吳 偉，張 威，潘順良，李鴻飛，楊 碩

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器電測是指對器上設備的電氣功能和性能指標的測試[1]。為了驗證載人航天器的各項性能和功能是否滿足設計要求，并考核載人航天器上硬件設備和軟件程序的可靠性，在其發(fā)射之前需要進行長時間的電測。載人航天器結構復雜、分系統(tǒng)多，在每次測試過程中都會產生大量的測試數(shù)據(jù)。人工判讀這些數(shù)據(jù)的正確性將耗費大量的人力，因此在載人航天器的電測過程中引入了自動判讀系統(tǒng)。

自動判讀系統(tǒng)利用現(xiàn)有的計算機技術，實時監(jiān)視和分析載人航天器的遙測數(shù)據(jù)，并依據(jù)已經錄入計算機的知識和規(guī)則，自動地進行數(shù)據(jù)的判讀。這不僅極大地減輕了測試人員的判讀負擔，也提高了數(shù)據(jù)判讀的準確性，提升了發(fā)現(xiàn)載人航天器潛在故障的能力。

目前自動判讀系統(tǒng)已經全面應用于載人航天器各個型號的電測過程中，發(fā)現(xiàn)了一些靠人工判讀難以發(fā)現(xiàn)的錯誤，發(fā)揮了很大的作用。本文介紹目前在載人航天器電測過程中使用的自動判讀系統(tǒng)，并對采用的方案和取得的效果進行討論。

1 自動判讀系統(tǒng)方案

載人航天器電測中采用的自動判讀系統(tǒng)是專家系統(tǒng)的一種應用。專家系統(tǒng)是人工智能領域的研究熱點[2-3]，在世界范圍內都得到了廣泛的應用，是人工智能從理論研究走向實際應用的成功案例。自1984年美國航空航天局開始大規(guī)模引入人工智能技術開始，世界各地的航天機構都陸續(xù)開始在航天器研制的各個階段進行專家系統(tǒng)的開發(fā)和應用，并收到了很好的效果[4-8]。

基本的專家系統(tǒng)由知識庫和推理機構成，其一般實現(xiàn)中還包含有知識獲取模塊和結論顯示模塊[9]。與此類似，目前載人航天器電測中采用的自動判讀系統(tǒng)的構成包括：判讀數(shù)據(jù)庫，判讀推理機，結論存儲引擎，知識管理客戶端和結論顯示客戶端，其系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 自動判讀系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of the automatic diagnostic system

自動判讀系統(tǒng)各組成部分的功能如下。

1）判讀數(shù)據(jù)庫：存放判讀所需要的知識（由判讀規(guī)則組成）、判讀推理機得出的判讀結論以及所測試載人航天器的基本信息（如指令和參數(shù)信息等）。在工作過程中，判讀數(shù)據(jù)庫為判讀推理機提供判讀知識和其他基本信息，接收結論存儲引擎發(fā)送來的判讀結論并加以存儲，為各個結論顯示客戶端提供歷史判讀結論的查詢服務，并能夠存儲結論顯示客戶端對歷史判讀結論的分析信息。此外，判讀數(shù)據(jù)庫為知識管理客戶端提供判讀知識，并接收知識管理客戶端對判讀知識的修改、添加與刪除。

2）判讀推理機：負責從判讀數(shù)據(jù)庫獲得判讀知識并加以解析，處理網絡發(fā)送來的參數(shù)代號和工程值以及指令發(fā)送信息，得出判讀的結論，將判讀結論發(fā)送給結論存儲引擎，并通過測試局域網廣播給各個結論顯示客戶端。

3）結論存儲引擎：負責處理判讀推理機發(fā)出的判讀結論，并將處理后的結論存入判讀數(shù)據(jù)庫。判讀推理機發(fā)出的判讀結論數(shù)據(jù)量巨大，但是實際應用中測試人員需要注意的僅是判讀出錯以及判讀由錯變對的相關信息。結論存儲引擎就負責從判讀推理機發(fā)出的大量判讀結論中提取出這兩部分信息，并按照數(shù)據(jù)庫需要的格式存入判讀數(shù)據(jù)庫。

4）知識管理客戶端：提供人機交互界面，從判讀數(shù)據(jù)庫中獲取判讀知識并將其顯示給用戶，同時為用戶提供修改判讀知識的接口。知識管理客戶端的主要功能包括判讀規(guī)則編輯、規(guī)則檢查、規(guī)則查詢、規(guī)則的批量導入導出等，能支持用戶對判讀知識進行便捷的修改、添加和刪除。

