飛機試飛實時監控管控系統軟件構架的設計與實現

常永亮 王霖萱 常馨榕

(中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089)(貴州大學 貴州 貴陽 550025)(榆林學院 陜西 榆林 719000)

0 引 言

飛機試飛實時監控是飛機試飛的重要環節，實時監控的質量直接影響飛行安全，也是空地信任的主要紐帶。

原飛機試飛實時監控系統包括飛行遙測數據實時采集與處理軟件、客戶端軟件、各類實時數據顯示軟件、實時監控相關資料等。以前，監控飛機型號少,實時監控期間少有問題發生,能順利保障平時的飛行實時監控。隨著監控飛機型號的增加，如今同時監控數架飛機飛行成為常態，飛機試飛實時監控期間以前沒有遇到的問題時有發生，原飛機試飛實時監控系統越來越難以滿足現如今大場次多機種飛行實時監控需求。其中，多種實時監控系統并存，使用不當會使客戶端接收數據混亂。各架次實時記錄數據存放、命名等不規范，查詢困難。隨著飛行數據監控顯示軟件及版本積累增多，軟件各版本間繼承關系當事人也難以說清。同一時段某客戶端只能監控一架飛機實時數據，多機實時數據比較或并行監控困難。實時監控相關資料存放不統一，查閱困難。實時數據顯示軟件更新完全靠各課題主管人為拷貝操作，致使某客戶端的實時數據顯示軟件沒有同步更新的情況時有發生。局域網的運行狀態不能有一個客觀、直觀的衡量尺度。各監控大廳同時監控時飛行數據誤接誤解的情況時有發生。各監控大廳間通信時好時壞，原因不明且不能提前預判。這些現象都制約了實時監控質量的有效提升，對安全監控形成了嚴峻的挑戰。

如何將飛機試飛實時監控現狀進行有效地管控，確保飛機試飛實時監控的安全與質量，成了迫切需要解決的問題。

基于C/S模式的飛機試飛實時監控管控系統對各飛機試飛實時監控系統、實時監控相關資料、實時數據顯示軟件的狀態與更新、局域網實時狀態監控與預判、各局域網間的通信質量與數據傳輸時延等有效管控。并將實時監控系統與網絡實時狀態有效地實時顯示并提前預判，將影響飛行安全的因素提前掌握并有效排除。通過數據庫將各類資料、軟件、數據、各類信息等進行管理，在各實時監控系統服務器端與網絡附屬存儲設備間通過RDMA技術進行實時數據傳輸。在一臺客戶端同時監控多架飛機實時數據成為可能，通過NAS存儲與各實時監控系統服務器端本地存儲模式將遙測數據存儲。

1 系統設計

1.1 硬件架構

飛機試飛實時監控管控系統是一個綜合性的試飛數據處理管理系統，由各服務器端、存儲設備、客戶端、一個或幾個局域網組成。通過內部接口有機地進行交聯，組成一個系統化、集成化、標準化的基于網絡管控系統。該系統面向飛行數據管理人員、數據處理人員以及其他相關人員，為他們提供試飛工程管理和試飛數據實時處理與顯示服務，使飛行實時監控系統的應用與管理更加標準化、安全化、便捷化。硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1.2 服務器端軟件設計

飛機試飛實時監控管控系統為了能起到管控作用，將原來實時監控系統服務器端進行升級，使實時監控系統服務器端與管控系統服務器端實時交換監控、數據、參數、狀態等信息。實時監控系統客戶端將用新的客戶端替代，將原來一個客戶端同時只能接收一架飛機實時數據情況提升為同時接收多架飛機實時數據。

實時數據存儲通過NAS存儲加各實時監控系統服務器端本地存儲模式來實現。NAS 是一種采用直接與網絡介質相連的特殊設備實現數據存儲的機制。由于這些設備都分配有 IP 地址，所以客戶機通過充當數據網關的服務器可以對其進行存取訪問，甚至在某些情況下，不需要任何中間介質客戶機也可以直接訪問這些設備。

實時數據存儲網絡傳輸通過RDMA技術(遠程直接數據存取)完成。RDMA是一種網卡技術,采用該技術可以使一臺計算機直接將信息放入另一臺計算機的內存中。通過最小化處理過程的開銷和帶寬的需求,減少了延遲時間。RDMA的優勢在于可利用傳統的網絡硬件,以TCP/IP及以太網絡標準來建立局域網。RDMA將各實時監控系統服務器連接為一個群集,將飛行實時監控數據通過網絡直接傳送到數據存儲設備中。RDMA實現了超低延遲時間、低開銷和高吞吐量。這一技術的應用也使實時監控系統服務器端數據存儲能力獲得了巨大的提升。

每架飛機的實時數據顯示軟件向局域網管控范圍內的客戶端發布，采用指定同步發布、更新。這樣避免發布或更新版本不一致，對重要相關資料，在客戶端只有僅讀權，查閱信息的行為在管控系統服務器端記錄，確保了對重要資料的安全監管與管控。

