航天綜合匹配試驗智慧管理平臺設計

沈 翔，劉 靚，陳 策，許哲琪，宋敬群

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

近年來，航天任務呈現(xiàn)高密度常態(tài)化的特點，作為型號研制生產(chǎn)過程中的關鍵一環(huán)，電氣系統(tǒng)綜合匹配試驗的質量要求提升、試驗周期縮短、任務頻次增加，對試驗的設備、場地、數(shù)據(jù)等各項要素的管理要求和管理難度日益增大。不同于靶場測試環(huán)節(jié)中1個發(fā)射工位只開展1發(fā)火箭測試工作的模式，型號綜合匹配實驗室往往并行開展著多型號、多發(fā)次的試驗任務，原有型號測試過程中獨立運營的方式暴露出了試驗實施過程無法高效記錄追溯、試驗場地缺乏有效管控手段、試驗數(shù)據(jù)無法集中管理、高度依賴人員現(xiàn)場駐守等短板。為了變革傳統(tǒng)的測試模式，解決型號試驗過程控制難、試驗信息孤立等一系列痛點、堵點問題，高質量、高效率地完成高密度測試任務，亟需建設一套航天綜合匹配試驗智慧管理平臺［1］。

本文充分考慮新形勢下航天電氣系統(tǒng)綜合匹配試驗任務需求，提出了智慧管理平臺系統(tǒng)架構，整合運用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）［2-3］、圖像識別［4-5］、交互式電子技術手冊（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）［6-7］等技術手段，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)集中、擺渡集中、殺毒集中、設備集中、展示集中”的新型智慧試驗模式。

1 現(xiàn)有模式及差距

1.1 網(wǎng)絡條件亟待改善

目前航天各型號綜合匹配實驗室仍是信息孤島，各型號電氣系統(tǒng)綜合匹配試驗管理及實施過程均封閉在各實驗室內(nèi)部，實驗室之間和實驗室對外均缺乏高效信息交互手段，試驗數(shù)據(jù)依靠人工刻錄、傳遞與管理。在進行數(shù)據(jù)復查工作時，只能通過人工擺渡的方式導入內(nèi)網(wǎng)，費時耗力，效率較低。信息孤島使得綜合匹配試驗產(chǎn)生的大量各系統(tǒng)地測、遙測數(shù)據(jù)散落在各型號實驗室，無法進行匯總分析，為試驗數(shù)據(jù)型號生命周期縱向綜合分析、型號間橫向比對等工作帶來了極大的困難和不便。所以需要打通信息壁壘，建設信息快速路，為實驗室信息化、智能化管理提供基礎條件。

1.2 試驗管理手段原始、可追溯性差

電氣系統(tǒng)綜合匹配試驗沿襲傳統(tǒng)的手動清點設備、人員現(xiàn)場督導的管理方式。當任務量急劇增加時，試驗并行開展，大量人員、設備在現(xiàn)場頻繁進出，一方面工作效率難以滿足型號進度要求，另一方面極易出現(xiàn)錯記漏記、設備難尋、不易追溯等問題，依靠人員現(xiàn)場督導的傳統(tǒng)管理方式難以為繼，需要運用RFID、圖像識別等技術手段，提升管理自動化、智能化水平。

1.3 試驗數(shù)據(jù)手寫記錄、分散管理

傳統(tǒng)綜合匹配試驗除了系統(tǒng)存盤記錄的測試源碼，測試過程中對應測試步驟和狀態(tài)檢查還會產(chǎn)生許多狀態(tài)記錄表、數(shù)據(jù)記錄表等紙質表單，依賴人員手工填寫。隨著運載火箭電氣技術不斷升級、發(fā)射測試任務愈加繁忙，這些紙質資料數(shù)量日益龐大，既不利于管理，也對數(shù)據(jù)的綜合利用和分析比對造成了極大的不便。

2 設計目標

建設智慧管理平臺，實現(xiàn)如下目標：

a）試驗數(shù)據(jù)集中存儲，打通各航天型號綜合匹配實驗室數(shù)據(jù)貫通，將各型號試驗數(shù)據(jù)匯集至數(shù)據(jù)資源中心集中存儲管理。

b）試驗數(shù)據(jù)集中擺渡，搭建數(shù)據(jù)擺渡系統(tǒng)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)在實驗室內(nèi)外的擺渡交互，減少人工耗時，提高工作效率。

c）試驗安全集中管控，部署信息安全系統(tǒng)，防止非法設備入侵網(wǎng)絡，并實現(xiàn)各型號域內(nèi)測試設備病毒統(tǒng)一查殺。

d）試驗設備集中監(jiān)控，部署設備管理系統(tǒng)，設備信息化建賬，借助RFID 實現(xiàn)設備出入庫全流程智能管理。

e）試驗過程集中展示，部署試驗展示系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡攝像頭、環(huán)境信息采集終端將各實驗室場地情況、試驗過程全景投放至指揮中心，便于測試指揮集中管理、統(tǒng)一展示，同時對地面設備顯示狀態(tài)、人員操作細節(jié)實時記錄存儲，便于排故追溯。

