全箭遠(yuǎn)程測(cè)試大數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)系統(tǒng)

◎上海宇航系統(tǒng)工程研究所 顏曉明 劉世俊 張?jiān)?/p>

當(dāng)前，運(yùn)載火箭研制對(duì)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)、自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試、智能化遠(yuǎn)程測(cè)試及數(shù)據(jù)分析診斷等手段的需求日益迫切。上海宇航系統(tǒng)工程研究所開展了基于航天大數(shù)據(jù)，融合科研、生產(chǎn)、試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的航天產(chǎn)品可靠性綜合評(píng)價(jià)平臺(tái)——全箭遠(yuǎn)程測(cè)試大數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究實(shí)施，形成高度可信的、通用的生產(chǎn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法。

一、項(xiàng)目背景

當(dāng)前我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展面臨新形勢(shì)、新任務(wù)和新要求，尤其是幾次重大航天發(fā)射任務(wù)失利后，航天產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及一致性評(píng)價(jià)越來越受到重視，中國(guó)航天進(jìn)入高強(qiáng)度研制、高密度發(fā)射階段，在型號(hào)生產(chǎn)、測(cè)試及在軌運(yùn)營(yíng)支持等方面普遍面臨任務(wù)重、時(shí)間緊、要求高等挑戰(zhàn)，運(yùn)載火箭對(duì)型號(hào)研制網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)、自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試、智能化遠(yuǎn)程測(cè)試及數(shù)據(jù)分析診斷等手段的需求日益迫切，現(xiàn)有的手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研制和項(xiàng)目管理需求，嚴(yán)重制約了科研生產(chǎn)能力的整體提升。

二、需求分析

遠(yuǎn)程測(cè)試的需求：建設(shè)航天發(fā)射遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)，形成前方指揮測(cè)試和操作、后方數(shù)據(jù)判讀和分析的測(cè)發(fā)模式，提高研制人員的復(fù)用效率，提升型號(hào)隊(duì)伍的并行協(xié)同研制和并行測(cè)試的能力，達(dá)到減少發(fā)射場(chǎng)人員派駐數(shù)量，緩解人力資源配置矛盾。

全生命周期數(shù)據(jù)集成的需求：航天研制及在軌運(yùn)行期間，涉及大量數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用工作?，F(xiàn)有航天型號(hào)具有體量大、周期長(zhǎng)、涉及專業(yè)和協(xié)作單位多的特點(diǎn)，迫切需要基于大數(shù)據(jù)建設(shè)協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)，為密集型號(hào)并行研制完成的可靠性和及時(shí)性提供基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)智能診斷的需求：現(xiàn)代的運(yùn)載火箭以及地面支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正在變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)一般由大量的不同組件以及傳感器組成，相互之間也存在著廣泛的聯(lián)系。如果一個(gè)故障沿緊密耦合的子系統(tǒng)傳播，并引起多個(gè)子系統(tǒng)中相應(yīng)參量的觀測(cè)值出現(xiàn)大幅波動(dòng)，就會(huì)引發(fā)系統(tǒng)級(jí)擾動(dòng)或故障，導(dǎo)致故障診斷分析與故障定位困難。

三、建設(shè)目標(biāo)

致力于解決運(yùn)載火箭復(fù)雜系統(tǒng)智能管理和測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)性和共性問題，研究基于航天大數(shù)據(jù)模式，融合科研、生產(chǎn)、試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的航天產(chǎn)品可靠性綜合評(píng)價(jià)平臺(tái)，形成高度可信的、通用的生產(chǎn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法，方便后續(xù)型號(hào)在本項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上深入實(shí)踐。

(一)型號(hào)任務(wù)具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)支持能力

建立以各型號(hào)研制院的發(fā)射遠(yuǎn)程支持中心為主、發(fā)射場(chǎng)為輔的遠(yuǎn)程測(cè)控模式，支持型號(hào)測(cè)試指揮和測(cè)試人員遠(yuǎn)程下達(dá)測(cè)試指令，控制發(fā)射場(chǎng)型號(hào)的測(cè)試工作；建立統(tǒng)一的型號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)中心，支持型號(hào)全生命周期測(cè)試數(shù)據(jù)的管理，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)判讀分析、故障仿真與診斷、健康監(jiān)測(cè)等功能，形成從總裝總測(cè)、運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)測(cè)試、發(fā)射等各階段的信息閉環(huán)，推動(dòng)型號(hào)測(cè)試與試驗(yàn)流程的簡(jiǎn)化與優(yōu)化，支持航天型號(hào)研制與發(fā)射支持能力的大幅度提升。

