界面直接進入系統。

用戶管理模塊主要是對健康管理數據庫系統的用戶進行管理。采用“用戶ID”作為主鍵，根據用戶需求的不同設定不同的訪問權限。訪問權限按用戶級別不同可分為“管理員”,“用戶”和“游客”三個不同級別。“管理員”賬號僅由負責數據庫系統管理和維護的人員使用，具有最高權限，可以控制和監控用戶對數據庫的存取訪問，設定各種類型數據的訪問權限，更新系統數據庫中的信息，維護數據庫的安全性，監控和優化數據庫的性能等。系統的登錄界面，如圖4所示。

圖4 民航發動機健康管理數據庫登錄頁面

4.2 數據查詢

數據查詢是數據庫應用的核心功能，是實現數據應用的基礎。需要具備以下功能：

（1）查詢方式的多樣性

支持對數據的層次查詢、條件查詢等多種查詢，并可對查詢出的數據進行一定條件的二次過濾。支持通過一種數據查詢到另一種相關的數據的關聯查詢，包括一對一、一對多、多對一等多種關聯方式。

（2）多種類型數據的查詢和處理

支持數據、數組、字符、文檔、圖片等多種數據類型的查詢，能夠按用戶需求對數據進行動態回放。可以將數據生成支持故障診斷和狀態預測等軟件使用的文件格式，以供分析使用：支持圖片的生成，可將后置處理的數據繪制成需要的圖片。

4.3 數據的上傳與下載

信息根據屬性不同可分解為數據、數組、字符、文檔、圖片、軟件等類型。

靜態數據和文檔具有固定的格式，在系統執行過程中不能加以改變，可以設定與格式相對應的關系表，由系統分配固定大小的存儲空間，用戶在選定相關文件后直接讀取文件的內容。

動態數據的數據量比靜態數據大，數據類型多且數據結構復雜多變，在數據庫中不能和靜態數據一樣制定出對應的關系表進行儲存。可以通過以下兩種方式實現數據的存儲和讀取：

（1）通過數據流對象的處理和轉換等操作，把該類型的數據直接存入數據庫中，用戶在查詢和瀏覽時再按原來的格式讀取顯示。

（2）將數據作為文件存放在服務器目錄中，在數據庫的關系屬性中存儲這類數據的相對物理地址，用戶可以直接根據對應的相對物理地址查詢到所需數據。

軟件類的數據格式簡單，但是單個文件較大，可以采用相對物理地址的形式存儲在數據表中，將相關信息加入到數據庫中方便用戶使用。

對于動態數據和軟件數據，應用系統分別開發相應的數據上傳下載模塊。用戶可以通過File Upload控件上傳文件，并對文件進行相應的描述和說明，同時，可以設定用戶對文件訪問的權限，上傳人和上傳日期信息由系統自動生成。

4.4 系統的管理

為了更方便的實現對系統的管理，應用系統還開發了數據錄入和刪除、用戶訪問記錄查看、數據訪問權限設置等系統管理模塊。

（1）數據錄入和刪除模塊

在民航發動機健康管理數據庫中，管理信息的數據類型復雜具有非結構化的特點，數據量大且多變，需要根據用戶需求和數據類型制定不同的管理方法。根據應用要求的不同，數據庫可以分為選型清單信息、航線數據信息、車間數據信息、分析數據信息四大部分。應用系統分別為各部分設計了對應的顯示界面，供一般用戶訪問和瀏覽信息；同時還設計了管理界面，使管理員利用普通客戶端即可完成數據庫中信息的管理工作。

（2）數據訪問權限的設定模塊

系統管理員不僅可以設定用戶的使用權限，還可以設定數據庫中各部分數據的訪問權限，從而對數據實現雙重保護。

（3）用戶訪問記錄的查看模塊

為了更好的對數據庫系統進行管理，在管理系統中增加了可以查看用戶訪問記錄、登錄時間和上傳及下載數據歷史記錄的功能。

5 結束語

民航發動機健康管理數據庫系統能將長期積累的航空發動機使用、維護、性能分析等大量數據存入數據庫中，其可以實現數據的添加、修改、刪除、查詢和備份等功能，完成發動機健康管理數據的可視化管理，為民航發動機的使用和維護提供可靠豐富的數據基礎。這是一項系統工程，對數據庫的設計開發還需要繼續不斷的努力。

[1]李愛軍，章衛國，譚 健.飛行器健康管理綜述[J].電光與控制，2007，14（13）：79-83.

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[3]陳志英，李 煥.航空發動機可靠性參數數據庫的設計[J].燃氣渦輪試驗與研究，2003,16(3):35-37.

[4]蔡 芳，王曉紅，劉曉輝.基于B/S結構的Excel試驗數據導出方法[J].電腦開發與應用，2011,24（12）：20-24.

[5]陳震宇.基于數據庫的新型航空發動機試驗測控系統[J].航空發動機，2011,37（1）：36-39.

[6]邱軍芳，雷 勇，柳共青.工程數據庫在某型發動機試車中的應用[J].航空動力學報，2003,18（3）:432-435.

[7]何琳楠，劉振興.航空發動機試驗數據庫的構建[J].燃氣渦輪試驗與研究，2010,23（4）：57-60.