陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車技術(shù)研究中心，上海 201201)

風洞試驗數(shù)據(jù)管理平臺設計與研究

陳 功 / CHEN Gong

(泛亞汽車技術(shù)研究中心，上海 201201)

針對國內(nèi)民用飛機風洞試驗數(shù)據(jù)體量大、種類多、高時效、更新快等特點，引入了矩陣存儲模式替代了原有的分層存儲模式對現(xiàn)有風洞試驗數(shù)據(jù)進行了重新劃分與歸類，優(yōu)化了數(shù)據(jù)文件存儲結(jié)構(gòu)。仔細分析該平臺在存儲規(guī)模、管理規(guī)范及使用功能等方面的需求后，擬選擇IBMx366型或同等級別的工作站及配套設備作為硬件基礎(chǔ)，同時明確了該平臺的面向?qū)ο?、使用?guī)范及管理辦法。該平臺所含寫入/查詢/更新等常規(guī)功能采用Labview8.6軟件開發(fā)平臺及SQL語句腳本實現(xiàn)。該數(shù)據(jù)管理平臺已具備了一定實際功能，基本滿足對風洞試驗數(shù)據(jù)管理的需求。

風洞試驗；數(shù)據(jù)庫；SQL語言；Labview8.6平臺

0 引言

風洞試驗是民用飛機設計研發(fā)的重要手段，通過試驗獲得的數(shù)據(jù)是分析飛機氣動性能、操穩(wěn)特性的主要依據(jù)。作為重要資料及成果，風洞試驗數(shù)據(jù)應采用合理的體系及高效的工具對該試驗數(shù)據(jù)進行有效的管理[1]。一些發(fā)達國家的研發(fā)機構(gòu)早已啟用了大型的數(shù)據(jù)庫管理平臺，而國內(nèi)多數(shù)科研單位大多是以數(shù)據(jù)文件的形式個別存放，僅少部分引入了相對完整的管理機制。單獨存放會使數(shù)據(jù)之間缺乏邏輯聯(lián)系，無法反應型號研制各階段氣動設計的發(fā)展過程；缺乏統(tǒng)一歸口管理也會導致數(shù)據(jù)的歸檔、查詢工作的不便；對于部分重要的涉密試驗數(shù)據(jù)，還存在丟失，泄露的風險。

本項研究來源于國內(nèi)民用飛機研發(fā)單位某項基礎(chǔ)能力建設項目課題，其目的是借助高性能的硬件設備及恰當?shù)能浖绦騽?chuàng)建一個兼具可靠性和實用性的中小型風洞試驗數(shù)據(jù)管理平臺 (以下簡稱“數(shù)據(jù)平臺”) ，用來存儲具有一定規(guī)模的風洞試驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)入庫、查詢進行規(guī)范的管理。

本文從該數(shù)據(jù)平臺總體結(jié)構(gòu)設計、需求分析、服務器硬件選型、管理機制及功能實現(xiàn)方法等多個方面論述了該數(shù)據(jù)平臺的設計理念、過程及結(jié)果。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體定義及結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)平臺從結(jié)構(gòu)上可分為兩部分，即 “集成服務器(主端)”以及 “個人服務器(終端)”。

“數(shù)據(jù)平臺”的總體結(jié)構(gòu)及其劃分如圖1所示。集成服務器主要由一定規(guī)模的處理器和存儲空間構(gòu)成，其作用為存儲并備份大量的數(shù)據(jù)文件。個人服務器即搭載了操作系統(tǒng)的個人電腦或小型工作站，技術(shù)人員可通過其實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問及其他相關(guān)操作。集成服務器與衛(wèi)星服務器之間通過數(shù)據(jù)接口進行轉(zhuǎn)接。

圖1 “數(shù)據(jù)平臺”總體結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)文件的存儲分類

圖2 分層存儲模式

風洞試驗可按型號、階段、方法進行類別劃分，不同種類的風洞試驗對應的數(shù)據(jù)文件在大小、格式、內(nèi)容上也均有所不同。對數(shù)據(jù)文件進行有效地梳理和劃分可增強其邏輯關(guān)系，節(jié)省存儲空間，有利于“數(shù)據(jù)平臺”的整體運行。

數(shù)據(jù)文件的分類存儲一般可采用如圖2所示的“分層模式”與如圖3所示的“矩陣模式”。

圖3 矩陣存儲模式

“分層模式”是目前較常用的分類存儲辦法，主要通過逐步分層劃分存儲空間，并以“路徑”的形式確定文件的存儲位置。該模式適用于數(shù)據(jù)文件數(shù)量較少，且數(shù)據(jù)之間邏輯關(guān)系較弱的情況，但在對體量較大的數(shù)據(jù)文件管理時效率較低。

“矩陣模式”主要通過同時定義數(shù)據(jù)文件在不同維度劃分存儲框架，并以“節(jié)點”的形式確定文件的存儲位置，更有利于進行文件的快速定位并建立邏輯關(guān)系。

