基于自主測試的飛行器綜合測試系統(tǒng)研究*

顧彬彬，程鵬，馬曉東，朱京來，馮夢琦

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

現(xiàn)代飛行器是由多個分系統(tǒng)組成的復(fù)雜機電系統(tǒng)，其測試性設(shè)計時一般包括設(shè)備機內(nèi)測試(built-in test,BIT)和外部綜合測試2部分。飛行器綜合測試是指在飛行器總裝集成過程中，對飛行器在各狀態(tài)下施加相應(yīng)的激勵，采集飛行器的輸出數(shù)據(jù)，依據(jù)一定的判斷準(zhǔn)則，對采樣數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的解算、分析處理，判斷各個分系統(tǒng)數(shù)據(jù)是否正常，進而判斷飛行器內(nèi)部各個分系統(tǒng)以及飛行器整體狀態(tài)是否工作正常[1-2]。

一般情況下，對于涉及飛行器工作的關(guān)鍵參數(shù)和易出故障的地方，一般采用人工介入管理的方式，由地面測試人員負責(zé)監(jiān)控測試設(shè)備狀態(tài)，掌控測試進程，并對測試數(shù)據(jù)進行分析判讀。該模式下，現(xiàn)場的各種突發(fā)情況能夠由測試人員進行及時處理，測試數(shù)據(jù)的分析也能夠關(guān)注到數(shù)據(jù)的細節(jié)，但是這種以人為主導(dǎo)的測試方式，存在著較多固有的問題，主要表現(xiàn)在：

(1) 人工判讀容易出現(xiàn)失誤

由于飛行器測試時的數(shù)據(jù)量非常大，而且判讀時間有限，面對大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)判讀人員一般無法持續(xù)保持高度集中的良好精神狀態(tài)，容易出現(xiàn)漏判、誤判等現(xiàn)象，判讀結(jié)果存在著較大的不確定性[3]。同時，對數(shù)據(jù)的判讀處理要求方面，不同判讀人員也會存在著不同的看法，主觀因素同樣對判讀結(jié)果造成一定的影響。

(2) 對測試操作人員要求高

測試操作人員需要時刻關(guān)注測試系統(tǒng)的狀態(tài)，并掌控測試進程的執(zhí)行，容易出現(xiàn)誤操作，同時，由于人員的專業(yè)水平有差異，在遇到一些緊急情況時很難進行及時處理。

(3) 人力成本花費較大

飛行器的各個分系統(tǒng)數(shù)據(jù)均需要由相應(yīng)的專業(yè)人員來進行判讀分析，每個型號飛行器的測試均需要配備相應(yīng)數(shù)量的數(shù)據(jù)判讀人員，付出了很大的人力成本。

與以人為主的飛行器綜合測試模式相比，由計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動判讀分析、自動調(diào)度測試進程的優(yōu)越性越來越顯著。國內(nèi)已經(jīng)開展了飛機自主保障、載人航天器自主健康管理等方面的研究，從不同角度提出了基于自主決策的應(yīng)用構(gòu)架。因此，隨著飛行器功能復(fù)雜化、任務(wù)多樣化的發(fā)展趨勢，綜合測試系統(tǒng)的自主測試能力面臨著迫切的需求。

本文提出了一種基于自主測試的飛行器綜合測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并進一步研究了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

1 自主測試系統(tǒng)構(gòu)架

現(xiàn)有的飛行器綜合測試系統(tǒng)一般采用串口、工業(yè)總線、局域網(wǎng)等形式，將內(nèi)部各個功能模塊有機連接起來，通過主控計算機實現(xiàn)綜合測試系統(tǒng)的運行管理及飛行器的測量與控制[4-5]。測試過程中，所有的測試命令或數(shù)據(jù)都由主控計算機發(fā)送或解析，按照設(shè)定的測試流程進行飛行器測試，由操作人員對測試進程進行控制。

自主綜合測試是指綜合測試系統(tǒng)能夠完成飛行器各項性能指標(biāo)參數(shù)的采集，同時對自身狀態(tài)進行監(jiān)控，根據(jù)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控等信息，對出現(xiàn)的異常情況能夠自主進行分析判別處理，并根據(jù)處理結(jié)果對測試進程進行主動控制和調(diào)整[6-7]。

