人工智能在航電測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用探索

邊海關(guān)，劉春宇，王選平，辛宇，邵鴻煜

（航天神舟飛行器有限公司，天津，300301）

0 引言

航電測(cè)試是指在航電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、使用、維護(hù)過程中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，判斷其是否滿足使用要求，航電測(cè)試貫穿于航電產(chǎn)品全壽命周期。近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)不斷成熟，人工智能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用場(chǎng)景不斷擴(kuò)展。目前，人工智能已上升為國(guó)家戰(zhàn)略，未來(lái)幾年將迎來(lái)人工智能技術(shù)應(yīng)用的爆發(fā)期。同時(shí)，隨著航電測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)人工智能技術(shù)在航電測(cè)試領(lǐng)域中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。本文從對(duì)人工智能技術(shù)在航電測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行初步分析及探索，提出了一種智能航電測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)航電測(cè)試領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展方向及趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1 人工智能技術(shù)介紹

1956年夏，麥卡錫、明斯基等科學(xué)家在美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院開會(huì)研討“如何用機(jī)器模擬人的智能”，首次提出“人工智能(Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱AI)”這一概念，標(biāo)志著人工智能學(xué)科的誕生[1]。人工智能是一門基于計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)和哲學(xué)等學(xué)科的科學(xué)和技術(shù)。該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能可分為弱人工智能(包含基本的、特定場(chǎng)景下角色型的任務(wù)，如Siri等聊天機(jī)器人和AlphaGo等下棋機(jī)器人)、通用人工智能(機(jī)器的持續(xù)學(xué)習(xí))、強(qiáng)人工智能(比人類更聰明的機(jī)器)三類。人工智能60余年的發(fā)展歷程可劃分為起步發(fā)展期(1956年-20世紀(jì)60年代初)，人工智能概念提出后，相繼取得了一批令人矚目的研究成果，人工智能技術(shù)得以快速發(fā)展。反思發(fā)展期(20世紀(jì)60年代-70年代初)，人們開始嘗試更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，并提出了一些不切實(shí)際的研發(fā)目標(biāo)。然而，伴隨著預(yù)期目標(biāo)的落空，人工智能的發(fā)展走入低谷。應(yīng)用發(fā)展期(20世紀(jì)70年代初-80年代中)，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)解決特定領(lǐng)域問題的專家系統(tǒng)，推動(dòng)人工智能走入應(yīng)用發(fā)展的新高潮。低迷發(fā)展期(20世紀(jì)80年代中-90年代中)，隨著人工智能的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，專家系統(tǒng)存在的問題逐漸暴露出來(lái)，人工智能進(jìn)入低迷發(fā)展期。穩(wěn)步發(fā)展期(20世紀(jì)90年代中-2010年)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速了人工智能的創(chuàng)新研究，促使人工智能技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱没?。蓬勃發(fā)展期(2011年至今)隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，迎來(lái)人工智能爆發(fā)式增長(zhǎng)的新高潮。60余年來(lái)，人工智能逐步應(yīng)用于大數(shù)據(jù)、感知、理解、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛等幾大領(lǐng)域。

2 航電測(cè)試的發(fā)展歷程及趨勢(shì)