多架飛機同時飛行，某個局域網或多個互聯局域網的網絡負載實時狀況監測顯得尤為重要。如果網絡負載因過重產生時延，將采取相應措施減輕網絡負載緩解網絡傳輸時延現象，此功能同管控系統客戶端同步完成，達到對整個應用網絡的監管。

數據庫管理是本系統重要功能之一，通過SQL Server 2015數據庫將飛行數據、飛機信息、重要資料、第三方軟件及控件、系統操作行為、人員管理、實時數據顯示軟件與版本等信息統一管控，并對飛行數據、重要資料進行加密備份處理達到對重要信息的安全管控目的。主要功能如圖2所示。

圖2 服務器端主要功能模塊

飛機試飛實時監控管控系統通過各功能的有序組合來管控整個飛機試飛實時監控系統資源，主要功能如下：

① 飛機相關實時監控資源管理：對各飛機實時監控軟件的設計相關電子資料等的管理。

② 實時存儲飛行數據管理：每架次存儲的相關飛行數據通過數據據庫進行管理。

③ RDMA技術：將數個服務器連接為一個群集，將飛行實時監控數據通過網絡直接傳輸到存儲設備中。

④ 實時監控系統服務器端其他管理：各實時監控系統服務器的在用狀態、實時數據記錄狀態、各服務器端存儲空間狀態、系統運行等狀態。

⑤ 實時監控相關軟件管理：主要指各飛機的實時數據顯示軟件，科目不同相應軟件也不同，也可能同一科目多次更新。通過版本管理模式將某飛機各科目的實時數據顯示軟件進行有序管理。

⑥ 實時數據顯示軟件發布與更新管理：將某飛機的實時數據顯示軟件通過管控系統服務器端發布到指定客戶端，并且在管控系統服務器端能實時獲得各客戶端是否發布了某飛機實時監控軟件或版本差異。更新是對客戶端上的某飛機實時數據顯示軟件進行更新，客戶端只最保留最新版本。

⑦ 數據回放管理：對數據庫管理的飛行數據進行回放，可以同時回放數架飛機數據，保證多人可同時調試實時數據顯示軟件。

⑧ 實時采集服務器端信息：主要對前端實時采集實時處理服務器端的狀態信息監控與客戶端請求分配。

⑨ 網絡負載管理：實時監控整個局域網或幾個互聯局域網的網速、負載、網絡鏈接等狀態，并對超負載的鏈路進行實時智能優化。

⑩ 客戶端管理：客戶端軟件更新、客戶端狀態、連接等信息的管理。

1.3 客戶端軟件設計

飛機試飛實時監控管控系統客戶端都基于Windows平臺，軟件在VS 2015環境下開發，通過SQL 2015客戶端與SQL 2015服務端交互數據數據、信息，實現正常的飛行實時監控任務。當某個監控服務器端正常運行時，會給管控系統服務器端發送一個正常指令。服務器端會將此指令實時轉發給已經連接的客戶端，客戶端將為客戶開放對此監控服務器端采集數據的請求操作，通過人為請求完成實時數據顯示。

重要資料查詢、實時監控數據顯示軟件安裝與更新、共享軟件下載、OA通信、互傳資料等功能也是通過管控系統服務器端與客戶端交互確認信息完成。重要資料查詢通過軟件將下載、復制功能限制，只能查看，確保重要資料在可控范圍之內。通過FTP功能實現互傳資料功能，互傳資料是OA通信主要功能之一。客戶端每次運行必須用合法用戶登錄。

飛機試飛實時監控管控系統客戶端集眾多功能，如果服務器端通信或運行的實時監控數據顯示軟件過多，對系統、網絡性能要求將大大增加。為了能在現有硬件與網絡環境下流暢運行各功能，通過服務器端與客戶端管控網絡負載與傳輸數據量，達到實時監控低時延目的。實時傳輸數據量控制有自動調節與手動調節之分，通過人為或自動調節分配每個監控服務器端要用的網絡帶寬定值，并對實時傳輸的數據量進行控制，達到流暢網傳的目的。

在客戶端只能對“飛機相關實時監控資源”的資料只能僅讀瀏覽，確保了重要資料的安全性。客戶端主要功能模塊如圖3所示。

圖3 客戶端主要功能模塊

① 飛機相關實時監控資源管理：與服務器端“飛機相關實時監控資源管理”功能對應，但在客戶端只能在線僅讀瀏覽。

② 實時監控數據顯示軟件鏈接管理：通過客戶端選擇實時采集處理服務器端鏈接顯示數據，可以在一個客戶終端同時鏈接多個實時采集處理服務器端同時進行實時監控。

③ 實時數據顯示軟件下載管理：通過管控系統的服務器端與客戶端對某型號實時監控數據顯示軟件的版本信息比對，進行更新提示，可人為下載更新。

④ 客戶端更新管理：對應服務器端的“客戶端管理”功能，對客戶端管控軟件更新等管理。

⑤ 網絡負載管理：與服務器端“網絡負載管理”通過負載算法實時監測整個網絡的負載、網速等信息。

⑥ 軟件庫：鏡像服務器端“軟件庫”，可以在客戶端下載并安裝軟件庫中的共享軟件。

⑦ OA功能：多個互聯局域網或某一局域網，可通過OA即時通信進行溝通或互傳資料。

⑧ 數據庫管理：SQL Server客戶端相關功能。

1.4 數據庫表設計

數據庫各表的設計按滿足當前需要、有利后續增減的原則設計。為了提高數據安全性和降低數據冗余，對相關信息進行管理，飛機試飛實時監控管控系統數據庫創建7張數據表如圖4所示。

