飞机试飞实时监控管控系统软件构架的设计与实现

常永亮 王霖萱 常馨榕

(中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089)(贵州大学 贵州 贵阳 550025)(榆林学院 陕西 榆林 719000)

0 引 言

飞机试飞实时监控是飞机试飞的重要环节，实时监控的质量直接影响飞行安全，也是空地信任的主要纽带。

原飞机试飞实时监控系统包括飞行遥测数据实时采集与处理软件、客户端软件、各类实时数据显示软件、实时监控相关资料等。以前，监控飞机型号少,实时监控期间少有问题发生,能顺利保障平时的飞行实时监控。随着监控飞机型号的增加，如今同时监控数架飞机飞行成为常态，飞机试飞实时监控期间以前没有遇到的问题时有发生，原飞机试飞实时监控系统越来越难以满足现如今大场次多机种飞行实时监控需求。其中，多种实时监控系统并存，使用不当会使客户端接收数据混乱。各架次实时记录数据存放、命名等不规范，查询困难。随着飞行数据监控显示软件及版本积累增多，软件各版本间继承关系当事人也难以说清。同一时段某客户端只能监控一架飞机实时数据，多机实时数据比较或并行监控困难。实时监控相关资料存放不统一，查阅困难。实时数据显示软件更新完全靠各课题主管人为拷贝操作，致使某客户端的实时数据显示软件没有同步更新的情况时有发生。局域网的运行状态不能有一个客观、直观的衡量尺度。各监控大厅同时监控时飞行数据误接误解的情况时有发生。各监控大厅间通信时好时坏，原因不明且不能提前预判。这些现象都制约了实时监控质量的有效提升，对安全监控形成了严峻的挑战。

如何将飞机试飞实时监控现状进行有效地管控，确保飞机试飞实时监控的安全与质量，成了迫切需要解决的问题。

基于C/S模式的飞机试飞实时监控管控系统对各飞机试飞实时监控系统、实时监控相关资料、实时数据显示软件的状态与更新、局域网实时状态监控与预判、各局域网间的通信质量与数据传输时延等有效管控。并将实时监控系统与网络实时状态有效地实时显示并提前预判，将影响飞行安全的因素提前掌握并有效排除。通过数据库将各类资料、软件、数据、各类信息等进行管理，在各实时监控系统服务器端与网络附属存储设备间通过RDMA技术进行实时数据传输。在一台客户端同时监控多架飞机实时数据成为可能，通过NAS存储与各实时监控系统服务器端本地存储模式将遥测数据存储。

1 系统设计

1.1 硬件架构

飞机试飞实时监控管控系统是一个综合性的试飞数据处理管理系统，由各服务器端、存储设备、客户端、一个或几个局域网组成。通过内部接口有机地进行交联，组成一个系统化、集成化、标准化的基于网络管控系统。该系统面向飞行数据管理人员、数据处理人员以及其他相关人员，为他们提供试飞工程管理和试飞数据实时处理与显示服务，使飞行实时监控系统的应用与管理更加标准化、安全化、便捷化。硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

1.2 服务器端软件设计

飞机试飞实时监控管控系统为了能起到管控作用，将原来实时监控系统服务器端进行升级，使实时监控系统服务器端与管控系统服务器端实时交换监控、数据、参数、状态等信息。实时监控系统客户端将用新的客户端替代，将原来一个客户端同时只能接收一架飞机实时数据情况提升为同时接收多架飞机实时数据。

实时数据存储通过NAS存储加各实时监控系统服务器端本地存储模式来实现。NAS 是一种采用直接与网络介质相连的特殊设备实现数据存储的机制。由于这些设备都分配有 IP 地址，所以客户机通过充当数据网关的服务器可以对其进行存取访问，甚至在某些情况下，不需要任何中间介质客户机也可以直接访问这些设备。

实时数据存储网络传输通过RDMA技术(远程直接数据存取)完成。RDMA是一种网卡技术,采用该技术可以使一台计算机直接将信息放入另一台计算机的内存中。通过最小化处理过程的开销和带宽的需求,减少了延迟时间。RDMA的优势在于可利用传统的网络硬件,以TCP/IP及以太网络标准来建立局域网。RDMA将各实时监控系统服务器连接为一个群集,将飞行实时监控数据通过网络直接传送到数据存储设备中。RDMA实现了超低延迟时间、低开销和高吞吐量。这一技术的应用也使实时监控系统服务器端数据存储能力获得了巨大的提升。

每架飞机的实时数据显示软件向局域网管控范围内的客户端发布，采用指定同步发布、更新。这样避免发布或更新版本不一致，对重要相关资料，在客户端只有仅读权，查阅信息的行为在管控系统服务器端记录，确保了对重要资料的安全监管与管控。

