基于多源数据融合的整机试验监控技术

刘 冰，张建锋，李 涛，牧 彬

（中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点试验室，西安 710065）

在飞机研制产业链中，飞机结构强度试验是飞机研制中不可缺少的重要环节，是对整个飞机设计进行最全面、最接近真实的地面验证。其目的是鉴定飞机结构的设计静强度，并为验证强度和刚度的计算方法及结构设计、制造工艺的合理性提供必要的数据和资料[1]。航空产业中，需求与技术进步在驱动飞机性能方面不断提升，作为确保飞机飞行安全最可靠的手段，飞机结构强度试验也越来越复杂，试验规模越来越大。因此，对试验现场进行直观的全状态监控，满足整机强度试验人员对试验场的立体管控可视化及试验安全的需要，可有效控制试验风险点，对提升试验质量具有重要意义。

国内对数据融合监控开展了较多研究，主要集中在图像数据叠加[2]、多类型传感器数据融合[3-9]和安全监控及设备状态诊断[10-11]等领域，在飞机试验数据及信息监控方面，国内也开展了一定的研究，主要包括全机静力试验实时监控[12]、飞机姿态监控与报警功能[13]及试验中异常响应数据的及时判别[14-15]等，有效降低了试验风险。

上述学者在监控领域取得了丰硕的成果，但是针对整机强度试验数据融合监控研究较少，目前国内仅能实现离散的试验视频、施加载荷和响应测量等数据监控，面对试验中产生的海量数据及其模式的不确定性和多变性，尚未对试验现场的多类型数据融合展示，且监控信息无法与试验业务数据关联。因此，本文以某型飞机疲劳试验为研究对象，开展以视频监控数据为基础的试验机控制、应变和位移等多源异构数据融合技术研究，研制一套基于多源数据实时融合的整机试验监控系统，建立结构应变、位移等试验数据与视频信息之间的关联，实现对试验重点区域的全状态监控，最终达到提高试验质量和安全的目的。

1 试验多源数据融合与监控系统构建

数据融合系统能将来自多数据源的数据和相关数据库的有关信息进行综合与互补，消除单个数据带来的片面性、缺陷性及错误性问题，使对事物的表述更加精确，为判断和决策提高可靠的支撑。

1.1 试验数据源分析

全机强度试验主要数据源包括载荷控制系统、采集系统、结构健康监测系统、视频监控系统和试验仿真分析系统。试验载荷控制主要采用MTS、MOOG 等系统，其载荷谱运行信息格式固定，本地存储。试验响应采集主要包括结构应变响应和位移响应采集系统，采集数据本地存储。结构健康监测系统包含并且不限于光栅光纤、声发射、散斑和智能涂层等系统，视频监控数据为包含时域信息的视频，试验仿真分析数据主要是试验机强度、刚度等特征分析结果数据。

这些数据用来监控试验机结构、加载点及连接件等部位，提供试验机异常响应、结构变形、结构破坏和加载机构异常等视频信息，为试验数据分析、试验决策提供数据支撑。

1.2 试验数据融合系统架构

多传感器数据信息融合基本原理即充分利用若干个传感器资源，在一定准则下自动分析、综合以完成所需的决策，最终获得被测对象的一致性解释或描述[16]。

在全机强度试验中，视频监控、应变、位移及健康检测等各种采集的数据信息都具有不同的特征及意义，如实时/非实时、同步/异步和图像/数字等，进而导致此类多源试验数据信息具有更复杂的形式。因此试验多源数据融合系统是数据融合的硬件基础，通过协调优化和综合处理提供数据融合功能。

试验多源数据融合系统架构如图1 所示，其主要由数据采集层、数据传输层、数据管理层和应用层4 部分组成，具体如下。

图1 试验多源数据融合系统架构

数据采集层。负责将整个平台的基础数据采集接入到试验数据管理平台统一管理，可接入的数据种类丰富多样，涵盖结构化与非机构化的数据类型。

数据传输层。实现对接入的数据在数据格式、传输协议及控制信令方面的格式化、规范化及标准化处理，使系统内部按照统一的格式处理各种接入的数据，减少系统内部数据格式转化的复杂度，提高系统内部数据处理效率。

数据管理层。完成系统内的数据管理和调度，实现各类数据的转分发，存储，以及数据之间的关联及联动关系配置等。包括系统不同表征量的阈值设定，以及数据自动分析，向应用层主动发送异常数据及关联数据。同时响应应用层的查询，多维度显示试验数据。

