民航发动机健康管理数据库的研究

2012-02-21李书明

装备制造技术 2012年11期

荆楠，李书明

(中国民航大学航空工程学院，天津 300300)

航空发动机健康管理系统（Engine Health Management,简称EHM）[1～2]，是在综合利用了状态监控、故障诊断、信息技术、人工智能等科技成果的基础上，产生的一种全新的航空发动机使用和管理方案。其可以最大限度的预测发动机以及各部件的健康状况，以进行及时维护，避免发动机在服役期间无法正常工作，同时又可避免不必要的检查和维修，从而达到经济性和可靠性的统一。

数据管理是实施EHM的基础。其管理的对象是来自不同部门、不同型号的发动机数据信息。EHM系统需求和产生的数据种类多、逻辑结构复杂、诊断和预测数据需求大，且对数据的实时性和安全性要求高。数据库技术是数据管理的成熟技术，具有数据结构化、最低冗余度、较高的数据独立性、易于扩充、便于共享等优点。为了提高EHM系统的通用性和使用效率，降低成本，因此，设计了一个数据库，以供各种诊断、预测算法以及可视化等各种处理程序使用，对来自不同平台的发动机数据进行管理十分必要。

1 健康管理数据库的设计流程

建立民航发动机健康管理数据库的目的，是对健康管理的对象信息进行有效地管理，让使用人员能够对相关数据进行快速的查询、分析和计算，完善发动机的使用和维护方案；利用数据库存储的历史数据和案例与故障诊断和状态监控的结果进行比较、分析及验证，以提高发动机的使用效率，降低其维修成本。

数据库的设计可以分为六个阶段[3]，第一阶段为需求分析，了解数据和相关处理，综合用户的应用需求；第二阶段为概念结构设计，设计系统的E-R(Entity-Relationship Module)图；第三阶段为逻辑结构设计，将E-R图转化成数据库支持的数据模型，形成数据库的逻辑模式，并对其进行优化；第四阶段为物理设计，形成数据库内模式，安排数据库的物理存储，建立索引；第五阶段为数据库实施，设计数据库系统的应用程序；第六阶段为数据库运行和维护。

2 健康管理数据库的开发应用平台

2.1 健康管理数据库的硬件平台构架

民航发动机健康管理数据库系统，采用的分布式的运行结构，同时又对Web有应用要求，因此，采用以Web技术为中心的B/S构架[4]。B/S结构是目前数据库应用和发展的趋势，其具有应用方便，可扩展性好，容易部署和管理，有很好的通用性和跨平台性，数据安全性和一致性好，升级维护简单等优点。如图1所示为健康管理数据库的B/S结构图。

图1 健康管理数据库B/S结构图

2.2 健康管理数据库的软件平台构架

数据库的重要应用是数据的存储和管理，考虑到系统的稳定性、事物处理能力、响应速度、数据管理范围、并发处理等能力，后台采用Oracle数据库系统[5]；操作系统采用Windows系统，以保证软件的安全性和可移植性。

2.3 健康管理数据的应用开发平台

数据库应用系统在NET环境下开发，同时利用ADO.NET数据访问技术连接数据库。在民航发动机健康管理数据库的设计和开发中，主要利用NET实现接受客户端的数据请求，处理查询条件、连接数据库进行数据操作并得到相应记录，将记录生成结果页面、结果页面的生成与提交等。

3 健康管理数据库的系统设计

在数据库的设计过程中，不仅要结合用户需求和数据库系统设计的要求，同时，还要解决数据的一致性、冗余性、访问效率等问题，设计出满足用户需求、便于维护和扩充、具有好的可读性、能够满足空间和效率要求的数据库系统。

3.1 需求分析

民航发动机健康管理系统数据按照应用要求，具体可以分为选型清单信息、航线数据信息、车间数据信息，分析数据信息四大部分。每一部分所包含的内容如表1中所示。

表1 健康管理数据库数据结构表

数据流图可以直观的表现出系统中数据处理的过程，能够对用户需求进行更进一步的分析和表达。在分析数据在系统内部逻辑流向和逻辑转换的基础上，用图形的方式表示了民航发动机健康管理数据库所完成的逻辑功能，如图2所示。

3.2 概念结构

概念结构设计，就是将用户需求抽象为信息结构，也就是概念模型的过程。本文数据库的概念模型采用的是E-R模型，其构成成分是实体集、属性和联系集，这个模型了数据库系统所管理的数据信息之间的关系。根据民航发动机健康管理数据库用户的需求可以得系统的E-R图，如图3所示：

