風洞試驗數據管理平臺設計與研究

陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車技術研究中心，上海 201201)

風洞試驗數據管理平臺設計與研究

陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車技術研究中心，上海 201201)

針對國內民用飛機風洞試驗數據體量大、種類多、高時效、更新快等特點，引入了矩陣存儲模式替代了原有的分層存儲模式對現有風洞試驗數據進行了重新劃分與歸類，優化了數據文件存儲結構。仔細分析該平臺在存儲規模、管理規范及使用功能等方面的需求后，擬選擇IBMx366型或同等級別的工作站及配套設備作為硬件基礎，同時明確了該平臺的面向對象、使用規范及管理辦法。該平臺所含寫入/查詢/更新等常規功能采用Labview8.6軟件開發平臺及SQL語句腳本實現。該數據管理平臺已具備了一定實際功能，基本滿足對風洞試驗數據管理的需求。

風洞試驗；數據庫；SQL語言；Labview8.6平臺

0 引言

風洞試驗是民用飛機設計研發的重要手段，通過試驗獲得的數據是分析飛機氣動性能、操穩特性的主要依據。作為重要資料及成果，風洞試驗數據應采用合理的體系及高效的工具對該試驗數據進行有效的管理[1]。一些發達國家的研發機構早已啟用了大型的數據庫管理平臺，而國內多數科研單位大多是以數據文件的形式個別存放，僅少部分引入了相對完整的管理機制。單獨存放會使數據之間缺乏邏輯聯系，無法反應型號研制各階段氣動設計的發展過程；缺乏統一歸口管理也會導致數據的歸檔、查詢工作的不便；對于部分重要的涉密試驗數據，還存在丟失，泄露的風險。

本項研究來源于國內民用飛機研發單位某項基礎能力建設項目課題，其目的是借助高性能的硬件設備及恰當的軟件程序創建一個兼具可靠性和實用性的中小型風洞試驗數據管理平臺 (以下簡稱“數據平臺”) ，用來存儲具有一定規模的風洞試驗數據，并對數據入庫、查詢進行規范的管理。

本文從該數據平臺總體結構設計、需求分析、服務器硬件選型、管理機制及功能實現方法等多個方面論述了該數據平臺的設計理念、過程及結果。

1 總體結構

1.1 總體定義及結構

該數據平臺從結構上可分為兩部分，即 “集成服務器(主端)”以及 “個人服務器(終端)”。

“數據平臺”的總體結構及其劃分如圖1所示。集成服務器主要由一定規模的處理器和存儲空間構成，其作用為存儲并備份大量的數據文件。個人服務器即搭載了操作系統的個人電腦或小型工作站，技術人員可通過其實現對數據庫的訪問及其他相關操作。集成服務器與衛星服務器之間通過數據接口進行轉接。

圖1 “數據平臺”總體結構

1.2 數據文件的存儲分類

圖2 分層存儲模式

風洞試驗可按型號、階段、方法進行類別劃分，不同種類的風洞試驗對應的數據文件在大小、格式、內容上也均有所不同。對數據文件進行有效地梳理和劃分可增強其邏輯關系，節省存儲空間，有利于“數據平臺”的整體運行。

數據文件的分類存儲一般可采用如圖2所示的“分層模式”與如圖3所示的“矩陣模式”。

圖3 矩陣存儲模式

“分層模式”是目前較常用的分類存儲辦法，主要通過逐步分層劃分存儲空間，并以“路徑”的形式確定文件的存儲位置。該模式適用于數據文件數量較少，且數據之間邏輯關系較弱的情況，但在對體量較大的數據文件管理時效率較低。

“矩陣模式”主要通過同時定義數據文件在不同維度劃分存儲框架，并以“節點”的形式確定文件的存儲位置，更有利于進行文件的快速定位并建立邏輯關系。

2 需求分析

2.1 存儲規模需求

該“數據平臺”的存儲空間需完全覆蓋現有數據文件存量及未來15年內可能出現的數據文件增量。截止2016年為止，風洞試驗數據文件的存量已達數百“千兆”量級；通過對當前型號研發需求及后續型號發展規劃分析后預計，到2030年，數據文件存儲總量將數倍于當前。同時為了確保數據的安全，應預留數據文件熱備份所需的存儲空間。

