自動判讀系統在載人航天器電測中的應用

吳 偉，張 威，潘順良，李鴻飛，楊 碩

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器電測是指對器上設備的電氣功能和性能指標的測試[1]。為了驗證載人航天器的各項性能和功能是否滿足設計要求，并考核載人航天器上硬件設備和軟件程序的可靠性，在其發射之前需要進行長時間的電測。載人航天器結構復雜、分系統多，在每次測試過程中都會產生大量的測試數據。人工判讀這些數據的正確性將耗費大量的人力，因此在載人航天器的電測過程中引入了自動判讀系統。

自動判讀系統利用現有的計算機技術，實時監視和分析載人航天器的遙測數據，并依據已經錄入計算機的知識和規則，自動地進行數據的判讀。這不僅極大地減輕了測試人員的判讀負擔，也提高了數據判讀的準確性，提升了發現載人航天器潛在故障的能力。

目前自動判讀系統已經全面應用于載人航天器各個型號的電測過程中，發現了一些靠人工判讀難以發現的錯誤，發揮了很大的作用。本文介紹目前在載人航天器電測過程中使用的自動判讀系統，并對采用的方案和取得的效果進行討論。

1 自動判讀系統方案

載人航天器電測中采用的自動判讀系統是專家系統的一種應用。專家系統是人工智能領域的研究熱點[2-3]，在世界范圍內都得到了廣泛的應用，是人工智能從理論研究走向實際應用的成功案例。自1984年美國航空航天局開始大規模引入人工智能技術開始，世界各地的航天機構都陸續開始在航天器研制的各個階段進行專家系統的開發和應用，并收到了很好的效果[4-8]。

基本的專家系統由知識庫和推理機構成，其一般實現中還包含有知識獲取模塊和結論顯示模塊[9]。與此類似，目前載人航天器電測中采用的自動判讀系統的構成包括：判讀數據庫，判讀推理機，結論存儲引擎，知識管理客戶端和結論顯示客戶端，其系統設計如圖1所示。

圖1 自動判讀系統結構示意圖Fig.1 Structure of the automatic diagnostic system

自動判讀系統各組成部分的功能如下。

1）判讀數據庫：存放判讀所需要的知識（由判讀規則組成）、判讀推理機得出的判讀結論以及所測試載人航天器的基本信息（如指令和參數信息等）。在工作過程中，判讀數據庫為判讀推理機提供判讀知識和其他基本信息，接收結論存儲引擎發送來的判讀結論并加以存儲，為各個結論顯示客戶端提供歷史判讀結論的查詢服務，并能夠存儲結論顯示客戶端對歷史判讀結論的分析信息。此外，判讀數據庫為知識管理客戶端提供判讀知識，并接收知識管理客戶端對判讀知識的修改、添加與刪除。

2）判讀推理機：負責從判讀數據庫獲得判讀知識并加以解析，處理網絡發送來的參數代號和工程值以及指令發送信息，得出判讀的結論，將判讀結論發送給結論存儲引擎，并通過測試局域網廣播給各個結論顯示客戶端。

3）結論存儲引擎：負責處理判讀推理機發出的判讀結論，并將處理后的結論存入判讀數據庫。判讀推理機發出的判讀結論數據量巨大，但是實際應用中測試人員需要注意的僅是判讀出錯以及判讀由錯變對的相關信息。結論存儲引擎就負責從判讀推理機發出的大量判讀結論中提取出這兩部分信息，并按照數據庫需要的格式存入判讀數據庫。

4）知識管理客戶端：提供人機交互界面，從判讀數據庫中獲取判讀知識并將其顯示給用戶，同時為用戶提供修改判讀知識的接口。知識管理客戶端的主要功能包括判讀規則編輯、規則檢查、規則查詢、規則的批量導入導出等，能支持用戶對判讀知識進行便捷的修改、添加和刪除。

5）結論顯示客戶端：提供人機交互界面，主要包括實時判讀結論顯示和歷史判讀結論查詢功能。實時判讀結論顯示功能是指實時將判讀推理機得出的判讀結論顯示在界面上，并提供出錯時的報警，提醒測試人員對當前出現的錯誤進行處理；歷史判讀結論查詢功能是指測試人員可以方便地查看某一段時間內的歷史判讀結論，并能夠為這些歷史判讀結論填寫分析信息。

對于專家系統而言，知識庫與推理機是其主要組成部分[10]，也是設計的重點和難點。在載人航天器所使用的這套自動判讀系統中，判讀知識和判讀推理機的設計是系統設計的核心。

