載人飛船自動化測試平臺的設計與應用

李鴻飛 張福生

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人飛船自動化測試平臺的設計與應用

李鴻飛 張福生

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人飛船測試模式復雜、參數多，自動化測試一直難以全面應用。文章提出的自動化過程控制與分析平臺，以全周期測試過程為對象進行設計，采用子項目設計的方法將復雜的項目層層分解并進行組合復用，以解決載人飛船難以應用自動化測試的難題。自動化測試平臺具有指令自動發送過程控制、參數自動分析判讀、過程數據與管理信息自動收集等功能，是一個自頂而下的全周期測試平臺，可將測試工作前移，在分系統聯試階段即開始程序設計、判據設計與驗證工作，將人的經驗固化，實現由主觀經驗到客觀知識的轉變。該平臺在神舟11號載人飛船綜合測試任務中首次進行應用，覆蓋了任務期間地面測試階段的全部測試項目，測試效率綜合提升約30%。該平臺積累的知識庫和管理經驗可直接應用于后續載人飛船，并可應用于空間站等其他載人航天器。

載人飛船；自動化測試；綜合測試；自動程序；自動分析判讀

1 引言

航天器在研制過程中自始至終離不開大量的試驗工作，需要進行測試，測試所得的定性或定量的數據是研究、改進設計及試驗分析的依據[1]，自動化測試是航天器測試技術的主要發展方向和趨勢[2]。自動化測試在我國衛星測試領域已經有了應用，提出了測試模型建立方法，低頻接口自動測試方法等[2-3]。由于載人飛船系統復雜，需要對各艙段的溫度、濕度、壓力等進行復雜控制，具有參數多、指令類型多、測試模式多樣等特點[4-5]，因此在載人飛船應用自動化測試具有較大難度。在自動化測試推進的過程中，文獻[6]中以參數判讀為突破口，開展了參數自動判讀的相關研究工作；文獻[7]中實現了供配電子系統的自動化控制；文獻[8]中對測試程序的自動化執行進行了軟件開發。從測試過程實施角度來看，以上研究成果具有離散型，屬于測試子系統或子過程的自動化設計，尚不能滿足載人飛船測試過程全周期自動控制需求。

本文在繼承以上研究成果的基礎上，設計并應用自動化測試平臺，以測試過程為對象進行功能整體設計，實現了測試過程的全周期自動控制與數據分析，并對已有的判讀方法和邏輯語言進行升級，使其具有指令自動發送過程控制、參數自動分析與判讀、結果自動生成、過程自動管理的功能。該平臺是一種基于信息庫的測試平臺，已在神舟11號飛船綜合測試過程中成功完成了分步式應用，通過閉環迭代積累了知識庫，用機器與程序解放人力，提高了測試效率及測試精細化程度和質量，減少測試對人員經驗依賴，特別為后續空間站建設期間密集的載人航天器任務奠定了基礎，可為新一代飛船測試方法的探索提供技術與經驗參考[9-10]。

2 自動化測試平臺設計

針對載人飛船測試項目復雜、模式多的特點，自動化測試平臺采用元素與集合概念，將復雜項目進行拆分，形成不可拆分的子項目，逐層分解，以解決載人飛船項目復雜度高的問題；再通子項目的組合復用，覆蓋全周期的測試項目，解決載人飛船測試模式多、復用關系多的問題。

自動化測試平臺與主測試計算機、測試數據庫等設備通過以太網相連；通過網絡、前端設備實現對載人飛船的指令控制；通過前端設備、網絡接收載人飛船的實時數據；通過網絡向顯示終端發布判讀結果等過程數據。其外部接口如圖1所示。自動化測試平臺由程序設計、程序執行、數據判讀、數據查詢、資源管理5個功能模塊組成，具有參數可視化顯示、數據比對、特征提取等功能，同時可對圖像、話音抽象信息進行自動化判讀。通過建立“知識庫”對信息進行分類管理，包括“測試程序庫”、“基礎數據庫”、“判讀知識庫”、“結果數據庫”、“管理信息庫”，將綜合測試設計、執行、總結、過程管理相結合，減少了人工干預，是一個自頂而下的載人飛船全周期測試平臺。

圖1 自動化測試平臺外部接口Fig.1 Interface of automatic test platform

2.1測試子項目設計

采用“元素”與“集合”概念，程序設計中首先按測試需求、功能需求將大綱中要求的功能檢查項目拆分成若元素，定義為測試子項目。測試子項目可復用，是自頂而下的設計，覆蓋大綱要求的全部內容；測試子項目間的組合形成集合，構成一個測試項目；再由若干測試項目的集合構成每日測試乃至整個階段測試。圖2是神舟11號載人飛船結構機構分系統檢查、正常模式模飛測試的項目分解示例。

