航天器綜合測試信息管理平臺構(gòu)建與應(yīng)用

儲海洋 何曉宇 宋宏江 白少華

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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航天器綜合測試信息管理平臺構(gòu)建與應(yīng)用

儲海洋 何曉宇 宋宏江 白少華

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

針對航天器研制中綜合測試工作周期長，管理難度大，缺乏全過程信息協(xié)同管理系統(tǒng)的問題，提出了航天器綜合測試信息管理平臺設(shè)計架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單航天器綜合測試全生命周期的信息化管理和多航天器并行測試過程的集中監(jiān)控，為提高綜合測試的集成優(yōu)化和效率提供了支持工具。

綜合測試；過程管理；信息化

1 引言

綜合測試是在航天器總裝和試驗階段進(jìn)行的對被測航天器上電氣設(shè)備功能和性能指標(biāo)的全面驗證，是集測量、電子、通信、計算機(jī)、工程管理等多學(xué)科于一體、科學(xué)性與工程性相結(jié)合的綜合技術(shù)[1]。從制定測試方案、確定測試項目、研制測試設(shè)備，到編寫測試細(xì)則，開展測試實(shí)施，到最后完成全部階段的測試并總結(jié)評估，通常需要持續(xù)1年以上，有的甚至長達(dá)3年，過程管理非常復(fù)雜。

近年來，隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，綜合測試工作也日益繁重，多航天器并行測試已成為新常態(tài)。新形勢下，傳統(tǒng)的依賴紙質(zhì)文件、手工操作為主的測試模式已經(jīng)越來越無法滿足日益增長的測試任務(wù)需要，主要表現(xiàn)在：①缺乏覆蓋綜合測試全過程的信息化管理系統(tǒng)，部分環(huán)節(jié)嚴(yán)重依賴紙質(zhì)文件和單據(jù)，工作效率低；②測試過程中涉及到的信息之間缺乏自動化數(shù)據(jù)傳遞和交互渠道，信息壁壘嚴(yán)重制約了綜合測試整體效率的提升；③并行測試任務(wù)之間信息不透明，不利于并行測試任務(wù)的集中監(jiān)控和資源統(tǒng)籌調(diào)度，無法實(shí)現(xiàn)綜合測試環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化。因此，亟需建立適用于我國航天器綜合測試的基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的全過程協(xié)同信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)綜合測試系統(tǒng)間業(yè)務(wù)協(xié)同，以優(yōu)化測試資源配置、改進(jìn)測試流程，提高測試效率。

事實(shí)上，建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同信息管理平臺得到了國內(nèi)外大型裝備制造企業(yè)的廣泛重視，美軍新一代的試驗與訓(xùn)練使能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2](Test and Training Enabled Architecture，TENA)利用多種技術(shù)能夠?qū)⒕C合試驗中的軟硬件資源有效集成，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互通及融合，并在此基礎(chǔ)上開展各類試驗數(shù)據(jù)分析，將試驗知識進(jìn)行有效積累及再利用。歐洲航天局的并行設(shè)計實(shí)驗室(Concurrent Design Facility，CDF)[3]貫徹了并行工程理念，解決設(shè)計師和用戶之間信息傳遞的不連續(xù)問題，實(shí)現(xiàn)集中設(shè)計向并行設(shè)計轉(zhuǎn)變。洛克希德-馬丁公司采用了Team Center 軟件作為基礎(chǔ)建立廣域協(xié)同工作平臺，保證了美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)項目從用戶需求、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、數(shù)字樣機(jī)、生產(chǎn)計劃、工藝規(guī)程、加工仿真和維修服務(wù)等階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集中存放和統(tǒng)一管理。波音公司利用法國達(dá)索公司(Dassault Systèmes)的產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)系統(tǒng)建立了一個廣域協(xié)同環(huán)境(Global Collaborative Environment，GCE)[4]，通過在CATIA、ENOVIA、DELMIA環(huán)境下集成40個其他應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了支持波音787客機(jī)所有合作商在一起工作、設(shè)計、制造、支持的協(xié)同工作平臺，以基于模型定義(Model Based Definition，MBD)數(shù)據(jù)集的形式完成了“夢想客機(jī)”波音787全部產(chǎn)品的設(shè)計。

