多航天器電氣性能測試的協(xié)同動態(tài)調(diào)配法研究

楊 楓，任 亮

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

1 引言

空間站工程階段載人航天器將迎來高密度研制和發(fā)射任務(wù)，AIT將存在高密度電測以及多艘載人航天器同時電測的新形勢，在短時間內(nèi)高效保質(zhì)完成電測任務(wù)，是載人航天總體任務(wù)面臨的新挑戰(zhàn)。載人航天器系統(tǒng)總體設(shè)計設(shè)計面臨個體化和多樣化的需求，促使了新產(chǎn)品生命周期不斷縮短、產(chǎn)品研發(fā)速度日益加快、設(shè)計復(fù)雜程度不斷增加。而載人航天器電性能的設(shè)計是新型號AIT階段過程中主要的環(huán)節(jié)之一，它的測試結(jié)果直接表現(xiàn)出整船產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量等因素[1]。一個大型的航天器有繁多的被測試單元及被測試參數(shù)。整個系統(tǒng)不僅規(guī)模巨大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的串行測試方式，不但測試周期長，而且系統(tǒng)資源的利用效率低下，不能滿足工程實際需要。

載人航天器針對復(fù)雜產(chǎn)品的測試設(shè)計過程具有流程多、設(shè)計周期長、偶然因素多等特點，迫切希望能在航天器測試設(shè)計過程中應(yīng)用科學(xué)的方法對研發(fā)資源進行優(yōu)化配置[2]。所以本文以復(fù)雜航天器電測設(shè)計過程建模和過程管理為研究對象，利用并且創(chuàng)新了多種先進設(shè)計理念和建模方法，并且應(yīng)用在設(shè)計過程管理軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)方面。

2 基于開放式構(gòu)架一體化測試系統(tǒng)

為實現(xiàn)多航天器聯(lián)合電測，測試系統(tǒng)采用開放式構(gòu)架，形成以總控系統(tǒng)為核心，由控制臺統(tǒng)一執(zhí)行操作的一體化管理控制模式，各分系統(tǒng)專用測試設(shè)備主機接受總控設(shè)備的統(tǒng)一控制和命令設(shè)置，并對其它分系統(tǒng)相關(guān)測試設(shè)備進行控制。該開放式測試系統(tǒng)采用高可靠性、高通用化、高集成度的軟硬件構(gòu)成柔性系統(tǒng)，可根據(jù)需求組合疊加，通過硬件設(shè)置和軟件配置調(diào)整，即可實現(xiàn)單船、單器電測模式與船器聯(lián)合電測模式之間的靈活轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)構(gòu)建方案如下：

測試系統(tǒng)劃分為服務(wù)區(qū)、前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)三大組成部分如圖1所示。其中服務(wù)區(qū)部署的總控后臺數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)為統(tǒng)一核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理及存儲、查詢及判讀服務(wù)支持、GPS校時等功能。為每一航天器配有一前置區(qū)負責(zé)與被測航天器的直接交互，包括供配電、指令上行發(fā)送、數(shù)據(jù)下行接收、總線仿真監(jiān)視、動力學(xué)模型驅(qū)動等。為每一航天器配有一操作/應(yīng)用區(qū)，提供控制臺和數(shù)據(jù)監(jiān)視/查詢終端，供測試人員執(zhí)行測試操作，以及測試數(shù)據(jù)訪問。

圖1 交會對接測試系統(tǒng)設(shè)計

單船、單器測試時，由服務(wù)區(qū)和一套與其對應(yīng)的前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)構(gòu)成測試系統(tǒng)，對單一航天器實施電測；船器間多航天器聯(lián)合電測時，以服務(wù)區(qū)為統(tǒng)一控制的樞紐，將每一航天器的前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)通過信息流的實時融合，形成一體化的船器聯(lián)合測試系統(tǒng)，航天器間則通過空空通信和對接總線交互，并由測試系統(tǒng)通過上行指令和下行遙測構(gòu)成的大回路閉環(huán)控制形成一體，并通過服務(wù)區(qū)的GPS時統(tǒng)校時，實現(xiàn)統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下的全系統(tǒng)動態(tài)同步聯(lián)動。