2 判讀知識的表達與組織

此自動判讀系統中，判讀知識采用了航天器測試常用的“條件+期望值”表達法，用產生式規則的形式表示判讀知識，并采取正向推理的策略運用判讀知識。一個參數或者指令的判讀知識一般由若干條判讀規則組成，每條判讀規則由規則關鍵字、前件及后件等部分組成，其形式為“If前件 Then后件;”。其中，“If”和“Then”為規則關鍵字，前件表示判讀的條件，后件給出了判讀的結論，每條判讀規則以“;”符號結尾。在一條判讀規則中，前件可以為空，表示此判據無須其他判決條件，但是后件必須存在。當前件為空時，“If”和“Then”規則關鍵字不用給出。

規則的前件為判據的條件部分，其既可以是一條單獨的布爾表達式（如“A001＞9”），也可以是幾個布爾表達式的邏輯組合。目前自動判讀系統的知識表達支持“與”邏輯（關鍵字為“&”）、“或”邏輯（關鍵字為“||”）和“非”邏輯（關鍵字為“！”），而布爾表達式則支持＜，＜=，＞，＞=，==，!=等常用的關系運算符和加減乘除等常用的數學運算符。

規則的后件為判據的結論部分，目前自動判讀系統中后件主要有以下4種表達方式：

1）期望范圍表示。如“IfA001＞9 ThenEL=0,EU=4;”，其中“EL”和“EU”分別為表示期望下限和期望上限的關鍵字。此表達式表示當參數A001的值大于9時，如果所判參數的取值在0～4之間則為正確，否則為錯誤。

2）期望值與誤差范圍。如“IfB001＞9 ThenB002.EV=12,ERR=1;”，其中“EV”和“ERR”分別為表示參數值和誤差范圍的關鍵字。此表達式表示當參數B001的值大于9時，若參數B002的取值范圍在12±1內時為正確，否則為錯誤。

3）期望規律表示。如“IfC001＞9 ThenRET=incp(1,0,50)”，其中“RET”和“incp”分別為表示規則返回值和遞增函數的關鍵字。此表達式表示當參數C001的值大于9時，參數值若以步長1在0～50的范圍內周期性遞增變化，則為正確，否則為錯誤。期望規律一般由函數表述，如此例中所述的“incp”函數。

4）直接返回判斷結論。如“IfD001＞9 ThenRET=1”，則表示當參數D001的值大于9時，結論正確。在直接返回判斷結論時，需要注意結論返回的完備性，同時要考慮到何時返回錯誤、何時返回正確，因此使用直接返回判斷結論方式表示判讀知識時，往往由幾條判斷規則共同組成。

由以上4種后件表達方式可以看出，前2種的后件中是一個期望表達式，而后2種的后件則直接給出了結論的返回值。實際上所有用期望表達式表達的后件都可以轉化為直接給出結論的方式，但是使用期望表達式往往更為簡潔。

目前，自動判讀系統的判讀知識表達除了支持常用的數學運算符、關系運算符和邏輯運算符以外，還支持遞增、遞減、差值、按位取值、正弦、余弦、正切等常用的函數和表達，使得載人航天器專家的知識可以順利地轉化為判讀知識，實現了較好的知識覆蓋。

3 判讀推理機的設計

判讀推理機是整個自動判讀系統的核心，其推理能力直接影響到自動判讀的有效性與實時性。目前，載人航天器電測所采用的自動判讀推理機的工作流程如圖2所示。

圖2 判讀推理機工作流程示意圖Fig.2 The flow chart of the diagnostic inference engine

由圖2可知，判讀推理機啟動后首先從判讀數據庫中加載并解析判讀知識，得出判讀所需的規則，并讀入所測航天器的參數和指令的相關信息，接著進入等待接收數據狀態。若接收到了網絡發送來的測試數據，首先判斷數據是遙測參數、設備數據還是遙控指令信息，并分別更新參數列表、執行指令作用效果，接著匹配規則并執行參數判讀、指令判讀、指令監視和事件判讀（參數判讀、指令判讀、指令監視和事件判讀的詳細含義將在4.1節給出）。得出判讀結論后，判讀推理機將判讀結論發送給結論存儲引擎，并以廣播的方式發送到測試局域網供結論顯示客戶端使用。

自動判讀系統所采用的判讀推理機充分考慮了載人航天器測試的特點，用遙測參數、遙控指令等信息驅動判讀規則匹配，得到了較好的效果，判讀結論的準確性高、實時性好。

4 已實現的功能和取得的成效

4.1 自動判讀系統已經實現的功能

根據載人航天器電測的特點，自動判讀系統除了實現對航天器參數的判讀外，還實現了指令判讀、事件判讀和指令監視等功能。

1）參數判讀

參數判讀主要監視載人航天器在電測過程中遙測下傳的各種參數，如溫度值、氣壓值、電壓值等。由于指令的發送、飛行模式的改變等都會對航天器上的參數產生影響，所以需要將這些影響因素寫入規則表達式的前件；此外，有時雖然指令已經發送，但是對于某些參數的影響需要延遲一段時間才會顯現出來，因此判讀知識中還包含有與指令相關的延遲判讀信息。

