自動判讀系統(tǒng)在載人航天器電測中的應(yīng)用

吳 偉，張 威，潘順良，李鴻飛，楊 碩

（中國空間技術(shù)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(shè)備的電氣功能和性能指標(biāo)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(shè)計要求，并考核載人航天器上硬件設(shè)備和軟件程序的可靠性，在其發(fā)射之前需要進(jìn)行長時間的電測。載人航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分系統(tǒng)多，在每次測試過程中都會產(chǎn)生大量的測試數(shù)據(jù)。人工判讀這些數(shù)據(jù)的正確性將耗費(fèi)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(tǒng)。

自動判讀系統(tǒng)利用現(xiàn)有的計算機(jī)技術(shù)，實時監(jiān)視和分析載人航天器的遙測數(shù)據(jù)，并依據(jù)已經(jīng)錄入計算機(jī)的知識和規(guī)則，自動地進(jìn)行數(shù)據(jù)的判讀。這不僅極大地減輕了測試人員的判讀負(fù)擔(dān)，也提高了數(shù)據(jù)判讀的準(zhǔn)確性，提升了發(fā)現(xiàn)載人航天器潛在故障的能力。

目前自動判讀系統(tǒng)已經(jīng)全面應(yīng)用于載人航天器各個型號的電測過程中，發(fā)現(xiàn)了一些靠人工判讀難以發(fā)現(xiàn)的錯誤，發(fā)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(tǒng)，并對采用的方案和取得的效果進(jìn)行討論。

1 自動判讀系統(tǒng)方案

載人航天器電測中采用的自動判讀系統(tǒng)是專家系統(tǒng)的一種應(yīng)用。專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]，在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用，是人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的成功案例。自1984年美國航空航天局開始大規(guī)模引入人工智能技術(shù)開始，世界各地的航天機(jī)構(gòu)都陸續(xù)開始在航天器研制的各個階段進(jìn)行專家系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，并收到了很好的效果[4-8]。

基本的專家系統(tǒng)由知識庫和推理機(jī)構(gòu)成，其一般實現(xiàn)中還包含有知識獲取模塊和結(jié)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(tǒng)的構(gòu)成包括：判讀數(shù)據(jù)庫，判讀推理機(jī)，結(jié)論存儲引擎，知識管理客戶端和結(jié)論顯示客戶端，其系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 自動判讀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the automatic diagnostic system

自動判讀系統(tǒng)各組成部分的功能如下。

1）判讀數(shù)據(jù)庫：存放判讀所需要的知識（由判讀規(guī)則組成）、判讀推理機(jī)得出的判讀結(jié)論以及所測試載人航天器的基本信息（如指令和參數(shù)信息等）。在工作過程中，判讀數(shù)據(jù)庫為判讀推理機(jī)提供判讀知識和其他基本信息，接收結(jié)論存儲引擎發(fā)送來的判讀結(jié)論并加以存儲，為各個結(jié)論顯示客戶端提供歷史判讀結(jié)論的查詢服務(wù)，并能夠存儲結(jié)論顯示客戶端對歷史判讀結(jié)論的分析信息。此外，判讀數(shù)據(jù)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(jī)：負(fù)責(zé)從判讀數(shù)據(jù)庫獲得判讀知識并加以解析，處理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的參數(shù)代號和工程值以及指令發(fā)送信息，得出判讀的結(jié)論，將判讀結(jié)論發(fā)送給結(jié)論存儲引擎，并通過測試局域網(wǎng)廣播給各個結(jié)論顯示客戶端。

3）結(jié)論存儲引擎：負(fù)責(zé)處理判讀推理機(jī)發(fā)出的判讀結(jié)論，并將處理后的結(jié)論存入判讀數(shù)據(jù)庫。判讀推理機(jī)發(fā)出的判讀結(jié)論數(shù)據(jù)量巨大，但是實際應(yīng)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(guān)信息。結(jié)論存儲引擎就負(fù)責(zé)從判讀推理機(jī)發(fā)出的大量判讀結(jié)論中提取出這兩部分信息，并按照數(shù)據(jù)庫需要的格式存入判讀數(shù)據(jù)庫。

4）知識管理客戶端：提供人機(jī)交互界面，從判讀數(shù)據(jù)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(guī)則編輯、規(guī)則檢查、規(guī)則查詢、規(guī)則的批量導(dǎo)入導(dǎo)出等，能支持用戶對判讀知識進(jìn)行便捷的修改、添加和刪除。

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

對于專家系統(tǒng)而言，知識庫與推理機(jī)是其主要組成部分[10]，也是設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在載人航天器所使用的這套自動判讀系統(tǒng)中，判讀知識和判讀推理機(jī)的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心。

2 判讀知識的表達(dá)與組織

此自動判讀系統(tǒng)中，判讀知識采用了航天器測試常用的“條件+期望值”表達(dá)法，用產(chǎn)生式規(guī)則的形式表示判讀知識，并采取正向推理的策略運(yùn)用判讀知識。一個參數(shù)或者指令的判讀知識一般由若干條判讀規(guī)則組成，每條判讀規(guī)則由規(guī)則關(guān)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(guī)則關(guān)鍵字，前件表示判讀的條件，后件給出了判讀的結(jié)論，每條判讀規(guī)則以“;”符號結(jié)尾。在一條判讀規(guī)則中，前件可以為空，表示此判據(jù)無須其他判決條件，但是后件必須存在。當(dāng)前件為空時，“If”和“Then”規(guī)則關(guān)鍵字不用給出。