3 平臺設計

3.1 平臺架構

智慧管理平臺架構包括1 套基礎支撐環(huán)境、1 套數(shù)據(jù)資源中心、1 套綜合集成框架以及4 個業(yè)務功能板塊，功能覆蓋網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)共享、設備管理、試驗過程監(jiān)控等關鍵要素［8］，如圖1所示。

圖1 平臺架構Fig.1 Platform architecture

a）基礎支撐環(huán)境：通過路由器、核心交換機、光纖、網(wǎng)線、網(wǎng)絡計算機等網(wǎng)絡傳輸設備搭建基礎級網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)網(wǎng)絡安全連通。

b）綜合集成框架：通過具備監(jiān)控及展示、安全防護、設備管理、信息記錄、數(shù)據(jù)擺渡等不同功能的系統(tǒng)搭建綜合匹配試驗集成框架，實現(xiàn)多個試驗現(xiàn)場的統(tǒng)一管理。

c）數(shù)據(jù)資源中心：通過數(shù)據(jù)服務器建立多個數(shù)據(jù)庫，包括原始記錄庫、原碼數(shù)據(jù)庫、處理結果庫等，供不同需求用戶靈活調用。

d）業(yè)務功能板塊：通過調用不同業(yè)務軟件，實現(xiàn)監(jiān)控及展示、病毒查殺、設備管理、信息記錄、數(shù)據(jù)擺渡等主要功能。

3.2 網(wǎng)絡架構

智慧管理平臺網(wǎng)絡構筑由基礎支撐環(huán)境支撐，主要由網(wǎng)線、光纖、路由器、交換機等網(wǎng)絡通信類硬件組成，聯(lián)通試驗現(xiàn)場、設備機房和指控中心，如圖2所示。各型號按照自身需求進行IP地址分配，由型號局域網(wǎng)入試驗網(wǎng)后通過網(wǎng)絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）分配試驗網(wǎng)IP 進行信息交互，避免型號間IP沖突。

圖2 網(wǎng)絡架構Fig.2 Network architecture

3.3 接口設計

智慧管理平臺接口主要包括內(nèi)部接口以及外部接口，內(nèi)部接口為任務調度系統(tǒng)、監(jiān)控展示系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、信息記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)擺渡系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信接口，外部接口為與外部數(shù)據(jù)、文件之間的交換接口。接口關系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接口關系Fig.3 Interface relationship

內(nèi)部接口負責智慧管理平臺各系統(tǒng)之間通過TCP/IP協(xié)議進行試驗信息、安全信息、視頻信息、設備信息的采集、傳輸、同步和展示；外部接口負責智慧管理平臺與外部環(huán)境通過數(shù)據(jù)擺渡系統(tǒng)進行安全保密隔離和數(shù)據(jù)導入、導出。

4 應用場景

綜合匹配試驗實施過程可以分為運行階段（準備、實施、結束）和運維階段，在不同階段伴隨著人員設備流轉、測試記錄判讀、場地設施維護會產(chǎn)生海量的信息流。智慧管理系統(tǒng)將航天電氣系統(tǒng)實驗室與指控中心聯(lián)通，匯集管理各類試驗信息，實現(xiàn)試驗資源集中管控和試驗任務的集中管控，如圖4所示。

圖4 應用場景Fig.4 Application scenario

4.1 試驗運維階段

在試驗運維階段實現(xiàn)多項自動實驗室智能運維管理，包括：

a）網(wǎng)絡安全。

對試驗設備的工作情況進行實時監(jiān)控，開展病毒庫自動更新、定期自動病毒查殺，并進行安全防護異常統(tǒng)計，實時了解平臺內(nèi)設備的安全狀態(tài)，實現(xiàn)試驗設備的自動安全防護。

b）異常情況報警。

試驗現(xiàn)場全景監(jiān)控，通過設定預警事件及門限，對實驗室中發(fā)生的異常人員走動、異常設備出入、實驗室狀態(tài)異常等情況進行自動預警及記錄；通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器等監(jiān)測環(huán)境異常相關信息，對信息進行統(tǒng)計記錄，對異常情況進行報警，實現(xiàn)試驗現(xiàn)場全天候無人值守監(jiān)控；

c）試驗展示。

將各系統(tǒng)信息匯集，完成設備、環(huán)境、任務等各項關鍵試驗信息的自動統(tǒng)計分析，全面掌握試驗現(xiàn)場的試驗開展情況及各項試驗資源使用情況，實現(xiàn)所有現(xiàn)場的全景歸集和集中管控。

