飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

山 壽，常永亮，霍朝暉，聶瑤佳，黃曉波

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

飛行試驗實時監(jiān)控是飛機試飛重要環(huán)節(jié)之一，監(jiān)控大廳是實施實時監(jiān)控的重要場所。大廳由遙測前端、實時數(shù)據(jù)服務器端、數(shù)據(jù)顯示客戶端三大部分組成，合理管控三部分協(xié)調工作，才能高質量、高穩(wěn)定性的完成飛行監(jiān)控任務。

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對監(jiān)控大廳局域網網絡、聯(lián)網設備、實時監(jiān)控人員狀況、數(shù)據(jù)接收客戶端、型號畫面的命名與路徑的統(tǒng)一、一鍵客戶端軟件布控、對指定客戶端密碼與權限更改、殺毒控制、系統(tǒng)更新、當前單位與專業(yè)的統(tǒng)一、實時監(jiān)控人員簽到、崗位職責和實時監(jiān)控手冊管理與瀏覽、監(jiān)控大廳各項管理制度提示、飛行監(jiān)控相關資料管理等多項功能。通過數(shù)據(jù)庫將相關信息進行統(tǒng)一管理。并對各類與飛行相關信息積存，便于管理人員、相關監(jiān)控人員進行時間段式具體信息分析。

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件能實時對監(jiān)控大廳局域網網絡、聯(lián)網設備等實時狀態(tài)進行管控，確保實時大數(shù)據(jù)量在網絡中穩(wěn)定傳輸。

對參與每架次的監(jiān)控人員管理也是有效保證順利監(jiān)控的先決條件之一。參與實時監(jiān)控的指揮員、課題主管、安全監(jiān)控主管、相關配套單位負責人等組成了完善的飛機試飛實時監(jiān)控團隊，每次實時監(jiān)控試飛地面指揮員對實際監(jiān)控相關人員是否到位、是否準備就緒等情況并不是很了解，致使有的監(jiān)控架次有緊急處理情況咨詢相關專業(yè)人員時，相關專業(yè)人員沒準備就緒或沒到監(jiān)控現(xiàn)場現(xiàn)象，造成飛行科目完成不徹底等現(xiàn)象時有發(fā)生。

本監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件采用VC加SQL2015數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成，確保了相關信息的同步存儲與事后分析。監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件基于C/S結構，確保對監(jiān)控大廳每臺服務器端、監(jiān)控客戶端的統(tǒng)一管理。

通過飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件對實時飛行監(jiān)控情況、現(xiàn)場準備情況等的有效管理，確保飛機試飛的安全性，也極大的提升了實時監(jiān)控期間的空、地及時溝通。并對整個監(jiān)控大廳設備、網絡狀態(tài)、監(jiān)控系統(tǒng)進行智能化管理，達到最優(yōu)監(jiān)控目的。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件架構

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)是一個綜合性的對飛機試飛實時監(jiān)控、監(jiān)控人員、網絡狀態(tài)和其他相關信息管理的系統(tǒng)，通過服務器端、客戶端軟件自定義接口有序地進行互通信，組成系統(tǒng)化、集成化、標準化的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過不同層面面向飛行指揮人員、飛行實時監(jiān)控人員、監(jiān)控大廳管理人員，為他們提供試飛監(jiān)控有序管理和試飛相關資料在線查詢功能，使飛行實時監(jiān)控、網絡管理、相關信息管理更加標準化，硬件主要有遙測前端、控制服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、客戶端集群幾部分組成。遙測前端主要接收天線遙測數(shù)據(jù)，控制服務器主要對整個大廳設備、網絡、資料等的管控，數(shù)據(jù)庫服務器對各類相關信息及資料存儲與管理，客戶端集群是監(jiān)控相關人員實時監(jiān)控飛行狀態(tài)的設備。客戶端集群與各服務器、各服務器各有一套網絡連接，確保了數(shù)據(jù)接收、分發(fā)、監(jiān)控的網絡互不干擾。