5）結論顯示客戶端：提供人機交互界面，主要包括實時判讀結論顯示和歷史判讀結論查詢功能。實時判讀結論顯示功能是指實時將判讀推理機得出的判讀結論顯示在界面上，并提供出錯時的報警，提醒測試人員對當前出現(xiàn)的錯誤進行處理；歷史判讀結論查詢功能是指測試人員可以方便地查看某一段時間內的歷史判讀結論，并能夠為這些歷史判讀結論填寫分析信息。

對于專家系統(tǒng)而言，知識庫與推理機是其主要組成部分[10]，也是設計的重點和難點。在載人航天器所使用的這套自動判讀系統(tǒng)中，判讀知識和判讀推理機的設計是系統(tǒng)設計的核心。

2 判讀知識的表達與組織

此自動判讀系統(tǒng)中，判讀知識采用了航天器測試常用的“條件+期望值”表達法，用產生式規(guī)則的形式表示判讀知識，并采取正向推理的策略運用判讀知識。一個參數(shù)或者指令的判讀知識一般由若干條判讀規(guī)則組成，每條判讀規(guī)則由規(guī)則關鍵字、前件及后件等部分組成，其形式為“If前件 Then后件;”。其中，“If”和“Then”為規(guī)則關鍵字，前件表示判讀的條件，后件給出了判讀的結論，每條判讀規(guī)則以“;”符號結尾。在一條判讀規(guī)則中，前件可以為空，表示此判據(jù)無須其他判決條件，但是后件必須存在。當前件為空時，“If”和“Then”規(guī)則關鍵字不用給出。

規(guī)則的前件為判據(jù)的條件部分，其既可以是一條單獨的布爾表達式（如“A001＞9”），也可以是幾個布爾表達式的邏輯組合。目前自動判讀系統(tǒng)的知識表達支持“與”邏輯（關鍵字為“&”）、“或”邏輯（關鍵字為“||”）和“非”邏輯（關鍵字為“！”），而布爾表達式則支持＜，＜=，＞，＞=，==，!=等常用的關系運算符和加減乘除等常用的數(shù)學運算符。

規(guī)則的后件為判據(jù)的結論部分，目前自動判讀系統(tǒng)中后件主要有以下4種表達方式：

1）期望范圍表示。如“IfA001＞9 ThenEL=0,EU=4;”，其中“EL”和“EU”分別為表示期望下限和期望上限的關鍵字。此表達式表示當參數(shù)A001的值大于9時，如果所判參數(shù)的取值在0～4之間則為正確，否則為錯誤。

2）期望值與誤差范圍。如“IfB001＞9 ThenB002.EV=12,ERR=1;”，其中“EV”和“ERR”分別為表示參數(shù)值和誤差范圍的關鍵字。此表達式表示當參數(shù)B001的值大于9時，若參數(shù)B002的取值范圍在12±1內時為正確，否則為錯誤。

3）期望規(guī)律表示。如“IfC001＞9 ThenRET=incp(1,0,50)”，其中“RET”和“incp”分別為表示規(guī)則返回值和遞增函數(shù)的關鍵字。此表達式表示當參數(shù)C001的值大于9時，參數(shù)值若以步長1在0～50的范圍內周期性遞增變化，則為正確，否則為錯誤。期望規(guī)律一般由函數(shù)表述，如此例中所述的“incp”函數(shù)。

4）直接返回判斷結論。如“IfD001＞9 ThenRET=1”，則表示當參數(shù)D001的值大于9時，結論正確。在直接返回判斷結論時，需要注意結論返回的完備性，同時要考慮到何時返回錯誤、何時返回正確，因此使用直接返回判斷結論方式表示判讀知識時，往往由幾條判斷規(guī)則共同組成。

由以上4種后件表達方式可以看出，前2種的后件中是一個期望表達式，而后2種的后件則直接給出了結論的返回值。實際上所有用期望表達式表達的后件都可以轉化為直接給出結論的方式，但是使用期望表達式往往更為簡潔。

目前，自動判讀系統(tǒng)的判讀知識表達除了支持常用的數(shù)學運算符、關系運算符和邏輯運算符以外，還支持遞增、遞減、差值、按位取值、正弦、余弦、正切等常用的函數(shù)和表達，使得載人航天器專家的知識可以順利地轉化為判讀知識，實現(xiàn)了較好的知識覆蓋。

