空間站多艙測試數據綜合分析系統的設計與應用

許宗飛 李鴻飛 潘順良

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

空間站多艙測試數據綜合分析系統的設計與應用

許宗飛 李鴻飛 潘順良

(中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

為解決空間站地面多艙聯合測試數據集中分析問題，文章設計了綜合分析系統架構，包括利用數據抽取、轉換和加載(ETL)工具整合多艙數據庫組建數據倉庫；開發綜合分析軟件定制參數查詢頁面；檢索數據倉庫，實現多艙數據的比對分析；對分析結果進行本地存儲，輔助測試判讀人員自動生成分析報告。通過地面試驗，結果表明：綜合分析系統不僅能滿足多艙段航天器聯合測試數據集中分析的需要，同時，支持單艙測試數據的查詢、分析，具有一定的工程應用價值。

多艙聯合測試；綜合分析；數據倉庫

1 引言

我國載人航天發展進入“十三五”階段，空間站建設穩步推進。“互聯網+”及大數據搜索引擎技術的發展，促使在總結前期工作的基礎上優化數據分析策略，提高信息資源共享及利用率，通過技術手段提高數據分析的效率和可靠性?？臻g站建設過程需經歷地面多艙航天器聯合測試階段。航天器測試[1-3]數據分析依賴的信息種類較多，包括遙測數據信息、自動判讀結論信息、自動化測試執行信息、測試過程狀態管理信息等，判讀人員需要對多種數據庫信息進行聯合分析，才能明確給出航天器功能、性能測試狀況的結論。

空間站多艙聯合測試模式下，判讀人員不僅要對單艙測試狀況進行數據分析，還要對多艙組合體進行整體測試狀況分析。多艙測試模式下，需要對多型號的多種類數據庫信息進行比對分析，同時對多個艙聯合測試情況進行集中分析，原有的支持單艙查詢的客戶端軟件無法滿足多艙測試數據關聯分析需求，需要開發新的軟件對多艙各類數據進行集中關聯分析。

本文以多艙數據綜合分析系統為研究對象，闡述空間站多艙數據分析的需求，設計多艙數據綜合分析系統，基于數據倉庫研制綜合分析軟件[4]，對綜合分析系統進行驗證，結果表明：此系統為各類人員提供直接、全面的數據分析評價手段[5-6]，不僅滿足空間站多艙數據綜合分析需求，也支持單一航天器多維信息集中比對分析及測試報告的自動生成，可顯著提高綜合測試效率。

2 空間站多艙數據綜合分析需求

空間站多艙聯合測試，包括測試前準備、測試實施和測試總結。測試產生的數據量龐大，測試模式復雜，數據分析主要存在以下需求：

(1)多艙聯合測試，數據分析依賴的數據庫種類較多，包括遙測數據庫、自動判讀結論庫、自動化測試執行信息庫、測試過程狀態管理信息庫等，目前，各類數據庫查詢獨立，測試信息須手動來回切換不同客戶端軟件才能遍歷完全，并手動記錄每種數據庫關聯信息，無法用同一軟件對不同種類信息進行聯合分析，信息比對困難、效率低。所以，為實現多維度數據融合，滿足多種類數據關聯分析需求，需設計綜合分析系統，提高數據分析質量。

(2)多艙聯合測試或多型號并行測試時，各型號測試軟件相對獨立，不支持多艙數據跨平臺比對分析。需要開發統一軟件，對多型號測試數據進行關聯比對，以完成多艙聯合測試整體分析工作。

(3)多艙聯合測試時，面對多艙復雜的信息類型、大量測試參數，如果每次數據分析都要選擇信息類型、參數名稱，工作量大且效率低，相同查詢業務在不同測試階段的分析操作不便。因此，需要設計定制查詢策略，對不同分析業務進行分類定制、保存，不必每次都選擇時間、參數，從而提高不同階段數據比對分析的效率。

