遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)通用處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

王萬(wàn)金

（中國(guó)人民解放軍91550 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)用于記錄飛行器上各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，利用轉(zhuǎn)發(fā)的方式記錄于遙測(cè)波道中，采用幀頭、幀長(zhǎng)、數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和的格式存儲(chǔ)，且位置不固定。傳統(tǒng)處理手段采用“因地制宜”的方式，針對(duì)不同系統(tǒng)數(shù)字量參數(shù)依據(jù)數(shù)據(jù)處理協(xié)議的約定，根據(jù)幀頭、幀長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)進(jìn)行單獨(dú)處理。不同數(shù)字量在狀態(tài)標(biāo)識(shí)位置、長(zhǎng)度、編碼格式，數(shù)據(jù)段的劃分原則，分幀周期、數(shù)量以及數(shù)據(jù)嵌套的邏輯結(jié)構(gòu)等方面差異明顯，且不同階段的飛行器試驗(yàn)，其數(shù)字量參數(shù)類型和格式不斷變化，傳統(tǒng)的處理手段對(duì)處理系統(tǒng)的維護(hù)能力和維護(hù)周期都有較高要求[1]，尋求處理模式的高度抽象和處理性能的不斷提升，降低數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)維護(hù)成本是該文的目的所在。

1 數(shù)字量格式

如上所述，遙測(cè)數(shù)字量有多種類型，不同類型間差異明顯，多為嵌套格式且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2-3]，為方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中抽象共同特征[4]，差異化配置設(shè)置[5]，先簡(jiǎn)要說(shuō)明常見(jiàn)的數(shù)字量格式。

1.1 單層單狀態(tài)格式

單層（數(shù)據(jù)區(qū)不含子嵌套層，通常只包含一個(gè)數(shù)據(jù)段落）單狀態(tài)的數(shù)字量格式較為簡(jiǎn)單，由幀頭、幀長(zhǎng)、數(shù)據(jù)區(qū)（單一狀態(tài)）與校驗(yàn)和組成，為最簡(jiǎn)單的一種格式。

1.2 單層多狀態(tài)格式

單層多狀態(tài)與單層單狀態(tài)數(shù)字量格式的主要區(qū)別在數(shù)據(jù)區(qū)部分，其由區(qū)分時(shí)間段落的不同狀態(tài)組成，不同狀態(tài)通過(guò)狀態(tài)標(biāo)識(shí)位進(jìn)行區(qū)分。其中，狀態(tài)標(biāo)識(shí)位的長(zhǎng)度依據(jù)不同數(shù)字量類型有所區(qū)別，數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度則又分為定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)兩種格式。

1.3 多層多狀態(tài)無(wú)分幀格式

多層（數(shù)據(jù)區(qū)含子嵌套層，通常包含多個(gè)數(shù)據(jù)段落）多狀態(tài)無(wú)分幀格式通常指數(shù)據(jù)區(qū)含有多個(gè)數(shù)據(jù)段落，每個(gè)段落含有一種或多種狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)標(biāo)識(shí)位加以區(qū)別，但每種狀態(tài)較為固定，不再含有子嵌套，即不含有分幀等子格式。每個(gè)數(shù)據(jù)段落的長(zhǎng)度又分為定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)兩種。

1.4 多層多狀態(tài)多分幀格式

多層多狀態(tài)多分幀格式與多層多狀態(tài)無(wú)分幀格式的主要區(qū)別在于子嵌套層（某個(gè)數(shù)據(jù)段落）的某種狀態(tài)又含有子嵌套，即含有分幀格式。該種格式其父層即狀態(tài)層的長(zhǎng)度通常固定，即為多層多狀態(tài)定長(zhǎng)格式。分幀格式（子嵌套的子嵌套層）的幀標(biāo)識(shí)ID通常有兩種編排方式，即通過(guò)相對(duì)時(shí)間求余數(shù)以及通過(guò)某字節(jié)高低位分別編排狀態(tài)和分幀標(biāo)識(shí)。