綜合以上因素，該“數據平臺”存儲規模應不小于2千“千兆”(約2TB)。

2.2 面向對象需求

該“數據平臺”面向對象主要分為“使用用戶”與“管理用戶”。前者主要為負責發布數據文件的技術人員和需要查閱分析數據的技術人員；后者主要為專業主管、部門領導、型號(副)總師等，負責對數據的有效性和權威性進行各級審核。

經統計，當前潛在使用用戶人數約為30余人，管理用戶人數約為10人，合計約50人。

2.3 功能需求

為了提高風洞試驗數據的使用效率，該平臺應具備數據錄入、分類、查詢、下載及更新等功能。同時，為了規范試驗數據管理，該平臺應同時兼具數據有效性審查、使用記錄留存等功能，用于相關專業對數據使用情況的跟蹤及備份。

3 硬件設備選擇

為了滿足2.1中所述存儲規模需求，應合理選用硬件設備作為數據平臺的重要載體。數據平臺的硬件設備主要包括：處理器(CPU)、電源系統、內存、硬盤、外存儲器及機架等。選擇硬件設備時主要應遵循以下原則。

3.1 高性能原則

高性能原則是指所選擇的服務器硬件設備不僅能高速高效地處理數據上傳、下載、更新等要求，而且能夠滿足持續的存量增長及新功能開發。服務器設備的性能一般以Tpmc值進行衡量[2]，即：

式中：v為峰值處理能力(次/分)；a為對應數據庫事物數；k為基準TPC對應指標；e為偏差經驗值；η為處理能力冗余系數。

在充分考慮對存儲規模及多線程操作的要求，該服務器的Tpmc值范圍約為10 000，屬基礎水平。

3.2 可靠性原則

服務器的可靠性主要包括內部報錯系統、安全系統、打印系統等。在必要時應具備冗余技術，同時像硬盤、網卡、內存、電源此類設備要以穩定耐用為止，防止重要數據因上述設備故障導致損失。

3.3 可擴展性原則

服務器的可擴展性即確保其應能夠在相應時間內對其自身的各項指標進行相應的升級，如：CPU型號升級、內存擴大、硬盤擴大、更換網卡、增加終端數目、掛接硬盤陣列都需要服務器在整體上具有一個良好的可擴充余地。采用DAS、NAS或SAN等實現技術可顯著提高可擴展性。

4 數據入庫/查詢流程

為確保試驗數據的真實性和權威性，并保證試驗數據添加和使用符合科研單位的規定，應制定合理的管理機制，作為該數據系統運行的準則。

圖4(a)，4(b)分別規劃了數據入庫和數據下載的規范流程。

(a) 數據入庫流程 (b) 數據查詢流程 圖4 數據入庫和下載規范流程

數據入庫流程由主要試驗負責人發起。上傳數據前應保證試驗單位提供的試驗數據準確完整，格式統一，并填寫“入庫信息表”中時間、地點、參與人員、有效車次等主要內容。經專業主管審核后存儲于數據庫中，并在目錄中予以添加。

數據查詢流程主要由專業技術人員發起。在數據庫中檢索到試驗名稱，提交查詢需求并通過專業主管后可訪問數據庫對數據進行詳細查詢。

5 系統主要程序

5.1 數據接口創建

根據該系統的總體結構，使用者通過終端與數據庫連接時應先建立穩定的數據接口，才能進一步進行數據寫入、數據查詢及數據更新等操作[4]。

在WINDOWS環境下，操作端與數據庫終端的接口一般采用控件ActiveX創建。本數據平臺的接口將采用Labview8.6軟件自帶的ADO(ActiveX Data Objects)接口模塊進行創建。

