基于Web的靶場遙外測數據分析與快速發布系統

岳 佳， 崔永強， 安大偉

(中國太原衛星發射中心技術部 太原 030027)

引 言

當前靶場飛行器發射試驗呈現出“短間隔、快流程”的新特點［1］，如何將靶場遙、外測數據處理結果快速轉化為有用信息，提高數據利用價值，使其更好地支持靶場決策已然成為一個亟需解決的新課題。傳統模式下，靶場遙、外測數據分析主要依靠準實時和事后數據處理［2］，周期較長，這種模式已不能滿足新形勢的需要，特別是飛行異常情況下的數據支撐和故障分析定位的需求。因此，有必要建立一個遙、外測數據分析與快速發布系統，使其依托網絡平臺，借助多種數據分析手段，在對遙、外測數據快速處理的基礎上，將數據快速、準確地發布給決策者和型號部門，為發射試驗全信息的現場分析和判讀提供依據，為異常辨識、故障快速精確定位提供多角度數據支持，為飛行決策提供技術支撐。

1 主要功能

通過對靶場遙、外測數據分析與快速發布系統(下文簡稱系統或DAPS)進行需求分析，確定了系統主要由數據后臺管理和數據前臺顯示分析兩部分組成，后臺數據管理包含了海量數據存儲管理、數據處理結果快速入庫等功能，數據前臺顯示分析主要完成基于Web的數據分層分類顯示、數據比對分析等功能。系統功能關系如圖1所示。

1.1 數據管理

1.1.1 用戶管理

針對不同用戶，設立不同的用戶權限，行使對應的數據管理職能。用戶根據權限劃分為三類，分別是系統管理員、遙測數據管理員和外測數據管理員。其中遙測數據管理員的權限是對遙測數據處理結果進行入庫和維護;外測數據管理員的權限是對外測數據處理結果進行入庫和維護;系統管理員的權限是對數據進行入庫、維護和配置管理，對用戶進行定義和授權。

1.1.2 遙測數據入庫及維護

圖1 系統功能關系Fig.1 System function

將遙測數據處理結果導入數據庫，主要包括遙測重要時間指令表和遙測參數結果文件;對遙測數據進行維護，包括瀏覽、刪除、增加、備份數據等。

1.1.3 外測數據入庫及維護

將外測數據處理結果導入數據庫，包括速度/高度數據、位置分量數據、速度分量數據、精度數據和光學圖像等;對外測數據進行維護，包括瀏覽、刪除、增加、備份數據等。

1.1.4 系統配置管理

對系統數據庫的物理地址、連接、登陸設置等配置進行管理;對飛行器飛行時段和分系統等配置信息進行管理。

1.2 數據顯示分析

1.2.1 遙測參數處理結果分層分類顯示

將遙測參數的處理結果分層分類顯示，根據數據分析的思路將遙測參數先按飛行時段分類再按系統分類，然后按照參數類型分類顯示，這種逐層分類的結構具有可配置性，可以根據不同飛行器的特點和要求進行配置和調整。通過這種分層分類顯示可以明確參數歸屬范疇，更有效地進行關聯性比對分析和故障定位診斷。

系統可顯示遙測參數的具體信息，包括參數的序號、名稱、代號、量綱、理論范圍、測量時段、參數值等。遙測參數值信息以參數曲線和數值方式顯示，其它基本信息和時間指令參數以列表方式顯示。

1.2.2 外測數據處理結果分類顯示

將外測數據的處理結果進行分類顯示，包括速度/高度曲線、彈道分量曲線和精度曲線三類。

速度/高度曲線采用雙坐標軸方式，橫軸顯示時間，兩個縱軸分別顯示速度和高度。其它類別的曲線采用單坐標軸方式。

1.2.3 數據分析

系統采用值域法、類比法、差分法等數據分析方法，充分利用先驗信息對數據進行歷史數據比對和參數間關聯性分析［3］，幫助辨識異常數據。歷史數據中的異常數據有特殊標記，以避免錯誤的引導，便于異常數據歸納分析。在對單個參數進行曲線畫圖分析時，能夠顯示理論值比對和幅值管道約束分析等。

