CN112419540A

CN112419540A - 一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统及方法

Info

Publication number: CN112419540A
Application number: CN202011192375.4A
Authority: CN
Inventors: 刘龙; 刘久成; 商建超
Original assignee: Tianjin Aviation Mechanical and Electrical Co Ltd
Current assignee: Tianjin Aviation Mechanical and Electrical Co Ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明涉及一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统，包括数据采集单元，数据压缩单元，数据存储单元和数据解压缩单元。还涉及一种大数据存储方法，包括)采集飞机运行过程中的运行数据，存入到数据缓冲区1；数据压缩单元将数据压缩后，存入数据缓冲区2；数据存储单元将数据存储到外部扩展存储设备；上位机通过数据解压缩单元将下载的运行数据解压成原始数据的步骤。本发明能够在不改变机载设备硬件方法的情况下通过对机载设备数据的处理来大幅度提高机载设备数据存储数量、减少数据的传输时间、提升数据的安全性，数据在存储过程中不会丢失。

Description

一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统及方法

技术领域

本发明是一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统及方法，属于航空电气领域。

背景技术

航空机载设备在飞机上运行时，会产生大量的运行数据，称之为运行日志，对于这些运行数据需要存储起来，以供后续地面维护人员进行下载查阅参考。飞机长时间飞行产生的运行日志数据量远远超出航空机载设备的存储能力，并且地面维护人员在下载运行日志的过程中会耗费大量的时间，数据不存在加密容易被不法分子获取运行日志内容，从而泄漏重要机密内容。

目前航空机载设备采用直接存储的方式，将飞机飞行中机载设备产生的运行数据存储到容量有限的存储芯片中，这种存储方式效率非常低，同时，运行数据在读取过程中也没有加密技术，很容易泄密，不利于航空机载设备的维护和管理。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种实现航空机载设备健康管理的大数据存储系统及方法，与传统直接记录数据相比，本发明所设计的方法存储数据量大、数据传输时间短、工作效率高、数据安全性高。

本发明技术方案：

一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统，包括数据采集单元，数据压缩单元，数据存储单元和数据解压缩单元；

所述数据采集单元，数据压缩单元，数据存储单元设置在机载设备的CPU中；

所述数据采集单元包括模拟量采集模块ADC、离散量采集模块IO和负载通信模块，所述的数据采集单元通过模拟量采集模块ADC、离散量采集模块IO和负载通信模块采集飞机运行过程中的离散量、模拟量和其他负载设备所提供的运行数据，数据采集单元将数据串传送至数据缓冲区1；

所述的数据压缩单元从数据缓冲区1读取所述的数据采集单元采集到的机载设备运行时产生的数据串，采用无损数据压缩算法对运行数据进行压缩，所述的无损数据压缩算法将运行数据压缩编码，形成占用存储空间更小的新数据，并将压缩后的新数据存入到另一块数据缓冲区2内；

所述的数据存储单元连接外部扩展存储设备，所述的数据存储单元从数据缓冲区2内读取压缩后的新数据，通过寻找外部扩展存储设备中的地址，将压缩后的新数据按照设定的地址存储到外部扩展存储设备的内存单元中；

所述的数据解压缩单元设置在上位机中，通过数据存储单元从外部扩展存储设备中下载压缩后的新数据，并通过设计的解压缩算法将数据解析成原数据，在解压过程中能保证数据无丢失乱码情况。

其特征在于，飞机运行过程中的运行数据为十六进制的数据串。

其特征在于，所述数据缓冲区1大小为1024字节。

一种实现机载设备健康管理的大数据存储方法，所述的方法包括以下步骤：

1)数据采集单元采集飞机运行过程中的离散量、模拟量和其他负载设备所提供的运行数据；

2)数据采集单元对飞机运行过程中的运行数据进行滤波后，所述的数据采集单元将滤波后的数据存入到数据缓冲区1中；

3)数据压缩单元内嵌无损数据压缩算法，将从数据缓冲区1中获取的数据压缩后，存入数据缓冲区2中；

4)数据存储单元从数据缓冲区2获取压缩后的数据，通过数据线和地址线进行外部扩展存储设备的访问和读写，将数据存储到外部扩展存储设备中；

5)当需要从外部扩展存储设备中获取存储的数据时，将上位机与机载设备连接，上位机通过CPU中的数据存储单元，从外部扩展存储设备中下载压缩后的数据，通过数据解压缩单元将下载的运行数据解压成原始数据，恢复原始运行数据的含义。