上述列舉了較為常見(jiàn)的數(shù)字量格式，還有一些更為復(fù)雜的格式，主要體現(xiàn)在嵌套層更多，狀態(tài)信息更繁雜，分幀格式含有分幀，狀態(tài)信息標(biāo)識(shí)和分幀標(biāo)識(shí)ID 更靈活，甚至需要二次組幀等。種類如此繁多的格式，靈活多變的狀態(tài)和分幀等嵌套，使遙測(cè)數(shù)字量類型參數(shù)的處理變得復(fù)雜、困難，在處理協(xié)議解析和處理算法上的調(diào)整需要較高成本[6]。因此，高效通用的處理系統(tǒng)能夠提高處理效率，降低系統(tǒng)維護(hù)成本[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上述各類型數(shù)字量格式間的差異，要想實(shí)現(xiàn)處理算法和流程上的統(tǒng)一，則需要抽象處理方法以及使接口差異化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)的通用性[8]。分析整個(gè)處理流程不難發(fā)現(xiàn)，各種格式數(shù)字量的處理過(guò)程由幀頭、幀長(zhǎng)、跨幀與校驗(yàn)和判斷的預(yù)處理過(guò)程以及提取出具體數(shù)據(jù)區(qū)后的分路和量綱還原處理過(guò)程構(gòu)成，而在此兩個(gè)處理過(guò)程間可以通過(guò)模式查找方法提取各種格式的具體數(shù)據(jù)區(qū)，即具體格式的解析[9]。因此，處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從預(yù)處理、格式解析和量綱還原三方面著手[10]。

2.1 總體設(shè)計(jì)

遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)通用處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本著面向?qū)ο蟮乃枷耄罁?jù)高內(nèi)聚、低耦合的“解耦”原則，使各個(gè)功能模塊盡量獨(dú)立，以規(guī)范接口，降低系統(tǒng)后續(xù)的維護(hù)成本。處理系統(tǒng)主要由預(yù)處理模塊、格式解析模塊、量綱還原模塊和參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等部分組成。其中，預(yù)處理模塊、格式解析模塊和量綱還原模塊作為整個(gè)處理系統(tǒng)的核心，分別實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各類型數(shù)字量參數(shù)的統(tǒng)一預(yù)處理、各類型格式的具體解析和參數(shù)物理量綱還原的功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)處理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

預(yù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)各類型原始數(shù)字量數(shù)據(jù)的有效性檢測(cè)功能，旨在通過(guò)其檢測(cè)遙測(cè)數(shù)字量通道內(nèi)數(shù)據(jù)的有效性，即通過(guò)幀頭、幀長(zhǎng)和校驗(yàn)和等標(biāo)識(shí)提取有效的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為下步其所含各種格式的解析做準(zhǔn)備。預(yù)處理模塊主要由標(biāo)識(shí)位（幀頭、幀長(zhǎng)）檢測(cè)子模塊、跨幀檢測(cè)子模塊和校驗(yàn)和檢測(cè)子模塊組成。

2.3 格式解析模塊設(shè)計(jì)

格式解析模塊主要實(shí)現(xiàn)子嵌套層（段落、狀態(tài)、分幀等）具體數(shù)據(jù)區(qū)（塊）的解析功能，通過(guò)其能夠查找和提取該數(shù)據(jù)區(qū)（塊）的數(shù)據(jù)，為下步具體參數(shù)的量綱還原做準(zhǔn)備。格式解析模塊主要由模式生成子模塊、模式查找（匹配）子模塊和具體數(shù)據(jù)區(qū)（塊）提取子模塊組成。

2.4 量綱還原模塊設(shè)計(jì)

量綱還原模塊主要實(shí)現(xiàn)具體數(shù)據(jù)區(qū)（塊）內(nèi)包含的參數(shù)的物理量綱還原功能，通過(guò)其能夠生成具體參數(shù)（溫度、壓力、載荷等）在時(shí)域內(nèi)的物理量，為數(shù)據(jù)分析提供保障。量綱還原模塊主要由參數(shù)分路子模塊和量綱還原子模塊組成。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要實(shí)現(xiàn)上述各模塊所需的外部參數(shù)或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和交互功能，通過(guò)分析預(yù)處理模塊、格式解析模塊和量綱還原模塊所需交互的外部參數(shù)或數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)庫(kù)表應(yīng)包括數(shù)字量配置表、主幀配置表和參數(shù)信息表等[11-12]。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如表1-3 所示。

表1 數(shù)字量配置表詳細(xì)結(jié)構(gòu)

表2 主幀配置表詳細(xì)結(jié)構(gòu)

表3 參數(shù)信息表詳細(xì)結(jié)構(gòu)

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 預(yù)處理模塊算法

預(yù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)原始數(shù)字量數(shù)據(jù)的有效性檢測(cè)，其算法包含三方面內(nèi)容。

1）當(dāng)前幀的有效性，即通過(guò)幀頭和幀長(zhǎng)標(biāo)識(shí)位判別數(shù)字量當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的有效性；

2）當(dāng)前幀的完整性，即在有效性基礎(chǔ)上根據(jù)數(shù)字量當(dāng)前幀與遙測(cè)全幀的關(guān)系，從當(dāng)前幀所處位置判斷其是否跨幀，進(jìn)而判斷其完整性[13]；

