基于工业互联网的试验专网架构分析

弓晓波，陈 潇

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

随着更多新型号的立项、研制及开始验证试验，飞机的质量、可靠性、维修性、保障性及功能参数体系等系统指标已从设计开始分布到零部件、部件、分系统及系统的生产、试验等研制开发过程各个阶段，即把总体技术及可靠性要求转化为产品开发过程每个阶段的各种技术要求的体系及它所规定的工程方法。因此，对航空产品研制全过程的试验任务、试验数据、质量记录综合管理、综合处理、综合分析是对航空产品系统质量综合评测的依据，亟需通过数字强度的建设补充完善,该工作由试验数字化工程来完成。

随着新一代信息技术与强度技术的高速发展，各个领域也诞生了各种试验规范、试验方法和数据处理技术，现场试验数据的实时采集可通过试验测控系统和自动测试设备测试通道自动录入计算机系统，并通过各种网络传输途径传送到远程终端。因此，设计单位、适航代表以及各局方可以在办公室或指挥中心观察各分现场的主要试验任务及试验结果。根据成熟的试验数据处理过程，通过试验专网平台，实时在线显示试验数据，并及时给出状态结果，对超出范围的状态及时告警等[1]。

因此，目前强度试验的技术手段和管理手段的改变已经势在必行，亟需建立基于工业互联网的试验专网，构建强度试验数字底座，支持强度试验数字化转型。

2 业务现状

2.1 基础设施

实验室测控设备及试验设施数量多、类型多、系统多，但没有集中、统一管理。在试验程序传输、试验过程管理、版本控制、数据安全等方面存在一些问题：

(1)试验设备数量多、类型多，目前有控制系统、采集系统、监控系统以及设施监控系统，但没有集中、统一管理，未建立覆盖整个园区的试验网络。

(2)设备来自多个制造商，出厂时间有远有近，每次执行试验程序时，都需要技术组工作人员到试验现场进行设备操作，既占用了技术人员较多的时间，也占用了较多的工时，影响了试验的效率。

(3)部分设备支持网卡传输，但因在采用计算机设置参数时，无严格病毒防范措施，安全性方面有很大隐患。

2.2 试验管理

目前，在强度试验中缺乏对试验数据的深入分析、对比的手段，同时也缺乏对以往强度试验的结果数据后续发掘和利用的能力。

(1)各试验室针对不同的试验件和试验文档，缺乏目录式、流程化的管理系统。

(2)试验程序设计好了之后，要经过试测来纠正错误和优化流程，试验件的状态及试验的更改，也需要有效的版本控制。

(3)试验数据的汇总都是通过手工来完成，工作量大，容易出错，且不容易确定更改影响范围，影响了工作的效率。

(4)试验完成后，数据都存储在各自的电脑，不回传到服务器保存，试验数据的全生命周期管理，还不能得到相对有效的掌控。

2.3 试验业务

(1)大量试验数据无法深入分析、充分利用，是试验数字化面临的最主要问题。

(2)目前建设了TDM系统，以解决试验数据入库、数据采集和处理问题，没有覆盖试验现场的试验数据实时收集、整理与挖掘工作。

(3)目前现场能源动力系统均为独立的产品和系统，没有将设备的状态、运转情况、完好性等内容进行监控，也没有将其状态汇总到现场的试验系统中，因此可能会出现由于产品的故障导致试验失败、停摆等严重事故。

3 数据采集需求分析

数据采集的对象包括数据采集系统、试验控制系统、录像系统和动力系统。其中，动力系统又包括液压系统、空压机系统、空调系统、冷却水系统和供电系统等。本文只对重点系统进行分析。

3.1 液压系统数据采集

现有液压油站系统需要增加以太网通信模块，通过以太网通信协议将数据采集至设备监控系统。能源动力系统的数据要素不多，数据目前都是通过自带的PLC显示，可通过RJ45接口，在远端以网页的形式监控，需将网页的重要字段提取出来，结构化的存储与追溯[2]。

监控数据包括油泵运行状态、油泵运行时间、油池液位、油温、分路阀状态、分路(给油、回油)流量、分路油压。

3.2 控制系统数据采集

根据各类试验控制设备的类型，研发统一的控制数据采集系统。考虑控制系统的安全性，可采用两种方案完成控制设备的工业互联网接入。第一种方案通过解析控制系统的协议，利用控制系统中的交换机接口直接接入工业互联网；第二种方案是利用控制系统的下位机，通过HDMI视频信号，将下位机的视频信号接入工业互联网，增加个边缘网关，利用神经网络算法识别视频中的关键数据[3]。

