航天產品試驗數據分析與管理系統設計研究

王曉斌 古 偉

北京強度環境研究所，北京100076

航天產品從論證到最后交付使用，期間要通過各種不同試驗驗證，產生大量的試驗數據。由于試驗性質、設備、場合的多樣性，造成試驗數據的獨特性與多樣性。存放地點與媒介不同、數據格式不一致、處理方法與軟件工具不同、數據交換方式不同，由此也產生了在數據管理與使用方面的一些問題，主要體現在數據管理效率低、數據利用率低、數據處理準確性差、試驗數據的深層次價值無法充分挖掘、安全保密性差等方面。

因此，如何有效管理與使用這些寶貴的數據，充分發掘它們的價值，是保證型號研制質量、進度以及后續型號改進的關鍵因素之一。

1 系統組成與要求

航天產品研制是極其復雜的系統工程，整個研制試驗過程涉及到不同階段的各種試驗，需要根據試驗分析結果來驗證設計與配套設備的有效性和可靠性。

多年來，在一系列試驗數據分析與管理系統的設計開發過程中，針對型號產品研制的特點，對不同用戶的功能需求和使用要求進行了綜合分析與研究，總結出了試驗數據分析與管理系統的設計目標與基本功能要求。

對于試驗數據的分析與管理不能僅僅局限于零散的試驗數據本身，而需要從系統角度出發，根據研制流程要求，把產品配套管理、研制階段管理、試驗數據管理、試驗數據處理、試驗結果分析評估等元素納入到系統中，為產品配套、設計改進、后續產品研制提供決策依據。這是試驗數據分析與管理系統的基本設計目標。系統組成結構示意如圖1 所示。

圖1 系統組成結構示意圖

試驗數據分析與管理系統應滿足以下要求:

1)安全保密控制管理

試驗數據屬于涉密信息，作為數據管理系統也是涉密應用系統。涉密應用系統須按照涉密信息系統相關安全保密規定進行安全控制管理，授權應遵循最小授權、相互制約和相互監督原則，角色劃分應滿足涉密信息系統分級保護要求。

2)流程控制管理

流程控制是保障試驗數據準確錄入、試驗數據正確處理、試驗結果準確利用、實現數據安全保密的重要機制。流程涉及到數據入庫、處理、評估、配套、下載等方面，建立事件自動提醒機制，將流程節點事件自動發送到相關角色的工作面。

3)產品配套與研制階段管理

雖然試驗數據分析與管理系統的主要功能不是進行產品配套管理與研制階段管理，但最終目的是為產品研制、配套提供服務。因此，須將產品配套信息、研制階段信息納入到管理系統中，與試驗數據建立關聯，以便準確快捷地為產品研制提供依據。

4)試驗數據管理

試驗數據管理包括數據錄入與整理、入庫、出庫、檢索與瀏覽、下載、導入導出、統計、報表、打印、備份等功能。

數據錄入具有手動與自動方式。手動方式下，主要把以文件形式存在的試驗數據、音視頻信息以及其它信息上傳至數據庫中。試驗數據進行結構化存儲，其它信息以試驗附件形式存儲。在自動方式下，采用數據接口形式與試驗記錄設備進行對接，自動接收試驗數據，進行結構化存儲。數據的入庫需要通過校對、審核、批準流程，出庫、下載需要通過審核、批準流程。

數據檢索與瀏覽以型號、研制階段、配套部件、批次等為索引，具有精確與模糊查詢功能，能夠對原始數據、處理結果、試驗音視頻信息、試驗附件以及其它附注信息以文字、曲線、聲音、圖片、視頻圖像等形式進行查看瀏覽。

5)試驗數據處理

系統需為試驗數據提供進行處理的平臺，內置通用處理功能，同時為特殊處理提供與其它處理軟件的數據接口。內置處理功能包括預處理、時域處理、頻域處理、時頻域分析、統計分析、批處理以及其它專業化處理。

數據處理結果能夠與自動生成的處理屬性和人工添加的處理注釋一起提交到數據庫進行入庫，以便共享處理結果。

6)試驗數據分析評估

根據以往試驗經驗，建立和完善試驗數據分析評估專家知識庫，提供分析評估推理機制模型，實現試驗數據分析評估自動化，為試驗件的配套決策、設計改進提供依據。

7)與基礎信息平臺接口

近年來，航天信息基礎平臺得到了廣泛應用，各單位圍繞基礎平臺開發了各類專業化信息管理系統。為充分方便地利用、共享試驗數據價值，試驗數據分析與管理系統應具備與基礎平臺、專業化系統的數據接口。

2 系統設計技術路線

2.1 企業級應用開發

具有生命力的應用系統，需要具備良好的擴展性，能以最小代價方便地適應不斷變化的應用需求。充分挖掘試驗數據潛在價值是建立管理系統的終極目標，這是一個需求不斷變化、功能不斷擴充和完善的過程。為適應這種變化，需要在軟件總體結構上采用開放式、層次化、模塊化的規劃與設計。