在先進(jìn)飛機(jī)研制需求牽引和技術(shù)推動(dòng)下航電測(cè)試技術(shù)已有了幾十年的發(fā)展歷史，其發(fā)展歷程及趨勢(shì)如圖1所示。20世紀(jì)50～60年代為手工測(cè)試階段，主要利用測(cè)試儀器儀表定義測(cè)試、跟蹤測(cè)試，直到這些測(cè)試因?yàn)楫a(chǎn)品變更或廢棄為止，此時(shí)手工測(cè)試技術(shù)在航電測(cè)試過程中發(fā)揮了重要作用；20世紀(jì)70年代為半自動(dòng)測(cè)試階段，主要是利用由計(jì)算機(jī)控制的專業(yè)半自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；20世紀(jì)80年代至90年代為總線結(jié)構(gòu)的自動(dòng)測(cè)試階段，利用總線結(jié)構(gòu)平臺(tái)、規(guī)范的測(cè)試語(yǔ)言搭建模塊化自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著微電子技術(shù)、人工智能技術(shù)等不斷發(fā)展，BIT(機(jī)內(nèi)測(cè)試)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為航電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，極大的推進(jìn)了機(jī)載產(chǎn)品的可測(cè)試性和可維修性，同時(shí)BIT設(shè)計(jì)也推動(dòng)了航電測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。21世紀(jì)前出現(xiàn)了能力更強(qiáng)的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，在總線結(jié)構(gòu)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用高速總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、信息融合技術(shù)提供能力更強(qiáng)的自動(dòng)化測(cè)試。21世紀(jì)以來(lái)，航電測(cè)試技術(shù)主要向模塊化、通用化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，即總體結(jié)構(gòu)模塊化、檢測(cè)功能通用化、測(cè)控方式智能化和技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。[2]總線型儀器設(shè)備的性能不斷得到提升，同時(shí)在定時(shí)和同步能力、EMI防護(hù)、儀器的尺寸等方面得到了很大的改善，在很大程度上提高了系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展能力，并且大大降低了系統(tǒng)的構(gòu)建成本[3]。

圖1 航電測(cè)試技術(shù)發(fā)展歷程及趨勢(shì)

3 智能航電測(cè)試系統(tǒng)

智能航電測(cè)試系統(tǒng)的定義包含兩方面內(nèi)容:一是利用人工智能技術(shù)提升傳統(tǒng)航電系統(tǒng)測(cè)試能力，二是對(duì)人工智能技術(shù)應(yīng)用友好且支持動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)進(jìn)化的航電測(cè)試系統(tǒng)[4]。智能航測(cè)測(cè)試系統(tǒng)是將人工智能理論應(yīng)用到航電產(chǎn)品的的設(shè)計(jì)、測(cè)試、總裝、試飛、使用/培訓(xùn)及維護(hù)全壽命周期，如圖2所示。使測(cè)試設(shè)備具有自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策等能力[5]。

圖2 航電測(cè)試技術(shù)覆蓋全壽命周期

航電產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段以計(jì)算機(jī)仿真和航電產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，在虛擬條件下，對(duì)航電產(chǎn)品進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，由于航電產(chǎn)品主要性能指標(biāo)體現(xiàn)在其動(dòng)態(tài)特性，因此在航電產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，應(yīng)強(qiáng)調(diào)測(cè)試性在設(shè)計(jì)中的重要作用。智能航電測(cè)試系統(tǒng)在航電產(chǎn)品出廠測(cè)試、驗(yàn)收測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)管理及聯(lián)試/仿真測(cè)試中可完全替代目前航電系統(tǒng)專用測(cè)試設(shè)備，為航電產(chǎn)品提供一個(gè)通用化、智能模塊化測(cè)試環(huán)境。在總裝測(cè)試階段，智能航電測(cè)試系統(tǒng)可參與到包含故障排除在內(nèi)的整個(gè)總裝通電檢查過程。試飛階段，智能航電測(cè)試系統(tǒng)可與試飛測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，并對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。在培訓(xùn)/使用階段，航電測(cè)試工作主要集中在飛行員培訓(xùn)、教學(xué)評(píng)估、航電系統(tǒng)健康管理及故障預(yù)測(cè)、飛行數(shù)據(jù)管理等方面。在航電系統(tǒng)維護(hù)方面，航電測(cè)試工作主要體現(xiàn)在故障診斷、遠(yuǎn)程支援和故障記錄方面。

