基于多源數據融合的整機試驗監控技術

劉 冰，張建鋒，李 濤，牧 彬

（中國飛機強度研究所全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點試驗室，西安 710065）

在飛機研制產業鏈中，飛機結構強度試驗是飛機研制中不可缺少的重要環節，是對整個飛機設計進行最全面、最接近真實的地面驗證。其目的是鑒定飛機結構的設計靜強度，并為驗證強度和剛度的計算方法及結構設計、制造工藝的合理性提供必要的數據和資料[1]。航空產業中，需求與技術進步在驅動飛機性能方面不斷提升，作為確保飛機飛行安全最可靠的手段，飛機結構強度試驗也越來越復雜，試驗規模越來越大。因此，對試驗現場進行直觀的全狀態監控，滿足整機強度試驗人員對試驗場的立體管控可視化及試驗安全的需要，可有效控制試驗風險點，對提升試驗質量具有重要意義。

國內對數據融合監控開展了較多研究，主要集中在圖像數據疊加[2]、多類型傳感器數據融合[3-9]和安全監控及設備狀態診斷[10-11]等領域，在飛機試驗數據及信息監控方面，國內也開展了一定的研究，主要包括全機靜力試驗實時監控[12]、飛機姿態監控與報警功能[13]及試驗中異常響應數據的及時判別[14-15]等，有效降低了試驗風險。

上述學者在監控領域取得了豐碩的成果，但是針對整機強度試驗數據融合監控研究較少，目前國內僅能實現離散的試驗視頻、施加載荷和響應測量等數據監控，面對試驗中產生的海量數據及其模式的不確定性和多變性，尚未對試驗現場的多類型數據融合展示，且監控信息無法與試驗業務數據關聯。因此，本文以某型飛機疲勞試驗為研究對象，開展以視頻監控數據為基礎的試驗機控制、應變和位移等多源異構數據融合技術研究，研制一套基于多源數據實時融合的整機試驗監控系統，建立結構應變、位移等試驗數據與視頻信息之間的關聯，實現對試驗重點區域的全狀態監控，最終達到提高試驗質量和安全的目的。

1 試驗多源數據融合與監控系統構建

數據融合系統能將來自多數據源的數據和相關數據庫的有關信息進行綜合與互補，消除單個數據帶來的片面性、缺陷性及錯誤性問題，使對事物的表述更加精確，為判斷和決策提高可靠的支撐。

1.1 試驗數據源分析

全機強度試驗主要數據源包括載荷控制系統、采集系統、結構健康監測系統、視頻監控系統和試驗仿真分析系統。試驗載荷控制主要采用MTS、MOOG 等系統，其載荷譜運行信息格式固定，本地存儲。試驗響應采集主要包括結構應變響應和位移響應采集系統，采集數據本地存儲。結構健康監測系統包含并且不限于光柵光纖、聲發射、散斑和智能涂層等系統，視頻監控數據為包含時域信息的視頻，試驗仿真分析數據主要是試驗機強度、剛度等特征分析結果數據。

這些數據用來監控試驗機結構、加載點及連接件等部位，提供試驗機異常響應、結構變形、結構破壞和加載機構異常等視頻信息，為試驗數據分析、試驗決策提供數據支撐。

1.2 試驗數據融合系統架構

多傳感器數據信息融合基本原理即充分利用若干個傳感器資源，在一定準則下自動分析、綜合以完成所需的決策，最終獲得被測對象的一致性解釋或描述[16]。

在全機強度試驗中，視頻監控、應變、位移及健康檢測等各種采集的數據信息都具有不同的特征及意義，如實時/非實時、同步/異步和圖像/數字等，進而導致此類多源試驗數據信息具有更復雜的形式。因此試驗多源數據融合系統是數據融合的硬件基礎，通過協調優化和綜合處理提供數據融合功能。

試驗多源數據融合系統架構如圖1 所示，其主要由數據采集層、數據傳輸層、數據管理層和應用層4 部分組成，具體如下。

圖1 試驗多源數據融合系統架構

數據采集層。負責將整個平臺的基礎數據采集接入到試驗數據管理平臺統一管理，可接入的數據種類豐富多樣，涵蓋結構化與非機構化的數據類型。

數據傳輸層。實現對接入的數據在數據格式、傳輸協議及控制信令方面的格式化、規范化及標準化處理，使系統內部按照統一的格式處理各種接入的數據，減少系統內部數據格式轉化的復雜度，提高系統內部數據處理效率。

數據管理層。完成系統內的數據管理和調度，實現各類數據的轉分發，存儲，以及數據之間的關聯及聯動關系配置等。包括系統不同表征量的閾值設定，以及數據自動分析，向應用層主動發送異常數據及關聯數據。同時響應應用層的查詢，多維度顯示試驗數據。