图2 健康管理数据库的数据流图

建立了E-R模型后，就可以将概念模型转换为逻辑模型。逻辑模型与数据库管理系统相联系。因为民航发动机健康管理数据库采用的是Oracle数据库管理系统，所以，概念模型转换为逻辑模型就是E-R模型转换为关系模型[6]。

图3 健康管理数据库的E-R模型

4 健康管理数据库的功能设计

健康管理数据库功能可以分为用户登录和管理、数据查询、图像处理和生成、数据上传和下载、系统管理等部分。

4.1 用户登录和管理

健康管理数据库的数据对于保密性和安全性有很高的要求，为了保证系统和数据的安全性、可靠性，用户登录和管理模块需要进行严格的管理[7]。用户必须通过用户名、密码、验证码验证后才能登录界面进行应用管理和浏览。基于本系统采用的B/S结构，系统采用Session对象来有效阻止用户通过猜测URL的方法跳过登录界面直接进入系统。

用户管理模块主要是对健康管理数据库系统的用户进行管理。采用“用户ID”作为主键，根据用户需求的不同设定不同的访问权限。访问权限按用户级别不同可分为“管理员”,“用户”和“游客”三个不同级别。“管理员”账号仅由负责数据库系统管理和维护的人员使用，具有最高权限，可以控制和监控用户对数据库的存取访问，设定各种类型数据的访问权限，更新系统数据库中的信息，维护数据库的安全性，监控和优化数据库的性能等。系统的登录界面，如图4所示。

图4 民航发动机健康管理数据库登录页面

4.2 数据查询

数据查询是数据库应用的核心功能，是实现数据应用的基础。需要具备以下功能：

（1）查询方式的多样性

支持对数据的层次查询、条件查询等多种查询，并可对查询出的数据进行一定条件的二次过滤。支持通过一种数据查询到另一种相关的数据的关联查询，包括一对一、一对多、多对一等多种关联方式。

（2）多种类型数据的查询和处理

支持数据、数组、字符、文档、图片等多种数据类型的查询，能够按用户需求对数据进行动态回放。可以将数据生成支持故障诊断和状态预测等软件使用的文件格式，以供分析使用：支持图片的生成，可将后置处理的数据绘制成需要的图片。

4.3 数据的上传与下载

信息根据属性不同可分解为数据、数组、字符、文档、图片、软件等类型。

静态数据和文档具有固定的格式，在系统执行过程中不能加以改变，可以设定与格式相对应的关系表，由系统分配固定大小的存储空间，用户在选定相关文件后直接读取文件的内容。

动态数据的数据量比静态数据大，数据类型多且数据结构复杂多变，在数据库中不能和静态数据一样制定出对应的关系表进行储存。可以通过以下两种方式实现数据的存储和读取：

（1）通过数据流对象的处理和转换等操作，把该类型的数据直接存入数据库中，用户在查询和浏览时再按原来的格式读取显示。

（2）将数据作为文件存放在服务器目录中，在数据库的关系属性中存储这类数据的相对物理地址，用户可以直接根据对应的相对物理地址查询到所需数据。

软件类的数据格式简单，但是单个文件较大，可以采用相对物理地址的形式存储在数据表中，将相关信息加入到数据库中方便用户使用。

对于动态数据和软件数据，应用系统分别开发相应的数据上传下载模块。用户可以通过File Upload控件上传文件，并对文件进行相应的描述和说明，同时，可以设定用户对文件访问的权限，上传人和上传日期信息由系统自动生成。

4.4 系统的管理

为了更方便的实现对系统的管理，应用系统还开发了数据录入和删除、用户访问记录查看、数据访问权限设置等系统管理模块。

（1）数据录入和删除模块

在民航发动机健康管理数据库中，管理信息的数据类型复杂具有非结构化的特点，数据量大且多变，需要根据用户需求和数据类型制定不同的管理方法。根据应用要求的不同，数据库可以分为选型清单信息、航线数据信息、车间数据信息、分析数据信息四大部分。应用系统分别为各部分设计了对应的显示界面，供一般用户访问和浏览信息；同时还设计了管理界面，使管理员利用普通客户端即可完成数据库中信息的管理工作。

（2）数据访问权限的设定模块

系统管理员不仅可以设定用户的使用权限，还可以设定数据库中各部分数据的访问权限，从而对数据实现双重保护。

（3）用户访问记录的查看模块

为了更好的对数据库系统进行管理，在管理系统中增加了可以查看用户访问记录、登录时间和上传及下载数据历史记录的功能。