(二)建立具備可容納未來十年型號(hào)各階段測(cè)試數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

提出基于大數(shù)據(jù)概念的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的需求，為實(shí)現(xiàn)火箭故障快速診斷與智能分析，圍繞測(cè)試數(shù)據(jù)深度挖掘、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析、智能診斷、數(shù)據(jù)特性統(tǒng)計(jì)分析等功能，開展多源數(shù)據(jù)自動(dòng)歸集技術(shù)、基于HDFS 的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、海量數(shù)據(jù)的即時(shí)可視化技術(shù)、多維度數(shù)據(jù)分析比對(duì)技術(shù)、人工智能深度機(jī)械學(xué)習(xí)技術(shù)、基于規(guī)則和模型的故障檢測(cè)和模式識(shí)別技術(shù)等方面的研究。

(三)可靠的全周期數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)及診斷系統(tǒng)

產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的類型多樣，信號(hào)特征和表征方式也各不相同，同時(shí)其隱含的故障隱患與特征也各不相同。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)自身特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，給出設(shè)計(jì)理論值、試驗(yàn)狀態(tài)值，結(jié)合后臺(tái)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出滿足數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)一致性評(píng)價(jià)方法。

(四)基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷系統(tǒng)及飛行仿真系統(tǒng)

故障診斷或智能診斷在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)提了好多年，目前大部分采用基于統(tǒng)計(jì)分析的閾值紅線法、包絡(luò)分析法、關(guān)聯(lián)分析法及專家?guī)炷Ｐ头?，較為先進(jìn)的是采用基于故障機(jī)理POF 的診斷方法。

(五)新一代視頻編碼傳輸系統(tǒng)

基地地處較偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，盡管采用網(wǎng)絡(luò)專線，但是資源依然有限，且有時(shí)波動(dòng)不規(guī)律，建設(shè)目標(biāo)為基地建設(shè)一套穩(wěn)定可靠的視頻傳輸系統(tǒng)，可將基地發(fā)射及其他關(guān)鍵任務(wù)穩(wěn)定可靠實(shí)時(shí)傳輸至各地指揮中心，進(jìn)一步加強(qiáng)基地的信息化建設(shè)。

圖1 運(yùn)載遠(yuǎn)程測(cè)試中心數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)

四、實(shí)施方案

全箭遠(yuǎn)程測(cè)試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)針對(duì)：①遠(yuǎn)程測(cè)試數(shù)據(jù)信息化能力建設(shè)；②結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)、歷史大數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)入、存儲(chǔ)；③數(shù)據(jù)在線檢測(cè)及初步故障診斷三方面內(nèi)容制定了方案，并付諸實(shí)施。

(一)運(yùn)營(yíng)商遠(yuǎn)程MSTP 專線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程鏈路連接

使用單向網(wǎng)閘，部署在安全隔離區(qū)與軍隊(duì)C3 網(wǎng)中間，比防護(hù)墻管控更為嚴(yán)格，控制協(xié)議與數(shù)據(jù)流向，確保隔離區(qū)與軍隊(duì)C3 網(wǎng)安全可靠。將網(wǎng)絡(luò)安全探針、網(wǎng)絡(luò)攻擊分析和局域網(wǎng)準(zhǔn)入控制集成在安全管理系統(tǒng)中，進(jìn)行統(tǒng)一的安全管控。有效檢測(cè)網(wǎng)內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)漏洞，識(shí)別入侵行為，阻止非可信終端連接，全方位保障安全的同時(shí)，便于開展管理和審計(jì)工作。

(二)采用新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS 對(duì)視頻進(jìn)行壓縮

新一代AVS 編碼標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)編碼標(biāo)準(zhǔn)，其不僅擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在性能上完全可以達(dá)到國(guó)際同類標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)并具有更多的靈活性以及穩(wěn)定性。

編碼端：采用了雙路HD-SDI 采集卡采集兩路實(shí)時(shí)1080i/50 的信號(hào)，通過實(shí)時(shí)編碼輸出TS over IP 單播碼流，單臺(tái)兩路單獨(dú)碼流通過交換機(jī)傳輸至遠(yuǎn)端。

解碼端：采用了千兆IP 輸入端口將遠(yuǎn)端的單播碼流送入解碼器實(shí)時(shí)解碼，單臺(tái)單獨(dú)碼流解碼后通過HDMI或者SDI 接口通過SDItoHDMI 轉(zhuǎn)換器將解碼后的1080i/50 圖像信號(hào)送入大屏顯示矩陣。

(三)配置大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)遠(yuǎn)程同步總測(cè)廠、發(fā)射基地的總檢查測(cè)試、加注測(cè)試、飛行測(cè)試