圖1 系統(tǒng)硬件架構

1.2 服務器端軟件設計

系統(tǒng)軟件基于C/S模式，網絡連線各局域網設備，服務器端、客戶端，服務器端包括控制服務器、數(shù)據(jù)庫服務器兩部分，系統(tǒng)軟件各功能模塊分別實現(xiàn)，再通過自定義接口協(xié)議將服務器端與客戶端各模塊通過指令統(tǒng)一協(xié)調運行，達到對監(jiān)控大廳各設備與軟件功能的協(xié)調運行目的。

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)通過各模塊對實時監(jiān)控系統(tǒng)及局域網進行管理，服務器端同客戶端通過網絡進行指令交互，客戶端按服務器端指令完成相應功能，服務器端是整個系統(tǒng)軟件的核心。如圖2列出主要功能模塊。

圖2 服務器端主要功能模塊

主要功能如下：

1)飛機相關實時監(jiān)控資源管理：對飛機相關軟件及設計相關資料進行統(tǒng)一管理；

2)監(jiān)控人員管理：只有通過注冊的監(jiān)控人員，才可以實時監(jiān)控指定給自己的飛機，監(jiān)控其他飛機需要管理人員授權即可。

3)監(jiān)控客戶端軟件管理：與客戶的進行網絡通信，接收需要監(jiān)控軟件顯示的參數(shù)名、參數(shù)值等，并對多個飛行實時數(shù)據(jù)源進行并行式人為請求接收。

4)客戶端相關軟件管理：主要管理各飛機的實時監(jiān)控軟件，型號畫面的統(tǒng)一管理，指定客戶端實時監(jiān)控軟件的更新功能的實現(xiàn)。

5)客戶端系統(tǒng)功能配置：對指定客戶端密碼與權限更改、殺毒控制、系統(tǒng)更新等的控制。

6)單位、部門、專業(yè)等信息：統(tǒng)一了當前單位、部門、專業(yè)等信息，便于分類管理。

7)各類預案、規(guī)范手冊管理：崗位職責、實時監(jiān)控手冊、應急處理預案、各類實時監(jiān)控相關規(guī)范手冊，監(jiān)控大廳各項管理制度提示。

8)操作信息記錄：在線注冊用戶的相關操作信息記錄，便于事后查詢。

9)網絡負載管理：對整個局域網網絡負載實時檢測、提示、優(yōu)化。

10)軟件庫：主要是監(jiān)控相關第三方軟件。

11)監(jiān)控人員實時信息管理：實時監(jiān)控人員在整個監(jiān)控時間段內相關操作信息，涵括了監(jiān)控人員簽到。

12)數(shù)據(jù)庫管理：各功能操作、提示信息通過SQL2015數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。

13)安全機制：對用戶進行分權限管理，確保監(jiān)控互不干擾性。對飛行相關資料進行分密級分專業(yè)管理，最大限度解決相關資料保密要求。

14)局域網管理：通過SD-LAN技術控制局域網單臺電腦的數(shù)據(jù)流量，設置網絡輸入輸出規(guī)則。查看在網電腦軟件配置、硬件配置、軟件安裝信息、注冊表信息、進程及后臺服務信息、定時或立即關機等。

1.3 客戶端軟件設計

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)客戶端全部基于Windows系統(tǒng)平臺，客戶端軟件通過SQL2015客戶端與SQL2015服務器端交互數(shù)據(jù)庫自定義表信息、數(shù)據(jù)實現(xiàn)各項功能，如圖3所示。

圖3 客戶端主要功能模塊

主要功能如下：

1)飛機相關實時監(jiān)控資源管理：與服務器端“飛機相關實時監(jiān)控資源管理”功能對應，在客戶端只有在線瀏覽功能。

2)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示軟件管理：主要實現(xiàn)在客戶端實時顯示飛行參數(shù)值、飛行航跡顯示、實時視頻播放等軟件的管理。對應服務器端的“監(jiān)控客戶端軟件管理”功能。

3)客戶端更新管理：對客戶端軟件、各機型實時監(jiān)控軟件的在線更新管理，包括服務器端軟件在客戶端本地存放路徑的選擇、命名等功能。對應服務器端“客戶端相關軟件管理”。