1.2.4 數據處理結果多媒體顯示

系統能夠顯示光學圖像，并能夠對特征事件圖像進行局部放大分析，支持JPEG、BMP、PNG、TIFF、GIF等多種常用文件格式，并能夠以PDF文件或DOC文件方式顯示遙、外測數據綜合分析報告。

1.2.5 遙測故障模式顯示

遙測故障模式的分類顯示方式區別于正常情況下的遙測信息顯示，系統按照故障樹預先將遙測參數分類設定在相關聯的故障模式下，能夠在故障模式下完成更有針對性的數據分析［3］。

2 系統總體設計

系統基于Web開發，通過內部網絡實現數據的安全共享。在Web網絡應用開發中，動態網頁語言各有優勢與不足［4，5］。為了增強系統的獨立性、平臺無關性和安全性，充分發揮數據層高效的數據存儲和數據管理能力，實現遙、外測數據的動態瀏覽，系統針對兩個功能軟件的需求特點，考慮到JSP在網頁解析執行效率上的優勢和系統開發成本，采用Apache+PHP組合方式開發數據管理軟件，采用Tomcat+JSP組合方式開發數據顯示分析軟件，使用Web瀏覽器作為客戶端，后臺數據庫使用MySQL數據庫。這兩種組合方式針對性強，工作效率很高，系統性能較強［4，5］。

2.1 體系結構設計

系統體系結構采用B/S(Brower/Server網絡模式)三層結構開發，三層結構分別為用戶界面層、業務邏輯層和數據層［6］。系統支持多用戶的并發訪問，而且能夠提供文本、圖形、圖像等服務，具有用戶界面統一、易于使用、維護簡單、擴展方便、信息共享程度高等優點，實現了更大程度、更大范圍的數據庫資源共享。

圖2 系統結構Fig.2 System structure

用戶界面層通過Web瀏覽器與用戶和管理員進行交互，接收用戶和管理員的輸入請求，并將服務器端傳來的數據呈現給客戶。業務邏輯層負責接收Web瀏覽器傳來的請求，并將請求傳給數據層，同時將請求處理結果發送給Web瀏覽器［7，8］，數據顯示分析軟件通過Ajax技術實現數據通信，數據管理軟件由Web表單和組件服務向客戶呈現數據和信息。數據層中，數據顯示分析軟件通過JavaBean直接調用MySQL提供數據服務，數據管理軟件則通過PHP的MySQLi擴展庫操縱數據為業務邏輯層提供數據服務。系統結構如圖2所示。

2.2 數據庫設計

DAPS的數據庫基于MySQL5.6設計。由于數據管理系統實現的功能都是基于MySQL數據庫進行，因此要對數據庫的各種操作和屬性進行封裝［8］，抽象成一個數據庫操作類Database_MySQL。

DAPS數據庫主要包括八個表，具體功能見表1。鑒于遙測數據類型多、參數相關要素(如量綱、理論范圍、參數名稱等)復雜等特點，本系統專門設計了Index表(索引表)作為遙測數據相關要素顯示時的依據，在索引表內可以進行飛行時段、分系統、參數類型配置，異常數據標識，故障模式分類標注等，遙測參數的入庫、讀取數據信息也是基于索引表完成的。

2.3 主要功能模塊設計

通過分析、分解系統主要功能，將DAPS分為以下10個功能模塊:

①用戶管理

用戶管理根據服務器端設定的登錄用戶權限，通過訪問數據庫，獲取角色配置信息，為數據管理軟件用戶提供信息顯示和數據入庫功能。當登錄數據管理軟件時，系統要對登錄用戶進行身份與權限驗證。系統管理員可實現對用戶的管理設置。