3 系統(tǒng)聯(lián)動協(xié)同設(shè)計需求分析

載人航天器的電測項目有多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程的多樣性、復(fù)雜性和動態(tài)性等特點，給整體系統(tǒng)的電性能設(shè)計過程管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，探尋一種能夠建立合理的航天器電測多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程模型就更顯重要。

利用數(shù)字化手段，實現(xiàn)航天器多學(xué)科協(xié)同設(shè)計：

1)建立航天器需求管理模式，通過建立統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化需求模型，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器需求有效管理圖2所示，促進型號研制需求的規(guī)范化，確保各級需求和指標(biāo)表述清晰、完整準(zhǔn)確；通過各級需求間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有效識別各層次需求間的相互耦合和影響關(guān)系，實現(xiàn)需求變更影響域的動態(tài)分析；需求與測試驗證緊密關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)測試覆蓋性分析與早期的驗證規(guī)劃；

圖2 交會對接多航天器測試標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)

2)建立航天器功能設(shè)計模式，通過建立統(tǒng)一的航天器功能測試模型，將多份分散在文件中共同描述的系統(tǒng)狀態(tài)和在少數(shù)設(shè)計師腦中的全局概念，通過功能模型清晰化描述；

3)建立航天器產(chǎn)品測試設(shè)計模式，開展測控、供配電等專業(yè)測試詳細設(shè)計，形成貫穿整星信息系統(tǒng)設(shè)計全過程的測試設(shè)計模式；基于模型開展單機產(chǎn)品的機、電、磁等多學(xué)科協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性、可制造性、可測試性分析，實現(xiàn)快速迭代，支撐產(chǎn)品快速生產(chǎn)、集成及測試。

測試系統(tǒng)是指用以完成航天器測試的軟件系統(tǒng)，由測試準(zhǔn)備、測試設(shè)計、測試實施、測試結(jié)果評價等核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及測試數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 測試并行設(shè)計過程分析

測試設(shè)施指的是用以完成航天器測試的底層軟硬件資源，其載體為測試數(shù)據(jù)中心，由各類計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備以及對這些硬件設(shè)備進行虛擬化管理的云計算中心軟件組成。

4 載人航天器系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計過程管理

載人航天器電測任務(wù)具有多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程的多樣性、復(fù)雜性和動態(tài)性等特點，給綜合測試系統(tǒng)的電性能設(shè)計過程管理帶來了困難，研究一種能夠建立合理的載人航天器電測多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程模型就更顯重要[3-4]。

4.1 電測協(xié)同設(shè)計過程管理

載人航天器測試協(xié)同設(shè)計是載人航天器系統(tǒng)級總體設(shè)計環(huán)節(jié)中解決復(fù)雜單機、復(fù)雜分系統(tǒng)設(shè)計問題，完成各種大系統(tǒng)聯(lián)試設(shè)計任務(wù)的一種重要和有效的設(shè)計方式。在這種研制模式下，航天器系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)在數(shù)字化多用戶系統(tǒng)協(xié)同支持下，經(jīng)由多個設(shè)計主體共同開發(fā)完成航天器系統(tǒng)方案設(shè)計，航天器各個設(shè)計師間存在著迭代的設(shè)計信息協(xié)調(diào)情況，同時，設(shè)計者之間存在復(fù)雜的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，這種關(guān)系影響和制約著相互的活動[5-6]。

4.2 并行測試策略及流程

當(dāng)前，航天器體系化、批量化，通過多個航天器聯(lián)合組成星座或組建空間站，實現(xiàn)更加強大的功能，成為一種發(fā)展趨勢。航天器星座及空間站多星并行研制生產(chǎn)帶來了多星并行綜合測試的新課題[7]。

航天器是為完成某一特定空間任務(wù)而協(xié)同工作的多個航天器的集合。組成星座的航天器群具有主從關(guān)系，主節(jié)點航天器負責(zé)收集從節(jié)點航天器的遙測測量及數(shù)傳信息傳送至地面測控和應(yīng)用系統(tǒng)[8-9]，同時負責(zé)接收地面系統(tǒng)的星座指令實現(xiàn)對星座航天器的控制和管理。

