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摘要：院現代高質量的數據采集系統不僅滿足于數據采集及性能處理等基本要求，還應具有數據管理功能。針對民用航空發動機試驗測試多、試驗科目多、單次運行時間長、涉及專業多等特點，結合試驗全生命周期管理特征，分別從試驗參數配置管理、試驗過程管理及試驗數據記錄管理三個方面闡述了數據采集系統在試驗管理中的實現方法與應用。減輕了試驗準備期間及試驗后處理的人工負擔，數據采集系統的構型管理及試驗過程事件的溯源更加清晰。
關鍵詞：院數據采集系統；試驗；管理
0 引言
隨著微電子技術、計算機技術、數字通信技術的發展，基于 VXI、LXI 總線的數據采集系統，包括現代智能化精密儀器儀表壓力掃描閥等已被廣泛應用于各發動機車臺試驗，數據采集系統的時鐘同步及精度等問題已基本滿足測試要求，可以說數據采集系統已經跨越了從人工讀數到自動測試、人機交互實時監視的里程碑[1-3]。隨著航空發動機研制技術的發展，發動機試驗對數據采集系統技術提出了越來越高的要求，數據采集系統的結構越來越復雜。王晶等人研究了以多線程并發設計思想提高數據采集系統整體性能[4-5]。而高質量的數據采集不僅要考慮數據源的物理性質、數據處理性能，還應考慮數據的管理。民用航空發動機試驗具有試驗科目多、涉及專業多、測點通道多、精度和實時性要求高，單次試驗連續運轉時間長、數據量大等特點。目前普遍存在試驗頻度高、配置量大、時間緊等現象；且試驗后技術人員分析處理數據難度大，較難從中提取本專業所需數據信息；試驗流程、定位故障記錄模糊等問題。因此，如何更加高效的管理航空發動機試驗數據的研究十分必要。結合航空發動機試驗全生命周期管理特征，在試驗準備、試驗過程、試驗結束階段，數據采集系統的數據管理職責分別體現在試驗參數的配置管理、試驗過程管理及試驗數據記錄管理三個方面，本文也將針對數據采集系統在這三方面的應用方法進行探討。
1 試驗參數配置管理研究
1.1 試驗參數配置管理的特征
在發動機研制階段，同系列不同型號試驗件，甚至是同一試驗件改裝后反復上下臺，亦或同一系列發動機因試驗科目不同更換試驗臺開展試驗迭代驗證的情況常有發生。而民用航空發動機溫度、壓力等常規測點少則千點，如果每一次都針對不同的試驗次從頭開始進行通道配置，那將是一個非常龐大的工作量。對于同一次上臺僅試驗次間的更改，如在原有配置下不斷的更新修訂，存在試驗數據的溯源性差、人為管理易疏漏等缺點。針對目前各型號發動機試驗參數特征進行分析，主要包括試驗件測試參數、試驗件性能計算參數以及試驗臺參數。對于不同型號或是同一型號不同上臺次間，伴隨著設計輸入變更產生的同時，大部分原始參數測試是不變的，如壓氣機進出口參數是典型必測科目，性能計算參數基本都是按照行業標準執行的，臺架設備通道信息也往往是在試驗臺建設完成后固化的。
1.2 試驗參數配置管理設計
應用分層級索引的概念對試驗配置進行管理，可有效解決上述問題。分層索引旨在低維度中處理更高維度數據，應用在數據采集系統試驗配置管理中，則主要利用其父節點與子節點的結構，多個子節點共用繼承同一父節點上所有的通道，每次只需要進行不同子節點間有差異的配置，則會大大減少配置的工作量，管理更加清晰高效。簡要的層級分布呈樹狀圖結構，可參考如圖 1 所示的方案，分為七個層級。