相對于常規測試，自動化測試工作重點集中在測試前設計環節，包括測試子項目設計、信息錄入、資源配置等，測試子項目設計是其中的要點。測試子項目按功能分為兩類：一類是按照非定時激勵方式對載人飛船靜態電性能進行測試的項目，即測試指令沒有固定時間順序，一般適用于分系統測試或接口匹配測試；另一類是按照固定時序對載人飛船實施激勵，考核其電性能的測試項目，其指令之間有固定的發送時間順序，一般適用于載人飛行模擬測試。非定時激勵測試子項目含指令、判據信息、指令間隔等主體信息，執行過程中可同時進行指令參數判讀；此外，還包括項目保障條件、狀態設置條件、狀態恢復說明、項目耗時、參數單位、注意事項等信息。定時激勵測試子項目不含參數判讀，區分數管程序指令、總控指令等指令類型。子程序設計完成后可由主測試計算機生成可執行的自動化程序。

圖2 測試項目與子項目結構關系Fig.2 Structure relationship between test items and sub-items

測試子項目設計完成后，可導出生成EXCEL文件，形成相應細則，如分系統檢查與匹配細則、電磁兼容性(EMC)測試細則。自動測試平臺中保存原始程序及判據信息，是固化的知識。

2.2自動化測試與可視化進度顯示

測試實施過程中，測試子項目或其組合生成的自動化程序可自動發送執行，不需要人工單獨發送指令控制。常規測試模式下，每條指令發送需要預令→回令→確認3個環節，平均耗時20 s；自動化測試模式下，測試子項目內指令根據判讀間隔自動執行，設定間隔一般為3 s。例如，對接機構功能檢查需要發送指令約210條，常規測試發送指令耗時約72 min，自動化測試發送指令耗時約10 min，可縮短約62 min，效率提升86%。

自動化測試執行進度的實時顯示通過可視化插件實現，即將插件與自動化程序的執行進度關聯，實時顯示測試項目的執行進度。其中：根據程序總時間的完成比例顯示動態測試進度，根據已發送指令數目比例顯示靜態測試進度。圖3為測試進度顯示結果示例。

圖3 測試進度實時顯示Fig.3 Real-time display of test progress

2.3主動式數據判讀分析

主動式數據判讀分析是指在指令發送后自動進行該條指令對應的相關參數判讀，由指令關聯參數。判讀中如參數異常，則程序暫停并進行提示；如判讀正常，則自動按照指令間隔設置發送后續指令。由于現有部分指令只能通過人工方式判讀正確性，如圖像通道的切換、地面設備響應結果，無法形成對應參數判據，因此仍未做到主動式數據判讀的100%全覆蓋。指令判據和判讀時間(指令執行間隔設置)是數據判讀的核心，屬于測試子項目設計內容，在以往載人飛船測試數據基礎上進行提煉總結，并根據實際測試進行迭代更新。指令判據支持復雜邏輯編寫，采用與或門邏輯實現。神舟11號載人飛船單條指令最多同時判讀了36個條件，相比人工判讀更為精細化，實現關聯性智能判讀，將條件與判據相關聯，將多人判讀轉變為無人判讀，從而代替了常規測試中人工申請指令與發送指令的環節(該環節每條指令耗時約10 s)。

2.4被動式數據判讀分析

被動式數據判讀分析是指在測試過程中一直在后臺運行的實時全參數判讀，對應參數表規定的參數變化范圍，不由指令等事件發起，只要參數越限即進行報警提示。與主動式數據判讀相對，參數異常報錯不干預測試程序，僅記錄報錯情況，由人工對報錯進行過濾等處理。被動式數據判讀功能繼承了文獻[7]中自動判讀軟件的研發結果，并在其基礎上進行了功能提升：對判讀機制和語法結果進行調整，可支持模飛、救生等復雜工況；判據完善的流程支持電子審簽，可縮短鏈條，使管理高效；實現了話音、圖像自動判讀。

2.5信息管理

自動化測試平臺對測試過程中各項數據庫的信息進行管理，包括：指令、參數、系數等基礎信息，測試子項目及可執行程序，判讀知識庫，測試設備信息，人員信息等。其中：指令、參數、系數通過自動化測試軟件與基礎數據庫關聯，基礎數據庫變更后，自動化測試軟件中的相應信息進行自動關聯更新；測試子項目與可執行程序、判讀知識庫，通過樹狀分解結構存儲，按階段、項目、分系統多級分類，在自動化測試軟件中通過數據庫表結構實現，支持多地編制、審批上傳；測試設備信息、人員信息通過狀態管理系統存儲，能實現表單電子審批、地面設備到期標檢的自動提醒等功能。

3 應用成果

3.1應用優勢

自動化測試平臺在神舟11號載人飛船測試中進行了應用，相對于以往載人飛船的常規測試，自動化測試更加客觀，具體表現為以下幾方面。

(1)細則自動化生成。從模塊化程序中調用、組合直接生成細則，不再需要人工逐條逐項依據大綱編寫，較少重復性工作和出錯概率。

(2)參數、指令信息自動更新。以往輸入文件更改后，測試細則須進行同步更新完善，并對更改產生的影響域進行分析，自動化測試程序模塊可自動關聯參數指令信息、自動更新。

(3)指令自動發送。從以往單獨指令發送，變成整個測試項目指令的順序自動發送，減少測試過程中指令協同時間和引起的不確定性。

(4)“序列”自動生成。以往可執行程序需要根據細則二次制作生成，自動化測試程序可以從細則直接轉化到序列，不需要二次解釋，較少產生歧義。

3.2應用效果

神舟11號載人飛船測試共設計測試子項目520個，通過組合方式覆蓋了14個分系統的全部測試項目，包括北京地區飛船功能檢查、模擬飛行測試、大型試驗、大系統接口聯試及發射場測試。