2 需求分析

2.1 存儲規(guī)模需求

該“數(shù)據(jù)平臺”的存儲空間需完全覆蓋現(xiàn)有數(shù)據(jù)文件存量及未來15年內(nèi)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)文件增量。截止2016年為止，風洞試驗數(shù)據(jù)文件的存量已達數(shù)百“千兆”量級；通過對當前型號研發(fā)需求及后續(xù)型號發(fā)展規(guī)劃分析后預計，到2030年，數(shù)據(jù)文件存儲總量將數(shù)倍于當前。同時為了確保數(shù)據(jù)的安全，應預留數(shù)據(jù)文件熱備份所需的存儲空間。

綜合以上因素，該“數(shù)據(jù)平臺”存儲規(guī)模應不小于2千“千兆”(約2TB)。

2.2 面向?qū)ο笮枨?/h3>

該“數(shù)據(jù)平臺”面向?qū)ο笾饕譃椤笆褂糜脩簟迸c“管理用戶”。前者主要為負責發(fā)布數(shù)據(jù)文件的技術(shù)人員和需要查閱分析數(shù)據(jù)的技術(shù)人員；后者主要為專業(yè)主管、部門領(lǐng)導、型號(副)總師等，負責對數(shù)據(jù)的有效性和權(quán)威性進行各級審核。

經(jīng)統(tǒng)計，當前潛在使用用戶人數(shù)約為30余人，管理用戶人數(shù)約為10人，合計約50人。

2.3 功能需求

為了提高風洞試驗數(shù)據(jù)的使用效率，該平臺應具備數(shù)據(jù)錄入、分類、查詢、下載及更新等功能。同時，為了規(guī)范試驗數(shù)據(jù)管理，該平臺應同時兼具數(shù)據(jù)有效性審查、使用記錄留存等功能，用于相關(guān)專業(yè)對數(shù)據(jù)使用情況的跟蹤及備份。

3 硬件設備選擇

為了滿足2.1中所述存儲規(guī)模需求，應合理選用硬件設備作為數(shù)據(jù)平臺的重要載體。數(shù)據(jù)平臺的硬件設備主要包括：處理器(CPU)、電源系統(tǒng)、內(nèi)存、硬盤、外存儲器及機架等。選擇硬件設備時主要應遵循以下原則。

3.1 高性能原則

高性能原則是指所選擇的服務器硬件設備不僅能高速高效地處理數(shù)據(jù)上傳、下載、更新等要求，而且能夠滿足持續(xù)的存量增長及新功能開發(fā)。服務器設備的性能一般以Tpmc值進行衡量[2]，即：

式中：v為峰值處理能力(次/分)；a為對應數(shù)據(jù)庫事物數(shù)；k為基準TPC對應指標；e為偏差經(jīng)驗值；η為處理能力冗余系數(shù)。

在充分考慮對存儲規(guī)模及多線程操作的要求，該服務器的Tpmc值范圍約為10 000，屬基礎(chǔ)水平。

3.2 可靠性原則

服務器的可靠性主要包括內(nèi)部報錯系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、打印系統(tǒng)等。在必要時應具備冗余技術(shù)，同時像硬盤、網(wǎng)卡、內(nèi)存、電源此類設備要以穩(wěn)定耐用為止，防止重要數(shù)據(jù)因上述設備故障導致?lián)p失。

3.3 可擴展性原則

服務器的可擴展性即確保其應能夠在相應時間內(nèi)對其自身的各項指標進行相應的升級，如：CPU型號升級、內(nèi)存擴大、硬盤擴大、更換網(wǎng)卡、增加終端數(shù)目、掛接硬盤陣列都需要服務器在整體上具有一個良好的可擴充余地。采用DAS、NAS或SAN等實現(xiàn)技術(shù)可顯著提高可擴展性。

4 數(shù)據(jù)入庫/查詢流程

為確保試驗數(shù)據(jù)的真實性和權(quán)威性，并保證試驗數(shù)據(jù)添加和使用符合科研單位的規(guī)定，應制定合理的管理機制，作為該數(shù)據(jù)系統(tǒng)運行的準則。

圖4(a)，4(b)分別規(guī)劃了數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)下載的規(guī)范流程。

(a) 數(shù)據(jù)入庫流程 (b) 數(shù)據(jù)查詢流程 圖4 數(shù)據(jù)入庫和下載規(guī)范流程

數(shù)據(jù)入庫流程由主要試驗負責人發(fā)起。上傳數(shù)據(jù)前應保證試驗單位提供的試驗數(shù)據(jù)準確完整，格式統(tǒng)一，并填寫“入庫信息表”中時間、地點、參與人員、有效車次等主要內(nèi)容。經(jīng)專業(yè)主管審核后存儲于數(shù)據(jù)庫中，并在目錄中予以添加。

數(shù)據(jù)查詢流程主要由專業(yè)技術(shù)人員發(fā)起。在數(shù)據(jù)庫中檢索到試驗名稱，提交查詢需求并通過專業(yè)主管后可訪問數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行詳細查詢。