3 判讀推理機的設計

判讀推理機是整個自動判讀系統(tǒng)的核心，其推理能力直接影響到自動判讀的有效性與實時性。目前，載人航天器電測所采用的自動判讀推理機的工作流程如圖2所示。

圖2 判讀推理機工作流程示意圖Fig.2 The flow chart of the diagnostic inference engine

由圖2可知，判讀推理機啟動后首先從判讀數(shù)據(jù)庫中加載并解析判讀知識，得出判讀所需的規(guī)則，并讀入所測航天器的參數(shù)和指令的相關信息，接著進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。若接收到了網絡發(fā)送來的測試數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)是遙測參數(shù)、設備數(shù)據(jù)還是遙控指令信息，并分別更新參數(shù)列表、執(zhí)行指令作用效果，接著匹配規(guī)則并執(zhí)行參數(shù)判讀、指令判讀、指令監(jiān)視和事件判讀（參數(shù)判讀、指令判讀、指令監(jiān)視和事件判讀的詳細含義將在4.1節(jié)給出）。得出判讀結論后，判讀推理機將判讀結論發(fā)送給結論存儲引擎，并以廣播的方式發(fā)送到測試局域網供結論顯示客戶端使用。

自動判讀系統(tǒng)所采用的判讀推理機充分考慮了載人航天器測試的特點，用遙測參數(shù)、遙控指令等信息驅動判讀規(guī)則匹配，得到了較好的效果，判讀結論的準確性高、實時性好。

4 已實現(xiàn)的功能和取得的成效

4.1 自動判讀系統(tǒng)已經實現(xiàn)的功能

根據(jù)載人航天器電測的特點，自動判讀系統(tǒng)除了實現(xiàn)對航天器參數(shù)的判讀外，還實現(xiàn)了指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)視等功能。

1）參數(shù)判讀

參數(shù)判讀主要監(jiān)視載人航天器在電測過程中遙測下傳的各種參數(shù)，如溫度值、氣壓值、電壓值等。由于指令的發(fā)送、飛行模式的改變等都會對航天器上的參數(shù)產生影響，所以需要將這些影響因素寫入規(guī)則表達式的前件；此外，有時雖然指令已經發(fā)送，但是對于某些參數(shù)的影響需要延遲一段時間才會顯現(xiàn)出來，因此判讀知識中還包含有與指令相關的延遲判讀信息。

2）指令判讀

指令判讀主要監(jiān)視指令發(fā)送后其執(zhí)行效果是否正常。當一條指令被發(fā)送后，一般會導致相關參數(shù)的變化，指令判讀就是通過監(jiān)視這些參數(shù)，來判讀指令是否被成功執(zhí)行。

3）事件判讀

模擬飛行試驗是航天器測試中不可缺少的一部分。在模擬飛行試驗中，指令是按照預先設定的時間順序自動發(fā)送的。事件判讀的目的是監(jiān)視模擬飛行試驗中指令的發(fā)送和執(zhí)行情況。它以指令判讀的知識為基礎，并根據(jù)模擬飛行試驗已經設定好的指令發(fā)送時間來監(jiān)視指令的作用效果，以判讀出指令發(fā)送的時間是否準確、執(zhí)行是否正常。

4）指令監(jiān)視

指令判讀是在已知指令發(fā)送的情況下判讀指令的作用效果是否正常。而指令監(jiān)視與指令判讀不同，是指在不知道指令發(fā)送的情況下，通過航天器上遙測下傳的各種參數(shù)值來判斷這些參數(shù)的值是否和某條指令發(fā)送后導致的執(zhí)行效果一致，從而逆向推導出可能的指令發(fā)送。指令監(jiān)視是通過遍歷所有指令的執(zhí)行效果來實現(xiàn)的，其目的在于監(jiān)視航天器上指令的發(fā)送情況，及時發(fā)現(xiàn)和消除設備故障及誤操作。

4.2 自動判讀系統(tǒng)所取得的成效

目前，參數(shù)判讀、指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)視等功能都已經在載人航天器的日常應用中發(fā)揮了重要作用，雖然還未完全取代人工判讀，但是已經為測試人員提供了另一種方便可靠的判讀依據(jù)。在已經開展的載人航天器各型號的測試中，自動判讀系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了人工判讀難以發(fā)現(xiàn)的參數(shù)跳變等問題，提升了載人航天器測試的有效性。

此外，目前自動判讀系統(tǒng)中的判讀知識組織清晰、繼承性好，采用數(shù)據(jù)庫技術后轉移和沿用十分方便，同系列載人航天器判讀知識的沿用比例接近 100%，極大地節(jié)省了人力物力。隨著系列型號電測的不斷進行，自動判讀知識得以不斷改進和積累，知識的準確性和覆蓋率得到穩(wěn)步提升。

5 結束語

經過多年的發(fā)展，自動判讀系統(tǒng)已經彌補了人工判讀的很多不足，取得了良好的效果。自動判讀系統(tǒng)的參數(shù)判讀、指令判讀、事件判讀和指令監(jiān)視等功能方便實用，為載人航天器的測試提供了有效的支撐手段。隨著判讀功能和判讀知識的不斷完善，自動判讀系統(tǒng)將在未來的載人航天器測試中發(fā)揮更加重要的作用。

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