(4)多艙聯合測試，數據判讀分析、階段數據復查，需要拉曲線分析數據跳變、抓圖比對不同階段數據差異，形成測試報告。目前，現有軟件無法自動生成測試報告，而要靠人工查詢、抓圖、復制、粘貼，完成測試報告編制，耗時耗力。因此需要開發綜合分析軟件，實現分系統自動生成測試報告，提高測試報告編寫效率。

3 多艙聯合測試綜合分析系統總體設計

3.1綜合分析系統總體設計

為解決空間站多艙數據分析的需求，現給出多艙聯合測試綜合分析系統總體設計，如圖1所示。

圖1 多艙聯合測試綜合分析系統架構示意圖Fig.1 Overall design of comprehensive analysis system for multi-module joint test

由圖1可知，系統分為前置區、服務區和測試應用區，系統間通過局域網絡通信。前置區包括測控、地面供電、控制等前端設備和模擬器，服務區包括數據處理子系統、數據存儲子系統和數據倉庫，測試應用區為綜合分析軟件。

為解決多艙數據庫種類多、需要不同客戶端實現不同數據庫查詢這一問題，在服務區設置數據存儲子系統，組建數據倉庫[7-9]，將不同數據庫信息融合；為解決多型號數據不同平臺比對需求，在應用區開發綜合分析軟件實現對不同型號數據庫[10]的綁定，用同一軟件對不同型號數據進行比對；為解決大量參數每天重復選擇查詢條件問題，應用區綜合分析軟件增加參數定制查詢功能，根據分析業務進行參數定制，后續對相同業務分析不用重復選擇查詢條件；為解決測試報告編寫工作重復的問題，在應用區將綜合分析軟件與數據倉庫關聯，通過軟件內部處理實現測試報告自動生成。

3.2綜合分析軟件架構設計

實現綜合分析系統功能需要開發綜合分析軟件，綜合分析軟件整體架構如圖2所示。

圖2 綜合分析軟件整體架構設計示意圖Fig.2 Overall framework of comprehensive analysis platform

為了增加綜合分析軟件的靈活性和可擴展性，軟件整體架構設計上采取分層、分模塊思路，整個業務按照表現層、邏輯分析層、數據驅動操作層、數據倉庫層的4層架構去設計。另外，軟件提供用戶信息等外部接口，其它客戶端軟件可通過接口校驗后獲取本軟件中保存的信息，方便測試數據仿真、集成分析。軟件整體架構設計有利于軟件的開發、維護、部署和擴展。

圖2中，表現層主要通過圖表、曲線等形式展示綜合分析軟件整體界面，用戶通過表現層選擇數據查詢類型及查詢條件，；邏輯分析層是軟件架構的核心，主要負責業務規則的制定、業務流程的實現，包括數據關聯分析模塊、數據集中查詢模塊、生成文檔模塊等具體的功能實現模塊，經邏輯分析層可驗證查詢條件合法性并解析數據查詢命令；數據驅動操作層主要負責訪問數據倉庫，通過Oracle數據庫驅動和Thrift軟件框架實現對數據的讀取和傳遞，將查詢結果返回到邏輯分析層進行統計分析、比對計算等操作，邏輯分析層再將處理結果返回到表現層，以表格或者繪制曲線圖的方式呈現給用戶；數據倉庫層鏈接遙測數據庫、自動化測試庫、自動判讀結論庫、狀態管理信息庫，依托數據抽取、轉換和加載(ETL)工具定時從原有數據庫中抽取數據信息組建數據倉庫，為用戶提供數據分析的內容。另外，為規范引入數據倉庫的信息格式，各接入數據庫的表結構采用統一格式。

