集成智能化測試系統(tǒng)技術(shù)研究應(yīng)用

1、PAGE PAGE 9集成智能化測試系統(tǒng)技術(shù)研究應(yīng)用袁企鄉(xiāng)，王海奇， 向軍 ，花偉峰，石同武，徐昕(上海航天計算機技術(shù)研究所，上海，201109)摘要：運載火箭集成智能化測試系統(tǒng)是實現(xiàn)快速發(fā)射的重要條件，是未來運載火箭在技術(shù)上發(fā)展的主要方向。對于目前運載火箭測發(fā)周期較長、地面測試環(huán)節(jié)復(fù)雜、設(shè)備體形龐大、單體數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)上集成度低等問題，本文研究了運載火箭集成智能化測試系統(tǒng)在實現(xiàn)快速測發(fā)上的應(yīng)用，從集成、智能、移動與環(huán)境適應(yīng)性方面提出了具體技術(shù)實現(xiàn)途徑。高速數(shù)字總線和BIT箭地一體化綜合測試、智能實時判讀等技術(shù)應(yīng)用，為實現(xiàn)快速發(fā)射創(chuàng)造條件，指出了今后運載火箭快速測試發(fā)射技術(shù)發(fā)展方向。 關(guān)鍵字：

2、運載火箭 箭地總線一體化 集成測試 智能實時判讀 Integrated intelligent test system technology research and application Yuan Qixiang,Wang Haiqi,Xiang Jun, Hua Weifeng,Si Tongwu,Xu Xin(Shanghai institute of aerospace computer technology，shanghai 201109）Abstract: Launch vehicle integrated intelligent test system is an import

3、ant factor in quick launch, is the main development direction of future launch vehicle in technical. For the hair cycle is long, ground test launch vehicle test link complex number, structure, equipment, large size, monomer on the low level of integration, this paper studies the vehicle integrated i

4、ntelligent test system of the hair in achieving rapid test applications, from the aspects of integration, intelligence, movement and environmental adaptability proposes the specific technical implementation way. High speed digital bus and BIT the arrow to the integration of comprehensive test and re

5、al-time intelligent interpretation technology, create conditions for the realization of the quick launch, points out the technology to quickly test launch rocket development direction in the future.Key words: The carrier rocket The arrow to bus integration Integration testing The intelligent real-ti

6、me interpretation 0. 引言地面測試系統(tǒng)是運載火箭的重要組成部分，它使用于實現(xiàn)運載火箭在分系統(tǒng)綜合試驗、全箭集成綜合試驗及發(fā)射場飛行試驗的整體工作過程之中，并且在發(fā)射場的飛行試驗中最終實施點火發(fā)射的功能，在火箭發(fā)射的整個環(huán)節(jié)中具有重要功能。地面測試系統(tǒng)目前在技術(shù)上均采用模擬方式來構(gòu)建控制回路，存在整個測試環(huán)節(jié)復(fù)雜，設(shè)備體積龐大，在陣地上測發(fā)周期長的問題。根據(jù)今后運載火箭的發(fā)射當(dāng)量，以現(xiàn)行的測試體制和測試設(shè)備規(guī)模，需要耗費大量人力、時間資源。為了適應(yīng)當(dāng)前和今后發(fā)展需求，要對現(xiàn)有測發(fā)體制、測試時間、數(shù)據(jù)處理模式進行必要優(yōu)化調(diào)整與改進，使測試系統(tǒng)更好地做到具有快速性、可靠性、穩(wěn)定性

