民用飞机结构无损检测数据管理系统的设计与开发

詹绍正，宁 宁，王 丹，杨鹏飞，黄华斌

(中国飞机强度研究所，西安 710065)

民用飞机在服役过程中不可避免地会发生各种结构损伤，这些损伤数据是支持修理决策和修理方案制定的重要依据。飞机制造商会根据损伤数据进行评估和制定修理方案，在获得适航批准后，飞机发往航空公司进行修理。这一过程需要用到很多的支持信息，如不同损伤类型对应的损伤参数、不同修理类型对应的修理参数等[1-3]。飞机实际发生的每一条损伤信息同时又包含着飞机信息、损伤位置、损伤类型、损伤尺寸、损伤发现时间、损伤原因、检测方法等多源背景数据，如果不能规范、完整、准确地记录这些信息，将直接影响结构损伤评估和修理决策的效率及准确性[4]。

通过长期对一架飞机或一个机队在运营中出现的损伤及维护数据的跟踪和监测，可以随时掌握飞机的修理履历，监控飞机的健康状态，为合理调整检查间隔或检查级别提供支持。此外，飞机结构损伤出现的部位、时机和频次也是飞机结构设计是否合理的直接反映，通过对大量结构损伤信息的统计分析，设计人员可持续对飞机结构的优化设计进行改进。

传统的纸质化损伤记录方式虽然在现场使用方便，但也存在记录不统一、共享性差、统计分析不方便、大数据量管理困难等缺点。数字化管理系统可实现对检测结果的数字化管理，是国外飞机维护机构普遍采用的技术。这些电子化管理系统可以实现对受损结构信息、检测工艺信息、检测时间、检测结果、损伤图像及信号特征等的规范化记录和管理；同时，系统的统计分析功能便于维修人员和飞机设计人员直观、快速地掌握飞机受损结构部位和损伤状态，使其第一时间作出响应，保障民用飞机的持续适航性。

在飞机结构的长期检测过程中，企业内部往往形成了特别多的以工具手册、标准规范、工艺文件等文档形式存在的无损检测基础资料，这些资料包含了很多检测任务信息和检测过程数据。

在飞机强度试验过程中，民航系统尚未建立针对飞机结构无损检测信息的数据管理系统，给试验过程中的数据管理和结构维护决策带来不便。随着型号研制周期和试验效率的加快，需要构建一个数据管理系统，以实现对民用飞机强度试验中无损检测信息的管理。笔者从无损检测基础数据管理系统的功能需求、架构设计、损伤数据源和编号规则、系统开发环境、系统功能及应用效果展示等方面详细介绍了民用飞机结构无损检测数据管理系统的设计和开发过程。

1 系统需求和分析

民用飞机结构强度试验和服役过程中涉及到的无损检测数据主要有飞机结构出现的损伤信息以及损伤检测的无损检测知识信息两类。结构损伤信息具体包括损伤类型、损伤位置、损伤尺寸、损伤图谱等信息；无损检测信息包括检测大纲、检测标准、检测程序、检测工艺卡等。

目前，对多源异类数据普遍采用数据库进行管理。数据库是数据管理的基础，具有数据结构化、减少数据存储冗余、较高的数据独立性、易于扩充、便于共享等优点[5-10]。结合结构损伤数据和无损检测数据的自身特点，两种数据信息采用独立的数据库进行管理，即设计的无损检测数据管理系统中至少包含结构损伤数据库和无损检测知识数据库两个数据库。

1.1 数据库功能分析

综合考虑结构损伤数据类型和日常的使用需求，结构损伤数据库应能够实现损伤数据的录入、审批控制、损伤数据管理、损伤查询和统计、损伤展示、损伤超阈值报警、损伤报告生成、损伤批量输出等功能。

无损检测知识数据库应能实现多种格式无损检测工艺信息数据的输入、审批控制、管理以及检索查询等功能，并能将查询的结果进行显示、打印、下载保存等。

系统需具有用户控制权限和定期自动备份功能，以及提供第三方软件调用数据的接口。

1.2 系统综合性能分析

为便于异地数据的传递和共享，系统需在网络环境下运行，运行用户数量不少于20。系统应操作简便，可维护性高。系统支持32位、64位的Win7或更高版本的操作系统,支持IE9或者IE11以上的浏览器。