基于現(xiàn)有飛行器綜合測試系統(tǒng)體系構(gòu)架，本文提出了基于綜合決策的飛行器自主綜合測試系統(tǒng)構(gòu)架，如圖1所示，包括測試執(zhí)行層、綜合決策層、數(shù)據(jù)服務(wù)層。其中測試執(zhí)行層負責(zé)完成飛行器測試所需的測試流程解析、儀器控制等功能；自主決策層負責(zé)完成飛行器測試數(shù)據(jù)處理判讀、測試設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及測試信息的綜合處理分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出決策信息，對測試進程進行相應(yīng)的控制調(diào)整；數(shù)據(jù)服務(wù)層主要提供系統(tǒng)運行所需的人機交互、數(shù)據(jù)顯示存儲、儀器驅(qū)動等基本功能。

圖1 地面自主測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of autonomous automatic test system (ATS)

2 自主測試技術(shù)研究

2.1 自主測試流程

與現(xiàn)有的飛行器綜合測試流程不同，自主測試流程包括測試采集、測試狀態(tài)監(jiān)控、信息綜合分析、測試決策這4個方面，形成了一個閉環(huán)測試系統(tǒng)，見圖2。

(1) 測試采集

自主測試系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的測試進程，輸出激勵信號，控制相應(yīng)的測試儀器，采集飛行器的性能參數(shù)數(shù)據(jù)。

(2) 測試狀態(tài)監(jiān)控

在自主測試系統(tǒng)測試性設(shè)計的基礎(chǔ)上，在測試過程中，不影響正常測試進程，利用BIT或多傳感器檢測手段，檢查各組成模塊的功能和性能，獲取自主測試系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

(3) 信息綜合分析

根據(jù)給定的判讀模型和設(shè)定的判斷準(zhǔn)則，對采集的飛行器性能參數(shù)及設(shè)備的狀態(tài)信息進行自動解算判讀，如出現(xiàn)異常，將對數(shù)據(jù)進行橫向縱向等多維度綜合分析，得出分析結(jié)果。

(4) 測試決策

建立測試結(jié)果匹配模型庫，根據(jù)綜合分析結(jié)果確定異常處理優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級高低采取分級處理措施，對測試進程進行自動干預(yù)。

2.2 信息綜合分析

信息綜合分析是基于當(dāng)前測試數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)開展的，主要是從數(shù)據(jù)中盡量挖掘飛行器的潛在問題及測試系統(tǒng)的狀態(tài)信息，主要處理手段包括測試數(shù)據(jù)的自動快速判讀和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析2部分。

典型數(shù)據(jù)判讀方法包括基于支持向量機的方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，但這2種方法要么需要枚舉飛行器每個故障模式，要么需要進行長時間的訓(xùn)練，無法滿足飛行器測試的實際需求[8-11]。目前，測試數(shù)據(jù)的自動判讀主要還是基于特定的判讀模型來實現(xiàn)，通過與模型的一致性匹配，尋找測試數(shù)據(jù)中的異常點。

針對檢測到的判讀異常點，開展進一步的關(guān)聯(lián)性分析。通過將不同傳感器、不同采集儀器獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)進行特征參數(shù)求取和分析，并與相關(guān)歷史數(shù)據(jù)進行趨勢分析，獲得一定置信度下的一個或多個分析結(jié)果。

2.3 自主決策規(guī)則

自主測試系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級的決策策略，優(yōu)先級分為4級，見表1。

對于不同優(yōu)先級，一般采取以下措施：

(1) 一級優(yōu)先級

對于影響飛行器和測試設(shè)備安全的嚴(yán)重異常問題，如電源輸出電壓或電流超差、液體燃料泄露、測試現(xiàn)場或測試系統(tǒng)內(nèi)部溫度急劇升高等，一般均應(yīng)通過必要的傳感器等采集設(shè)備，定時采集關(guān)鍵的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)的變化趨勢，設(shè)定嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)是否處于正常工作范圍，并設(shè)定一定的判別算法，兼顧異?，F(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的快速性和異常判斷的準(zhǔn)確性，避免虛警。異?，F(xiàn)象確定后，快速進入緊急處理模式，即飛行器停止供電，保存數(shù)據(jù)，終止測試，并給出明確的異常描述，由測試現(xiàn)場維護人員采取相應(yīng)的排查措施。