中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司以基于Windchill系統(tǒng)的工程配置管理系統(tǒng)(Enginnering Configuration Managerment System，ECMS)為工程設(shè)計的數(shù)據(jù)管理核心，集成協(xié)同產(chǎn)品商務(wù)技術(shù)(Collaborative Product Commerce，CPC)和虛擬產(chǎn)品開發(fā)管理(Virtual Product Modelling，VPM)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)全生命周期的數(shù)字化管理和應(yīng)用，支持多個廠所和供應(yīng)商之間設(shè)計、制造協(xié)同，完成了ARJ21客機(jī)的研制。中國航天科工集團(tuán)北京航天測控技術(shù)有限公司面向大型復(fù)雜裝備的生產(chǎn)、裝配、調(diào)試和檢修過程，研制了InfiTech工藝智能管理和執(zhí)行系統(tǒng)，集任務(wù)規(guī)劃、工藝文件設(shè)計、工藝過程管理和工藝活動控制于一體，實(shí)現(xiàn)了車間級的信息化管理與控制，并為車間與技術(shù)部門、管理部門之間的實(shí)時交互提供有效途徑，同時為質(zhì)量分析、工藝改進(jìn)、故障處理等過程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀中可以看出，航空等領(lǐng)域的信息系統(tǒng)[5]更注重設(shè)計、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節(jié)，難以應(yīng)用到綜合測試周期長、管理難度大的航天器研制測試過程中，InfiTech工藝智能管理和執(zhí)行系統(tǒng)更側(cè)重于裝配工藝，對測試和試驗關(guān)注度不夠。鑒于此，本文從我國航天器研制中綜合測試工作周期長，管理難度大，急需全過程信息管理平臺的實(shí)際出發(fā)，借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)平臺和技術(shù)，提出了綜合測試信息管理平臺設(shè)計架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，最后通過目前的應(yīng)用實(shí)踐，對信息化管理下測試模式及應(yīng)用效益進(jìn)行了分析。

2 信息管理平臺構(gòu)建

2.1 平臺架構(gòu)

綜合測試信息化面向綜合測試全生命周期及上下游環(huán)節(jié)，采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)具備天然的優(yōu)勢，也符合信息技術(shù)的發(fā)展趨勢。整體上，信息管理平臺分為6個部分，分別是：存儲層、服務(wù)層、瀏覽器層、應(yīng)用層、外部數(shù)據(jù)和外部系統(tǒng)。平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1)存儲層

存儲層存儲綜合測試過程數(shù)據(jù)和過程格式化文檔，鑒于多航天器并行測試的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量較大，可采用分布式數(shù)據(jù)庫和格式文檔庫相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫可選關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，也可選用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或者兩者相結(jié)合。

2)服務(wù)層

服務(wù)層是平臺的核心，完成核心業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)、外部數(shù)據(jù)接入、外部系統(tǒng)接入以及系統(tǒng)管理功能，核心業(yè)務(wù)用于實(shí)現(xiàn)綜合測試全生命周期信息化管理。具體包括以下內(nèi)容。

(1)測試項目管理：根據(jù)航天器總體設(shè)計及測試需求，定義整星級和分系統(tǒng)級測試項目，包括項目名稱、項目類型、關(guān)聯(lián)用例、風(fēng)險點(diǎn)、資源約束、時間約束、注意事項等。

(2)測試用例管理：接收測試系統(tǒng)設(shè)計的測試用例，提供統(tǒng)一測試設(shè)計查詢分析平臺，建立測試用例與測試項目之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過測試系統(tǒng)對測試用例的執(zhí)行，完成測試項目的測試覆蓋。

(3)測試流程管理：根據(jù)測試項目及計劃安排，提供圖形化的測試流程編輯方法，并支持對流程節(jié)點(diǎn)任務(wù)的分發(fā)，相關(guān)的測試任務(wù)直接分發(fā)到相應(yīng)的測試系統(tǒng)中執(zhí)行相應(yīng)的測試用例，接受測試系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果反饋，完成跨系統(tǒng)測試任務(wù)調(diào)度。

(4)測試任務(wù)管理：監(jiān)視測試流程中任務(wù)的執(zhí)行情況，必要時，對任務(wù)的執(zhí)行情況進(jìn)行人工干預(yù)，包括任務(wù)重定向、任務(wù)新增、任務(wù)刪除等，確保測試流程的正確運(yùn)行。