因CNN卷积神经网络能够以较小的计算量对格点化(grid-like topology)特征，例如像素和音频进行学习，有稳定的效果且对数据没有额外的特征工程特征，主要用来识别位移、缩放及其他形式扭曲不变性的二维图形[4]，所以通过在边缘网关中嵌入CNN识别算法，选取视频信号的关键特征，智能识别视频信号中的数据以及数据的变化，实现第二种方案[5]。

3.3 测量系统数据采集

RTD软件已经实现对测量数据的实时采集与一致性评估分析，但介于后续需要使用测量数据的系统较多，例如健康监测系统、无损检测系统、试验指挥系统等，需在RTD的基础上，研发测量数据采集模型，建立测量数据建模与分发标准，实现测量数据的统一建模与分发[6]。

接口协议与数据格式因厂商不同而不同，采集系统已经通过软件，将不同采集系统的数据规范为特定集中类型，以txt的文件形式保存在采集上位机上，具体格式如表1所示。

表1 采集系统数据格式

4 架构设计

针对上文的需求分析以及未来数字强度试验新模式的要求，提出试验业务协同支持环境架构(如图1所示)，为各个专业提供围绕试验业务的网络协同环境，功能包括试验数据汇聚、建模、分发以及协同管控。在此基础上，统一时间元，选取统一标识(如加载步)，构建控制数据、采集数据、设备状态数据、音视频数据的关联关系，形成强度试验现场数据综合展示与决策支持能力，提升试验水平，提高试验效率。

图1 试验专网总体架构

4.1 任务管理

任务管理是指试验准备阶段的任务要求以及设备配置，如选取控制设备、采集设备、音视频通道等，也可以具体到设备型号、通道、信号变换、试验参数及其关联，主要包括：

(1)任务配置：配置试验项目信息、数据显示、存储、报警策略等。

(2)数据采集：包括控制系统、测量系统、液压系统、空压系统、电力、冷却水等数据的采集配置。

(3)数据存储：可以将采集到的试验数据存储在本地，支持文本文件、Excel文件、XML文件、ASCII文件、二进制文件、MDB文件等，也支持将采集数据保存在缓存中，满足数据实时分析等特殊要求。

(4)日志：记录数据采集时间、操作记录等信息。

(5)视图：以曲线、数据表格、温度计、仪表板等方式显示试验数据，并能让用户自定义显示方式。

4.2 数据建模与分发

基于试验数据模型体系，建立试验数据综合系统，实现对各个试验业务系统中的数据收集与分发，并对外提供标准访问接口，此模型建立之后将作为各实验室试验数据模型的一个基准。不同实验室根据关注点的不同，可以在此基础上进行裁减和增加。

强度试验的工业互联网因其业务的特殊性，需满足较高级别的性能要求，包括提供实时数据解析、分发及传输的能力，综合各试验系统要求，统筹考虑未来建设的业务系统需要，强度试验工业互联网的延迟应小于10ms，DDS数据分发服务采用发布/订阅体系架构，提供较高的服务质量策略[7]。本文拟采用DDS协议，开展数据的实时、高效、灵活分发。在试验工业互联网中，通过一次发送，可实现多个业务系统同时订阅、接收的需求，且不会增加带宽的压力[8]。

4.3 综合展示

提供整个试验的设备设施监控系统的实时数据、历史趋势、系统报警、过程数据报表。MTS监控示意图、真空泵监控示意图如图2、图3所示。

图2 MTS监控示意图

图3 真空泵监控示意图

5 结 论

为了更好地实现高速协同的试验专网建设，本文采用DDS技术实现试验专网的数据发送与接收。为保障试验控制系统的安全可控，提出视频接入加CNN解析的方案，实现试验控制系统数据的提取。相较于传统接入方式，此方案安全性较高，不会对控制系统产生任何影响，但实现成本较高，可靠性会出现一定程度降低，后续还需在工程实践中进一步论证。

本文阐述了基于工业互联网的试验专网建设需求分析，从基础设施、试验管理、试验业务方面对强度试验专网的业务现状进行了梳理，开展了强度试验数据采集、任务管理、数据建模与分发、数据综合展示的需求分析。在需求分析的基础上，围绕试验现场高速协同网络建设的需求，提出了强度试验专网建设的总体目标、建设思路与系统架构，为系统后续的设计与实现打下了坚实的基础。