基于自主測試的飛行器綜合測試系統研究*

顧彬彬，程鵬，馬曉東，朱京來，馮夢琦

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

現代飛行器是由多個分系統組成的復雜機電系統，其測試性設計時一般包括設備機內測試(built-in test,BIT)和外部綜合測試2部分。飛行器綜合測試是指在飛行器總裝集成過程中，對飛行器在各狀態下施加相應的激勵，采集飛行器的輸出數據，依據一定的判斷準則，對采樣數據進行相應的解算、分析處理，判斷各個分系統數據是否正常，進而判斷飛行器內部各個分系統以及飛行器整體狀態是否工作正常[1-2]。

一般情況下，對于涉及飛行器工作的關鍵參數和易出故障的地方，一般采用人工介入管理的方式，由地面測試人員負責監控測試設備狀態，掌控測試進程，并對測試數據進行分析判讀。該模式下，現場的各種突發情況能夠由測試人員進行及時處理，測試數據的分析也能夠關注到數據的細節，但是這種以人為主導的測試方式，存在著較多固有的問題，主要表現在：

(1) 人工判讀容易出現失誤

由于飛行器測試時的數據量非常大，而且判讀時間有限，面對大量的數據，數據判讀人員一般無法持續保持高度集中的良好精神狀態，容易出現漏判、誤判等現象，判讀結果存在著較大的不確定性[3]。同時，對數據的判讀處理要求方面，不同判讀人員也會存在著不同的看法，主觀因素同樣對判讀結果造成一定的影響。

(2) 對測試操作人員要求高

測試操作人員需要時刻關注測試系統的狀態，并掌控測試進程的執行，容易出現誤操作，同時，由于人員的專業水平有差異，在遇到一些緊急情況時很難進行及時處理。

(3) 人力成本花費較大

飛行器的各個分系統數據均需要由相應的專業人員來進行判讀分析，每個型號飛行器的測試均需要配備相應數量的數據判讀人員，付出了很大的人力成本。

與以人為主的飛行器綜合測試模式相比，由計算機實現數據自動判讀分析、自動調度測試進程的優越性越來越顯著。國內已經開展了飛機自主保障、載人航天器自主健康管理等方面的研究，從不同角度提出了基于自主決策的應用構架。因此，隨著飛行器功能復雜化、任務多樣化的發展趨勢，綜合測試系統的自主測試能力面臨著迫切的需求。

本文提出了一種基于自主測試的飛行器綜合測試系統的體系結構，并進一步研究了相關關鍵技術。

1 自主測試系統構架

現有的飛行器綜合測試系統一般采用串口、工業總線、局域網等形式，將內部各個功能模塊有機連接起來，通過主控計算機實現綜合測試系統的運行管理及飛行器的測量與控制[4-5]。測試過程中，所有的測試命令或數據都由主控計算機發送或解析，按照設定的測試流程進行飛行器測試，由操作人員對測試進程進行控制。

自主綜合測試是指綜合測試系統能夠完成飛行器各項性能指標參數的采集，同時對自身狀態進行監控，根據數據采集和狀態監控等信息，對出現的異常情況能夠自主進行分析判別處理，并根據處理結果對測試進程進行主動控制和調整[6-7]。

基于現有飛行器綜合測試系統體系構架，本文提出了基于綜合決策的飛行器自主綜合測試系統構架，如圖1所示，包括測試執行層、綜合決策層、數據服務層。其中測試執行層負責完成飛行器測試所需的測試流程解析、儀器控制等功能；自主決策層負責完成飛行器測試數據處理判讀、測試設備狀態數據的監控以及測試信息的綜合處理分析，并根據分析結果給出決策信息，對測試進程進行相應的控制調整；數據服務層主要提供系統運行所需的人機交互、數據顯示存儲、儀器驅動等基本功能。

圖1 地面自主測試系統架構Fig.1 Architecture of autonomous automatic test system (ATS)

2 自主測試技術研究

2.1 自主測試流程

與現有的飛行器綜合測試流程不同，自主測試流程包括測試采集、測試狀態監控、信息綜合分析、測試決策這4個方面，形成了一個閉環測試系統，見圖2。

(1) 測試采集

自主測試系統根據設定的測試進程，輸出激勵信號，控制相應的測試儀器，采集飛行器的性能參數數據。

(2) 測試狀態監控

在自主測試系統測試性設計的基礎上，在測試過程中，不影響正常測試進程，利用BIT或多傳感器檢測手段，檢查各組成模塊的功能和性能，獲取自主測試系統的狀態信息。

(3) 信息綜合分析

根據給定的判讀模型和設定的判斷準則，對采集的飛行器性能參數及設備的狀態信息進行自動解算判讀，如出現異常，將對數據進行橫向縱向等多維度綜合分析，得出分析結果。

(4) 測試決策

建立測試結果匹配模型庫，根據綜合分析結果確定異常處理優先級，根據優先級高低采取分級處理措施，對測試進程進行自動干預。

2.2 信息綜合分析

信息綜合分析是基于當前測試數據和歷史數據開展的，主要是從數據中盡量挖掘飛行器的潛在問題及測試系統的狀態信息，主要處理手段包括測試數據的自動快速判讀和數據的關聯性分析2部分。