(5)測試表單管理：生成和管理測試過程涉及的各種表單并在平臺內(nèi)完成審批，比如，補(bǔ)充測試申請單、異常問題報告單等，代替紙質(zhì)表單完成測試過程受控，確保測試過程有效。

(6)測試結(jié)果管理：接收測試系統(tǒng)對測試用例的執(zhí)行結(jié)果，提供統(tǒng)一的測試結(jié)果查詢分析和評估平臺。

(7)測試資源管理：對測試人員、設(shè)備、場地等資源進(jìn)行集中管理，構(gòu)建測試資源庫，完成資源對測試流程中任務(wù)的匹配，占用，釋放管理，實(shí)現(xiàn)測試資源的統(tǒng)籌調(diào)度。

(8)技術(shù)狀態(tài)管理：完成測試過程中，設(shè)備及電纜裝星狀態(tài)、電連接器插拔狀態(tài)、軟件版本狀態(tài)、星地接口狀態(tài)、熱控實(shí)施狀態(tài)的管理，并記錄變化歷史，實(shí)現(xiàn)航天器測試技術(shù)狀態(tài)在全平臺的透明，保證測試安全。

(9)數(shù)據(jù)挖掘分析：完成單航天器測試過程數(shù)據(jù)分析、多航天器測試過程數(shù)據(jù)比較，為航天器綜合測試過程優(yōu)化提供支撐。

(10)外部系統(tǒng)接入完成測試任務(wù)在平臺與測試系統(tǒng)及其他相關(guān)系統(tǒng)的流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)綜合測試系統(tǒng)間業(yè)務(wù)協(xié)同，比如，綜合測試信息管理平臺對現(xiàn)有自動化測試系統(tǒng)測試任務(wù)的調(diào)度，并接收其執(zhí)行反饋。

(11)外部數(shù)據(jù)接入完成平臺與上下游數(shù)據(jù)的自動交互，實(shí)現(xiàn)測試支持?jǐn)?shù)據(jù)的自動流轉(zhuǎn)，如接收航天器信息流設(shè)計信息，作為綜合測試系統(tǒng)測試開展的輸入。

(12)系統(tǒng)管理包括日志管理、異常管理、訪問控制等功能，實(shí)現(xiàn)平臺的高可靠性和健壯性。

3)瀏覽器層

瀏覽器層是平臺與用戶的交互界面，完成WEB頁面解析、URL控制、COOKIE管理等功能，可選用當(dāng)前主流的IE瀏覽器、Firefox瀏覽器、Chrome瀏覽器等。

4)應(yīng)用層

在應(yīng)用層，總體、分系統(tǒng)、總裝、測試指揮、測試人員通過平臺完成測試業(yè)務(wù)。

其中，測試系統(tǒng)協(xié)同和異構(gòu)數(shù)據(jù)整合是外部系統(tǒng)接入和外部數(shù)據(jù)接入的核心，也是平臺實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的測試業(yè)務(wù)協(xié)同工作的關(guān)鍵。

2.2 測試系統(tǒng)協(xié)同

綜合測試信息管理平臺完成測試全過程管理，需要調(diào)用現(xiàn)有的測試系統(tǒng)完成具體的航天器功能性能測試，為實(shí)現(xiàn)綜合測試系統(tǒng)間業(yè)務(wù)協(xié)同，綜合測試信息管理平臺研究建立了基于服務(wù)的跨系統(tǒng)工作流(見圖2)。它借鑒面向服務(wù)架構(gòu)(Service Oriented Architecture，SOA)[6]的思想，首先通過輸入輸出封裝，封裝的內(nèi)容包括：服務(wù)名稱、功能描述、服務(wù)地址、應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用路徑、返回結(jié)果等，將現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)邏輯封裝成可公開調(diào)用的服務(wù)，將系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)與服務(wù)之間的協(xié)同。通過服務(wù)的注冊與發(fā)布使綜合測試信息管理平臺建立對外部系統(tǒng)功能的語義和調(diào)用。