建立該數據接口如圖5所示，其具體步驟為：①建立連接節點；②打開連接節點并定義數據(組)名稱；③讀取SQL語句執行腳本；④關閉連接節點；⑤注銷連接節點。

圖5 接口建立

5.2 主要執行腳本

5.2.1 數據上傳

當需要上傳一定數量的風洞試驗數據文件時，可通過以下SQL腳本在數據庫中新建對應存儲位置，并將這些數據文件依次存儲。

上述SQL執行腳本首先在數據庫中創建一個新的數據文件對象“WindtunnelTest1”，并規定了其數據文件的各個字段的大小和性質。然后在本地定位需上傳的數據文件后實現批量上傳。

5.2.2 數據查詢

當根據一定條件對現有數據庫中的某項試驗數據進行查詢時，可采用select語句。如希望查詢某風洞試驗數據文件中迎角α=10°，β=5°的升力系數CL、阻力系數Cd，可采用以下SQL腳本執行。

上述SQL執行腳本首先在數據庫中指定名稱為“windtunneltest1”的數據文件，然后指定升力系數CL與阻力系數Cd作為查詢對象變量，并將條件值(即α=10,β=5)賦予該些變量。運行后即可獲得該數據文件中與查詢條件匹配的結果。

5.2.3 數據更新

當數據庫中已有的數據需要被新數據替換時，可以使用update(更新語句)。如將某數據文件中升降舵偏度δe為5°車次的俯仰力矩系數Cm修正+0.2，可采用以下SQL腳本執行。

與“5.2.2數據查詢”類似，上述腳本首先指定了需要更新的文件“windtunneltest1”，再指定升降舵偏度字段作為變更依據變量，然后指定俯仰力矩系數字段“Cm”作為變更對象變量，并按條件(修正量+0.2)對變量進行重新賦值。同時，將字段名稱“Cm”變更為“Cm1”，用于說明該列數據已經過修正。

6 結論

通過配置合適的硬件設備，制定規范的管理機制以及各種SQL功能語句腳本建立了一套民用飛機風洞試驗數據管理平臺。該平臺總體上滿足數據文件儲存規模和操作功能的需求，可以在一定程度上規范數據管理，提高數據使用效率。

[1] 段丕軒，彭長英，晉榮超. 低速風洞試驗數據庫系統[J]. 體力學試驗與測量, 2003,17(4):92-95.

[2] 徐培鏇. 淺談數據庫服務器的選型[J]. 科技信息, 2012,(21):58-58.

[3] 易偉建，何慶鋒，肖巖. 工程結構試驗數據庫模型設計研究[J]. 湖南大學學報,2006,33(2): 22-25.

[4] 楊毅秋，曾國保，李說. 軌道交通標準化設計數據庫開發及研究[J]. 鐵道工程學報,2013,30(6):88-91.

[5] 劉靈霞，秦蕊，彭仁強. 基于Oracle平臺的發動機試驗數據庫系統構建[J]. 燃氣渦輪試驗與研究, 2012,(B12):48-51.

Design and Research of Wind Tunnel Test Data System

(Pan Asia Automotive Technical Center, Shanghai 201201, China)

According to the characteristics of wind tunnel test data, such as large quantity, different variety and updating frequency, matrix saving mode is used to replace traditional layer saving mode to re-classify current wind tunnel test data. Thus, such document structure of data is optimized. After analyzing the requirement of saving scale, managing criterion and function needs, it is suggested to select IBMx336 or equivalent hard-server as key hardware. Client, users’ guide and managing discipline are illuminated at same time. Function such as writing, searching and updating is realized by Labview 8.6 programming and SQL language script. Practicability of such system is validated and it really can help to meet the need of wind tunnel test data management in the relevant research.

wind tunnel test; database; SQL language;Labview8.6 programming system

V211.74

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.012

陳功男，碩士，工程師。主要研究方向：空氣動力學；E-mial: gong2-chen@patac.com