(2) 二級優(yōu)先級

在測試過程中，如果檢測到即將使用的測試設(shè)備狀態(tài)異常，可根據(jù)嚴(yán)重程度，確定暫?；蚪K止測試進程。如在飛行器高頻通信系統(tǒng)測試時，發(fā)現(xiàn)地面信號模擬器與主控計算機通訊中斷，無法收到有效的控制命令，可采取以下措施：①暫停測試，采用命令重發(fā)機制，由主控計算機多次發(fā)送控制命令，判斷信號模擬器響應(yīng)情況；②暫停測試，由主控計算機控制發(fā)送重啟信號，控制信號模擬器進行軟硬件重新配置，進入初始狀態(tài)；③終止測試，提醒測試現(xiàn)場維護人員檢查設(shè)備情況。

圖2 自主測試運行流程Fig.2 Autonomous test process

表1 優(yōu)先級表Table 1 Priority list

(3) 三級優(yōu)先級

當(dāng)出現(xiàn)飛行器測試參數(shù)一般異常時，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障樹，調(diào)整測試進程，對異?，F(xiàn)象進行進一步隔離確認。如飛行器的主控制器與高頻通信系統(tǒng)進行總線通訊時，測試結(jié)果異常，經(jīng)過測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行判別，發(fā)現(xiàn)是由于飛行器上總線通訊丟幀引起的，此時，應(yīng)偏離原有的測試進程，進入故障隔離模式，如可進行其他測試，由其中一方與飛行器上其他設(shè)備進行通訊，或者直接由測試系統(tǒng)分別與飛行器的主控制器與高頻通信系統(tǒng)進行總線通訊測試，確定通訊丟幀是由哪一方造成的。根據(jù)故障隔離策略完成相應(yīng)的故障定位排查后，可終止測試或繼續(xù)進行后續(xù)測試。

(4) 四級優(yōu)先級

在測試過程中，如果檢測到某測試設(shè)備部分功能異常，經(jīng)過判斷該異常不會影響到后續(xù)測試，可持續(xù)對其進行監(jiān)測，并在測試任務(wù)結(jié)束后提示現(xiàn)場人員解決。

3 技術(shù)難點

在自主測試技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，存在以下兩項技術(shù)難點：

(1) 測試過程中的數(shù)據(jù)量較大，自主綜合測試系統(tǒng)需要處理大量過程信息，如果數(shù)據(jù)分析過程復(fù)雜，系統(tǒng)無法滿足數(shù)據(jù)處理、交互的速度要求，可能會對正常的測試進程運行產(chǎn)生部分影響，后續(xù)將需要根據(jù)不同的測試任務(wù)，對相應(yīng)的數(shù)據(jù)判讀分析模型及決策規(guī)則等進行優(yōu)化調(diào)整[12-13]。

(2) 由于自主決策規(guī)則主要是基于飛行器故障樹開展，故障樹的準(zhǔn)確程度將很大程度上影響自主決策有效性，所以飛行器需要進行良好的測試性設(shè)計以及與測試項目相匹配的故障樹設(shè)計[14]。

4 結(jié)束語

基于自主測試的飛行器綜合測試系統(tǒng)依托于測試信息的綜合分析與決策，測試過程中人工參與的需求較少，能夠?qū)︼w行器進行自主測試與狀態(tài)判斷，并能夠依據(jù)故障樹進行故障處理和隔離。在現(xiàn)有飛行器綜合測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，不對目前綜合測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)作大的改變，增加軟件的綜合分析與決策功能，并補充相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測接口，就可以完成對飛行器的自主測試，能夠很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化遠程測試的需要，具有很好的應(yīng)用前景[15]。