基于反射內(nèi)存網(wǎng)的飛機仿真試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)研究

高振江，喬社娟，王 琪

（1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，西安710077；2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077；3.陜西四海測控技術(shù)有限公司 技術(shù)研發(fā)部，西安710075）

高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各種研究型工程試驗中的廣泛應(yīng)用[1-2]，解決了多個子系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)共享與交互問題。 飛機仿真試驗對數(shù)據(jù)的實時性要求非常高，要求實時獲取、處理數(shù)據(jù)，確保飛行環(huán)境真實性。

目前，航空、航天領(lǐng)域中多使用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互[3-4]，文獻[5-6]分別采用以太網(wǎng)與本地硬盤數(shù)據(jù)管理模式和以太網(wǎng)與SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理模式，時延僅達毫秒級。 毫秒級的時延會造成不真實的飛行環(huán)境和條件；長時間、高頻次訪問也會造成數(shù)據(jù)庫響應(yīng)延遲增大[7]，因此，開發(fā)設(shè)計一套時延小、響應(yīng)快、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)非常重要。

本文采用時延僅400 ns 的GE PCI-5565 反射內(nèi)存卡構(gòu)建數(shù)據(jù)共享型實時網(wǎng)絡(luò)，采用Oracle 數(shù)據(jù)庫存儲各子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，中央控制中心系統(tǒng)實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)同步快速回放，在不影響各子系統(tǒng)試驗狀態(tài)的前提下，提高了飛行機動性，保證了飛機飛行環(huán)境的真實性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體分析

飛機仿真試驗是一種綜合性試驗， 主要由飛控、液壓、溫度等子系統(tǒng)提供飛行環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真子系統(tǒng)對應(yīng)算法運算后， 將結(jié)果數(shù)據(jù)提供給加載、頻響、能源、視頻監(jiān)視等子系統(tǒng)。 一方面要求整個系統(tǒng)之間必須實現(xiàn)無縫連接，確保在數(shù)據(jù)交互、模式轉(zhuǎn)換、接口匹配和數(shù)據(jù)管理等方面達到最高的兼容性；另一方面要求高速響應(yīng)實時傳輸數(shù)據(jù)、快速運算仿真數(shù)據(jù)，以保證對當前飛行狀態(tài)做出定量定性分析，對當前飛行環(huán)境做出真實確切判斷，從而確保進一步的飛行動作；同時對于過程較長的復(fù)雜試驗需要將多個子系統(tǒng)同一時刻的歷史數(shù)據(jù)按照同一時間軸回放，分析決策下一步動作。 因此，飛機仿真數(shù)據(jù)管理是整個試驗運行效率和飛行品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)所在。 本次設(shè)計選用時延400 ns 的反射內(nèi)存卡構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、安全快速的Oracle 數(shù)據(jù)庫存儲管理多個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、中央控制中心系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)同步規(guī)劃試驗與同步回放多系統(tǒng)同一時刻的海量數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗對象是1∶1 大型飛機模型， 各測控系統(tǒng)分散布置在模型周圍，相隔距離小于200 m，飛控、液壓、溫度試驗是非常重要的原理性試驗，為了防止某個節(jié)點出現(xiàn)故障影響整個網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，選用專用交換機和多模光纖進行數(shù)據(jù)交互。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和中央控制中心系統(tǒng)選用主流高端配置服務(wù)器機作為高性能工作站，本系統(tǒng)設(shè)計了23 個節(jié)點，其中，飛控系統(tǒng)3 個、液壓系統(tǒng)5個、溫度系統(tǒng)1 個、仿真系統(tǒng)5 個、加載系統(tǒng)2 個、頻響系統(tǒng)2 個、視頻監(jiān)控2 個、能源1 個、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1 個、中央控制中心系統(tǒng)1 個，需要4 臺8 口光纖交換機完成全部組網(wǎng)，圖1 所示是基于反射內(nèi)存卡的系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 System real-time network structure

2 數(shù)據(jù)庫分析與設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫需求分析

數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和管理的核心部分， 不同試驗選取的子系統(tǒng)和通道不完全相同，而且靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗的采樣率也不盡相同，因此數(shù)據(jù)庫設(shè)計需要滿足以下要求：

完整性和實時性要求數(shù)據(jù)庫在獲取試驗數(shù)據(jù)的同時，具有快速響應(yīng)存儲和查詢；

同步性特性分析需要將各個子系統(tǒng)同一時刻的數(shù)據(jù)顯示在同一時間軸進行數(shù)據(jù)回放，保證還原試驗過程中綜合狀態(tài)于環(huán)境等因素的真實性，各種數(shù)據(jù)表需要帶有同步性時標；

綜合性和模塊化試驗種類繁多，單個子系統(tǒng)通道多達256 路，每個通道具有測量類型、濾波、增益、隔離等多種配置方式，既要將各個試驗項目集中管理，又要將各個子系統(tǒng)的試驗配置、通道配置與試驗數(shù)據(jù)單獨模塊化管理。