典型數據判讀方法包括基于支持向量機的方法和基于神經網絡的方法，但這2種方法要么需要枚舉飛行器每個故障模式，要么需要進行長時間的訓練，無法滿足飛行器測試的實際需求[8-11]。目前，測試數據的自動判讀主要還是基于特定的判讀模型來實現，通過與模型的一致性匹配，尋找測試數據中的異常點。

針對檢測到的判讀異常點，開展進一步的關聯性分析。通過將不同傳感器、不同采集儀器獲取的相關數據進行特征參數求取和分析，并與相關歷史數據進行趨勢分析，獲得一定置信度下的一個或多個分析結果。

2.3 自主決策規則

自主測試系統采用基于優先級的決策策略，優先級分為4級，見表1。

對于不同優先級，一般采取以下措施：

(1) 一級優先級

對于影響飛行器和測試設備安全的嚴重異常問題，如電源輸出電壓或電流超差、液體燃料泄露、測試現場或測試系統內部溫度急劇升高等，一般均應通過必要的傳感器等采集設備，定時采集關鍵的狀態參數，根據參數的變化趨勢，設定嚴格的判斷標準，實時監測關鍵參數是否處于正常工作范圍，并設定一定的判別算法，兼顧異常現象發現的快速性和異常判斷的準確性，避免虛警。異常現象確定后，快速進入緊急處理模式，即飛行器停止供電，保存數據，終止測試，并給出明確的異常描述，由測試現場維護人員采取相應的排查措施。

(2) 二級優先級

在測試過程中，如果檢測到即將使用的測試設備狀態異常，可根據嚴重程度，確定暫停或終止測試進程。如在飛行器高頻通信系統測試時，發現地面信號模擬器與主控計算機通訊中斷，無法收到有效的控制命令，可采取以下措施：①暫停測試，采用命令重發機制，由主控計算機多次發送控制命令，判斷信號模擬器響應情況；②暫停測試，由主控計算機控制發送重啟信號，控制信號模擬器進行軟硬件重新配置，進入初始狀態；③終止測試，提醒測試現場維護人員檢查設備情況。

圖2 自主測試運行流程Fig.2 Autonomous test process

表1 優先級表Table 1 Priority list

(3) 三級優先級

當出現飛行器測試參數一般異常時，可根據預先設定的故障樹，調整測試進程，對異常現象進行進一步隔離確認。如飛行器的主控制器與高頻通信系統進行總線通訊時，測試結果異常，經過測試系統對數據進行判別，發現是由于飛行器上總線通訊丟幀引起的，此時，應偏離原有的測試進程，進入故障隔離模式，如可進行其他測試，由其中一方與飛行器上其他設備進行通訊，或者直接由測試系統分別與飛行器的主控制器與高頻通信系統進行總線通訊測試，確定通訊丟幀是由哪一方造成的。根據故障隔離策略完成相應的故障定位排查后，可終止測試或繼續進行后續測試。

(4) 四級優先級

在測試過程中，如果檢測到某測試設備部分功能異常，經過判斷該異常不會影響到后續測試，可持續對其進行監測，并在測試任務結束后提示現場人員解決。

3 技術難點

在自主測試技術的實際應用過程中，存在以下兩項技術難點：

(1) 測試過程中的數據量較大，自主綜合測試系統需要處理大量過程信息，如果數據分析過程復雜，系統無法滿足數據處理、交互的速度要求，可能會對正常的測試進程運行產生部分影響，后續將需要根據不同的測試任務，對相應的數據判讀分析模型及決策規則等進行優化調整[12-13]。

(2) 由于自主決策規則主要是基于飛行器故障樹開展，故障樹的準確程度將很大程度上影響自主決策有效性，所以飛行器需要進行良好的測試性設計以及與測試項目相匹配的故障樹設計[14]。

4 結束語

基于自主測試的飛行器綜合測試系統依托于測試信息的綜合分析與決策，測試過程中人工參與的需求較少，能夠對飛行器進行自主測試與狀態判斷，并能夠依據故障樹進行故障處理和隔離。在現有飛行器綜合測試系統的基礎上，不對目前綜合測試系統體系結構作大的改變，增加軟件的綜合分析與決策功能，并補充相應的狀態監測接口，就可以完成對飛行器的自主測試，能夠很好地適應網絡化遠程測試的需要，具有很好的應用前景[15]。