7、的能力與功能，這是未來地面測試系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，也是迫切需要進行研究的課題。1快速測試系統(tǒng)組成及原理1見圖1。圖1快速測試系統(tǒng)組成及原理1.1 總控網(wǎng)總控網(wǎng)為測發(fā)控系統(tǒng)（即測試系統(tǒng)）信息傳輸和處理的載體，是測發(fā)控系統(tǒng)各單機設(shè)備信息交互的主要路徑，是系統(tǒng)集成的關(guān)鍵設(shè)備。總控網(wǎng)設(shè)備可分為四個部分，分別是遠距離測發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺、指揮監(jiān)控設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備?？偪鼐W(wǎng)構(gòu)成見圖2。 圖2總控網(wǎng)其中遠距離測發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺由光端機、交換機構(gòu)成，實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)通訊功能。系統(tǒng)需要通訊模式包括以太網(wǎng)通訊、串口通訊、視頻通訊等，通訊鏈路設(shè)計有冗余通道，保證系統(tǒng)可靠性。指揮監(jiān)控設(shè)備包括系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)、控

8、制指令的發(fā)起和判別機構(gòu)，數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)布。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備可實時監(jiān)控系統(tǒng)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)包傳輸情況等。總控網(wǎng)為集成一體化測發(fā)控系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的集中管控。在總控網(wǎng)絡(luò)一般采用高速以太網(wǎng)進行傳輸，在航天測控應(yīng)用中首先考慮通訊的可靠性和實時性，可靠性方面要求全時網(wǎng)絡(luò)無故障，測發(fā)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時考慮了冗余設(shè)計，采用雙路或多路冗余技術(shù)，實現(xiàn)通訊鏈路冗余。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖采用交叉網(wǎng)絡(luò)或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)見圖3。 圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)主要適用于分布式多終端網(wǎng)絡(luò)，交叉網(wǎng)絡(luò)主要適用于結(jié)點較少的網(wǎng)絡(luò)拓撲。1.2控制系統(tǒng)測發(fā)控測發(fā)控系統(tǒng)2主要由發(fā)控（含電纜網(wǎng)）、

9、測控（含便攜式時序測試設(shè)備）、地面電源、數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)及計算機、結(jié)構(gòu)（含方艙、轉(zhuǎn)運工裝等）、基礎(chǔ)應(yīng)用軟件（含等效器對接測試軟件）、等效器等部分組成。發(fā)控部分主要由前置發(fā)控組合、后置發(fā)控組合、發(fā)控臺面板組合、電纜網(wǎng)等組成。發(fā)控邏輯功能主要應(yīng)用PLC可編程邏輯控制器技術(shù)，前后置發(fā)控組合內(nèi)各設(shè)計一套獨立工作的PLC。在某型號火箭的箭地通道采用了1553B總線，只有自檢、瞄準等少量信息仍然通過422通道傳輸。測試控制部分主要應(yīng)用了PCI總線技術(shù)、1553B總線技術(shù)、422通訊技術(shù)、PC/104架構(gòu)技術(shù)等。該系統(tǒng)主要采用PCI總線測試技術(shù)、可編程邏輯控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、光通訊技術(shù)等多項先進技術(shù)，以PCI總

10、線測試技術(shù)為主實現(xiàn)測試功能；以可編程邏輯控制技術(shù)為主實現(xiàn)控制功能；以局域以太網(wǎng)技術(shù)為主實現(xiàn)測發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的信息傳輸；通過光纖和光通訊技術(shù)實現(xiàn)遠距離測試發(fā)射的信息傳輸；通過網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)匯集傳輸測試過程中有線、無線遙測測試數(shù)據(jù)，并對有線、無線測試數(shù)據(jù)進行實時、同步的自動判讀比對，具有對測試數(shù)據(jù)的回放檢索能力。該系統(tǒng)以計算機自動化測試、發(fā)射為主，降低手動操作的風(fēng)險，同時具備緊急情況下可應(yīng)急控制的能力。在整個測試結(jié)束后由兩個服務(wù)器對獲取的有線、無線遙測測試數(shù)據(jù)進行自動比對、判讀，并給出結(jié)論。各系統(tǒng)測試信息分別在顯示終端上顯示，采用數(shù)值、文字、曲線等多種不同的顯示方式，用顏色區(qū)分各種不同類型的測試信息和對其