4.2 試驗運行階段

在試驗準備、實施、結束階段，對各關鍵要素進行管控，實現(xiàn)試驗運行過程的智慧管理。

a）任務管理。

開展試驗任務標準化流程編制，進行任務線上發(fā)布、任務領取、任務實施、進度及數(shù)據(jù)上傳，操作人員在執(zhí)行過程中依據(jù)任務關聯(lián)的技術資料開展規(guī)范化試驗實施，實現(xiàn)試驗過程精細化集中控制。

b）數(shù)據(jù)管理。

開展與試驗任務緊耦合的試驗數(shù)據(jù)管理，操作人員通過身份認證后在終端進行本次任務的試驗數(shù)據(jù)錄入，自動形成結構化試驗數(shù)據(jù)，試驗結束后上傳試驗數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)資源中心，供后續(xù)分析使用，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的結構化集中管理，便于型號間數(shù)據(jù)橫向比對和數(shù)據(jù)包絡分析。

c）擺渡管理。

提供智慧管理平臺與外界信息交互接口，進行擺渡審批管理，對擺渡信息進行集中審計，可以開展自動數(shù)據(jù)擺渡入網(wǎng)和擺渡出網(wǎng)，實現(xiàn)高效無人值守數(shù)據(jù)自動擺渡。

d）設備管理。

開展設備建賬、入庫、出庫、盤點全面管理，通過RFID 技術實現(xiàn)設備無感出入庫信息登記，建立設備信息化臺賬，關聯(lián)設備名稱編號、多媒體記錄等關鍵信息，實現(xiàn)設備集中數(shù)字化管理。

5 關鍵技術應用

5.1 RFID技術應用

RFID 技術實現(xiàn)由RFID 標簽、RFID 標簽讀寫器以及后端數(shù)據(jù)庫三大部分構成，其中RFID 標簽讀寫器又分為RFID 打印機、RFID 手持讀取終端、RFID門型讀取終端，如圖5所示。

圖5 RFID技術應用Fig.5 RFID technology application

為了防止掃描RFID 擴大設備信息知悉范圍，將設備信息在服務器后端數(shù)據(jù)庫中進行集中存儲，標簽讀寫器僅將設備對應的數(shù)據(jù)組唯一編碼讀取和寫入RFID 標簽中，設備管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)組編碼調用后端數(shù)據(jù)庫對應數(shù)據(jù)組開展設備管理。設備管理系統(tǒng)基于RFID 技術實現(xiàn)設備無感出入庫登記，簡化設備出入庫登記過程，實現(xiàn)設備智能管理。在設備出入庫穿過RFID通道門的過程中，通道門激發(fā)RFID標簽并接收設備ID 信息，將ID 信息與臺賬進行檢索，自動登記相應設備出入庫信息。在RFID 字段中僅實現(xiàn)不少于20 臺設備同時進行出入庫登記，單臺設備識別時間不大于1 s，對比原有人工逐臺紙質臺賬登記的方式，極大縮減設備出入庫登記時間，規(guī)范了設備登記信息。設備盤點時，可使用手持終端對庫房設備進行掃描，快速識別庫內(nèi)現(xiàn)存設備，與臺賬信息進行比對分析，形成盤點報告，單臺識別時間不大于1 s，對比原有人工逐臺清點的記錄的方式，極大縮減了盤點時間，降低了人員錯漏的可能性，提升了盤點的準確度。

5.2 圖像識別技術應用

基于圖像識別技術，通過景深攝像裝置、運動特征提取系統(tǒng)、人體行為模式識別數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對試驗現(xiàn)場異常行為的分析，并對危險行為進行報警。在實驗室內(nèi)部設置任意多邊形區(qū)域和允許進入的人數(shù)，對區(qū)域異常進入、人員絆倒線纜、人員奔跑通過、攝像頭遮擋、人員摔倒、人員徘徊、物品滯留、人數(shù)統(tǒng)計等行為或信息進行智能識別，針對各類情況設置處置策略，可以將報警事件設置為一級事件、二級事件、三級事件、非報警事件，自動進行記錄或聲光報警。對比原有現(xiàn)場派駐管理員長時間人工監(jiān)控的模式，釋放了人力資源，并且實現(xiàn)了24 h無人值守監(jiān)控與自動報警，大幅度提升現(xiàn)場智能化管理水平。圖像識別技術應用如圖6所示。