圖2 MVC 邏輯關系圖

MVC(模型－視圖－控制器)軟件層次結構是目前已被廣泛使用的一種成熟的軟件結構設計模式。模型(M)表示數據對象以及對其進行的業務處理。視圖(V)表示用戶操控顯示界面。控制器(C)提供處理過程控制，在模型和視圖之間起連接作用，負責把用戶的請求轉換成針對模型的調用，并調用相應的視圖來顯示數據。MVC 結構使應用程序的輸入、處理、輸出強制分開，使得軟件可維護性、可擴展性、靈活性以及封裝性得到提高。

2.2 軟件架構技術

對于信息管理系統的開發，目前主要存在2 種軟件設計模式:C/S 模式和B/S 模式。

C/S 模式均衡了服務器端與客戶端的負載，充分發揮了客戶端計算機的處理能力，能夠進行各種復雜的業務處理和界面操作，響應速度快。但C/S模式也存在一些缺陷:各客戶端獨立的業務處理造成信息的統一管理、同步與共享較為困難;軟件開發、升級、維護與管理復雜;各客戶端需要與服務器頻繁進行大量數據傳輸，占用較大的網絡帶寬;客戶端用戶界面風格不一致，使用復雜，不利于推廣使用。

在B/S 模式下，數據存儲與大部分的業務處理都在服務器端運行，應用軟件部署于服務器端，因此升級維護簡單。B/S 模式采用相對獨立的多層結構，當軟件功能發生變化時，只需在服務器端修改相應層次模塊，客戶端不需要進行任何改動。B/S 模式將大多數工作放在服務器上完成，增加了服務器的負擔?？蛻舳耸褂脼g覽器模式，不便于對信息進行復雜的界面操作處理，效率要比C/S 模式低。

圖3 B/S 系統流程示意圖

試驗數據的有效管理、試驗成果的最大化價值利用是試驗數據分析與管理系統的首要問題。采用B/S 模式系統架構，通過為用戶提供便捷的數據錄入、查詢、檢索、瀏覽、下載等功能，便于試驗數據的集中全面管理和試驗成果的發布與利用。而對于數據的復雜界面操作處理，可以在頁面中結合客戶端控件技術或者集成專門客戶端分析處理軟件(富客戶端)，形成分布式處理系統，由客戶端計算機完成部分復雜的操作處理，這樣也能夠減輕服務器的處理負擔和網絡負荷。

2.3 數據庫技術

數據庫技術作為計算機數據處理與信息管理系統的重要組成部分，在解決大量數據有效的組織和存儲、保障數據安全、實現數據共享、高效的數據檢索及處理等方面發揮著越來越重要的作用，已成為對大量數據進行組織與管理的重要技術手段。數據庫技術經過了幾十年的發展，目前常用的商業化通用型數據庫管理系統包括Oracle，SQL Server，Ingres，Informix，Sybase，DB2 等。

值得指出的是，作為具有我國自主知識產權的數據庫管理系統，由北京神舟航天軟件技術有限公司開發的神通數據庫管理系統，采用關系數據模型作為核心數據模型，支持SQL 通用數據庫查詢語言，提供標準的ODBC，JDBC，OLEDB/ADO 和. Net Provider 等數據訪問接口，兼容Oracle，SQL Server商業數據庫，具有海量數據管理和大規模并發處理能力，支持Windows，Unix，Linux 等多種操作系統，對于信息安全要求很高的領域來說，是一個合適的選擇。

綜合考慮技術發展、應用廣度、后續支持、兼容性、性能、安全保密等各方面因素，優先選擇神通數據庫，Oracle，SQL Server 作為數據庫管理系統。

3 系統設計實施策略

3.1 開發框架選擇

目前應用較廣的開發框架主要有java 和. net兩大陣營。

1)J2EE 技術框架

在J2EE 技術框架下，數據庫服務器和應用服務器操作系統可采用Unix，Linux，Windows Server 系列。數據庫管理系統可選用Oracle 系列、SQL SERVER、神通數據庫。應用服務器可選用Weblogic，Tomcat，Websphere，Apache 等。開發架構可采用Struts，Spring，Hibernate，使用HTML，XML，Javascript，java，JavaBeans，EJB 等開發語言與組件。J2EE技術框架的最大優點就是可跨平臺部署和運行。

2).NET 技術框架

在.NET 技術框架下，數據庫服務器和應用服務器操作系統采用Windows Server2003/2008。數據庫管理系統可選用Oracle 系列，SQL SERVER，神通數據庫。應用服務器采用操作系統內置的IIS。開發架構可選用ASP. NET，使用HTML，XML，XAML，VBScript，VB，C#，ActiveX，Silverlight 等開發語言與控件。尤其是Silverlight 技術，屬于“富”客戶端技術的一種實現，會充分發揮客戶端計算機的處理能力，減輕服務器端的負荷，完成復雜的操作、顯示與處理。.NET 技術框架的最大優點是更高的開發效率，尤其是asp. net 中對mvc 視圖與控制的劃分是一個亮點。

采用JSP 或者ASP.NET 技術都是適宜的。JSP技術框架能夠支持軟件跨平臺運行，而ASP.NET 技術框架因為其開發技術與環境、運行環境都屬于微軟技術框架，集成度高，技術一致性好，開發與維護簡單。