以服務(wù)為任務(wù)節(jié)點(diǎn)，在服務(wù)層之上建立柔性的測試工作流系統(tǒng)[7-8]，在應(yīng)用層完成測試流程定義和監(jiān)控，與核心業(yè)務(wù)中的測試流程管理和測試任務(wù)管理相對應(yīng)。測試流程定義用于根據(jù)綜合測試過程創(chuàng)建測試業(yè)務(wù)流程的描述，生成跨系統(tǒng)業(yè)務(wù)協(xié)同的流程定義文件，測試流程監(jiān)控作為與用戶的交互界面，用于測試業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行情況查看，便于用戶對測試業(yè)務(wù)流程的管理與監(jiān)控。在工作流執(zhí)行層解析流程模型，創(chuàng)建流程實(shí)例，基于流程定義生成任務(wù)實(shí)例并匹配服務(wù)資源，同時進(jìn)行消息調(diào)度，完成工作流的驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 面向服務(wù)的跨系統(tǒng)工作流Fig.2 Service oriented workflow system

2.3 異構(gòu)數(shù)據(jù)整合

航天器研制設(shè)計階段產(chǎn)生了大量的數(shù)字化信息資源，比如接口數(shù)據(jù)單(Interface Data Sheet，IDS)數(shù)據(jù)、遙測信息流數(shù)據(jù)、遙控信息流數(shù)據(jù)、電纜網(wǎng)設(shè)計信息等，這些信息都是綜合測試階段的必要輸入，綜合測試信息管理平臺作為綜合測試階段的對外窗口，需要對這些異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合應(yīng)用。異構(gòu)數(shù)據(jù)整合的核心在于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間件，以可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)格式[9]的文檔作為異構(gòu)數(shù)據(jù)源整合的媒介，定義數(shù)據(jù)映射規(guī)則，將待整合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML文檔，再通過一系列XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)XML文檔到目的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。利用基于XML的中間件技術(shù)[10]來整合異構(gòu)數(shù)據(jù)庫，并不需要改變原始數(shù)據(jù)的存儲和管理方式，而是通過統(tǒng)一的全局?jǐn)?shù)據(jù)模型來訪問異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫、以及文件資源等。圖3為系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)整合示意圖，中間件層位于異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(數(shù)據(jù)源層)和分析應(yīng)用層之間，向下協(xié)調(diào)各數(shù)據(jù)源系統(tǒng)，向上為訪問整合數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)模式以及數(shù)據(jù)訪問的通用接口，它對上層屏蔽數(shù)據(jù)的分布地點(diǎn)、存儲形式、操作系統(tǒng)等差異。中間件不存儲任何實(shí)際數(shù)據(jù)，向上只是提供一個虛擬數(shù)據(jù)庫，通過中間件，源和目的兩端的負(fù)載都能夠得到減輕和均衡，跨平臺和傳輸不可靠等問題也可得到解決。

映射規(guī)則定義是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的核心問題，本文首先采用基于邏輯關(guān)系的語義分析方法進(jìn)行語義模型的建立，在語義模型的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)字段視為屬性集合進(jìn)行語義之間的相似度計算，得出語義之間的匹配關(guān)系，根據(jù)匹配關(guān)系來自動產(chǎn)生數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，再輔以人工判斷，保證映射關(guān)系的準(zhǔn)確性，解決純?nèi)斯そ?shù)據(jù)映射關(guān)系時工作量大、過程復(fù)雜等問題。

圖3 異構(gòu)數(shù)據(jù)整合示意圖Fig.3 Heterogeneous data integration schema

3 測試管理模式及應(yīng)用效果

3.1 測試管理模式

如圖4所示，在應(yīng)用信息管理平臺后，航天器研

制在綜合測試階段由信息管理平臺統(tǒng)一調(diào)度和管理，建立了綜合測試階段的全過程用戶界面，實(shí)現(xiàn)了從原來的依托紙質(zhì)文件傳遞和各零散測試系統(tǒng)開展到依托統(tǒng)一信息平臺開展的轉(zhuǎn)變。

(1)測試設(shè)計人員進(jìn)行測試需求分析；

(2)測試設(shè)計人員根據(jù)測試需求，定義測試項目；

(3)測試設(shè)計人員應(yīng)用測試系統(tǒng)設(shè)計測試用例，并被信息平臺集成，作為后續(xù)測試開展的依據(jù)；

(4)測試指揮根據(jù)測試項目安排測試流程；

(5)測試指揮依托信息平臺進(jìn)行測試資源協(xié)調(diào)，尤其是在多航天器并行測試時，通過信息平臺中資源占用情況分析，能夠快速進(jìn)行資源統(tǒng)籌；