應用層。是終端用戶與多源數據融合多維度顯示系統進行互動的唯一接口，該層為用戶提供業務運行與數據相關的基礎應用，基于多源數據融合的異常數據分析應用及基于預定路線巡游的多源數據顯示等一系列功能，并提供第三方平臺的2 次開發接口，滿足其他系統數據共享的需求。

全機強度試驗前可通過數據管理層配置系統管理需要處理的數據源發出同步要求，通過數據傳輸層實現多個離散數據源采集的數據包、視頻數據的實時接收，并將接收到的原始網絡包數據及視頻數據進行存儲。按照數據分析模塊定義的數據分析流程對測試數據進行分析，按照數據關聯模型，獲取與之相關的其余數據源的結果數據進行存儲，同時轉儲系統可將原始網絡包數據、視頻數據和結果數據快速傳輸至數據中心和可視化系統等。

2 試驗多源數據實時融合方案

2.1 試驗多源數據讀取與時域同步

試驗中，試驗載荷施加系統對試驗機施加載荷，試驗結構響應測量系統對試驗中的飛機進行不同感知參量的實時測量，試驗視頻監控系統對現場實時拍攝。

首先由試驗載荷施加控制系統發出載荷施加指令，同時基于系統中的數據標識管理模塊對所有接入的試驗數據采集源發出數據同步采集指令，其次各數據采集源同步接收系統的IO 接口接收時域同步標識，各數據源產出的數據具有統一時域的同步標識，最后將數據統一結構化存儲，實現所有數據源的時間同步。同步標識示意如圖2 所示。

圖2 試驗多源數據時域同步示意

2.2 試驗多源數據關聯及存儲

針對各類單獨存儲的多源數據，基于各數據源的相關性，搭建基于多源數據結構化管理的數據庫平臺，具備全機強度試驗的大容量數據高速無線傳輸和試驗數據存儲功能。

多源試驗數據基于統一時域，將試驗機全機結構按考核區域劃分，并依據采集數據所處試驗機結構位置進行關聯。通過構建基于結構分區的數據關聯模型，將各個離散的數據源形成一個群，群內的數據具有強關聯性，所有群的集合則形成全機強度試驗數據集，最終為實現相關數據的自動化提取提供支撐。

2.3 試驗多源數據融合

試驗中多源數據進行關聯構建和結構化存儲后，數據融合系統將讀入結構應變、位移等試驗運行數據，并通過SDK 方式與試驗視頻監控平臺對接。系統首先獲取視頻平臺內的視頻資源，提供系統進行關聯調用和相關功能的融合顯示。其次，調用試驗載荷施加控制、應變和位移等運行數據，并進行數據解析。最后，將試驗信息數據與視頻監控數據融合疊加，實現數據融合。數據流程如圖3 所示。

圖3 試驗多源數據流示意

3 工程應用

基于上述方法研制了1 套多源數據實時融合監控系統，并以某型飛機疲勞試驗為平臺，選取試驗視頻監控數據與試驗載荷施加數據2 類數據對數據融合進行了測試。

3.1 試驗視頻監控的布置

為了實現試驗現場立體場景環境下的視頻實時監控，滿足整機強度試驗作業、安全管控的需求，對實驗室內試驗重點區域進行了整體規劃，沿實驗室四周布置了多個高清相機，在中心點布置1 個全景相機。通過監控相機構建整個實驗室三維立體監控環境，基于“1張立體動圖”實現試驗區域的信息監控的全覆蓋，為試驗決策提供數據支撐。

3.2 試驗運行信息數據的選取

結構傳載路徑是飛機結構設計時必須考慮的關鍵因素，對于結構傳載路徑上關鍵部位需要進行全狀態監控，如機翼主梁、翼身連接區域等。監控的關鍵運行信息包括載荷施加數據、應變測量數據和位移測量數據等，此次選擇載荷施加數據作為研究對象，依據試驗機結構分區建立載荷數據與視頻監控數據的關聯模型。

4 結束語

綜上所述，本文提出基于多源數據實時融合的全機強度試驗監控技術，研制了1 套全狀態監控系統，并以某型機疲勞試驗為平臺開展了系統的測試工作。測試結果表明，系統可實現試驗監控視頻、試驗載荷控制解析文件等多源數據的時域同步融合展示，初步具備試驗全狀態信息實時監控功能。未來還可增加融合數據類型如應變、位移采集數據，并建立基于多源數據的決策分析，為打通“數據同步感知、數據高度融合、自動分析及智能預警”的數字化試驗監控流程提供技術支撐，進而加速試驗數據分析和數據篩選自動化處理，促進民機整機靜強度試驗的轉型升級。