5 系統(tǒng)主要程序

5.1 數(shù)據(jù)接口創(chuàng)建

根據(jù)該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，使用者通過終端與數(shù)據(jù)庫連接時應先建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接口，才能進一步進行數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)更新等操作[4]。

在WINDOWS環(huán)境下，操作端與數(shù)據(jù)庫終端的接口一般采用控件ActiveX創(chuàng)建。本數(shù)據(jù)平臺的接口將采用Labview8.6軟件自帶的ADO(ActiveX Data Objects)接口模塊進行創(chuàng)建。

建立該數(shù)據(jù)接口如圖5所示，其具體步驟為：①建立連接節(jié)點；②打開連接節(jié)點并定義數(shù)據(jù)(組)名稱；③讀取SQL語句執(zhí)行腳本；④關(guān)閉連接節(jié)點；⑤注銷連接節(jié)點。

圖5 接口建立

5.2 主要執(zhí)行腳本

5.2.1 數(shù)據(jù)上傳

當需要上傳一定數(shù)量的風洞試驗數(shù)據(jù)文件時，可通過以下SQL腳本在數(shù)據(jù)庫中新建對應存儲位置，并將這些數(shù)據(jù)文件依次存儲。

上述SQL執(zhí)行腳本首先在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)文件對象“WindtunnelTest1”，并規(guī)定了其數(shù)據(jù)文件的各個字段的大小和性質(zhì)。然后在本地定位需上傳的數(shù)據(jù)文件后實現(xiàn)批量上傳。

5.2.2 數(shù)據(jù)查詢

當根據(jù)一定條件對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的某項試驗數(shù)據(jù)進行查詢時，可采用select語句。如希望查詢某風洞試驗數(shù)據(jù)文件中迎角α=10°，β=5°的升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)Cd，可采用以下SQL腳本執(zhí)行。

上述SQL執(zhí)行腳本首先在數(shù)據(jù)庫中指定名稱為“windtunneltest1”的數(shù)據(jù)文件，然后指定升力系數(shù)CL與阻力系數(shù)Cd作為查詢對象變量，并將條件值(即α=10,β=5)賦予該些變量。運行后即可獲得該數(shù)據(jù)文件中與查詢條件匹配的結(jié)果。

5.2.3 數(shù)據(jù)更新

當數(shù)據(jù)庫中已有的數(shù)據(jù)需要被新數(shù)據(jù)替換時，可以使用update(更新語句)。如將某數(shù)據(jù)文件中升降舵偏度δe為5°車次的俯仰力矩系數(shù)Cm修正+0.2，可采用以下SQL腳本執(zhí)行。

與“5.2.2數(shù)據(jù)查詢”類似，上述腳本首先指定了需要更新的文件“windtunneltest1”，再指定升降舵偏度字段作為變更依據(jù)變量，然后指定俯仰力矩系數(shù)字段“Cm”作為變更對象變量，并按條件(修正量+0.2)對變量進行重新賦值。同時，將字段名稱“Cm”變更為“Cm1”，用于說明該列數(shù)據(jù)已經(jīng)過修正。

6 結(jié)論

通過配置合適的硬件設備，制定規(guī)范的管理機制以及各種SQL功能語句腳本建立了一套民用飛機風洞試驗數(shù)據(jù)管理平臺。該平臺總體上滿足數(shù)據(jù)文件儲存規(guī)模和操作功能的需求，可以在一定程度上規(guī)范數(shù)據(jù)管理，提高數(shù)據(jù)使用效率。

[1] 段丕軒，彭長英，晉榮超. 低速風洞試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[J]. 體力學試驗與測量, 2003,17(4):92-95.

[2] 徐培鏇. 淺談數(shù)據(jù)庫服務器的選型[J]. 科技信息, 2012,(21):58-58.

[3] 易偉建，何慶鋒，肖巖. 工程結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)庫模型設計研究[J]. 湖南大學學報,2006,33(2): 22-25.

[4] 楊毅秋，曾國保，李說. 軌道交通標準化設計數(shù)據(jù)庫開發(fā)及研究[J]. 鐵道工程學報,2013,30(6):88-91.

[5] 劉靈霞，秦蕊，彭仁強. 基于Oracle平臺的發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 燃氣渦輪試驗與研究, 2012,(B12):48-51.

Design and Research of Wind Tunnel Test Data System

(Pan Asia Automotive Technical Center, Shanghai 201201, China)

According to the characteristics of wind tunnel test data, such as large quantity, different variety and updating frequency, matrix saving mode is used to replace traditional layer saving mode to re-classify current wind tunnel test data. Thus, such document structure of data is optimized. After analyzing the requirement of saving scale, managing criterion and function needs, it is suggested to select IBMx336 or equivalent hard-server as key hardware. Client, users’ guide and managing discipline are illuminated at same time. Function such as writing, searching and updating is realized by Labview 8.6 programming and SQL language script. Practicability of such system is validated and it really can help to meet the need of wind tunnel test data management in the relevant research.

wind tunnel test; database; SQL language;Labview8.6 programming system

V211.74

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.012

陳功男，碩士，工程師。主要研究方向：空氣動力學；E-mial: gong2-chen@patac.com