②配置文件管理

系統運行前對配置文件進行管理，軟件配置文件集中存儲于數據庫服務器上，系統管理員對服務器上的配置文件進行更新。配置文件包括登錄配置文件和界面顯示配置文件。

③數據入庫

數據管理軟件實現靶場遙、外測數據的本地或異地入庫。

④數據庫管理

數據管理軟件能夠瀏覽、增加、修改和刪除型號數據庫、飛行試驗數據庫以及數據子表和索引表，并對數據庫進行備份和維護。

⑤數值顯示

系統提供數值顯示組件，顯示內容包括遙測數據的相對時和參數值。

⑥列表顯示

系統提供列表顯示組件，列表顯示時間指令參數、索引表信息等。

⑦曲線顯示

系統提供曲線顯示分析組件，能夠完成遙測參數歷史數據比對、遙測參數關聯性分析、遙測參數值域管道顯示、外測彈道數據雙坐標軸顯示、分量曲線顯示等功能。

⑧文檔資料顯示

當遙、外測綜合分析報告要以文檔資料方式顯示時，執行文檔顯示組件。

⑨圖像顯示

當要瀏覽圖像文件時，執行圖像顯示組件。圖像文件為特征事件光學圖像。

⑩故障模式顯示

當任務發生故障時，進入故障模式顯示界面。界面按照預先設定的故障模式分類顯示，顯示內容包括故障模式及與其相關的遙測參數具體信息，并實現遙測數據曲線顯示、列表顯示和數值顯示功能。

系統功能模塊及對應的用戶見圖3。

圖3 功能模塊及對應的用戶Fig.3 System function modules and corresponding users

3 系統實現

系統部署在服務器端，完成數據庫服務、數據管理Web服務和數據顯示Web服務。

3.1 數據管理軟件

根據主要功能模塊劃分，數據管理軟件可分為以下4個包:

①主框架包:實現程序啟動后Web網頁主框架的構建和系統的登錄、退出、菜單顯示等功能。

②數據導入包:主要完成遙測參數和外測參數的數據入庫功能。

③數據庫管理包:主要完成型號和飛行試驗數據庫的創建、刪除、備份、恢復，數據表的添加、刪除、清空數據，系統用戶的添加、刪除、更新和權限管理，系統配置的變更等功能。

④基礎包:主要是對系統實現過程中經常用到的數據庫操作、腳本操作函數進行集成，封裝成類或類庫，供各個網頁頁面調用。

圖4 數據管理軟件遙測數據入庫頁面和登錄頁面Fig.4 Telemetry data loading & login pages of data management software

由于遙、外測數據量巨大，考慮到數據入庫會消耗大量計算機資源，影響數據顯示分析軟件的運行效果，因此數據管理軟件進程以多線程運行，這種結構能夠加快數據入庫的速度，從而提高入庫效率。主控線程負責數據管理進程的初始狀態設置，通過運行系統相關的網頁類實例，構成數據管理進程與管理員之間的交互環境，完成人機交互命令的解釋處理，為進程提供運行控制支持，并創建其它應用處理線程。在數據庫管理過程中，系統管理員可以通過主線程完成系統框架的顯示與操作及各個網頁間的切換和顯示。在數據入庫過程中，入庫輔助線程負責完成遙、外測數據入庫。采用這種進程結構，遙、外測數據文件上傳的平均速度不低于100MB/min，當數據入庫達到峰值時，CPU占用率不超過50%，內存余量不低于30%，增強了軟件的可靠性和實用性。數據管理軟件的遙測數據入庫界面和登錄界面如圖4所示。

3.2 數據顯示分析軟件

根據主要功能模塊劃分，數據顯示分析軟件可分為以下3個包:

①數據處理包:實現數據處理，完成數據庫和文件中數據的處理和組織等功能。數據處理包主要從數據庫中提取飛行試驗參數配置信息和結果數據，在邏輯上封裝數據。包中的類均是Java Bean，被Servlet調用。

②邏輯控制與數據提供包:主要完成控制網頁顯示、為網頁提供數據等功能。包中的類均是Servlet，主要功能是提供JSP網頁和網站服務器之間的數據交互。軟件利用Ajax技術實現JSP網頁調用Servlet，Servlet通過調用DAPSBean中的JavaBean來獲取數據，再將數據返回給JSP網頁［9］。

③數據顯示包:實現遙、外測數據的快速顯示。遙測數據顯示主要完成遙測參數的分層分類瀏覽和數據比對顯示，以及時間指令表、分析報告和故障模式的顯示功能;外測數據顯示主要完成外測速度/高度數據、分量曲線、精度曲線、光學圖像和分析報告的顯示功能。