4)網絡負載管理：同服務器端“網絡負載管理”一起對整個局域網負載檢測、優(yōu)化等管理。

5)軟件庫：顯示服務器端“軟件庫”中第三方應用軟件，可在客戶端本地下載應用。

6)局域網管理：同服務器端“局域網管理”一起實現(xiàn)整個局域網管理功能。

7)數(shù)據(jù)庫管理：SQL2015數(shù)據(jù)庫客戶端相關功能。

8)各類預案、規(guī)范手冊瀏覽管理：對應服務器端各類預案、規(guī)范手冊可在客戶端瀏覽，沒有下載權限。

9)監(jiān)控人員實時信息管理：相應權限的監(jiān)控指揮人員可對某型號在線監(jiān)控人員進行瀏覽查詢。

10)安全機制：同服務器端“安全機制”一起對用戶進行分類管理，確保監(jiān)控互不干擾性。

1.4 數(shù)據(jù)庫表設計

數(shù)據(jù)庫各表的設計主要滿足目前需要、有利后續(xù)增減的原則設計。優(yōu)化表結構提高數(shù)據(jù)安全性和降低數(shù)據(jù)冗余，對數(shù)據(jù)一致性和可維護性、完整性控制、并發(fā)控制也進行了嚴格控制。飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建7張數(shù)據(jù)表。7張數(shù)據(jù)庫表如圖4：

圖4 監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)表結構圖

1)機型機號表：存儲試飛飛機相關信息；

2)監(jiān)控人員表：存儲實時監(jiān)控人員的信息；

3)監(jiān)控人員提示信息表：實時在線監(jiān)控人員信息；

4)軟件庫信息表：第三方軟件或飛行控件等信息；

5)實時監(jiān)控軟件發(fā)布與更新信息表：監(jiān)控軟件發(fā)布與更新相關信息；

6)用戶相關操作信息表：所有注冊人員的相關操作信息；

7)各類預案、規(guī)范手冊表：將各類預案、規(guī)范手冊等相關資料存入數(shù)據(jù)庫，便于在任意客戶端查閱。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 服務器端

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)服務器端通過SQL Server2015對各類表信息進行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)傳輸與各指令信息通過組播、TCP/IP、FTP進行交互，組播進行實時飛行數(shù)據(jù)傳輸，TCP/IP進行各指令控制信息交互，F(xiàn)TP進行飛行相關資料、軟件等信息下載或互傳。如圖5為系統(tǒng)軟件所用網絡協(xié)議組成。

圖5 服務器端與客戶端網絡通信協(xié)議圖

控制服務器是整個系統(tǒng)的核心，控制指令的發(fā)出與接收、數(shù)據(jù)庫的管理、各類信息的管理等都由控制服務器端服務器軟件實現(xiàn)。

服務器端主要實現(xiàn)了14個主要功能，通過本地加網絡實現(xiàn)，各類信息數(shù)據(jù)的存入、備份等在本地數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，網絡負載管理、局域網管理通過本地加客戶端共同實現(xiàn)。

2.2 客戶端與服務器端交互

客戶端與服務器端的指令控制交互，為了達到最優(yōu)網絡應用，在服務器端與客戶端網絡通信方面盡量不用實時通信模式，客戶端或服務器端有請求指令再啟動相應通信模式，服務器端或客戶端按指令協(xié)議完成相應的操作。

網絡負載管理是系統(tǒng)的核心功能之一，利用實時飛行網絡包數(shù)據(jù)、控制指令集，建立覆蓋整個監(jiān)控大廳局域網通信鏈路、網絡各設備、重要飛行相關信息服務等的全面監(jiān)控大廳實時監(jiān)控模型，按制訂工作流程組織功能與操作，實時反映整個局域網的實時狀態(tài)與性能。