2 系统设计及开发环境

2.1 系统总体框架设计

系统总体架构上设计为数据建模模块、系统管理模块、结构损伤数据管理模块和无损检测知识数据管理模块，系统功能设计框图如图1所示。

图1 系统功能设计框图

数据建模模块负责系统运行所需模型字典的管理，包括机型、结构部位、检测方法、损伤类型等数据库中所需模型字典的创建及修改，并将这些基础数据按层级关系或飞机的组成建立关联，完成系统运行所需的基础数据的建立。系统管理模块用来实现对用户的控制、用户角色和权限的管理、菜单管理以及数据库的备份管理。结构损伤数据管理模块实现结构损伤数据库的功能。无损检测知识数据管理模块实现无损检测知识数据库的功能。

系统采用门户网络集成方案设计将浏览器和服务器结构模部署在服务器上，通过服务器发布网络地址进行系统启动，图2为无损检测数据管理系统的网络架构设计图。

图2 无损检测数据管理系统网络架构设计图

2.2 损伤记录数据源及编号规则设计

飞机结构的每一处损伤都包含着多种信息，为了全面、准确地反映每一损伤信息包含的背景数据，采用包含飞机机型信息、受损结构部位、损伤编号、损伤位置、损伤原因、损伤性质、损伤部位的结构类型、材料牌号、损伤尺寸、损伤图谱、损伤发现时机、损伤发现方法、损伤处理方式等多源信息的结构损伤数据源记录模型。

数据源记录模型中，损伤部位按照ATA ispec 2200(航空维修资料标准)约定的飞机结构部位进行定义，损伤位置详细描述损伤中心对应的准确位置。损伤原因包括疲劳损伤、环境损伤和偶然损伤3类。损伤性质反映损伤类型，具体包括腐蚀、裂纹、断钉、雷击、分层、脱胶、冲击、积水等。损伤部位的结构类型和材料信息反映受损结构部位的结构形式和材料牌号。损伤尺寸包括损伤面积、长度、深度等信息。损伤图谱反映损伤特征的图片信息，如损伤形貌照片、超声或涡流信号特征图片、射线影像图片、磁粉和渗透的痕迹显示图片等。损伤发现时机反映损伤被发现的时间、飞行小时数或起落次数。损伤发现方法反映发现损伤所采用的检测方法，包括目视检测、超声检测、射线检测等多种无损检测方法。损伤处理方式反映后续针对损伤的处理方法，如更换、螺接修理、挖补修理、贴补修理等。

损伤编号是每一损伤信息的唯一识别码，用来快速对损伤进行检索,并能够直观反映损伤的背景信息。为了方便后续结构损伤的识别、统计和分析，损伤编码采用“型号代号-损伤部位章号-损伤部位节号-损伤性质代码-损伤序号”组合的损伤编号规则。损伤部位章号和损伤部位节号采用ATA ispec 2200规定的飞机结构部位定义方式，将飞机结构划分为舱门、机身、短舱和吊架、尾翼、窗、机翼6大结构模块，损伤部位节号为依据ATA ispec 2200定义的飞机6大结构模块对应的次级部位编号，采用两位数字标识。民用飞机结构损伤编号规则设计方法如图3所示。

图3 民用飞机结构损伤编号规则设计方法

2.3 系统开发环境

系统基于SQL Server 2008数据库环境，采用JAVA JDR1.8编程语言和Eclipse Mars开发工具开发。

系统客户端采用IE 9及以上版本浏览器，最佳显示分辨率为1 920像素×1 080像素，在其他分辨率下进行自适应显示。

系统服务器端支持Windows server 2008及以上版本环境，WEB服务器采用Tomcat7，服务器为双CPU，内存不低于16 G，硬盘容量不小于1 T。

3 系统功能及效果展示

开发的民用飞机结构无损检测数据管理系统启动界面采用用户登录控制，系统登录界面和主界面如图4所示。用户既可以通过企业门户网站实现单点登录，也可以输入注册的用户名和密码进行登录。登录后系统具体包括结构损伤数据管理、无损检测知识数据管理、数据建模和系统管理等4个主要单元模块。