在測試效率提升方面，自動化測試平臺的應用后，功能檢查效率提升明顯。根據實際測試項目用時統計，采用自動化測試平臺的神舟11號載人飛船，相對于神舟十號載人飛船相同項目用時縮短比率(即測試效率提升)，見圖4，平均提升44.5%。其中：乘員分系統因有人參與多、生理參數需要積累時間相對固定，其效率提升較低；GNC分系統涉及到的復雜姿態控制項目多，判據覆蓋率偏低，其效率提升不明顯；結構機構分系統因艙門檢漏的時間為固定值、電源分系統受地面電源反饋影響判據覆蓋率低、儀表分系統有人操作多、熱控多為溫度或轉速緩變量判讀，效率提升不足40%；其他分系統測試效率提升明顯，均超過40%，特別是具有立即響應特定的推進、回收、應急救生、數管。

圖4 測試效率提升結果Fig.4 Result of test efficiency improving

自動化測試應用后，模擬飛行測試、大型試驗及大系統接口匹配測試效率提升不明顯，其中：模擬飛行測試的測試時間為固定值，應用自動化測試平臺前后的測試時間基本相同；大型試驗及大系統接口匹配中，試驗和匹配流程相對固定，測試效率提升不明顯，應用前后基本一致。神舟11號載人飛船功能檢查在測試流程中約占70%，模擬飛行、大型試驗及大系統匹配約占30%，因此神舟11號應用自動化測試后測試效率綜合提升約30%。

主動式數據判讀在測試過程中進行動態迭代積累，由于首次應用，因此仍有部分判據沒有覆蓋。以各分系統為單位統計的判據覆蓋率如圖5所示，未覆蓋的主要原因為：①地面設備控制指令部分無參數反饋，此類指令重復性高，影響乘員、回收、電源、制導導航與控制(GNC)分系統的覆蓋率；②要利用下行參數進行計算生成二次參數作為判據的測試項目，主要影響了GNC分系統的覆蓋率；③圖像切換等無參數下行的測試項目，主要影響了測控分系統的覆蓋率。

圖5 判據覆蓋率統計結果Fig.5 Statistical result of diagnostic knowledge overage

4 結束語

自動化測試平臺通過自頂而下、層層分解的子項目設計方法，解決了載人飛船項目復雜度高、模式多的問題；通過程序自動化執行提升了測試效率；通過主動式數據判讀和被動式數據判讀的分析方法，保障了參數的全覆蓋和數據分析質量；將測試過程信息進行電子化管理，結果可追溯，將人的經驗固化，減少了人員在操作、判讀、復查、總結各環節的工作量。

自動化測試平臺的程序化設計和管理方法具有良好的推廣性，可在貨運飛船、空間站中應用。在神舟11號載人飛船測試中積累的程序庫、判據庫資源，可在后續載人飛船測試中直接應用，其他載人航天器也可借鑒使用。后續，主要是對自動測試平臺信息庫的升級，重點開展對人工參與項目的抽象判據量化，增加地面設備參數反饋設計和復雜邏輯計算功能，從而提高主動式判據判讀的覆蓋率，進一步提高載人航天器的自動化測試水平。

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Design and Application of Automatic Test Platform for Manned Spaceship

LI Hongfei ZHANG Fusheng

(Institute of Manned Space System Engineering， China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China)

Whole-process automatic test is difficult to be realized because of the multi-parameters, complex test modes fetors of manned spaceship. An automatic test platform is designed considering the whole test process, in which test sub-item design is carried out to resolve the complex test project into non-decomposable elements and then regroup them again for different test projects. The application of this platform solves the problem above, and can cover all the test projects demands in the whole test life time of manned spaceship. The platform is a up to bottom designed whole process platform, which has the functions of control command auto-run process control, parameter automatic interpretation analysis, process data auto-collect and so on. Test design of getting automatic test procedure, automatic diagnostic knowledge has been done on earlier step in the manned spaceship production period, and human experience has been solidified, subjective experience has been turned into objective knowledge as well. The platform has been used in the integration test of SZ-11 manned spaceship for the first time, and covers all the test projects in the whole ground test mission above 30% efficiency improved. The platform acquires the knowledge and management experience which can directly apply the subsequent manned spaceships， and can be also extended to other manned spacecraft such as space station and so on.

manned spaceship； automatic test； integration test； automatic procedure； automatic interpretation analysis

2017-05-23；

2017-07-06

國家重大科技專項工程

李鴻飛，男，碩士，高級工程師，研究方向為航天器綜合測試設計。Email：afeifei_cn@sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.018

(編輯：夏光)