圖4 管控系統數據表結構圖

1) 機型機號表：存儲試驗機的信息；

2) 飛行數據表：存儲試驗機實時采集數據的信息；

3) 用戶表：管理員與數據處理用戶信息；

4) 軟件庫信息表：共享軟件或控件等信息；

5) 實時監控軟件發布與更新信息表：監控軟件相關信息；

6) OA提示信息表：即時通信相關信息；

7) 用戶相關操作信息表：用戶操作、登錄等信息。

2 系統實現

2.1 服務器端及數據存儲

管控系統服務器端通過SQL Server的MSX/TSX 技術對物理上分離的多臺實時監控服務器與進行統一管理，各實時監控服務器端之間通過RDMA技術交互數據。數據傳輸與各類管控信息通過組播、TCP/IP、FTP進行交互。組播進行實時數據傳輸，TCP/IP進行各類管控信息、命令等的交互，FTP進行資源等信息的下載或互傳。

實時監控服務器端主要實現實時采集、解算、記錄的功能。各實時監控服務器端上實時采集數據的存儲路徑都由管控系統服務器端統一調配，優先在NAS上保存，NAS上空間有限時再保存到本地。此存儲策略可以有效優化本地內存帶寬和CPU周期，極大地提高各實時監控服務器端性能。

實時監控服務器集群的飛行數據實時采集，飛行數據實時保存主要功能在不同的實時監控服務器端實現，由管控系統服務器端統一協調運行；飛行數據回放由管控服務器端實現，達到宏觀上統一、微觀上分離目的。服務器間飛行數據流框圖如圖5所示。

圖5 服務器間飛行數據流框圖

2.2 客戶端與服務器端交互

實時監控時，各客戶端通過TCP/IP協議與管控系統服務器端進行交互，得到各實時監控服務器端的狀態與配置，并在客戶端進行實時狀態顯示，便于用戶的實際操作需要。各客戶端實時數據顯示軟件顯示數據通過組播協議同實時監控服務器端交互獲得，并且可同時與幾個實時監控服務器端交互，互不影響地顯示各自數據信息。

回放時通過管控系統服務器端進行回放操作，在客戶端通過實時數據顯示軟件顯示回放的飛行數據。服務器端與客戶端用到的網絡通信協議如圖6所示。

圖6 服務器端與客戶端網絡框圖

2.3 網絡負載監測

充分利用網絡數據包、IPFIX流數據，建立覆蓋各實時監控局域網重要鏈路、關鍵設備、核心服務的全面監控視圖，并且按照相關的工作流程組織功能與操作，使其能夠實時反映整個網絡的狀態。

通過管控系統服務器端、客戶端、實時監控服務器端，共同對整個局域網的網絡的鏈路、負載、網絡健康、網絡時延等信息進行實時監測。并在管控系統服務器端顯示網絡實時狀態，快速發現網絡問題，迅速定位網絡故障，減少網絡不可用時間，提高網絡應用效率。保障關鍵應用的網絡帶寬，通過管控系統的網絡管控功能控制在飛行實時監控應用期間無關網絡應用帶寬，保障網絡通暢。采用網絡負載均衡技術，確保整個網絡低時延，使整個網絡應用更加透明，對網絡負載過大的進行人為或自動干預，達到最優實時監控網絡狀態。

3 結 語

飛機試飛實時監控管控系統通過對原實時監控系統主要功能升級，擴展了RDMA、NAS、局域網網絡負載實時監測與管理、飛行資料安全管理機制、更新與版本發布管理、多數據流飛行數據對比監控、飛行相關信息通過數據庫統一管理等功能，極大地提升了飛行實時監控系統的性能。實時監控期間各系統、網絡等運行狀態信息清晰顯示，事后回放、任務準備條理清楚，飛行資料和實時監控軟件安控符合相關規定。

本系統最大限度兼容原實時監控系統的操作習慣，使新系統的啟用阻力大大減輕。通過一段時間運行，各項技術指標達到預期目的，管控系統、實時監控系統兩大主線并行運行穩定、清晰。

系統經過一段時間運行后，下一步將新增遠端實時監控系統、事后數據處理管理系統，進一步完善此系統，達到實時監控、數據管理、事后數據處理一體的綜合系統，提升飛行數據的監控與處理能力。