航天器電性能測試技術(shù)多星星座測試是從單星測試入手的，首先需要保證單星設(shè)備及接口的性和功能的正確性，才能進一步進行星座狀態(tài)的建立，星并行狀態(tài)主要適用于總裝廠電測，其中“并行”的含義主要是指單星多個分系統(tǒng)交叉“并行”，用于提高測試人員和測試設(shè)備的利用率，進而提高測試效率，節(jié)省測試時間；單星串行狀態(tài)主要適用于部分大型試驗，這是由試驗場地、試驗設(shè)備以及試驗性質(zhì)所決定的，例如力學(xué)試驗、EMC試驗及磁試驗均考察航天器獨立工作時的性能，與星間狀態(tài)無關(guān)；星座聯(lián)試狀態(tài)是真正驗證多星組網(wǎng)工作的功能和性能，在總裝廠電測、熱試驗及出廠測試時均存在。

4.3 電測協(xié)同設(shè)計過程規(guī)劃及分解

4.3.1 測試并行設(shè)計過程規(guī)劃

航天器電測并行設(shè)計過程規(guī)劃是指航天器電測過程中，確定設(shè)計過程中各任務(wù)的執(zhí)行順序和各任務(wù)的執(zhí)行時間，即任務(wù)開始時間和任務(wù)結(jié)束時間。電測并行設(shè)計中的任務(wù)順序規(guī)劃和具體執(zhí)行時間安排的目的是使電測設(shè)計資源配置達到最優(yōu)化和設(shè)計周期和設(shè)計成本達到綜合最優(yōu)。過程規(guī)劃就意味著要拋棄傳統(tǒng)串行設(shè)計模式中不符合并行設(shè)計要求的部分，圖3給出了串行設(shè)計與并行設(shè)計模式的對比，從圖中可以直觀的看出，并行設(shè)計模式通過頻繁的設(shè)計反饋、數(shù)據(jù)傳輸降低整體設(shè)計過程時間，可以看出規(guī)劃電測設(shè)計流程，對提高設(shè)計效率與質(zhì)量特別重要。

一般情況下設(shè)計流程的規(guī)劃包括了四個步驟：并行設(shè)計流程的信息建模、并行設(shè)計任務(wù)分配與規(guī)劃、減少設(shè)計任務(wù)之問的迭代、縮短設(shè)計時間。

4.3.2 任務(wù)分解技術(shù)方案

任務(wù)規(guī)劃分解方法采用的測試資源配置與優(yōu)化的基本思想，在航天器產(chǎn)品設(shè)計階段設(shè)計師根據(jù)以往產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，綜合考慮各種因素影響，分別對每種影響因素賦予一定的權(quán)值，通過計測試性指標(biāo)的加權(quán)分配法算給出改航天器產(chǎn)品的測試集。接著根據(jù)初步設(shè)計的測試集進行航天器產(chǎn)品的測試性模型設(shè)計，通過測試性模型來驗證該測試集是否完備，能否滿足航天器產(chǎn)品的故障監(jiān)測與診斷需求。然后再根據(jù)測試性指標(biāo)的優(yōu)化分配法對該產(chǎn)品的測試集進行優(yōu)化，從而得出最小代價的產(chǎn)品測試集，最后再根據(jù)優(yōu)化后的測試資源配置，修改產(chǎn)品的測試性設(shè)計模型，并進行驗證。以上過程可以迭代進行。

4.3.3 電測協(xié)同設(shè)計過程算法

1)加權(quán)分配法

加權(quán)分配法是比較適用的方法，系統(tǒng)測試性能參數(shù)受眾多因素影響，如故障發(fā)生頻率、故障影響、維修級別的劃分、MTR(平均修復(fù)時間)要求、以前類似產(chǎn)品測試性經(jīng)驗以及系統(tǒng)的構(gòu)成及特性等。將每個影響因素按一定規(guī)則量化，依據(jù)每個 LRU(Line replaceable-unit)加權(quán)值占總加權(quán)值的比例求解分配值。其中，第i個LRU的加權(quán)系數(shù)

Ki=Ki1+Ki2+Ki3+Ki4+Ki5

(1)