图4 系统登录界面和主界面

3.1 数据建模

数据建模模块包含机型添加、结构部位添加、机型与结构部位管理、模型字典添加、模型字典管理等功能，可用来实现对损伤数据库所需的机型创建、结构部位的定义和管理、损伤类型以及检测方法等一些公用信息的定义和管理。机型模型和结构部位创建功能界面如图5所示。

图5 机型模型和结构部位创建功能界面

3.2 系统管理

系统管理模块包含用户管理、角色管理、菜单管理、数据库备份、报警管理以及损伤显示颜色的管理等功能，可实现用户的添加、用户角色权限的设定、系统菜单管理、损伤报警阈值管理以及损伤标识管理等功能。通过用户添加和用户角色管理可以创建新的用户并赋予相应的系统权限。数据库备份能够实现通过页面即可在服务器上进行数据备份；通过报警管理能够实现在用户录入损伤数据时，对尺寸超过设定阈值的损伤进行报警提示，提醒检测人员重点关注或增加检测频次。损伤显示颜色设置用来定义不同位置的损伤在飞机结构全局显示中的颜色，方便用户直观了解损伤的全局分布。

3.3 结构损伤数据管理

结构损伤数据管理单元负责结构损伤信息的录入、管理、统计分析、展示和输出等功能。在损伤数据录入时，为了确保录入损伤的准确性，数据库中设计了审批功能，检测人员录入的损伤数据只有通过型号主管审批通过后才可录入数据库中。系统针对数据中的每一条损伤数据，自动生成一个唯一性的损伤识别二维码，可在飞机实际结构损伤部位进行喷绘或黏贴，后续检测人员通过扫描二维码与数据库系统链接，方便对损伤进行及时跟踪和扩展监测。数据库中的损伤信息能够由EXCEL表格批量输出。

系统利用WebService方式向第三方系统提供了损伤数据库访问接口，可供其他系统访问损伤数据库并提取损伤信息。

在结构损伤数据库中，通过选定机型、受损结构部位、损伤类型等信息后,系统会根据损伤编号规则自动生成损伤编号，避免人工编号带来的误差和错误。针对每一编号损伤，通过依次录入损伤位置、损伤特征图谱、损伤坐标、受损结构形式及材料、损伤尺寸、检测方法、检测时间、检测人员等信息完成对完整损伤数据的录入。

图6为结构损伤数据管理功能界面，该功能可以实现新损伤数据的添加以及对数据库中已有损伤数据的编辑、删除等操作。在损伤统计功能下，用户对数据库中的损伤数据可以按结构部位、损伤类型、结构形式、检测方法、时间节点和损伤扩展情况等进行独立条件或多条件的关联统计分析，获得不同结构部位、不同损伤形式的发生数量和占比。

图6 结构损伤数据管理功能界面

3.4 无损检测知识数据管理

无损检测知识数据管理单元负责实现对无损检测标准、规范、工艺文件等检测知识数据的录入、审批、管理、检索和输出等功能。

图7为结构无损检测知识数据库管理界面，通过数据库，拥有相应权限的用户可以创建目录，将图片、word、pdf等多种格式的检测工艺文件录入数据库，供现场检测人员查询和下载，指导现场检测人员的检测作业。同时，现场检测人员也可把现场的检测结果、检测报告等数据录入平台，供检测工艺设计人员分析和优化检测工艺使用。数据库提供了按文件名称、文件编号、检测方法、结构形式等多种条件进行检索的功能，方便用户在大量数据中及时获取需要的检测知识信息。在数据录入时，为了保证录入数据的质量，系统设计了审批控制功能，确保录入数据的准确性。

图7 结构无损检测知识数据库管理界面

4 结语

针对民用飞机无损检测数据电子化管理的迫切需求，设计并开发了飞机结构损伤与无损检测知识数据管理系统，实现了对民用飞机结构强度试验过程中的结构损伤数据和无损检测工艺知识数据的规范化、电子化和网络化管理，提高了无损检测数据管理、传递和挖掘再利用的便捷性。系统方便了用户及时获取飞机结构在强度试验过程中的易损结构部位、高发损伤类型、损伤发生时间及扩展趋势、损伤检测方法及工艺方案等信息，可为结构安全评估和修理方案的制定提供完整、准确的无损检测数据资源，并可为飞机结构的优化改进和外场服役中的检测维护提供支持。