多架飞机同时飞行，某个局域网或多个互联局域网的网络负载实时状况监测显得尤为重要。如果网络负载因过重产生时延，将采取相应措施减轻网络负载缓解网络传输时延现象，此功能同管控系统客户端同步完成，达到对整个应用网络的监管。

数据库管理是本系统重要功能之一，通过SQL Server 2015数据库将飞行数据、飞机信息、重要资料、第三方软件及控件、系统操作行为、人员管理、实时数据显示软件与版本等信息统一管控，并对飞行数据、重要资料进行加密备份处理达到对重要信息的安全管控目的。主要功能如图2所示。

图2 服务器端主要功能模块

飞机试飞实时监控管控系统通过各功能的有序组合来管控整个飞机试飞实时监控系统资源，主要功能如下：

① 飞机相关实时监控资源管理：对各飞机实时监控软件的设计相关电子资料等的管理。

② 实时存储飞行数据管理：每架次存储的相关飞行数据通过数据据库进行管理。

③ RDMA技术：将数个服务器连接为一个群集，将飞行实时监控数据通过网络直接传输到存储设备中。

④ 实时监控系统服务器端其他管理：各实时监控系统服务器的在用状态、实时数据记录状态、各服务器端存储空间状态、系统运行等状态。

⑤ 实时监控相关软件管理：主要指各飞机的实时数据显示软件，科目不同相应软件也不同，也可能同一科目多次更新。通过版本管理模式将某飞机各科目的实时数据显示软件进行有序管理。

⑥ 实时数据显示软件发布与更新管理：将某飞机的实时数据显示软件通过管控系统服务器端发布到指定客户端，并且在管控系统服务器端能实时获得各客户端是否发布了某飞机实时监控软件或版本差异。更新是对客户端上的某飞机实时数据显示软件进行更新，客户端只最保留最新版本。

⑦ 数据回放管理：对数据库管理的飞行数据进行回放，可以同时回放数架飞机数据，保证多人可同时调试实时数据显示软件。

⑧ 实时采集服务器端信息：主要对前端实时采集实时处理服务器端的状态信息监控与客户端请求分配。

⑨ 网络负载管理：实时监控整个局域网或几个互联局域网的网速、负载、网络链接等状态，并对超负载的链路进行实时智能优化。

⑩ 客户端管理：客户端软件更新、客户端状态、连接等信息的管理。

1.3 客户端软件设计

飞机试飞实时监控管控系统客户端都基于Windows平台，软件在VS 2015环境下开发，通过SQL 2015客户端与SQL 2015服务端交互数据数据、信息，实现正常的飞行实时监控任务。当某个监控服务器端正常运行时，会给管控系统服务器端发送一个正常指令。服务器端会将此指令实时转发给已经连接的客户端，客户端将为客户开放对此监控服务器端采集数据的请求操作，通过人为请求完成实时数据显示。

重要资料查询、实时监控数据显示软件安装与更新、共享软件下载、OA通信、互传资料等功能也是通过管控系统服务器端与客户端交互确认信息完成。重要资料查询通过软件将下载、复制功能限制，只能查看，确保重要资料在可控范围之内。通过FTP功能实现互传资料功能，互传资料是OA通信主要功能之一。客户端每次运行必须用合法用户登录。

飞机试飞实时监控管控系统客户端集众多功能，如果服务器端通信或运行的实时监控数据显示软件过多，对系统、网络性能要求将大大增加。为了能在现有硬件与网络环境下流畅运行各功能，通过服务器端与客户端管控网络负载与传输数据量，达到实时监控低时延目的。实时传输数据量控制有自动调节与手动调节之分，通过人为或自动调节分配每个监控服务器端要用的网络带宽定值，并对实时传输的数据量进行控制，达到流畅网传的目的。

在客户端只能对“飞机相关实时监控资源”的资料只能仅读浏览，确保了重要资料的安全性。客户端主要功能模块如图3所示。

图3 客户端主要功能模块

① 飞机相关实时监控资源管理：与服务器端“飞机相关实时监控资源管理”功能对应，但在客户端只能在线仅读浏览。

② 实时监控数据显示软件链接管理：通过客户端选择实时采集处理服务器端链接显示数据，可以在一个客户终端同时链接多个实时采集处理服务器端同时进行实时监控。

③ 实时数据显示软件下载管理：通过管控系统的服务器端与客户端对某型号实时监控数据显示软件的版本信息比对，进行更新提示，可人为下载更新。

④ 客户端更新管理：对应服务器端的“客户端管理”功能，对客户端管控软件更新等管理。

⑤ 网络负载管理：与服务器端“网络负载管理”通过负载算法实时监测整个网络的负载、网速等信息。

⑥ 软件库：镜像服务器端“软件库”，可以在客户端下载并安装软件库中的共享软件。

⑦ OA功能：多个互联局域网或某一局域网，可通过OA即时通信进行沟通或互传资料。

⑧ 数据库管理：SQL Server客户端相关功能。

1.4 数据库表设计

数据库各表的设计按满足当前需要、有利后续增减的原则设计。为了提高数据安全性和降低数据冗余，对相关信息进行管理，飞机试飞实时监控管控系统数据库创建7张数据表如图4所示。