其特征在于，步骤1)中，在采集过程中加入滤波算法，所述的滤波算法能够剔除误采集的运行数据，减小飞机运行数据误差，确保记录数据的真实性。

其特征在于，步骤3)中，采用C语言设计所述的无损数据压缩算法。

其特征在于，步骤3)中，所述的无损数据压缩算法采用滑动窗口设计，同时增加前向缓冲区，滑动窗口接收前向缓冲区的数据，前向缓冲区能够从数据缓冲区1读入待压缩的数据；数据压缩单元在所述的滑动窗口中寻找与前向缓冲区相匹配的数据项，得到相匹配的数据，对匹配数据进行压缩编码。

其特征在于，步骤3)中，所述的无损数据压缩算法中加入数据加密技术，在对数据的压缩过程中，将原始数据按照压缩的规则进行编码，编码后的数据与原始数据的含义没有关联性，通过编码实现数据的加密，提高数据安全指标。

其特征在于，步骤4)中，所述的数据存储单元采用EMIF接口技术和EDMA转换控制器，扩展大容量外部存储设备，通过数据线和地址线进行外部扩展存储设备的访问和读写，从物理硬件上提升存储容量。

其特征在于，数据解压缩单元中的数据解压缩算法，根据数据压缩算法设计相对应的数据解压缩算法，将压缩后的运行数据解析成原始的运行数据。

其特征在于，所述数据解压缩算法采用Labwindows和C语言设计开发。

发明的有益效果：

本发明通过数据采集技术、数据传输存储技术、数据的无损压缩解压技术、数据加密技术，能够实现航空机载数据记录的健康管理。在数据采集单元，加入模拟量滤波和离散量滤波算法，以保证运行数据采集的准确性。

通过无损数据压缩算法，实现航空机载设备的运行数据压缩，提高数据存储数量，并且在压缩的过程中加入数据加密技术，将数据编码成与原始数据含义差异大的新的数据。并将利用EMIF接口技术，扩展CPU外部存储设备，进一步提高对运行数据的存储能力。

维护人员可通过本发明所配带的上位机，下载存储在外部扩展存储设备中的运行数据，并通过上位机内嵌的解压缩算法将运行数据解压，解析成原始的运行数据以供维护人员参考分析飞机的运行情况。

对于相同量的数据来说，通过数据压缩技术和数据存储技术的处理后，数据的传输效率大大提高，节省了维护人员下载数据所用的时间。

综上所述，本发明通过对航空机载设备数据的处理来大幅度提高航空机载设备数据存储数量、减少数据的传输时间、提升数据的安全性，并且数据在存储过程中不会发生数据丢失情况。

附图说明

图1大数据存储系统框图；

图2离散量滤波流程图；

图3模拟量滤波流程图；

图4短语标记组成图；

图5数据压缩过程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。

本发明提供一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统，包括数据采集单元、数据压缩单元、数据存储单元和数据解压缩单元，数据采集单元，数据压缩单元，数据存储单元设置在机载设备的CPU中，数据解压缩单元设置在上位机中，系统整体图见图1所示。

航空机载产品能够获取飞机电网上的电源，通过产品自身的控制逻辑将获取的电源分配给飞机上其他用电设备，在电源分配的过程中航空机载设备需要记录自身运行的数据和一些负载的用电数据。首先本发明中的健康管理系统自身设有模拟量采集模块ADC和离散量采集模块IO，通过ADC可以获取机载设备输入电压、电流以及设备自身用电电压等模拟量。

在数据采集单元中加入离散量滤波算法和模拟量滤波算法，算法具体流程图见图2和图3。离散量滤波算法：当离散量采集模块返回的离散量输入信号状态数据后，连续读取3次采样数据，3次完全相同则认为有效，否则无效。模拟量滤波算法：对于同一AD通道的采样值，取当前周期和前8个周期的共9个采样值进行从小到大排序，将排序后的中间值(第5个)作为当前周期滤波后输出的采样值。滤波算法能够剔除误采集的运行数据，从而有效避免数据采集过程中的无效采集情况。然后将采集得到的飞机运行数据转换成十六进制的数据串，存储在CPU内存中临时开辟的一块内存单元中，我们称此单元为数据缓冲区1。

当数据缓冲区1内的数据存满或者100ms内无数据存入时，数据压缩单元开始从数据缓冲区1读取运行数据进行压缩加密。

数据压缩单元从数据缓冲区1里读取数据，数据压缩单元内设有无损数据压缩算法，该算法设有前向缓冲区和滑动窗口，前向缓冲区和滑动窗口的数据不断更新，通过不断匹配前向缓冲区和滑动窗口中的数据，形成新的短语标记，短语标记的组成形式如图5所示。如果匹配成功则，短语标记内容为：1.滑动窗口中的偏移量(从滑动窗口头部到匹配短语开始的前一个字符)；2.匹配中的符号个数；3.匹配结束后，前向缓冲区中的第一个符号，如图4A。如果不成功，则只有符号本身，如图4B。