11、進行判讀后的結(jié)論。1.3 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)主要包含遙測、外測、安全控制、圖像測量、天基測控、附加監(jiān)測等功能。遙測采用PCM-FM體制、2個S波段高碼率點頻完成全箭參數(shù)的測量與傳輸。采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位+地基兩種測量模式完成火箭的外彈道測量，衛(wèi)星導(dǎo)航定位主要基于GPS，根據(jù)時機加入我國的導(dǎo)航模式，地基測控采用單脈沖雷達測量加光學(xué)測量模式。無線安全控制采用多音組合調(diào)頻體制。天基測控子系統(tǒng)采用我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的S波段返向數(shù)傳，完成關(guān)鍵遙測參數(shù)的下傳。2 關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法 經(jīng)過對新一代快速、發(fā)射運載火箭的新型快速測發(fā)控系統(tǒng)研究制造，已經(jīng)首次實現(xiàn)了新一代運載火箭快速簡易發(fā)射。對測發(fā)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)今后發(fā)展有

12、了整體判斷，為測發(fā)控系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)工作提供了經(jīng)驗。2.1 集成智能化測試系統(tǒng)3關(guān)鍵技術(shù)要減短運載火箭在靶場的測發(fā)周期，必須減少發(fā)射場參試設(shè)備、簡化運載火箭操作工序、減少狀態(tài)的變化。根據(jù)目前國內(nèi)、外運載火箭快速發(fā)射的經(jīng)驗，運載火箭采取水平總裝、整體檢查測試、水平整體運輸、整體起豎與發(fā)射臺對接是中、小型運載火箭達到簡化工序、減少技術(shù)變化的最佳途徑與方向。與此相對應(yīng)要研制出高可靠、高集成、快速判讀的測發(fā)控系統(tǒng)是十分必要的，從而可以看出，今后以下幾項關(guān)鍵技術(shù)會得到快速應(yīng)用與發(fā)展：2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于集成、智能、移動、環(huán)境適應(yīng)性強使用方艙平臺集成是一種理想的模式之一，尤其是在移動性、環(huán)境適應(yīng)性上方艙平臺

13、表現(xiàn)出其特有的優(yōu)點和長處。通過使用對艙體空間特證、要素分析，依據(jù)人機工程設(shè)計原理來對整個系統(tǒng)設(shè)備的集成與設(shè)計工作進行全面研究與設(shè)計，以求得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上最優(yōu)的設(shè)備操控性、視覺上直觀性和、環(huán)境上適應(yīng)性，同時也獲得系統(tǒng)整體上的便捷移動能力。在這過程中，進行細致、 方案設(shè)計，綜合平衡系統(tǒng)、操控、集成、環(huán)境等方面要求，做到設(shè)計上考慮全面、技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用上切實可行。我們進行的設(shè)計應(yīng)用實例見圖4、圖5所示。 圖4后端設(shè)備方艙 圖5前端設(shè)備方艙方艙平臺集成化需要解決問題有：設(shè)備的集成、操控性、視覺直觀性、環(huán)境上適應(yīng)性與移動性等。就目前現(xiàn)有設(shè)計與工程制造技術(shù)上條件與能力，均可以做到整個地面測發(fā)控系統(tǒng)進行方艙集成上

14、的良好實現(xiàn)，尤其是系統(tǒng)的移動性上獲得根本提高，這是對系統(tǒng)總體要求的一大支撐。2.3 應(yīng)用高速數(shù)字總線和BIT箭地一體化綜合測試模式隨著測發(fā)控技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)集成化、自動化程度及可靠性等重要技術(shù)指標有很大提高。專業(yè)細化，受統(tǒng)格局制約，分系統(tǒng)各自獨立，系統(tǒng)設(shè)備多、接口種類多的問題日益顯現(xiàn)。在目前測試體制下，箭、地交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量多種信號并存，監(jiān)測信號總體數(shù)量有限，箭、地之間相互牽制加大，為在使用、維護、升級過程中帶來極大不便，致使測試發(fā)射周期長、效率低。故要研究高效率、高可靠、低成本、通用性強的測發(fā)體系，合理分配與利用資源，最大限度實現(xiàn)箭、地一體化測試的要求顯示出它的迫切性。在系