擴展性針對大型飛機研發(fā)項目的不斷更新，要求本數(shù)據(jù)庫采用分布式設(shè)計、 最小化共享資源，能夠并行增加或刪減內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對以上需求和反射內(nèi)存卡信息共享型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點， 本系統(tǒng)在安全實時的Linux 環(huán)境下采用Oracle 數(shù)據(jù)庫建立分布式模塊化數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)。 飛機仿真試驗的多樣性，子系統(tǒng)試驗配置參數(shù)、通道配置參數(shù)與試驗數(shù)據(jù)通過反射內(nèi)存網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享給數(shù)據(jù)庫，本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)按照模型關(guān)系和結(jié)構(gòu)層次設(shè)計多種數(shù)據(jù)表，為了保證數(shù)據(jù)不被任意篡改設(shè)計用戶信息權(quán)限管理表，表1 是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的主要數(shù)據(jù)表。

表1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的主要數(shù)據(jù)表Tab.1 Main data tables of database design

數(shù)據(jù)庫中各表信息采用分布式層次設(shè)計，各表須同步，如某次沖擊試驗的子系統(tǒng)選取、子系統(tǒng)試驗配置與通道配置、 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)均需保持一致性，因此，每個試驗的相關(guān)信息都需帶有時標，同時帶有試驗啟動、停止時標。 同一試驗反復(fù)多次進行方可得到普遍性結(jié)論，高頻動態(tài)試驗數(shù)據(jù)量大、存儲頻率高，本文重點闡述試驗項目管理表和各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)。 實現(xiàn)由中央控制中心系統(tǒng)單獨完成試驗過程中海量數(shù)據(jù)回放， 確保系統(tǒng)分工合理、性能最佳。

項目管理表定義了36 個字段，包括22 子系統(tǒng)選取、試驗名稱、啟停標識、啟動時標、停止時標、操作者、環(huán)境等信息，項目操作由中央控制中心系統(tǒng)統(tǒng)一管理，由于仿真試驗類型較多，試驗中各子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)配置不同，為避免同一試驗中各個子系統(tǒng)可能提前結(jié)束或者異常終止影響整個試驗進行， 表設(shè)計時采用試驗名稱和啟動時標作為主鍵，縮短檢索時間。

各系統(tǒng)數(shù)據(jù)表采用相同結(jié)構(gòu)， 方便批量操作，如加載1 數(shù)據(jù)表定義了5 個字段， 主要包含時標、系統(tǒng)狀態(tài)、傳輸數(shù)據(jù)序號、通道批數(shù)據(jù)、備注。 查詢數(shù)據(jù)時首先通過試驗名稱和啟動時標查詢相應(yīng)配置表，根據(jù)加載1 通道配置表中的通道選擇情況分解對應(yīng)通道數(shù)據(jù)， 對于沖擊振動試驗數(shù)據(jù)量很大，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲為int32 類型，double 型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為int32 型數(shù)據(jù)的系數(shù)存儲于每個子系統(tǒng)試驗配置表中，節(jié)省存儲空間和傳輸時間，提高反射內(nèi)存網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫的利用率。

3 ORACLE 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫的實時性

隨著數(shù)據(jù)庫在大型系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫的實時性要求越來越高，一般從硬件和軟件兩方面解決[8-9]。

硬件方面本系統(tǒng)選用反射內(nèi)存卡和多模光纖組建分布式共享型網(wǎng)絡(luò)， 從數(shù)據(jù)寫入RAM 到其它節(jié)點的時延只有400 ns，各節(jié)點數(shù)據(jù)完全一致，反射內(nèi)存卡通過向每個節(jié)點提供一套相同的數(shù)據(jù)備份，各節(jié)點可以并發(fā)訪問相同內(nèi)容，也可以訪問組網(wǎng)內(nèi)任意其他節(jié)點內(nèi)存數(shù)據(jù)，與訪問自身內(nèi)存數(shù)據(jù)沒有差別。 反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)傳輸速率高，沒有以太網(wǎng)的多層協(xié)議，峰值傳輸速率43 MB/s～174 MB/s，而且無需開發(fā)額外通信軟件， 通信開放透明，大大提高了傳輸速率、避免了網(wǎng)絡(luò)堵塞、節(jié)省了軟件開發(fā)。

軟件方面在安全、 高效的Linux 環(huán)境下選用ORACLE 數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫是一款可調(diào)性較強的復(fù)雜軟件[10]。數(shù)據(jù)庫的性能既取決于設(shè)計結(jié)構(gòu)，又取決于存儲和查詢優(yōu)化（如CBO（Cost Based Optimizer）、SQL 語句解析優(yōu)化）[11-12]。 本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)合飛機仿真試驗多而繁的特點，采用分布式、模塊化、層次性結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過試驗啟停標識（Test_startstop）與傳輸數(shù)據(jù)序列（Data_id）字段判斷數(shù)據(jù)更新，從對應(yīng)節(jié)點內(nèi)存獲取批量數(shù)據(jù)保存在對應(yīng)子系統(tǒng)通道批數(shù)據(jù)（Channels_data）字段中。在CBO 優(yōu)化模式下通過優(yōu)化器參數(shù)optimizer_mode 控制ORACLE 優(yōu)化器生成不同模式下的執(zhí)行計劃[13-14]，本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用ALL_ROWS 模式以最快的速度將SQL 執(zhí)行完畢，返回全部結(jié)果集， 可以通過下面語句修改optimizer_mode：