3.3綜合分析軟件數據交互設計

綜合分析軟件是分析系統的核心軟件，軟件的數據交互設計如圖3所示，圖3中各個數據交互點功能介紹如下：①從測試數據庫定時抽取測試數據到數據倉庫；②從自動化測試數據庫、自動判讀結論庫、狀態管理信息庫等庫中抽取所需數據到數據倉庫；③對應查詢功能模塊從數據倉庫中讀取相應數據；④將部分查詢結論信息保存到數據倉庫中；⑤將用戶定制查詢條件的查詢結果保存到緩存服務器中；⑥將用戶歷史查詢的查詢結果保存到緩存服務器中；⑦按照用戶定制的查詢模板，查詢相對應的數據；⑧按照用戶定制的查詢模板和查詢所得數據，自動生成相應的文檔；⑨將查詢結果數據進行統計分析、過濾篩選、邏輯判斷等操作；⑩負載均衡(多個查詢同時請求時的排序響應)組件對于多個用戶發送的大批量查詢請求進行排隊，給予響應；將數據處理成表格或者圖形，便于用戶查看；使用.Net插件繪制參數工程值曲線圖；用戶與軟件客戶端界面進行數據交互請求。

圖3 綜合分析軟件數據交互設計Fig.3 Data design of comprehensive analysis platform

3.4綜合分析系統功能及關鍵技術

多艙聯合測試綜合分析系統用于支持空間站地面組建測試，通過對每個艙測試數據挖掘分析，完成地面對空間站整體的測試功能、性能評估。綜合分析系統具體功能及關鍵技術如下。

1)多艙數據倉庫組建

為解決多艙各類數據庫異構問題，依托ETL工具，定時從原有數據庫中抽取相應數據組建數據倉庫，利用Oracle的.Net驅動在數據倉庫中按照分析內容進行相應的查詢，綜合分析系統具備對原有分散的多類數據庫進行有效數據抽取、融合，跨平臺開展數據集成，支持不同角色測試人員對航天器數據的分析。

2)多艙數據關聯分析

綜合分析系統支持多航天器測試數據關聯查詢，可實現多航天器信息后臺配置，在同一軟件上對不同航天器測試數據進行關聯比對，具體功能如下。

(1)關聯查詢分析功能：提供分析平臺，對數據庫進行需求信息關聯查詢，支持測試參數/指令、自動化測試信息、自動判讀結論、狀態管理信息等數據之間相互關聯查詢，提供信息融合界面，輔助進行數據分析。

(2)數據比對分析功能：提供統一界面，實現同源數據比對分析、同一參數不同測試階段比對分析、同類參數同一時間段比對分析、相關參數比對分析。用戶可以通過引用原始數據或經過預處理的數據進行比較，引用方式可以為數據名稱或數據編號；數據比對分析時，用戶可以通過預處理實現數據初步分析，為后續分析創建輸入條件，預處理可以實現數據過濾。

(3)綜合統計分析功能：實現參數跳變信息、開關/繼電器加電次數、電池剩余電量、設備加斷電時間、測試指令發送情況等統計?？蓪祿M行作圖處理，支持多數據圖形疊加顯示或單獨顯示(曲線圖、柱狀圖)；支持時間為橫坐標，參數值為縱坐標進行圖像顯示；支持某條數據為橫坐標，另外一條或多條數據為縱坐標進行圖像顯示。

3)多維數據庫集中定制查詢

綜合分析系統支持在一個集成查詢平臺上，根據數據分析業務需要，通過定制查詢策略實現多維數據信息集中查詢、顯示。

(1)數據定制查詢功能：提供定制頁面配置方式，通過判讀人員預先配置的多個選項進行快速查詢，定制查詢內容具備配置保存功能，用戶下次查詢操作不用重復配置。

(2)測試數據庫查詢：對存儲在數據庫中的測試數據進行定制查詢，按用戶的需求提供數據曲線、列表等分析模版，支持各階段數據查詢。

(3)狀態管理信息查詢：實現測試過程狀態控制情況定制查詢，支持流程審批單、歸檔文件查詢，支持查詢各類綜合測試狀態信息。

(4)自動判讀結論查詢：按照特定顯示格式對參數/指令報錯的信息、參數/指令由錯誤到正確的信息、參數報錯時的輔助定位信息進行定制查詢，輔助用戶進行數據報錯分析和比對。

(5)自動化測試信息查詢：為用戶提供操作顯示頁面，查詢顯示測試子項目內容、測試項目內容、測試項目執行結果，同時對測試子項目完成覆蓋率或測試項目完成情況進行查詢統計。