(6)測試指揮分發(fā)測試任務(wù)；

(7)測試實(shí)施人員依托測試系統(tǒng)開展測試實(shí)施，結(jié)果將由測試系統(tǒng)自動反饋到信息平臺中；

(8)測試設(shè)計人員、測試指揮、測試實(shí)施人員、管理人員共同審議測試結(jié)果；

(9)測試實(shí)施中發(fā)現(xiàn)問題時，由測試實(shí)施人員填寫測試表單；

(10)測試指揮會簽測試表單；

(11)管理人員審批測試表單；

(12)測試指揮將通過審批需要補(bǔ)充測試的項目安排到測試流程中，按照第5步開始執(zhí)行。

圖4 應(yīng)用信息平臺后的綜合測試模式Fig.4 Improved integrated test mode by using the information management platform

3.2 應(yīng)用效果

目前，航天器綜合測試信息管理平臺已經(jīng)廣泛應(yīng)用到導(dǎo)航、遙感、深空探測三大系列多個航天器的綜合測試過程管理中。作為航天器綜合測試必備的支撐系統(tǒng)，在十多個航天器的綜合測試業(yè)務(wù)中得到了非常好的應(yīng)用實(shí)施和工程驗證。

通過該平臺與外部信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)，包括遙測、遙控、接口數(shù)據(jù)單、航天器技術(shù)狀態(tài)信息等首次實(shí)現(xiàn)了自動流轉(zhuǎn)和復(fù)用，測試準(zhǔn)備工作量減少了近50%，在某航天器測試中，通過信息管理平臺的數(shù)據(jù)復(fù)用和快速組合，某階段測試準(zhǔn)備工作由原來的20天縮減為10天；通過使用該信息管理平臺，綜合測試過程首次實(shí)現(xiàn)了信息化管理、無紙化、精細(xì)化記錄，過程管理的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可追溯性得到極大提高；詳細(xì)的過程記錄和以此為基礎(chǔ)的持續(xù)過程優(yōu)化使航天器綜合測試效率得到大幅提升，某衛(wèi)星03星和02星相比，從開始測試到衛(wèi)星發(fā)射，在系統(tǒng)合理的任務(wù)調(diào)度下，完成全部測試項目，衛(wèi)星加電測試時間由02星的1500 h縮短到03星的1200 h；多航天器并行綜合測試過程的統(tǒng)一資源調(diào)度和集中監(jiān)控，有效地緩解了測試人員緊張現(xiàn)狀態(tài)，測試設(shè)備使用效率提升了30%以上，極大地節(jié)省了航天器綜合測試的成本。

4 結(jié)束語

信息化管理是助推測試能力提升的主要手段之一，也是綜合測試的發(fā)展方向，本文在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)踐了航天器綜合測試信息化管理和統(tǒng)一調(diào)度模式，完成了綜合測試對各環(huán)節(jié)設(shè)計系統(tǒng)中的信息資源的快速重復(fù)利用，首次實(shí)現(xiàn)了綜合測試全生命周期業(yè)務(wù)流程信息化、規(guī)范化管理和精細(xì)化記錄，為后續(xù)綜合測試持續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，首次達(dá)成了多航天器并行綜合測試過程之間的集中監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度，整體提高了測試的效率，降低了測試成本，積極推進(jìn)了航天器綜合測試的可持續(xù)發(fā)展。

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(編輯：李多)

Design and Application of Spacecraft Integrated Test Information Management Platform

CHU Haiyang HE Xiaoyu SONG Hongjiang BAI Shaohua

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Spacecraft integrated test is a time-consuming，difficult management process.And there is still lack of the information collaborative management system for the whole life cycle of spacecraft integrated test.So the framework and key points of building a spacecraft integrated test information management platform are proposed in this paper.It can manage the whole life cycle of a single spacecraft integrated test and centralizedly monitor the process of multi-spacecraft parallel integrated test so as to optimize the integrated test and upgrade the test efficiency.

integrated test；process management；informatization

2015-10-22；

2015-11-10

儲海洋，男，碩士，工程師，從事航天器綜合測試工作。Email：chuhy_sean@126.com。

V419

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.018