15、統(tǒng)設(shè)計階段就要并行地開展設(shè)計工作，科學(xué)規(guī)劃測試流程，合理分配測試資源，實現(xiàn)運載火箭與地面測試4的一體化程度。根據(jù)前期分析與研究，在航天器上配置BIT（Build in Test）、智能傳感及自我診斷設(shè)備，利用設(shè)計在被測單元內(nèi)的自測試硬件和軟件進行測試及故障檢測、診斷工作，簡化有線地面測試需求，從而降低地面測試硬件負擔(dān)，形成箭地一體化測試，提高測試準確性和測試的效率。 系統(tǒng)任務(wù)之一，就是要求火箭的各個系統(tǒng)之間進行大量信息交換，采取地面激勵箭上反饋地面采集的模式方法。2.4 系統(tǒng)精簡測試設(shè)備，提高集成度5長期以來，各國新型運載火箭突破了原來在導(dǎo)彈基礎(chǔ)上發(fā)展所帶來的限制，把可靠性、安全性、經(jīng)濟性作為

16、十分主要的設(shè)計目標。運載火箭的測發(fā)控設(shè)備采用大量先進的智能化、自動化技術(shù)設(shè)計。運載火箭快速測發(fā)需求，要做到測發(fā)控系統(tǒng)工作可靠，并要求布局合理、結(jié)構(gòu)精簡、研制價格適中、性能先進和使用方便。箭地數(shù)字化總線技術(shù)的應(yīng)用，為測發(fā)控系統(tǒng)前端設(shè)備的精簡創(chuàng)造了有利條件。今后基于前、后端布局的測發(fā)控系統(tǒng)模式，前端作為測試功能硬件的載體，主要包括有發(fā)射控制部分、測試控制部分、地面電源部分3大塊；后端作為控制部分、判讀功能部分的載體，以控制終端、判讀終端、數(shù)據(jù)庫、智能診斷專家系統(tǒng)等構(gòu)成組合。快速發(fā)射運載火箭測試系統(tǒng)的發(fā)控部分要充分簡化發(fā)控邏輯的功能，可以使用成熟的PLC可編程邏輯控制器技術(shù)，前端利用PLC的開關(guān)量輸

17、入/輸出模塊實現(xiàn)發(fā)控邏輯指令的發(fā)出和執(zhí)行結(jié)果檢測，利用PLC的A/D采樣模塊來實現(xiàn)地面電源重要參數(shù)（電壓、電流等）的循環(huán)檢測。后端PLC可通過以太網(wǎng)接收主控計算機的發(fā)控流程指令，把指令傳送給前端的PLC。隨著對可靠性要求增加，今后發(fā)控的PLC將逐步引入具有冗余功能模塊，確保發(fā)控邏輯具有高度的可靠安全性能。采用PWM結(jié)合IGBT技術(shù)的數(shù)字化中頻逆變電源，在滿足中頻電源各項性能指標的同時，還能夠減小設(shè)備體積、簡化設(shè)備控制、降低設(shè)備噪音、提高設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率，來滿足系統(tǒng)需要。2.5 應(yīng)用測試數(shù)據(jù)一體化快速分析及智能專家故障診斷技術(shù)運載火箭在測試過程中，會產(chǎn)生大量的測試數(shù)據(jù)，通過對測試數(shù)據(jù)的判讀，來判別

18、火箭的工作狀態(tài)是否正常。傳統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)判讀大都基于人工進行，效率低，容易出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的漏判甚至誤判，造成質(zhì)量隱患發(fā)生而不能被及時發(fā)現(xiàn)錯誤。計算機自動判讀可以排除人工判讀帶來的弱點與可能錯誤：計算機的運算速度快，遠超過人工，并且軟件的計算邏輯嚴謹，按照固定的判讀算法，數(shù)據(jù)的分析結(jié)果必然一致。自動判讀能夠有效避免人為帶來的差錯，做到正確性高、效率高、時間短。在自動判讀基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進一步利用，引入智能專家故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)具實施的方法：明確故障類型的判別根據(jù)故障的定位對故障類型進行判別，最后可以把故障類型精確定位為：元器件失效、輸入條件變化、外界環(huán)境變化等類型。明確故障影響區(qū)域的分析根據(jù)故障類別，系

