航空发动机试验性能分析通用平台架构设计与实现

仇 钎，陆 超，马前容，刘慧芳

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院高空模拟技术重点实验室，四川绵阳621700；2.首都航天机械公司，北京100044)

1 引言

航空发动机试验中，试验性能分析人员需要快速完成数据的验证、处理、分析和结果评定等多项工作，为项目决策者提供关键信息。近年来，随着试验类型、任务量和试车时数的快速增长，用户对试验安全性与信息及时性的要求越来越高，传统的数据处理与分析程序已无法满足试验需求。国外的试验数据验证与分析技术正朝着通用化、自动化和智能化方向发展，如AEDC(美国阿诺德工程发展中心)、AF⁃FTC(美国空军飞行试验中心)和NAVAIR(美国海军航空司令部)联合开发的通用分析系统CAP[1-2]，其主要特点是采用了通用分析方法与评定标准、通用基础架构和统一开发语言。而国内主要仍以面向过程和面向对象的专用试验数据分析系统为主[3-4]，各试验机构的相关研究与开发工作相对独立，且存在一定重复。

本文针对航空发动机高空台和地面台试验的性能数据分析需求，以面向服务的插件框架技术为基础，提出了一种航空发动机试验性能分析通用平台(CATPAP)的系统框架设计方案并完成了软件系统开发。经多个试车台应用表明，该系统具有统一的业务界面，可动态扩展，显著提升了试车台的数据分析效率，为试验性能分析应用软件的创新开发提供一个便捷的平台。

2 系统集成与框架设计

试验性能分析是数据流转化为信息流的多任务过程集合，需要并行开展数据有效性验证、性能预测、故障识别与诊断、稳态/过渡态性能数据处理与分析(包括实时处理和后处理)。随着试验任务对试验结果实时性和有效性要求的提升，要开展不同业务的处理软件集成。传统的面向过程或面向对象的集成方式，过程函数或对象组件只能应用于固定任务，缺乏通用性和扩展性。目前企业级应用集成较为理想的一种解决方案是面向服务架构(SOA)[5]，其高内聚、低耦合的设计原则可确保系统根据试验业务的需要对服务进行动态调整和快速重组。但SOA尚未形成统一的标准规范，目前最常用的技术包括Web Service和插件技术。前者可以在网络环境下实现跨平台、跨语言的互操作，最大程度地复用现有数据及应用[6]；后者采用标准接口将不同功能分别封装，降低模块间的耦合程度，实现软件服务动态扩展[7]。本文将二者相结合，基于软件分层的设计思想，通过制定发动机试验性能分析的公共数据模型标准、互操作规范及界面规范等，建立起一个支持数据共享和互操作、可动态扩展的分布式插件框架平台(图1)。此平台作为一个服务容器，提供插件接口规范、配置管理、服务发布、部署和更新管理、异常与日志管理、事件发布与订阅等服务。用户可根据试验数据分析的需求在线定制不同的业务服务，实现试验性能处理不同业务应用的动态集成。插件开发人员则无需考虑繁杂的数据格式转换与底层服务，可专注于分析业务插件的创新开发与应用。

3 主要插件设计

3.1 数据服务

目前行业内尚未统一发动机试验数据格式标准，不同试车台的数据格式各异，信息完整度不同，不利于数据的使用[8]。为满足性能分析对信息完备性的需求，本文定义的数据类包含了发动机试验的任务、科目、试验点、发动机状态、通道配置、时间、历程数据、稳态时均值、坏点剔换信息、软件配置和试验事件等信息(图2(a))。经应用验证，这种数据结构适用于不同的试车台和不同类型的发动机试验，具有较好的交互性、通用性和完备性，可满足试验性能分析需求。在统一数据结构的基础上，数据服务采用事件驱动架构和多线程处理技术来实现性能处理多个业务操作的并发执行(图2(b))。