對于試驗臺固有設備信號，即所有試驗均會用到的通道設置為最高層級（L0）；試驗臺可分別開展兩種以上類型試驗，需要根據試驗需求切換試驗臺架的，將不同類型試驗共用的設備通道配置在次高層級（L1），如風扇與壓氣機共用動力源的試驗臺，在此層級下可分為風扇試驗間和壓氣機試驗間；同一系列發動機共用的設備通道、性能參數通道配置在中高層級（L2）；將同一系列同一型號的試驗件共用的通道配置配置在中低層級（L3），同時截止基于此層級的繼承關系，也表征著 L2 層級的某系列發動機與 L1 層級的某試驗臺開展試驗；將同一系列同一型號試驗件因上臺試驗次不同但共用的一些通道配置在次低層級（L4）；將同一系列統一型號不同上臺次自定義的通道配置在低層級（L5）；其他特殊的臨時需求等可配置在 L6 層級。最低層級的配置索引號是獨一無二的，代表著唯一的試驗配置信息。當選中 L6 層級配置時，系統將會自動向上關聯其他層級配置，以組合成完整的試驗配置。
2 試驗過程管理研究
2.1 試驗過程管理的特征
試驗過程中產生的數據集，不僅僅是試驗參數數據，也包括試驗操作指令。淤數據顯示。試驗過程中的數據主要通過界面顯示傳遞給試驗和設計人員。顯示的數據，通常為典型的一些性能計算通道，必要時結合圖形曲線顯示。對于稍有繁復的公式多采用試驗后處理的形式，試驗目標數據微小的變化也需要試驗后進行確認分析。于操作指令。試驗中每條操作指令的下達與執行都關系著試驗件及臺架的運行安全，試驗日志的記錄也被要求更為精準。目前較常用的方法是，人工記錄試驗過程，查閱繁瑣，很難附帶試驗數據信息且記錄準確度低，存在費時、費力等缺點。尤其在關鍵工序的執行與試驗現場信號報警的記錄，事件發生時間無法直接估量。
2.2 試驗過程管理設計
針對試驗數據性能參數的計算，數據采集系統提供軟件開發工具包，用以輔助開發外圍第三方應用程序，用以訪問數據采集系統的當前值表，以保障數據運算的實時性，解決了像大量非對向氣流角探針氣流參數解算、帶有壓力損失的流量迭代實時計算難題。針對微小數據變化的顯示方面，采取最近幾個穩態點繼承連續顯示的方法加以微小差異變化的區分。如性能錄取試驗中，往往更關注壓氣機最高效率點的獲取，而在試驗過程中通過對排氣閥門的控制，在接近最高效率點附近很難判別是否已經到達或已經越過最高效率點的錄取，則此時利用算法提取最近的兩個或三個穩態點與實時效率數據進行縱向對比，一目了然。針對操作指令的記錄，在數據采集系統操作界面開發一個輸入文本的小窗口，將操作指令及實際工況發生信息錄入并存儲在數據庫中，從而試驗后即可獲取帶有時間戳的試驗流程信息。操作指令的管理可依據試驗工藝步驟進行標注劃分，如是啟動期間產生的，還是性能錄取間產生的，或是性能優化試驗期間產生的。將試驗數據的記錄與工藝流程的記錄統一化管理，試驗后即可導出當日試驗日志。
3 試驗數據記錄管理研究
3.1 試驗數據記錄管理的特征
民用航空發動機對連續運轉時長有著嚴苛的要求，如壓氣機性能錄取試驗會連續運轉四小時以上，對于數據采集系統會進行持續完整的記錄。由于測點多、試驗科目多、涉及專業多等特點，如在同一文件中完成整個上臺試驗期間的試驗數據管理，對各專業提取所需通道進行數據分析帶來較大困難，且同時存在著存儲傳輸過程慢、記錄文件應用形式針對性不強等特點。
3.2 試驗數據記錄管理設計