3）校驗(yàn)和檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)數(shù)字量當(dāng)前幀數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)值的和是否與校驗(yàn)和的值相等，若相等則說(shuō)明當(dāng)前幀有效，否則無(wú)效。通常受各種因素影響，數(shù)據(jù)區(qū)存在一定程度的誤碼率，進(jìn)而導(dǎo)致其難以與校驗(yàn)和完全相等，若嚴(yán)格執(zhí)行該檢驗(yàn)原則，則會(huì)使有效幀大幅減少，實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行取舍。

數(shù)字量預(yù)處理算法的具體流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)字量預(yù)處理算法流程圖

3.2 格式解析模塊算法

格式解析模塊主要實(shí)現(xiàn)子嵌套層具體數(shù)據(jù)區(qū)的提取，其算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包含匹配數(shù)據(jù)源和模式的生成，通過(guò)模式匹配算法獲取匹配結(jié)果集[14]，依據(jù)匹配結(jié)果集獲得邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（具體數(shù)據(jù)區(qū)）的幀索引，并根據(jù)其提取邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[15]。數(shù)字量格式解析算法的具體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)字量格式解析算法流程圖

3.3 量綱還原模塊算法

量綱還原模塊主要實(shí)現(xiàn)邏輯層具體數(shù)據(jù)區(qū)（塊）所包含參數(shù)的物理量綱還原功能，其算法首先是交互數(shù)據(jù)庫(kù)，訪問(wèn)主幀配置表和參數(shù)信息表相關(guān)字段，獲取參數(shù)配置及量綱還原信息，并生成對(duì)應(yīng)的文件。然后依次遍歷該文件內(nèi)每個(gè)參數(shù)信息，獲取分路索引、長(zhǎng)度等，再遍歷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)及時(shí)間文件[16]，提取參數(shù)對(duì)應(yīng)的物理量原始值。最后將物理量原始值、參數(shù)量綱還原系數(shù)等代入量綱還原模型，獲取該參數(shù)的物理量時(shí)域歷程。數(shù)字量量綱還原算法的具體流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)字量量綱還原算法流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)通用處理系統(tǒng)基于Visual Studio、Visual C++和SQL Server 平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于Windows 系統(tǒng)。系統(tǒng)的配置靈活，各類型數(shù)字量的嵌套層格式可以通過(guò)表1 的字段ID 和ParentID 來(lái)完成嵌套結(jié)構(gòu)的配置，各種格式的模式可以通過(guò)表1和表2 及模式生成類來(lái)配置，參數(shù)的量綱還原可以通過(guò)表2 和3 結(jié)合還原算法完成。近幾年來(lái)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于Ⅲ型飛行器的數(shù)據(jù)處理工作，相較于先前的處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度地提高了處理效率，整體的維護(hù)周期和成本大大降低。如表4 所示，系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，Ⅰ型飛行器新舊系統(tǒng)5 次數(shù)據(jù)處理維護(hù)平均用時(shí)分別為4.4 h 和18.64 h，Ⅱ型分別為6.22 h 和23.92 h，Ⅲ型分別為11.74 h 和41.22 h。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，Ⅲ型數(shù)據(jù)處理工作中，舊系統(tǒng)的平均維護(hù)成本是新系統(tǒng)的3.51 倍，新系統(tǒng)的應(yīng)用能夠極大地提高數(shù)據(jù)處理工作效率，降低維護(hù)成本。

表4 系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程維護(hù)成本統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)處理協(xié)議紛繁復(fù)雜、系統(tǒng)維護(hù)周期和成本高的問(wèn)題，提出應(yīng)用模式查找的方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了通用化的處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的核心由預(yù)處理、格式解析和量綱還原三部分構(gòu)成。預(yù)處理模塊通過(guò)幀頭、跨幀和校驗(yàn)與檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量參數(shù)的有效性檢測(cè)，獲得了一致的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。格式解析通過(guò)模式生成、模式查找和數(shù)據(jù)提取實(shí)現(xiàn)了具體數(shù)據(jù)區(qū)的解析。量綱還原通過(guò)參數(shù)分路獲取參數(shù)物理量原始值，結(jié)合具體采樣相對(duì)時(shí)間實(shí)現(xiàn)參數(shù)的時(shí)域歷程。系統(tǒng)在Ⅲ型飛行器的數(shù)字量參數(shù)處理上進(jìn)行了應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，新系統(tǒng)的效率接近先前系統(tǒng)的4 倍，能夠大幅提高處理效率，降低維護(hù)周期和成本，解決傳統(tǒng)處理手段在處理模塊耦合強(qiáng)、版本多及代碼維護(hù)周期長(zhǎng)方面的問(wèn)題。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在遙測(cè)數(shù)字量參數(shù)處理上具有通用性，可廣泛應(yīng)用于遙測(cè)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。