结合图5所示，无损数据算法的压缩过程为

滑动窗口用灰色背景标识，前向缓冲区用×背景标识；

step1：开始；

step2：滑动窗口中从ABAB未找到匹配短语，将A编码标记为符号标记A；

step3：滑动窗口后移，从BABC中未找到匹配短语，将B编码为符号标记B；

step4：滑动窗口后移，在滑动窗口偏移量为6的位置找到短语AB，将AB标记为符号(6，2，C)；

step5：滑动窗口后移，在滑动窗口偏移量为4的位置找到BAB，将BAB编码为标记(4，3，A)；

step6：滑动窗口后移，在滑动窗口偏移量为2的位置找到BC，将BC编码为标记(2，2，A)；

step7：滑动窗口后移，在滑动窗口中未找到D，将D编码为符号标记D；

step8：滑动窗口后移，前向缓冲区中无数据，压缩结束。

数据压缩后，数据格式和含义与原来的数据完全不同，压缩的过程中将原始数据进行编码、加密，保证数据的安全传输，将压缩后的运行数据存入数据缓冲区2。

数据存储单元设有外部扩展存储设备，能够一定程度上扩展运行数据的存储容量，由于电子技术上的瓶颈，扩展存储设备的容量并不是无限制扩展的。数据存储单元应用EMIF接口技术，将数据线和地址线从CPU引脚通过三态缓冲器接到存储设备上，实现物理内存的扩展。数据存储单元从数据缓冲区2读取所要存储的运行数据，按照扩展的内存地址进行数据的存储。

数据解压缩单元设在上位机中，上位机软件采用Labwindows和C语言设计开发，具有可视化的图形界面，界面设有数据下载按钮和数据解压按钮。维护人员在维护空机载设备时，可以通过RS422总线将上位机与航空机载设备交联，点击下载按钮，上位机可以访问航空机载设备扩展的外部存储设备，读取存储设备中压缩后的运行数据。

同时上位机设有数据解压缩按钮，可以将下载的运行数据进行解压缩，在解压缩的过程中，同时可以将数据解密，恢复数据原始含义。

与传统方法相比，本发明所设计方法操作简单，节约成本，同时能够提高设备数据存储数量、减少数据的传输时间、提升数据的安全性，并且数据在存储过程中数据不会丢失，可以通过本发明来实现航空机载数据记录的健康管理。

Claims

1.一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统，包括数据采集单元，数据压缩单元，数据存储单元和数据解压缩单元；

所述数据采集单元包括模拟量采集模块ADC、离散量采集模块IO和负载通信模块，所述的数据采集单元通过模拟量采集模块ADC、离散量采集模块IO和负载通信模块采集飞机运行过程中的离散量、模拟量和其他负载设备所提供的运行数据，运行数据为十六进制的数据串，数据采集单元将数据串传送至数据缓冲区1；

2.如权利要求1所述的一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统，其特征在于，所述数据缓冲区1大小为1024字节。

3.采用如权利要求1-2中任一项所述的一种实现机载设备健康管理的大数据存储系统实现的大数据存储方法，所述方法包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中，在采集过程中加入滤波算法，所述的滤波算法能够剔除误采集的运行数据，减小飞机运行数据误差，确保记录数据的真实性。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中，采用C语言设计所述的无损数据压缩算法。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的无损数据压缩算法采用滑动窗口设计，同时增加前向缓冲区，滑动窗口接收前向缓冲区的数据，前向缓冲区能够从数据缓冲区1读入待压缩的数据；数据压缩单元在所述的滑动窗口中寻找与前向缓冲区相匹配的数据项，得到相匹配的数据，对匹配数据进行压缩编码。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的无损数据压缩算法中加入数据加密技术，在对数据的压缩过程中，将原始数据按照压缩的规则进行编码，编码后的数据与原始数据的含义没有关联性，通过编码实现数据的加密，提高数据安全指标。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述的数据存储单元采用EMIF接口技术和EDMA转换控制器，扩展大容量外部存储设备，通过数据线和地址线进行外部扩展存储设备的访问和读写，从物理硬件上提升存储容量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，数据解压缩单元中的数据解压缩算法，根据数据压缩算法设计相对应的数据解压缩算法，将压缩后的运行数据解析成原始的运行数据。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述数据解压缩算法采用Labwindows和C语言设计开发。