2）指令判讀

指令判讀主要監視指令發送后其執行效果是否正常。當一條指令被發送后，一般會導致相關參數的變化，指令判讀就是通過監視這些參數，來判讀指令是否被成功執行。

3）事件判讀

模擬飛行試驗是航天器測試中不可缺少的一部分。在模擬飛行試驗中，指令是按照預先設定的時間順序自動發送的。事件判讀的目的是監視模擬飛行試驗中指令的發送和執行情況。它以指令判讀的知識為基礎，并根據模擬飛行試驗已經設定好的指令發送時間來監視指令的作用效果，以判讀出指令發送的時間是否準確、執行是否正常。

4）指令監視

指令判讀是在已知指令發送的情況下判讀指令的作用效果是否正常。而指令監視與指令判讀不同，是指在不知道指令發送的情況下，通過航天器上遙測下傳的各種參數值來判斷這些參數的值是否和某條指令發送后導致的執行效果一致，從而逆向推導出可能的指令發送。指令監視是通過遍歷所有指令的執行效果來實現的，其目的在于監視航天器上指令的發送情況，及時發現和消除設備故障及誤操作。

4.2 自動判讀系統所取得的成效

目前，參數判讀、指令判讀、事件判讀和指令監視等功能都已經在載人航天器的日常應用中發揮了重要作用，雖然還未完全取代人工判讀，但是已經為測試人員提供了另一種方便可靠的判讀依據。在已經開展的載人航天器各型號的測試中，自動判讀系統發現了人工判讀難以發現的參數跳變等問題，提升了載人航天器測試的有效性。

此外，目前自動判讀系統中的判讀知識組織清晰、繼承性好，采用數據庫技術后轉移和沿用十分方便，同系列載人航天器判讀知識的沿用比例接近 100%，極大地節省了人力物力。隨著系列型號電測的不斷進行，自動判讀知識得以不斷改進和積累，知識的準確性和覆蓋率得到穩步提升。

5 結束語

經過多年的發展，自動判讀系統已經彌補了人工判讀的很多不足，取得了良好的效果。自動判讀系統的參數判讀、指令判讀、事件判讀和指令監視等功能方便實用，為載人航天器的測試提供了有效的支撐手段。隨著判讀功能和判讀知識的不斷完善，自動判讀系統將在未來的載人航天器測試中發揮更加重要的作用。

（References）

[1]王慶成.航天器電測技術[M].北京： 中國科學技術出版社, 2007： 20

[2]吳鶴齡.專家系統工具 CLIPS 及其應用[M].北京理工大學出版社, 1991： 1

[3]Liao S H.Expert system methodologies and applications—a decade review from 1995 to 2004[J].Expert Systems with Applications, 2005, 28(1)： 93-103

[4]Finke K, Jarke M, Soltysiak R.Testing expert systems in process control[J].IEEE Trans on Knowledge and Data Engineering, 1989： 11-15

[5]Johnson L, Keravnou E T.Expert systems architectures[M].London： Kogan Page Ltd., 1988： 12-13

[6]張純良, 張振鵬, 楊爾輔, 等.空間推進系統故障診斷專家系統研究[J].航空動力學報, 2004, 19(5)： 718-723

Zhang Chunliang, Zhang Zhenpeng, Yang Erfu, et al.Research on fault diagnosis expert system of space propulsion system[J].Journal of Aerospace Power,2004, 19(5)： 718-723

[7]Sell P S.Expert systems—a practical introduction[M].New York： Macmillan, 1985： 11-15

[8]Rolston D W.Principles of artificial intelligence and expert systems development[M].New York： McGraw-Hall, 1988： 22-23

[9]劉鋒, 夏春先, 黃振和.基于人工神經網絡的故障診斷專家系統[J].國外電子測量技術, 2004(4)： 34-37

Liu Feng, Xia Chunxian, Huang Zhenhe.Fault diagnosis expert system based on the artificial neural network[J].Foreign Electronic Measurement Technology,2004(4)： 34-37

[10]張煜東, 吳樂南, 王水花.專家系統發展綜述[J].計算機工程與應用, 2010, 46(19)： 43-47

Zhang Yudong, Wu Le’nan, Wang Shuihua.Survey on development of expert system[J].Computer Engineering and Applications, 2010, 46(19)： 43-47