图4 管控系统数据表结构图

1) 机型机号表：存储试验机的信息；

2) 飞行数据表：存储试验机实时采集数据的信息；

3) 用户表：管理员与数据处理用户信息；

4) 软件库信息表：共享软件或控件等信息；

5) 实时监控软件发布与更新信息表：监控软件相关信息；

6) OA提示信息表：即时通信相关信息；

7) 用户相关操作信息表：用户操作、登录等信息。

2 系统实现

2.1 服务器端及数据存储

管控系统服务器端通过SQL Server的MSX/TSX 技术对物理上分离的多台实时监控服务器与进行统一管理，各实时监控服务器端之间通过RDMA技术交互数据。数据传输与各类管控信息通过组播、TCP/IP、FTP进行交互。组播进行实时数据传输，TCP/IP进行各类管控信息、命令等的交互，FTP进行资源等信息的下载或互传。

实时监控服务器端主要实现实时采集、解算、记录的功能。各实时监控服务器端上实时采集数据的存储路径都由管控系统服务器端统一调配，优先在NAS上保存，NAS上空间有限时再保存到本地。此存储策略可以有效优化本地内存带宽和CPU周期，极大地提高各实时监控服务器端性能。

实时监控服务器集群的飞行数据实时采集，飞行数据实时保存主要功能在不同的实时监控服务器端实现，由管控系统服务器端统一协调运行；飞行数据回放由管控服务器端实现，达到宏观上统一、微观上分离目的。服务器间飞行数据流框图如图5所示。

图5 服务器间飞行数据流框图

2.2 客户端与服务器端交互

实时监控时，各客户端通过TCP/IP协议与管控系统服务器端进行交互，得到各实时监控服务器端的状态与配置，并在客户端进行实时状态显示，便于用户的实际操作需要。各客户端实时数据显示软件显示数据通过组播协议同实时监控服务器端交互获得，并且可同时与几个实时监控服务器端交互，互不影响地显示各自数据信息。

回放时通过管控系统服务器端进行回放操作，在客户端通过实时数据显示软件显示回放的飞行数据。服务器端与客户端用到的网络通信协议如图6所示。

图6 服务器端与客户端网络框图

2.3 网络负载监测

充分利用网络数据包、IPFIX流数据，建立覆盖各实时监控局域网重要链路、关键设备、核心服务的全面监控视图，并且按照相关的工作流程组织功能与操作，使其能够实时反映整个网络的状态。

通过管控系统服务器端、客户端、实时监控服务器端，共同对整个局域网的网络的链路、负载、网络健康、网络时延等信息进行实时监测。并在管控系统服务器端显示网络实时状态，快速发现网络问题，迅速定位网络故障，减少网络不可用时间，提高网络应用效率。保障关键应用的网络带宽，通过管控系统的网络管控功能控制在飞行实时监控应用期间无关网络应用带宽，保障网络通畅。采用网络负载均衡技术，确保整个网络低时延，使整个网络应用更加透明，对网络负载过大的进行人为或自动干预，达到最优实时监控网络状态。

3 结 语

飞机试飞实时监控管控系统通过对原实时监控系统主要功能升级，扩展了RDMA、NAS、局域网网络负载实时监测与管理、飞行资料安全管理机制、更新与版本发布管理、多数据流飞行数据对比监控、飞行相关信息通过数据库统一管理等功能，极大地提升了飞行实时监控系统的性能。实时监控期间各系统、网络等运行状态信息清晰显示，事后回放、任务准备条理清楚，飞行资料和实时监控软件安控符合相关规定。

本系统最大限度兼容原实时监控系统的操作习惯，使新系统的启用阻力大大减轻。通过一段时间运行，各项技术指标达到预期目的，管控系统、实时监控系统两大主线并行运行稳定、清晰。

系统经过一段时间运行后，下一步将新增远端实时监控系统、事后数据处理管理系统，进一步完善此系统，达到实时监控、数据管理、事后数据处理一体的综合系统，提升飞行数据的监控与处理能力。