式中

Ki1—故障率因子，故障率高的項目Ki1應(yīng)取較大的值；

Ki2—故障影響因子，故障影響較大的項目Ki2應(yīng)取較大的值；

Ki3—MTTR影響因子，一般來說，對于要求的MTTR值小的項目應(yīng)取較大的值，

Ki4—實現(xiàn)故障檢測與隔離的難易因子，容易實現(xiàn)的，取較大值；

Ki5—故障檢測與隔離成本因子，實現(xiàn)故障檢測與隔離成本低的，k取較大值。

2)優(yōu)化分配方法

優(yōu)化分配方法以某一目標(biāo)函數(shù)為目標(biāo)，求其最大或最小，可描述為

目標(biāo)函數(shù)

(2)

約束為

(3)

式中

J=1，2，…，m；

n—單元數(shù)；

m—最大約束數(shù)；

Ci—與測試性有關(guān)的第i個資源或費用的最大允許值。

這里目標(biāo)和約束都可以是線性或非線性的，且均為指標(biāo)的單個函數(shù)，不允許含有指標(biāo)的叉積。

5 測試任務(wù)的分配與沖突的解決

基于模型的航天器測試資源配置與優(yōu)化在對系統(tǒng)進行建模后能分析出系統(tǒng)的測試性指標(biāo)，但是多型號模型中的測試是理想的，即給定了測試資源的費用和時間后，算出的最優(yōu)診斷策略。而實際情況中，對一個測試執(zhí)行的測試資源往往是有多種，這就存在如何對測試資源合理配置問題，結(jié)合航天飛行器的使用過程，其測試和故障診斷能力不僅由局部的、先進的測試診斷設(shè)備和技術(shù)決定，還需要把構(gòu)成飛行器系統(tǒng)診斷能力的所有因素進行綜合集成，優(yōu)化配置各種診斷資源，才能使系統(tǒng)總體的檢測與診斷能力達到最佳。

基于模型的航天器測試資源配置與優(yōu)化方法，采用TEAMS工具，建立被測對象模型，結(jié)合其系統(tǒng)的測試相關(guān)性矩陣、被測試單元發(fā)生故障的先驗概率以及測試的費用和時間，建立以測試費用和時間的目標(biāo)函數(shù)，利用多目標(biāo)優(yōu)化理論實現(xiàn)測試資源的優(yōu)化配置，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種：

1)系統(tǒng)的測試相關(guān)性矩陣；

2)系統(tǒng)的測試資源，以及各個測試資源的費用和時間；

3)結(jié)合系統(tǒng)各個模塊的故障先驗概率與相關(guān)矩陣，構(gòu)建測試資源的費用和時間函數(shù)；

4)選擇合理算法實現(xiàn)測試資源費用和時間多目標(biāo)的實現(xiàn)。

6 經(jīng)驗總結(jié)與未來展望

多航天器電性能測試協(xié)同設(shè)計是通過支持多航天器的資源共享方式實現(xiàn)任務(wù)的完成范圍；通過協(xié)同性提高綜合測試任務(wù)完成效率；通過資源優(yōu)化配置增加任務(wù)完成可能性的一種理論體系。它的實質(zhì)在于通過交換、共享相關(guān)測試項目設(shè)計的信息，提高測試設(shè)計過程決策的正確率、提高設(shè)計效率、減少迭代次數(shù)，最終降低產(chǎn)品研發(fā)周期[6]。根據(jù)航天器研制過程中協(xié)同設(shè)計中關(guān)注要素的不同，可以將協(xié)同設(shè)計分為流程協(xié)同和數(shù)據(jù)協(xié)同。流程協(xié)同主要強調(diào)設(shè)計過程中任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)安排，目標(biāo)是通過設(shè)計流程管理和過程建模，使設(shè)計活動有序進行。數(shù)據(jù)協(xié)同是指對協(xié)同對象的數(shù)據(jù)共享和信息控制，它是過程協(xié)同的基礎(chǔ)。

在載人航天測試設(shè)計不斷走向效率化、信息化和智能化的背景下，結(jié)合現(xiàn)有的先進設(shè)計理念和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法進行的過程建模相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)取得了一定成果。