服務器端、客戶端、遙測前端服務器、在網其他設備共同組成整個局域網的網絡鏈路，通過軟件對網絡負載、網絡性能、網絡時延等信息進行實時監(jiān)測，各信息在實時監(jiān)控控制服務器端軟件實時顯示，及時發(fā)現(xiàn)局域網出現(xiàn)的問題并精準定位網絡故障點，可以人為排除故障或通過算法自動排除故障，最大限度減少網絡不可用時間，提高網絡實際應用效率。最大限度保證飛行關鍵時間段網絡的流暢應用。以上功能均通過實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的SD-LAN(Software Defined LAN)技術實現(xiàn)，SD-LAN即軟件定義內網，是將SDN技術應用到局域網場景中所形成的一種服務，這種服務用于連接企業(yè)內部網絡、數(shù)據(jù)中心、云服務。這種服務的典型特征是將網絡控制能力通過軟件方式“云化”，將網絡管理智能化。

通過SD-LAN技術在飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應用，確保對無關網絡包的限制，保障網絡通暢。采用SD-LAN技術，確保整個網絡低時延，使整個網絡應用更加透明，整個網絡管控自動化、智能化。真正做到局域網管理可以秒級精準定位和分析網絡鏈路故障，真正做到可以控制局域網單臺電腦的上網帶寬，設置網絡出入規(guī)則，實時對私自入網設備的管控。查看在網電腦軟件配置、硬件配置、軟件安裝信息、注冊表信息、上網信息、定時或立即關機等功能。

安全機制對監(jiān)控某個型號飛行的各專業(yè)，進行分類分權限管理，確保監(jiān)控互不干擾性。對飛行相關資料進行分密級分專業(yè)管理，資料分三級，最高級只有相關主管、飛行指揮人員、型號總師可以查閱，一般人員只有查閱第三級資料權限，最大限度解決相關資料保密要求。

3 系統(tǒng)應用結果與分析

軟件在我院監(jiān)控大廳實地開發(fā)，各功能模塊通過實際飛行數(shù)據(jù)驗證，確保每個模塊功能正常實現(xiàn)。SD-LAN技術研制是本系統(tǒng)的難點之一，SD-LAN是將SDN技術應用到局域網環(huán)境中所形成的一種服務，這種服務的主要特點是將網絡控制能力通過軟件方式實現(xiàn)，使網絡應用有一定的可感知能力。通過SD-LAN技術的應用，可以隨時增加網點對原有局域網無明顯影響。系統(tǒng)軟件在我院監(jiān)控大廳實際應用期間，對多機型進行實時監(jiān)控應用，監(jiān)控指揮人員、型號總師、課題相關監(jiān)控人員對整架次監(jiān)控質量都有明顯的提高，查詢相關資料也更加快捷簡便，通過對整個網絡的管理，切實優(yōu)化了整個局域網的性能，確保了實時監(jiān)控的正常執(zhí)行。表1是系統(tǒng)主要功能模塊長時間運行結果統(tǒng)計。

表1 主要模塊運行狀況

4 結束語

飛行試驗實時監(jiān)控管理系統(tǒng)通過基于C/S架構的遙測前端、服務器端、客戶端軟件，實現(xiàn)對局域網的管理、網絡負載均衡管理、實時監(jiān)控人員在線狀態(tài)管理、飛行資料安全管理機制、更新與版本發(fā)布管理、飛行資料安全管理機制、更新與版本發(fā)布管理、各類預案與規(guī)范手冊瀏覽管理、監(jiān)控客戶端軟件及相關軟件的統(tǒng)一管理、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示軟件等管理、飛行相關信息等通過數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理等功能。極大的提升了飛行實時監(jiān)控系統(tǒng)的效能，使實時監(jiān)控指揮員在開飛前了解現(xiàn)場相關專業(yè)人員的配備與準備情況，監(jiān)控大廳管理人員可以實時了解干預網絡運行、負載狀況，實時查看整個網絡設備運行狀況。了解飛行資料和實時監(jiān)控軟件安控是否符合相關規(guī)定。

本系統(tǒng)通過一段時間運行，各項技術指標達到預期目的，各功能模塊并行運行穩(wěn)定，清晰。

下一步，將進一步完善此系統(tǒng)功能，升級SD-LAN功能，將網絡控制能力更加自動化、智能化，將其它幾個監(jiān) 控大廳局域網也納入此系統(tǒng)管理下。達到飛行試驗實時監(jiān) 控管理一體化的綜合系統(tǒng)，進一步提升飛機試飛的監(jiān)控與 實時預判處理能力。