采用Kafka 訂閱系統(tǒng)，可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)地解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性問題，該方案為松耦合消息機(jī)制，可有效避免外部因素導(dǎo)致系統(tǒng)異常，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存過程中，將采集到的針對(duì)不同參數(shù)的具有時(shí)序特征的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)寫入不同的Topic，由于多個(gè)Topic 之間互不干擾，內(nèi)部又可以保持嚴(yán)格的時(shí)序特性，因此可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)的分布式并行化處理，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)處理效率。鏈接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

(四) 采用ES、Hadoop 方案，對(duì)火箭測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、持久化存儲(chǔ)以及可視化展現(xiàn)

文本類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于ElasticSearch設(shè)計(jì)開發(fā)，是一個(gè)兼有搜索引擎和NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)功能的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。多媒體類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于Hadoop 體系的HDFS 分布式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。平臺(tái)設(shè)計(jì)支持4 種型號(hào)火箭測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，共可支持存儲(chǔ)1000 發(fā)火箭測(cè)試的數(shù)據(jù)，每發(fā)支持10 次測(cè)試數(shù)據(jù)記錄，按數(shù)據(jù)量40TB 配置。使用REST 接口方式，采用流式處理技術(shù)對(duì)收到的每一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后，將接收到的數(shù)據(jù)與分析處理后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)。

圖2 全箭遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的遠(yuǎn)程連接的拓?fù)鋱D

圖3 大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

(五)依據(jù)參數(shù)分類將數(shù)據(jù)分為狀態(tài)特征、任務(wù)特征類、關(guān)聯(lián)特征類參數(shù)實(shí)施全流程基于大數(shù)據(jù)完成自動(dòng)判讀

狀態(tài)特征類同測(cè)試狀態(tài)相關(guān)，參數(shù)均值穩(wěn)定，測(cè)試值一般服從高斯分布，基于均值的概率密度統(tǒng)計(jì)方法對(duì)該類參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。任務(wù)特征是指執(zhí)行任務(wù)特點(diǎn)密切相關(guān)，入制導(dǎo)系統(tǒng)起止導(dǎo)時(shí)間及導(dǎo)引量、時(shí)序、彈道參數(shù)等，基于偏差的概率密度統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)關(guān)聯(lián)特征類不能通過獨(dú)立參數(shù)的異常情況進(jìn)行故障的評(píng)估和診斷，需要通過多個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)的行為模型進(jìn)行異常和故障的評(píng)估，使用多參數(shù)概率密度統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行異常檢測(cè)。

五、建設(shè)內(nèi)容

(一)遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)支持能力建設(shè)

遠(yuǎn)程同步各發(fā)射基地總檢查測(cè)試、加注測(cè)試、飛行測(cè)試，為發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)支持、遠(yuǎn)程快速歸零、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)故障診斷具體包括：回傳并存儲(chǔ)基地全系統(tǒng)檢查、總檢查數(shù)據(jù)，含箭上遙測(cè)、地面測(cè)試數(shù)據(jù)；火箭發(fā)射時(shí)，實(shí)時(shí)接收發(fā)射基地首區(qū)飛行數(shù)據(jù)，顯示速度高度、飛行軌跡、測(cè)控區(qū)域覆蓋；火箭加注時(shí)，回傳并存儲(chǔ)基地加注系統(tǒng)數(shù)據(jù)，含加注流程、進(jìn)度信息；火箭發(fā)射前，回傳并存儲(chǔ)發(fā)射場(chǎng)氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、塔架各層溫度適度、云層數(shù)據(jù)。

(二)航天大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用

構(gòu)建火箭數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理、持久化存儲(chǔ)以及可視化展現(xiàn)。數(shù)據(jù)從采集到分析展現(xiàn)的流程如下：

1、采集服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可實(shí)時(shí)、定時(shí)或者手工導(dǎo)入等多種方式；

2、采集完成后，部分需要進(jìn)行預(yù)處理，然后傳輸至存儲(chǔ)服務(wù)器集群進(jìn)行存儲(chǔ)，其中文本類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ES集群，多媒體類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Hadoop集群；

3、前端業(yè)務(wù)人員、管理人員或者大屏等數(shù)據(jù)請(qǐng)求會(huì)下發(fā)至可視化應(yīng)用服務(wù)器集群，可視化應(yīng)用服務(wù)器集群根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)請(qǐng)求，將文本類數(shù)據(jù)請(qǐng)求下發(fā)至ES 集群，將多媒體數(shù)據(jù)請(qǐng)求下發(fā)至Hadoop 集群；