alter system set optimizer_mode=all_rows scope=both。

試驗過程中多系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)同步回放和試驗后期數(shù)據(jù)分析是試驗結(jié)論或試驗改進的一個重要環(huán)節(jié)，因此，查詢工作是本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的又一個重要操作， 原本的SOL 語句消耗數(shù)據(jù)庫資源高達90%，實時查詢技術(shù)的關(guān)鍵在于SQL 語句優(yōu)化[15]，中央控制中心系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫查詢設(shè)計使用的優(yōu)化方式主要為以下幾點：

首先，縮小海量數(shù)據(jù)查詢范圍。 不使用‘*’的SELECT 語句，避免全表遍歷。 根據(jù)多個條件字段逐層準確定位，使用一個或多個字段限定條件；

其次，在ORACLE 中選擇軟解析過程。 通過綁定變量重復(fù)提交相同的SQL 語句，降低了硬解析所消耗的CPU 和重要latch 資源；

再次，盡量少嵌套子查詢。 嵌套子查詢會消耗大量CPU 資源，對于較多or 運算的查詢分成用union all 聯(lián)結(jié)起來的多個查詢；

最后，盡量多用commit 語句提交事務(wù)。 即使釋放資源、解鎖、釋放日志空間、減少管理消耗，同時應(yīng)減少大事務(wù)查詢操作。

如：查詢試驗名稱（Test_name）為“Vibrate”的某次試驗數(shù)據(jù)，可將名稱都為“Vibrate”以及對應(yīng)的操作者、啟停時間等相關(guān)信息查詢列示出，后臺根據(jù)時標的唯一性查詢加載1 參數(shù)配置表得出試驗選取通道ID 及通道數(shù)目， 再批量獲取所需時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。 所用語句如下：

sprintf（cTestName，“Vibrate”）；

select Operater，Start_time，Stop_time from TestManage where Test_name = cTestName；

select Data from LoadData1 where Time_flag >= Start_time and Time_flag <= Stop_time；

通過綁定變量模塊化逐層查詢，數(shù)據(jù)庫返回10 min 內(nèi)的加載1 采樣率為10 kHz 的64 路通道數(shù)據(jù)（1500 MB），僅耗時2.46 s。

3.2 多系統(tǒng)數(shù)據(jù)回放同步快速性

飛機仿真試驗過程中根據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)分析情況決策后續(xù)試驗操作，本系統(tǒng)設(shè)計中央控制中心系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫并行管理整個系統(tǒng)運行。 如圖2 所示是管理層功能。

大量數(shù)據(jù)顯示幾乎消耗全部CPU，將數(shù)據(jù)多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放從子系統(tǒng)中獨立在中央控制中心系統(tǒng)有兩方面的優(yōu)勢： ①降低了子系統(tǒng)運行負擔，避免了回放數(shù)據(jù)異常時導(dǎo)致子系統(tǒng)運行中斷情況發(fā)生；②可以將多個子系統(tǒng)同時刻數(shù)據(jù)在同一坐標軸中綜合分析。

圖2 管理層功能圖Fig.2 Management function diagram

3.3 飛機仿真試驗數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和中央控制中心系統(tǒng)均選用專用圖形設(shè)計工作站HP Z840 作為主機、 采用GE PCI-5565PIORC 反射內(nèi)存卡和ACC-5595-208 交換機組建數(shù)據(jù)共享性高效分布式數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用ORACLE 11g R2 平臺， 中央控制中心系統(tǒng)使用測控領(lǐng)域成熟的LabWindows CVI 2014，系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)交換傳遞信息。

4 結(jié)語

本文建立了一種基于反射內(nèi)存網(wǎng)的飛機仿真試驗ORACLE 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，針對飛機仿真試驗子系統(tǒng)繁雜的特點，介紹了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，描述了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，利用響應(yīng)速度快的反射內(nèi)存網(wǎng)達到了多系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互的實時性要求， 采用ORACLE 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和中央控制中心系統(tǒng)實現(xiàn)了實時存儲、管理、維護和試驗過程中同時刻海量歷史數(shù)據(jù)快速回放等功能。 本方案已應(yīng)用在某型飛機研究設(shè)計的仿真試驗中，試驗結(jié)果表明本方案構(gòu)建的實時網(wǎng)路系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互最大時延為670 ns； 此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠?qū)崟r存儲、 管理21 個節(jié)點的試驗配置、通道配置與試驗數(shù)據(jù)，并能在某子系統(tǒng)出現(xiàn)異常時不影響整個系統(tǒng)運行的情況下保證試驗完整進行；同時開發(fā)中央控制中心系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫優(yōu)化查詢的原則下能夠快速回放液壓、溫度、飛控、能源等多系統(tǒng)至少兩小時以上的歷史數(shù)據(jù)，真實決策飛機飛行動作，提高飛行的真實度和飛行機動性。