試驗次管理方面，基于上文中提到的試驗管理配置具有唯一標識的基礎上，針對同一上臺次的不同試驗日的試驗，采取試驗次管理唯一標識策略，即根據當日試驗工藝內容，新建當次試驗名稱，并在試驗結束時，對當日試驗進行描述備注加以對不同試驗次內容的區分，利于試驗科目的追溯。試驗數據記錄方面，提出五種記錄方法以使用不同場景：淤試驗全通道記錄。此文件用于記錄全部試驗用通道，將臺架控制信號與試驗件測試數據統一存儲，便于試驗全過程測試與控制的追溯。此文件在正常開展試驗時使用較少，多用于全系統備份、試驗回放或是試驗故障后處理場景（從中調取某一段時間的試驗數據）；存盤形式可以是占用空間比較小的二進制格式。于自定義過渡態通道記錄。試驗人員可依據各專業需求自定義通道、存儲頻率，直接生成文本可讀的文件；減少試驗后各專業后處理挑選通道解析的時間。盂穩態數據記錄。試驗工況穩定后，輸出一個時間段內的平均值文件，可以有效消除瞬態采集帶來的不確定誤差，使穩態數據更具代表性。榆關鍵日志記錄。在試驗件或臺架產生關鍵報警信號時觸發，記錄關鍵事件前后一段時間內的關鍵通道，試驗人員可以對關鍵事件進行關聯配置，自定義關鍵通道信息和存儲頻率等；試驗后可以通過此文件快速定位報警事件發生時間點，獲取關鍵參數信息。虞系統事件記錄。系統事件文件不但記錄了數據采集系統啟動過程中的事件信息（如各測試子系統是否已連接初始化成功等），且包含試驗過程中通道報警、試驗日志啟停、計算程序變更等事件信息，記錄了試驗全過程的觸發事件。關于試驗數據記錄方面的幾點建議：淤頻率。試驗全通道的記錄，在試驗調臺或試驗臺系統有重大變更時，建議采取 10Hz 或更高記錄頻率，以備試驗臺系統故障全面排查；自定義過渡態通道記錄，可依據各專業需要進行記錄頻率設置，并在結束記錄后即生成可讀文本隨即進行試驗數據查看；穩態數據記錄的頻率取決于采集通道自身，除此之外更應該注重工況穩定的定義及平均時長選取的標準；關鍵日志記錄的頻率設置根據需求往往會比較高，這樣才能達到關鍵事件發生時前后一段時間內的信息抓取。于記錄流程。所述的幾種數據記錄方法，在數據溯源方面存在著一定的再生關系。建議記錄流程，如圖 2 所示。試驗開始前，首要開啟試驗全通道記錄功能，再而開啟自定義過渡態通道記錄，并在試驗前記錄一個穩態點，用以試驗初始狀態記錄；試驗過程中，按需記錄穩態點，關鍵時刻自動或手動觸發關鍵日志記錄，同時記錄試驗過程工藝指令信息或者其他系統報警信息；在試驗終止后，首要停止自定義過渡態通道記錄功能，繼而停止試驗全通道的記錄，并填寫當日試驗信息簡要描述，用以清晰區分不同試驗科目。導出試驗數據時，除上述五種不同格式的數據外，結合 3.2 章節的試驗過程操作指令記錄，生成試驗日電子日志，包含試驗工藝操作信息、系統報警信息、關鍵的穩態數據信息、試驗件狀態信息等。
4 結論
本數據采集系統提出的試驗配置管理，利用分層索引的技術特點，較好的匹配了發動機的構型管理，大幅降低了重復勞動量，溯源清晰。針對數據過程管理提出的第三方數據接口訪問數據采集系統當前值表方法及穩態數據繼承顯示方法均提升了數據實時計算及顯示的能力，減少試驗后處理及反復試驗的成本。試驗次的管理及數據記錄方法的設計，便于試驗人員和設計人員對試驗數據有針對性的提取，為試驗數據分析提供強有力的保障。試驗過程工藝操作指令及事件觸發的記錄，利于快速定位故障或特定試驗工況信息。本文提出的數據采集系統在數據管理中的應用方法，做到了試驗數據全方位、全過程的記錄，減輕了人工負擔，快速定位數據源。推進試驗技術高質量發展。
作者：張迪 陳志龍 丁濤 單位：中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司