3.2 组态视图

随着发动机型号和台份的增多，专用性能分析程序需要反复更改源代码并重新编译，难以满足试车台日益提升的通用性需求。如图3所示，将工业监控软件和发动机仿真软件中使用的组态建模方法引入到试验性能分析中，通过对气动与热力学基础算法、发动机性能计算方法、信号处理算法和统计算法的梳理与封装，建立起通用的发动机试验性能分析专业基础库，与组态视图控件进行融合。用户通过图形交互界面构建发动机试验性能处理模型，可快速完成不同试验对象的性能处理任务[9]。

3.3 试验性能处理

试验性能处理的主要任务包括性能参数计算和过渡态参数统计两类。稳态性能参数计算一般分为实时计算和后处理计算两种，前者是对实时接收的采集数据进行计算和发布，后者是对发动机稳定状态的数据时均值进行后处理计算和存储。过渡态参数统计是对历程数据进行计算和统计分析，根据设定条件完成时间、瞬时值、极值和均值等参数的统计，并进行状态判别、故障识别和有效性判别等。

由组态视图插件构建的稳态分析模型可以根据实时和后处理的不同需求进行参数配置，实时计算由数据事件驱动，后处理计算由状态事件驱动；过渡态分析模型则可以根据过渡态统计需求进行滤波、变换和判别逻辑参数配置，其参数统计与状态判别等任务通过数据事件驱动，与CAP类似，可通过组态的逻辑组合设置不同类型的过渡态状态判别[10]。图4为典型的性能处理流程图。通过对发动机状态特征参数的逻辑组合识别，可实现试验过程中事件的自动监测，并驱动相关数据分析任务的自动化处理。

3.4 状态监视

试验过程中，性能处理人员还可通过动态添加历程曲线、XY曲线、测点分布图与幅频特性图等数据可视化控件，选择不同的测试参数或性能计算参数，实现对流场、设备和发动机工作状态的监视，提升故障判别效率。

4 系统实现与试验验证

在Net Framework 4.0框架下，利用C#的反射、互操作、异步委托、网络与并性编程等技术构建了面向服务的插件框架平台，完成了事件与数据服务、状态监视插件、稳态性能处理插件和起动特性分析插件的开发与集成，如图5所示。分别在高空台和地面台上完成了多型发动机的试验验证。试验过程中，可以在统一界面下同时开展稳态性能处理和起动特性分析，并实时监视相关测试参数，完成试验性能分析多任务的并发执行。原来由人工处理的很多任务实现了软件自动处理，提升了试验数据分析的工作效率。此外，还开展了自动试车记录插件和高空台附加阻力分析插件等基于试验数据流和事件流的自动处理应用设计与开发，平台的通用性与易扩展性也得到了验证。

5 结束语

本文构建的CATPAP摒弃了以往传统的面向对象或面向组件的集成方式，以面向服务的插件框架技术为基础，将数据服务、组态视图、性能处理和状态监视进行了系统集成。经多个试车台应用验证，该平台可显著提升试验性能数据分析效率，为试验性能分析自动化实现途径提供了一种参考。但目前仅实现了数据的基础处理，还需要扩展仿真、信号处理、历史数据对比和故障诊断等模块，完善系统自动分析功能，进一步探索智能化的试验性能分析专家系统实现方式，并开展相关技术验证。

参考文献：

[1]Kidman D S，Malloy D J.Integration of turbine engine ground and flight test using an integrated approach and common analysis tools[R].AIAA 2008-1616，2008.

[2]Kelly P G，Holt L L.A turbine engine real-time test data validation and analysis system,generation 1.0[R].AIAA 2000-3626，2000.

[3]朱大明，朱之丽.发动机试验数据分析系统设计与实现[J].燃气涡轮试验与研究，2010，23(3)：10—13.

[4]杨 训，雷 勇，陈桂英，等.航空发动机试车计算机辅助试验系统[J].计算机测量与控制，2005，13(9)：900—902.

[5]盘红华，李迎辉.基于SOA的企业应用集成框架设计[J].电脑开发与应用，2008，21(4)：62—64.

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[8]李讯波.航空发动机测试可视化再现系统的开发与研究[D].成都：电子科技大学，2005.

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[10]Ta L K.Application of matlab®-based automated turbine engine analysis[R].AFFTC-PA-05198，2005.