19、統(tǒng)給出影響區(qū)域。對影響區(qū)域的故障進行分析，可以給出此故障是否影響火箭安全飛行的建議。確定處理故障干預(yù)的方法故障干預(yù)的方法可以主動中止主機測試流程，可以進行故障模式的測試。故障模式測試包括對故障點的檢測、故障的復(fù)現(xiàn)測試、故障單元隔離測試等。確定故障解決的方案在定位到故障源之后，由故障診斷計算機給出故障類型的ID，傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫給出解決方案，并且自動形成報告。具體實施情況如下：形成故障診斷系統(tǒng)的標準和規(guī)范。建立故障診斷系統(tǒng)自主管理原理樣機（專家系統(tǒng)服務(wù)器和故障診斷計算機）。確定故障診斷算法，編制故障診斷軟件和數(shù)據(jù)庫軟件。在實際測試中，出現(xiàn)故障時可以準確定位到故障單機。由故障診斷計算機給出故障

20、類型的ID，傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)服務(wù)器。由專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫給出解決方案，并且自動形成故障分析報告，故障解決報告。并且將結(jié)果顯示在后端終端上。具體系統(tǒng)見圖6。圖6故障診斷系統(tǒng)框圖具體流程示意見圖7。圖7故障診斷系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)庫、知識庫、人機接口和推理機等。知識庫是專家領(lǐng)域知識的集合，存放的知識可以是系統(tǒng)的工資環(huán)境，系統(tǒng)知識（反映系統(tǒng)的工作機理及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)知識）；設(shè)備故障特征值，故障診斷算法（模糊算法、信息融合算法），推理規(guī)則等，反映系統(tǒng)的因果關(guān)系，用來進行故障推理。人機接口是操作人員與故障診斷系統(tǒng)進行信息交互的橋梁和窗口，是人機信息的交接點。推理機是故障診斷系統(tǒng)的組織控制機構(gòu)，根據(jù)獲取的信息綜

21、合運用各種規(guī)則，進行故障診斷，輸出診斷結(jié)果。該系統(tǒng)使用到以下關(guān)鍵技術(shù)：故障類型識別技術(shù)通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法的研究，可以將已有數(shù)據(jù)和已知故障模式作為樣本，通過學(xué)習(xí)得出數(shù)據(jù)量與故障模式間的映射關(guān)系，實現(xiàn)對人類經(jīng)驗思維的模擬。得出故障類型精確定位為：元器件失效、輸入條件變化、外界環(huán)境變化等類型。故障影響域分析技術(shù)根據(jù)故障類別，系統(tǒng)給出影響區(qū)域。對影響區(qū)域的故障進行分析，給出此故障是否影響火箭安全飛行的建議。故障干預(yù)方法形成和智能解決技術(shù)在系統(tǒng)給出影響飛行安全的報警時，故障干預(yù)可以主動中止主機的測試流程，進行故障模式的測試。故障模式測試包括對故障點的檢測、故障的復(fù)現(xiàn)測試和故障單元隔離測試等。在故障源定位后，由故障診斷計算機給出故障類型的ID，傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)知識庫，自動給出解決方案，并形成解決方案報告。測試數(shù)據(jù)快速分析及智能專家故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)對全箭測試數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用、故障信息的實時監(jiān)測、診斷以及快速指揮決策，為運載火箭的快速測發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，提高了測試與發(fā)射的維護效率。2. 結(jié)論隨著測量與控制技術(shù)提高、新型控制模塊應(yīng)用及系統(tǒng)集成水平提高，運載火箭全箭系統(tǒng)集成度在不斷提高，使運