应用层。是终端用户与多源数据融合多维度显示系统进行互动的唯一接口，该层为用户提供业务运行与数据相关的基础应用，基于多源数据融合的异常数据分析应用及基于预定路线巡游的多源数据显示等一系列功能，并提供第三方平台的2 次开发接口，满足其他系统数据共享的需求。

全机强度试验前可通过数据管理层配置系统管理需要处理的数据源发出同步要求，通过数据传输层实现多个离散数据源采集的数据包、视频数据的实时接收，并将接收到的原始网络包数据及视频数据进行存储。按照数据分析模块定义的数据分析流程对测试数据进行分析，按照数据关联模型，获取与之相关的其余数据源的结果数据进行存储，同时转储系统可将原始网络包数据、视频数据和结果数据快速传输至数据中心和可视化系统等。

2 试验多源数据实时融合方案

2.1 试验多源数据读取与时域同步

试验中，试验载荷施加系统对试验机施加载荷，试验结构响应测量系统对试验中的飞机进行不同感知参量的实时测量，试验视频监控系统对现场实时拍摄。

首先由试验载荷施加控制系统发出载荷施加指令，同时基于系统中的数据标识管理模块对所有接入的试验数据采集源发出数据同步采集指令，其次各数据采集源同步接收系统的IO 接口接收时域同步标识，各数据源产出的数据具有统一时域的同步标识，最后将数据统一结构化存储，实现所有数据源的时间同步。同步标识示意如图2 所示。

图2 试验多源数据时域同步示意

2.2 试验多源数据关联及存储

针对各类单独存储的多源数据，基于各数据源的相关性，搭建基于多源数据结构化管理的数据库平台，具备全机强度试验的大容量数据高速无线传输和试验数据存储功能。

多源试验数据基于统一时域，将试验机全机结构按考核区域划分，并依据采集数据所处试验机结构位置进行关联。通过构建基于结构分区的数据关联模型，将各个离散的数据源形成一个群，群内的数据具有强关联性，所有群的集合则形成全机强度试验数据集，最终为实现相关数据的自动化提取提供支撑。

2.3 试验多源数据融合

试验中多源数据进行关联构建和结构化存储后，数据融合系统将读入结构应变、位移等试验运行数据，并通过SDK 方式与试验视频监控平台对接。系统首先获取视频平台内的视频资源，提供系统进行关联调用和相关功能的融合显示。其次，调用试验载荷施加控制、应变和位移等运行数据，并进行数据解析。最后，将试验信息数据与视频监控数据融合叠加，实现数据融合。数据流程如图3 所示。

图3 试验多源数据流示意

3 工程应用

基于上述方法研制了1 套多源数据实时融合监控系统，并以某型飞机疲劳试验为平台，选取试验视频监控数据与试验载荷施加数据2 类数据对数据融合进行了测试。

3.1 试验视频监控的布置

为了实现试验现场立体场景环境下的视频实时监控，满足整机强度试验作业、安全管控的需求，对实验室内试验重点区域进行了整体规划，沿实验室四周布置了多个高清相机，在中心点布置1 个全景相机。通过监控相机构建整个实验室三维立体监控环境，基于“1张立体动图”实现试验区域的信息监控的全覆盖，为试验决策提供数据支撑。

3.2 试验运行信息数据的选取

结构传载路径是飞机结构设计时必须考虑的关键因素，对于结构传载路径上关键部位需要进行全状态监控，如机翼主梁、翼身连接区域等。监控的关键运行信息包括载荷施加数据、应变测量数据和位移测量数据等，此次选择载荷施加数据作为研究对象，依据试验机结构分区建立载荷数据与视频监控数据的关联模型。

4 结束语

综上所述，本文提出基于多源数据实时融合的全机强度试验监控技术，研制了1 套全状态监控系统，并以某型机疲劳试验为平台开展了系统的测试工作。测试结果表明，系统可实现试验监控视频、试验载荷控制解析文件等多源数据的时域同步融合展示，初步具备试验全状态信息实时监控功能。未来还可增加融合数据类型如应变、位移采集数据，并建立基于多源数据的决策分析，为打通“数据同步感知、数据高度融合、自动分析及智能预警”的数字化试验监控流程提供技术支撑，进而加速试验数据分析和数据筛选自动化处理，促进民机整机静强度试验的转型升级。