4、ES 集群和Hadoop 集群分別根據(jù)請(qǐng)求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果返回至可視化應(yīng)用服務(wù)器集群；

5、可視化應(yīng)用服務(wù)器集群收到數(shù)據(jù)處理結(jié)果后，將結(jié)果分別發(fā)送至前端業(yè)務(wù)人員、管理人員等PC 端或者大屏上進(jìn)行展現(xiàn)。

(三)全箭測(cè)試數(shù)據(jù)一致性、可靠性自動(dòng)評(píng)價(jià)方法

火箭測(cè)試不同于其他系統(tǒng)，同一狀態(tài)項(xiàng)目可能反復(fù)測(cè)試多次，時(shí)間較長(zhǎng)，采樣點(diǎn)密集，僅依靠人工全程判讀，不僅工作量巨大，而且時(shí)效性和判讀質(zhì)量很難保證，本項(xiàng)目能夠遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的歷史數(shù)據(jù)回放、查詢、統(tǒng)計(jì)、檢索、包絡(luò)分析功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)故障診斷功能，自動(dòng)給出評(píng)價(jià)，判定此次測(cè)試的有效性。

(四)低資源占用高清晰影像的視頻系統(tǒng)

建立一套高效穩(wěn)定的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)看及傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)可支持多路視頻高效穩(wěn)定的傳輸，并可靈活接入。系統(tǒng)采用先進(jìn)新一代編解碼傳輸技術(shù)，可確保視頻內(nèi)容低延時(shí)、高穩(wěn)定、高安全進(jìn)行傳輸，將大大提高中心對(duì)于基地的監(jiān)看效率，為進(jìn)一步的加強(qiáng)基地管理及預(yù)警提供高效穩(wěn)定圖像資料。

圖4 運(yùn)載火箭大數(shù)據(jù)支持架構(gòu)方案框圖

六、應(yīng)用效果與經(jīng)驗(yàn)

全箭遠(yuǎn)程測(cè)試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)硬件鏈路上實(shí)現(xiàn)了與總測(cè)廠房和太原衛(wèi)星發(fā)射中心的聯(lián)通，并成功應(yīng)用于某發(fā)火箭的發(fā)射測(cè)試。大數(shù)據(jù)平臺(tái)已經(jīng)對(duì)XX-2D/4B/4C 的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完成了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了結(jié)果展示，滿足比對(duì)、篩選、包絡(luò)分析、關(guān)聯(lián)分析等功能，在故障診斷方面利用發(fā)動(dòng)機(jī)推力故障進(jìn)行了探索。

經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益：

1、通過遠(yuǎn)程測(cè)試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)前后方協(xié)同測(cè)試，提高航天高密度發(fā)射能力；減少前方試驗(yàn)隊(duì)80%的判讀崗位，提升航天多型號(hào)并行研制能力；減少試驗(yàn)隊(duì)人員出差周期，單發(fā)發(fā)射成本至少降低約15 萬元；

2、通過大數(shù)據(jù)的分析與在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全箭單次測(cè)試判讀、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時(shí)間減少50%以上；

3、通過對(duì)航天歷史數(shù)據(jù)的歸集，形成具有航天特色的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開展深度的數(shù)據(jù)分析、評(píng)價(jià)、挖掘和復(fù)雜算法的應(yīng)用，提升航天產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)質(zhì)量；

4、視頻系統(tǒng)已在岢嵐基地實(shí)施建設(shè)，并且完成了兩次發(fā)射實(shí)時(shí)直播任務(wù)，系統(tǒng)將發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)情況第一時(shí)間安全、高效、穩(wěn)定的傳輸至遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)中心，為專家團(tuán)隊(duì)在后方支撐提供了有力的同步保障。

七、后續(xù)發(fā)展思路及計(jì)劃

本項(xiàng)目與太原衛(wèi)星發(fā)射基地開展實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程同步是邁出遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)的一小步，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載測(cè)試大廳的全箭級(jí)測(cè)試大數(shù)據(jù)分析，完成了飛行演示系統(tǒng)階段性的工作，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、飛行曲線的演示、歷史數(shù)據(jù)分析比對(duì)、數(shù)據(jù)評(píng)估。

計(jì)劃與酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地、海南衛(wèi)星發(fā)射基地、文昌衛(wèi)星發(fā)射基地實(shí)施實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程同步測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)連通業(yè)已全面啟動(dòng)，此次與太原基地的網(wǎng)絡(luò)連通為軍網(wǎng)連通提供可行的實(shí)施方案，也為后續(xù)發(fā)射場(chǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程同步測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。