不論采用哪種技術框架，堅持的設計思路是:充分發揮服務器端的優勢，將數據存儲、通用分析與處理、管理等功能設計在服務器端運行;對于簡單的、常規的數據查閱與瀏覽、圖形操作顯示、音視頻信息顯示等功能，在服務器端生成動態頁面，以HTML，XML，XAML 等形式發送到客戶端執行;對于復雜的圖形顯示與操作、數據的特殊處理等功能，采用在頁面中嵌入腳本、客戶端控件以及集成專門處理軟件等技術，在客戶端計算機運行，高效率地完成復雜的顯示操作與處理。

3.2 數據結構與組織

需要管理的試驗信息種類較多，但可歸成2 類進行數據庫管理:結構化存儲、非結構化存儲。

1)通過設計多級表結構實現結構化存儲，用于存儲試驗數據。通過建立關鍵字索引、查詢結果視圖、外鍵、唯一鍵等手段，合理高效地組織數據庫結構。同時，在數據庫操作接口中，廣泛使用存儲過程，提高數據庫操作效率。

2)對于非結構存儲，以文件形式在數據庫中保存信息，包括音視頻信息、圖片、其它資料等。以附件形式在數據庫中建立索引，存儲其文件名、位置、關鍵詞、注釋等信息，以便進行快速檢索、查閱。

3.3 數據管理

試驗數據的規范化高效管理是數據管理設計的核心。

1)建立數據字典，通過交互界面強制規范數據名稱，避免由于試驗數據種類繁多、試驗地點與人員的不同而造成的數據名稱混亂現象，形成規范、標準、唯一的名稱。

2)設計規范統一的數據接口，將不同數據格式轉換為系統內部標準統一的格式，接口采用外置式設計，以便于格式擴展。

3)建立以型號為基礎的樹型數據庫模型，將海量數據劃分成多條經緯線，以便快速瀏覽數據全貌和檢索目標。

4)在服務器端將文件服務器與數據庫服務器分離，避免由于突發的數據文件傳輸與數據庫操作造成的雙方性能下降。文件服務器采用http +ajax技術來實現文件上傳/下載，融合用戶頁面交互操作與數據傳輸。

3.4 數據處理

數據處理采用2 種模式實現。

1)遠程服務端處理，本地瀏覽顯示。

對于用戶交互較少的處理，采用在服務端處理的模式，將生成的結果數據、圖片、曲線等元素輸出到客戶端瀏覽器進行顯示，并為用戶提供簡單的交互操作。

2)本地處理。

當需要進行大量復雜的交互操作與處理時，一種方法是在頁面中嵌入applet 或ActiveX 控件，在客戶端完成處理和交互操作，Flash 和Silverlight 都是此技術的實現;另一種方法是將數據下載到本地，再由本地的專業化軟件進行處理，處理結果再上傳至數據庫供其他用戶使用。第2 種方式構成了分布式處理系統，能夠充分利用現有處理資源，降低開發與維護成本，提高處理效率和成果利用率。

3.5 安全控制管理

應用系統的安全涉及到用戶身份認證、角色分配、權限劃分、業務流程控制、數據加密等方面，需要進行合理設計與嚴格編碼，以保證系統安全保密。

1)對用戶、密碼、角色、權限、以及其它關鍵信息進行MD5 算法加密處理，生成明文碼存儲，即使從數據庫中非法取出明文仍然無法獲得原始信息;

2)對系統結構進行更加細化的層次設計。在MVC 三層架構中，模型層包含了數據對象和業務邏輯，在與視圖交互過程中，頁面會泄露后臺的數據結構，造成系統安全隱患。將業務邏輯從模型層分離出來，形成數據對象層和業務邏輯層，采用4 層結構來提高系統安全保密性;

3)在編碼設計中，嚴格區分前后臺，避免在頁面中使用業務處理邏輯。充分采用控件技術，避免使用普通html 元素提交關鍵信息。

3.6 外部接口

與外部系統接口是本系統與其它系統協同工作的橋梁。由于信息化建設的需要，各應用系統間存在業務和數據接口關系，并且隨著應用的深入，接口關系與內容也在變化。為了方便地適應這種變化，需要采用開放式接口設計，Webservice 就屬于這種技術。

通過Webservice 接口設計，將接口部分進行獨立封裝，形成提供調用方法的中間接口層。當接口發生變化時，只修改中間層部分即可實現。另外，Webservice 基于Web 結構，支持廣域網遠程應用，具備跨平臺、不限編程語言等特點，是大型應用系統接口設計中應充分運用的技術。

4 結束語

航天產品試驗數據分析與管理系統須結合航天產品研制特點，適應航天用戶的使用要求。在多個系統的開發過程中，結合航天型號不同階段的試驗、不同用戶的需求，在系統功能、應用方式、軟件架構、技術路線等方面進行了大量的需求梳理、設計研究與應用實踐，逐步形成了適合航天特點的試驗數據分析與管理系統，使用效果良好。

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