4)測試報告自動生成

綜合分析系統支持添加測試報告文檔模板，將綜合分析軟件與文檔模板關聯，實現測試報告自動生成功能。

(1)模板編輯：綜合分析軟件提供模板編輯工具，根據不同崗位判讀人員分析報告編寫內容，通過下拉選擇、項目勾選、表格編輯等形式生成崗位測試報告文檔模板；

(2)模板關聯：根據各崗位報告模板名稱，支持判讀人員通過綜合分析軟件與報告模板建立關聯，將報告模板加入綜合分析軟件；

(3)報告自動生成：支持將判讀人員查詢、比對的顯示結果自動加入報告文檔，并支持定制查詢內容自動加入報告文檔，實現測試報告自動生成功能。

4 綜合分析系統應用

綜合分析系統采取地面試驗驗證方式，驗證過程如下：①在航天器電性能測試系統中部署使用綜合分析軟件，采用定時索引策略抽取多航天器測試數據庫中信息，組建數據倉庫；②利用綜合分析軟件定制參數查詢頁面，生成查詢配置條件，并將定制的查詢條件保存；③判讀人員通過預先定制的查詢頁面，檢索數據倉庫，獲取數據內容，集中展示查詢與比對分析結果；④對查詢與比對分析結果進行本地存儲，并自動生成測試分析報告。

綜合分析系統應用主要依賴綜合分析軟件實現多型號數據比對、自動生成測試報告等功能，同時，支持對載人飛船、貨運飛船等單一航天器各類測試數據查詢分析，具體軟件應用界面如圖4所示。綜合分析系統支持對測試數據庫、自動判讀結論庫、自動化測試庫等進行集中綁定，在一個軟件上實現參數、自動判讀結論、自動化測試等信息集中顯示，減少不同數據庫客戶端軟件的操作，節約比對時間；綜合分析系統支持不同型號信息底層配置，跨平臺實現多個型號測試數據庫比對查詢，避免對不同型號分別配置客戶端軟件實現數據查詢、比對，通過對2個型號1天20個參數跨庫查詢，綜合分析軟件響應時間比分別打開兩個查詢客戶端節省了約30 s；綜合分析軟件支持加載測試報告模板，將定制查詢結果自動插入測試報告，減少人工查詢、抓圖、復制、粘貼等80%的操作步驟，實現自動生成測試報告。綜上，綜合分析系統顯著提高了測試數據分析的質量和效率。

圖4 綜合分析軟件界面示意圖Fig.4 Sketch map of comprehensive analysis platform

5 結束語

本文提出一種支持空間站多艙地面聯合測試的綜合分析系統設計，在總結多艙數據分析需求的基礎上，給出了綜合分析系統總體設計思路，并結合數據倉庫技術開發了綜合分析軟件，設計了軟件整體架構。此外還對綜合分析系統功能和應用進行了說明。通過地面試驗，結果表明：綜合分析系統支持多艙數據關聯分析，也支持一個型號多種類數據庫集中分析，為型號測試數據分析提供了優化集成策略，可提高數據分析的質量和效率。

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Design and Application of Space Station Multi-module Test Data Comprehensive Analysis System

XU Zongfei LI Hongfei PAN Shunliang

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

To solve the problem of data integrated analysis about space station multi-module ground joint test,the framework of comprehensive analysis system is designed.Multifarious databases are congregated to build data warehouse by using ETL(Extraction-Transformation-Loading).The comprehensive analysis software is developed to customize parameter query pages,retrieve data warehouse and realize the comparative analysis of multi-module data. The analysis result is saved locally,which helps the tester to write analysis report automatically.The results of ground test shows that the comprehensive analysis system not only supports test data integrated analysis of multi-module spacecrafts joint test,but also supports test data query and analysis of single spacecraft.There for the system has some engineering application value.

multi-module joint test;comprehensive analysis;data warehouse

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.019

2017-06-09；

2017-06-27

國家重大科技專項工程

許宗飛，男，碩士，工程師，從事航天器綜合測試研究。Email：xzf99@126.com。

(編輯：李多)