3.1 智能航電測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的航電測(cè)試系統(tǒng)一般由信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊組成，目前已朝著模塊化、通用化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，但測(cè)試過程中都離不開接口控制文件(ICD)。與傳統(tǒng)航電測(cè)試系統(tǒng)相比，智能航電測(cè)試系統(tǒng)利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等非傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的接口識(shí)別、參數(shù)辨識(shí)及智能診斷等功能。智能航電測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，是一個(gè)支持學(xué)習(xí)進(jìn)化的架構(gòu)。在進(jìn)行航電產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，實(shí)時(shí)保存激勵(lì)及輸出信號(hào)特性，可積累大量真實(shí)樣本數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)數(shù)據(jù)積累過程貫穿航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試、總裝試驗(yàn)、試飛試驗(yàn)、培訓(xùn)/使用過程及維修維護(hù)等全壽命周期過程。在進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，實(shí)時(shí)保存激勵(lì)及輸出信號(hào)特性，可積累大量被仿真產(chǎn)品樣本及經(jīng)驗(yàn)。大量樣本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過學(xué)習(xí)/訓(xùn)練，可作為智能模塊的輸入。執(zhí)行仿真/測(cè)試任務(wù)時(shí)，智能模塊作為專家知識(shí)庫(kù)，指導(dǎo)真實(shí)產(chǎn)品測(cè)試和虛擬產(chǎn)品仿真。測(cè)試和仿真結(jié)果有產(chǎn)生新的樣本進(jìn)一步訓(xùn)練和修正智能模塊，實(shí)現(xiàn)智能模塊的升級(jí)迭代。仿真模型中可增加故障注入模塊，可模擬航電產(chǎn)品故障狀態(tài)下的輸出結(jié)果，從而豐富智能模塊中專家知識(shí)庫(kù)內(nèi)容。

圖3 智能航電測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

智能測(cè)試/仿真模塊屬于智能測(cè)試系統(tǒng)硬件部分，不同于傳統(tǒng)航電測(cè)試/仿真模塊包含模擬量采集/仿真系統(tǒng)、數(shù)字量采集/仿真系統(tǒng)、常用航空總線(UART、ARINC429、1553B等)采集/仿真系統(tǒng)。而是，只有高低電平兩種信號(hào)采集/仿真端口，這兩種信號(hào)端口可采集/仿真模擬量、數(shù)字量及常用航空總線信號(hào)。智能測(cè)試/仿真模塊可在智能模塊控制下自動(dòng)適配所要采集/仿真信號(hào)類型，無(wú)需像傳統(tǒng)航電測(cè)試設(shè)備一樣必須使用固定類型數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)采集/仿真。

智能控制模塊屬于智能測(cè)試系統(tǒng)軟件部分，通過采集并存儲(chǔ)大量真實(shí)航電測(cè)試樣本及經(jīng)過學(xué)習(xí)/訓(xùn)練的仿真模型樣本形成航電測(cè)試/仿真樣本庫(kù)。當(dāng)有新的被測(cè)航電系統(tǒng)接入時(shí)，智能測(cè)試系統(tǒng)將此信息與已存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較，以判斷被測(cè)航電系統(tǒng)信號(hào)類型及具體數(shù)值信息。同時(shí)與樣本庫(kù)中信號(hào)閾值進(jìn)行比較，以判斷被測(cè)信號(hào)是否合格當(dāng)需要對(duì)航電系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，智能測(cè)試系統(tǒng)將從樣本庫(kù)中提取所需仿真信號(hào)信息，同時(shí)將仿真信息發(fā)送給智能測(cè)試/仿真模塊，完成信號(hào)仿真。

3.2 智能航電測(cè)試數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)航電測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集一般采用專用工控機(jī)和配套板卡來(lái)完成，不同類型板卡對(duì)應(yīng)不同被測(cè)信號(hào)類型。智能航電測(cè)試數(shù)據(jù)采集應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)擬合能力，設(shè)計(jì)合適的深度模型可以取得較好的識(shí)別性能，其數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。將被測(cè)信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換使之轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，然后進(jìn)行濾波處理，消除噪聲信號(hào)。根據(jù)不同被測(cè)航電信號(hào)類型(模擬量、離散量、ARINC429、1553B、RS422等)提取出選定的特征參數(shù)。然后，訓(xùn)練每個(gè)特征對(duì)于分類的貢獻(xiàn)，也即網(wǎng)絡(luò)權(quán)重；最后，通過多分類器判決輸出識(shí)別結(jié)果。與常規(guī)航電測(cè)試中數(shù)據(jù)采集方法相比，智能航電測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備通用信號(hào)采集接口，不需要大量的不同類型板卡，能夠大大降低測(cè)試系統(tǒng)硬件成本。