圖6 圖像識別技術應用Fig.6 Image recognition technology application

5.3 IETM技術應用

基于IETM 技術設計試驗信息化管理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)服務器、測試數(shù)據(jù)庫、試驗管理終端三大部分構成。數(shù)據(jù)服務器實現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)一管理的功能，完成試驗、數(shù)據(jù)、流程、設備、權限的統(tǒng)一分配和管理；測試數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)一存儲、調用的功能，由基礎數(shù)據(jù)庫、試驗數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫和故障數(shù)據(jù)庫組成，數(shù)據(jù)邊界劃分清晰，通過外聯(lián)映射實現(xiàn)數(shù)據(jù)關聯(lián)；試驗管理終端為整個系統(tǒng)的執(zhí)行平臺，負責試驗的執(zhí)行、試驗數(shù)據(jù)采集、實驗室日常數(shù)據(jù)采集和用戶自學習、培訓。試驗信息化管理系統(tǒng)從功能上分工明確，實現(xiàn)了從試驗任務的安排、試驗流程的開發(fā)、試驗任務的發(fā)布、試驗過程的執(zhí)行、試驗數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的上傳存儲等整個試驗流程的管理?？删帉懢C合匹配試驗任務并發(fā)布，將試驗管理終端連接服務器，實現(xiàn)試驗任務的下發(fā)和技術資料的同步。試驗任務下發(fā)到試驗管理終端后，操作人員通過身份認證后登錄平臺，通過終端進行試驗流程的執(zhí)行。在執(zhí)行過程中，可查閱試驗項目關聯(lián)的技術資料，輔助試驗執(zhí)行。試驗結束后，再次使用終端連接服務器硬件，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的上傳。全面提高了試驗管理信息化水平，實現(xiàn)試驗綜合信息的安全共享。IETM技術應用如圖7所示。

圖7 IETM技術應用Fig.7 IETM technology application

6 實施效果

2022年，航天綜合匹配試驗智慧管理平臺在綜合匹配實驗室進行了建設應用，實現(xiàn)了長征二號丙、長征三號乙等航天型號綜合匹配試驗設備、場地、數(shù)據(jù)的智能管理，提升了現(xiàn)場管理質量，縮減了人員投入，提升了試驗數(shù)據(jù)深度利用，驗證了本方案設計的合理性、可行性。綜合來看，航天綜合匹配試驗智慧管理平臺提升了如下三方面的效能。

6.1 連通試驗網(wǎng)絡，打通信息高速路

伴隨著“實驗室和實驗室之間、實驗室和指控中心之間”試驗網(wǎng)絡全面覆蓋、全面聯(lián)通，試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場管理的高速路正式打通，基于試驗網(wǎng)絡為基礎的遠程測試、智能化管理具備了可行性，也為未來綜合匹配試驗實施提供了無限可能，是綜合匹配試驗邁向“高質量、高效率、高效益”的關鍵一步。

6.2 資源高效管理，保障型號試驗任務

通過多項自動化、智能化技術手段的應用，提升了現(xiàn)場管理實施質量，減少了人力資源投入。以設備管理為例，原本每個型號需要配備1名管理員進行設備交接登記，通過設備管理系統(tǒng)的投入使用，實現(xiàn)了設備無紙化管理，借助手持終端和門型終端，只需配備1名管理員即可完成所有入網(wǎng)型號的設備出入庫及日常管理。同時，通過通用測試設備的集中管理，實時統(tǒng)計各測試儀器的可使用狀態(tài)，杜絕了設備難尋的窘境，保障了通用儀器在型號之間的高效使用流轉。

6.3 測試數(shù)據(jù)集中管理，開展數(shù)據(jù)深度利用

平臺實現(xiàn)了航天型號綜合匹配試驗數(shù)據(jù)結構化采集和統(tǒng)一管理，可通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對同一型號不同發(fā)次的數(shù)據(jù)、不同型號間相似狀態(tài)的數(shù)據(jù)開展橫縱向比對，形成數(shù)據(jù)包絡，進一步實現(xiàn)對故障先兆的深入挖掘。后續(xù)更可以與產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）平臺打通，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的高效采集上傳，支撐型號試驗數(shù)據(jù)的全生命周期管理。

7 結束語

本文結合新形勢下航天綜合匹配試驗高度依賴人工、試驗管理難度大、信息化與智能化程度低等特點，制定設計目標，設計了航天綜合匹配智慧管理平臺。通過研究平臺的總體框架、網(wǎng)絡拓撲，對平臺應用場景進行了分析，對關鍵技術應用進行了設計，并對現(xiàn)場實施效果進行了總結。該平臺實現(xiàn)了對實驗室各要素的綜合智能管理，使測試過程可追溯，保證試驗的可靠性，大幅減少人工參與環(huán)節(jié)，釋放人力資源，提升管理效率，實現(xiàn)了“數(shù)據(jù)集中、擺渡集中、殺毒集中、設備集中、展示集中”的新型智慧試驗模式。