數據顯示分析軟件以多線程運行，在顯示過程中，用戶可以根據分析需要點擊導航欄中的按鈕，在遙測數據導航下完成按照系統分類、飛行段分類和故障模式分類的遙測參數曲線及數據的查詢分析，并在曲線顯示組件上完成遙測歷史數據比對、關聯性分析、理論值管道約束等數據分析過程;在外測數據導航下完成外測綜合彈道顯示、彈道精度顯示、光學圖像顯示等分析過程。此外，軟件還有遙、外測數據綜合分析報告瀏覽等功能。

數據顯示分析軟件充分考慮了顯示性能，由于曲線繪制最耗時間，因此在繪制時先判斷當前計算出的像素點是否與上一個像素點一樣，如果一樣則不再重復繪制。通過方法優化，曲線繪制耗時達到了指標要求，當數據文件比較大時(2MB～20MB)，參數曲線繪制時間小于20s;當數據文件大小中等時(1MB～2MB)，參數曲線繪制時間小于10s;當數據文件比較小時(小于1MB)，參數曲線繪制時間小于3s。數據顯示時CPU占用率不超過50%，內存余量不低于30%，軟件的用戶體驗更加流暢、快捷。數據顯示分析軟件主界面如圖5所示。

圖5 數據顯示分析軟件主頁面Fig.5 Main page of data display & analysis software

4 結束語

系統建設秉持“高效管理、快速發布、圖文并茂、綜合分析”的設計理念，基于Web技術開發了一個集試驗數據管理、發布和分析于一體的綜合試驗數據應用平臺，通過集成多種數據分析手段、運用多種顯示方式，將數據多角度、圖文并茂地展現出來，實現多型號遙、外測數據的集中存儲管理、分類聚焦、實時共享、合理使用，提高了試驗數據利用效率。通過信息的及時傳遞和共享，為試驗結果分析、異常數據辨識及故障快速定位提供了高效可靠的數據支持，更好地滿足多專業、多領域、多部門人員的需要。目前，該系統已在靶場飛行器發射試驗中得到廣泛應用，為飛行決策提供了有效幫助，為靶場完成傳統試驗向智能試驗的轉變奠定了良好的基礎。

［1］徐運濤，馬昕暉.航天發射任務組織指揮工作相關問題研究［J］.裝備學院學報，2012，23(3):116.Xu Yuntao，Ma Xinhui.Research on Organization and Command Issues about aerospace Launch Task［J］.Journal of Academy of Equipment，2012，23(3):116.

［2］楊延軍，陳偉利，王廣成.靶場數據處理技術［M］.北京:國防工業出版社，2007:4.

［3］王 震.運載器飛行性能分析評估方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2013:28～58.Wang Zhen.Research for Launch Vehicle Flight Performence Analyse and Evaluate Methods［D］.Harbin:Harbin Institute of Technology，2013:28 ～58.

［4］胡 楊.動態網頁技術 JSP與 ASP、PHP的比較分析［J］.軟件導刊，2006，(1):13～14.Hu Yang.Comparative Analysis of Dynamic Web page Technologies:Asp，PHP and JSP［J］.Software Guide，2006，(1):13 ～14.

［5］趙 錚.飛機故障信息管理系統研究與開發［D］.南京:南京航空航天大學，2013:15～18.Zhao Zheng.Research and Development on Aircraft Fault Management Information System［D］.Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013:15 ～18.

［6］趙鶴芹.設計動態網站的最佳方案:Apache+PHP+MySQL［J］.計算機工程與設計，2007，28(4):934.Zhao Heqin.Best Scheme of Design Dynamic Website:Apache+PHP+MySQL［J］.Computer Engineering and Design，2007，28(4):934.

［7］王鳳玲.基于PHP+MySQL的新聞發布系統的研究與實現［J］.計算機應用與軟件，2012，29(2):234.Wang Fengling.Study and Application of PHP and MySQL-Based News Release System［J］.Computer Applications and Software，2012，29(2):234.

［8］胡典慧.基于PHP的網上輔助教學系統設計與實現［D］.沈陽:東北大學，2010:8～11，16，26～27.Hu Dianhui.Design and Implementation of Network Environment Teaching Aids System Based on PHP［D］.Shenyang:Northeastern University，2010:8 ～11，16，26 ～27.

［9］Patterson E K and Wu D.Mufti-Platform CBITools Using Linux and Java-Based Solutions for Distance Learning［J］.IEEE Computer，1998，(6):72 ～77.