圖4 智能航電測(cè)試數(shù)據(jù)采集流程

3.3 智能狀態(tài)判定

航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、識(shí)別后利用閾值法判定識(shí)別結(jié)果是否合格，具體閾值由機(jī)載成品設(shè)計(jì)任務(wù)書確定。針對(duì)不同被測(cè)航電系統(tǒng)被測(cè)參數(shù)閾值建立數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的閾值相比較，當(dāng)全部被測(cè)參數(shù)落在閾值內(nèi)，認(rèn)為被測(cè)機(jī)載成品合格，否則不合格。

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代基于“柔性測(cè)試技術(shù)”的機(jī)載產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備，可根據(jù)測(cè)試的需要，通過改變軟件而改變測(cè)試功能，已實(shí)現(xiàn)測(cè)試軟件一次開發(fā)、逐步添加、相互移植、數(shù)據(jù)共享的功能。同時(shí)，通用化、模塊化、可擴(kuò)展性已成為航電測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。未來(lái)航電測(cè)試技術(shù)主要發(fā)展方向?yàn)橐韵聨c(diǎn)。

(1)智能化

隨著人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航電測(cè)試領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，這些新技術(shù)必將在航電測(cè)試領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色，并發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。未來(lái)具有自測(cè)試、自學(xué)習(xí)、自診斷和數(shù)據(jù)自處理等功能的智能航電測(cè)試系統(tǒng)將是航電測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向?？蛇_(dá)到減少測(cè)試人員工作量、測(cè)試資源共享、測(cè)試設(shè)備互換以及使用維護(hù)方便、出勤率和戰(zhàn)備完好率提升的目的。

(2)網(wǎng)絡(luò)化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)正在逐漸向航電測(cè)試領(lǐng)域滲透，未來(lái)航電測(cè)試行業(yè)將直接利用網(wǎng)絡(luò)將各測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試、集中控制，更大程度的提高測(cè)試資源互聯(lián)和實(shí)時(shí)共享。未來(lái)越來(lái)越多的航電測(cè)試設(shè)備可能不像一個(gè)硬件測(cè)試測(cè)試而更像網(wǎng)絡(luò)終端，只需要在主控機(jī)中輸入設(shè)備IP地址就可以訪問整個(gè)測(cè)試設(shè)備，并進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試數(shù)據(jù)獲取。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)與航電測(cè)試領(lǐng)域相結(jié)合，可將航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、使用環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合、互聯(lián)互通，同時(shí)主機(jī)廠、所不再需要建設(shè)專門的航電測(cè)試系統(tǒng)，只需建設(shè)中心接入點(diǎn)，將各航電設(shè)備供應(yīng)商自有測(cè)試系統(tǒng)接入中心接入點(diǎn)即可進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試。

(3)軍民兩用化

軍工企業(yè)作為軍用技術(shù)的研發(fā)單位，其掌握的航電測(cè)試技術(shù)可廣泛應(yīng)用于民用航電測(cè)試領(lǐng)域；一些基于人工智能的民用測(cè)試技術(shù)經(jīng)歷市場(chǎng)的考驗(yàn)，其發(fā)展水平已超過部分軍工技術(shù)，將這些民用測(cè)試技術(shù)轉(zhuǎn)化到軍工航電測(cè)試領(lǐng)域，或?yàn)檐姽?yīng)用技術(shù)作為輔助補(bǔ)充，勢(shì)必促進(jìn)國(guó)防建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代飛機(jī)航電系統(tǒng)集成化、智能化進(jìn)一步提高，航電測(cè)試面臨著測(cè)試種類繁多、多種技術(shù)的高交叉性以及技術(shù)更新速度加快等新挑戰(zhàn)。雖然我國(guó)已經(jīng)在人工智能領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，但人工智能技術(shù)在航電測(cè)試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用還有一段距離。因此，人工智能在航電測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用還有待挖掘與深入研究。