規(guī)則的前件為判據(jù)的條件部分，其既可以是一條單獨(dú)的布爾表達(dá)式（如“A001＞9”），也可以是幾個布爾表達(dá)式的邏輯組合。目前自動判讀系統(tǒng)的知識表達(dá)支持“與”邏輯（關(guān)鍵字為“&”）、“或”邏輯（關(guān)鍵字為“||”）和“非”邏輯（關(guān)鍵字為“！”），而布爾表達(dá)式則支持＜，＜=，＞，＞=，==，!=等常用的關(guān)系運(yùn)算符和加減乘除等常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算符。

規(guī)則的后件為判據(jù)的結(jié)論部分，目前自動判讀系統(tǒng)中后件主要有以下4種表達(dá)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(guān)鍵字。此表達(dá)式表示當(dāng)參數(shù)A001的值大于9時，如果所判參數(shù)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(shù)值和誤差范圍的關(guān)鍵字。此表達(dá)式表示當(dāng)參數(shù)B001的值大于9時，若參數(shù)B002的取值范圍在12±1內(nèi)時為正確，否則為錯誤。

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

4）直接返回判斷結(jié)論。如“IfD001＞9 ThenRET=1”，則表示當(dāng)參數(shù)D001的值大于9時，結(jié)論正確。在直接返回判斷結(jié)論時，需要注意結(jié)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(jié)論方式表示判讀知識時，往往由幾條判斷規(guī)則共同組成。

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

目前，自動判讀系統(tǒng)的判讀知識表達(dá)除了支持常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符和邏輯運(yùn)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(shù)和表達(dá)，使得載人航天器專家的知識可以順利地轉(zhuǎn)化為判讀知識，實現(xiàn)了較好的知識覆蓋。

3 判讀推理機(jī)的設(shè)計

判讀推理機(jī)是整個自動判讀系統(tǒng)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(jī)的工作流程如圖2所示。

圖2 判讀推理機(jī)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(jī)啟動后首先從判讀數(shù)據(jù)庫中加載并解析判讀知識，得出判讀所需的規(guī)則，并讀入所測航天器的參數(shù)和指令的相關(guān)信息，接著進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。若接收到了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的測試數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)是遙測參數(shù)、設(shè)備數(shù)據(jù)還是遙控指令信息，并分別更新參數(shù)列表、執(zhí)行指令作用效果，接著匹配規(guī)則并執(zhí)行參數(shù)判讀、指令判讀、指令監(jiān)視和事件判讀（參數(shù)判讀、指令判讀、指令監(jiān)視和事件判讀的詳細(xì)含義將在4.1節(jié)給出）。得出判讀結(jié)論后，判讀推理機(jī)將判讀結(jié)論發(fā)送給結(jié)論存儲引擎，并以廣播的方式發(fā)送到測試局域網(wǎng)供結(jié)論顯示客戶端使用。

自動判讀系統(tǒng)所采用的判讀推理機(jī)充分考慮了載人航天器測試的特點(diǎn)，用遙測參數(shù)、遙控指令等信息驅(qū)動判讀規(guī)則匹配，得到了較好的效果，判讀結(jié)論的準(zhǔn)確性高、實時性好。

4 已實現(xiàn)的功能和取得的成效

4.1 自動判讀系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)的功能

根據(jù)載人航天器電測的特點(diǎn)，自動判讀系統(tǒng)除了實現(xiàn)對航天器參數(shù)的判讀外，還實現(xiàn)了指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)視等功能。

1）參數(shù)判讀

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

2）指令判讀

指令判讀主要監(jiān)視指令發(fā)送后其執(zhí)行效果是否正常。當(dāng)一條指令被發(fā)送后，一般會導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)的變化，指令判讀就是通過監(jiān)視這些參數(shù)，來判讀指令是否被成功執(zhí)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(yù)先設(shè)定的時間順序自動發(fā)送的。事件判讀的目的是監(jiān)視模擬飛行試驗中指令的發(fā)送和執(zhí)行情況。它以指令判讀的知識為基礎(chǔ)，并根據(jù)模擬飛行試驗已經(jīng)設(shè)定好的指令發(fā)送時間來監(jiān)視指令的作用效果，以判讀出指令發(fā)送的時間是否準(zhǔn)確、執(zhí)行是否正常。

4）指令監(jiān)視

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

4.2 自動判讀系統(tǒng)所取得的成效

目前，參數(shù)判讀、指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)視等功能都已經(jīng)在載人航天器的日常應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，雖然還未完全取代人工判讀，但是已經(jīng)為測試人員提供了另一種方便可靠的判讀依據(jù)。在已經(jīng)開展的載人航天器各型號的測試中，自動判讀系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了人工判讀難以發(fā)現(xiàn)的參數(shù)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(tǒng)中的判讀知識組織清晰、繼承性好，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)后轉(zhuǎn)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(jié)省了人力物力。隨著系列型號電測的不斷進(jìn)行，自動判讀知識得以不斷改進(jìn)和積累，知識的準(zhǔn)確性和覆蓋率得到穩(wěn)步提升。

5 結(jié)束語

經(jīng)過多年的發(fā)展，自動判讀系統(tǒng)已經(jīng)彌補(bǔ)了人工判讀的很多不足，取得了良好的效果。自動判讀系統(tǒng)的參數(shù)判讀、指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)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(tǒng)將在未來的載人航天器測試中發(fā)揮更加重要的作用。

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