故障模式下航天測控任務(wù)指揮自動化流程優(yōu)化研究

龔勇輝 王靜研黃 成

(1.南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心指揮控制站，甘肅 酒泉 732750)

航天測控指揮自動化是指在航天任務(wù)中指揮中心對次級指揮中心、測控設(shè)備進行數(shù)字化指揮和遠程控制，在指揮和執(zhí)行流程中實現(xiàn)自動化。隨著航天器生產(chǎn)制造技術(shù)的進步和空間任務(wù)需求的活躍，發(fā)射和在軌運行的航天器越來越多，這對航天測控指揮及系統(tǒng)運行效率的要求越來越高，特別是應(yīng)對突發(fā)性測控服務(wù)的情況[1]。在機動測控和快速航天的趨勢下，測控設(shè)備故障狀態(tài)時，快速、可靠、精準(zhǔn)指揮是指揮自動化的瓶頸[2]，同時也是應(yīng)對高密度試驗任務(wù)和戰(zhàn)場快速反應(yīng)發(fā)射任務(wù)組織指揮的迫切需要[3]。美國憑借強大的經(jīng)濟實力和科技實力，在航天測控指揮自動化系統(tǒng)的認(rèn)識和建設(shè)方面處于領(lǐng)先地位，其提出的“快速響應(yīng)航天”[4](Operationally Responlive Space,ORS)計劃中提出了航天測控轉(zhuǎn)型及應(yīng)對突發(fā)故障的處置策略，以適應(yīng)“快速決定性作戰(zhàn)”需求[5]，旨在快速滿足民用和軍用需求，以應(yīng)對突發(fā)事件和適應(yīng)未來空間攻防對抗需要。

在有限的資源中，如何借鑒和吸收國外的先進經(jīng)驗，從流程上減少和規(guī)避人為差錯，加快任務(wù)遂行速度，提高指揮效能，推進國內(nèi)航天測控指揮的快速響應(yīng)機制建設(shè)方面的研究顯得極為迫切。針對上述情況，本文結(jié)合工程實踐，對測控組織指揮故障模式原則、流程進行了研究分析。工程驗證表明，故障模式下航天測控任務(wù)指揮自動化流程優(yōu)化研究提高了航天測控指揮自動化的可靠性。

1 故障模式下的指揮控制處理流程

航天測控故障模式下的指揮控制技術(shù)主要研究故障模式下自動處置原則和方法，根據(jù)設(shè)備上報的故障信息、指令執(zhí)行情況等進行故障判決、分析處理，為調(diào)整組織指揮流程、優(yōu)化指令提供決策依據(jù)，提高所屬測控設(shè)備任務(wù)實施效率[6]。

故障模式下指揮自動化信息交換與正常模式相比，只是增加了故障判決及指令處理環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)備實測信息逐級判斷上報，最終由中心級指揮系統(tǒng)進行決策處理。圖1為故障模式下指揮控制處理流程。

圖1 故障模式下指揮控制處理流程

實際工作中，如果任務(wù)不需要中心級指揮系統(tǒng)參加，各次級指揮系統(tǒng)即可視作中心級指揮系統(tǒng)，自動從本級設(shè)備故障信息庫中判讀故障信息，向下級下達指令，其信息處理流程跟中心級指揮系統(tǒng)模式下處理流程相似。

2 故障模式下的指揮自動化原則

根據(jù)故障模式下的指揮決策特點，為提高指揮自動化的可靠性，構(gòu)建最佳的故障知識表示法[7]，需制定一套科學(xué)合理的故障處置原則。

(1) 指揮可控及指揮決策優(yōu)先權(quán)原則。

人工指揮決策權(quán)優(yōu)先于指揮自動化系統(tǒng)各級指揮決策權(quán)，中心級指揮決策權(quán)優(yōu)先于分系統(tǒng)本級指揮，分系統(tǒng)本級指揮決策權(quán)優(yōu)先于設(shè)備級指揮。

(2) 分級指揮原則。

對設(shè)備的運行故障根據(jù)故障影響域?qū)嵭蟹旨壷笓]的故障處置原則。對設(shè)備低影響域運行故障，在設(shè)備級指揮和管理層進行合理解決；對設(shè)備所發(fā)生的較高影響域運行故障，因其故障影響范圍可能是系統(tǒng)性的，所以要逐級上報該類故障，并控制在分系統(tǒng)本級或中心級指揮管理層進行合理處置。

(3) 準(zhǔn)確、實時動態(tài)處理原則。

故障處置準(zhǔn)確性體現(xiàn)在以下幾方面：一是故障知識庫隨任務(wù)參試系統(tǒng)動態(tài)變化及時更新，包括故障知識庫知識的擴充和過時知識的剔除；二是系統(tǒng)故障處置合理，不能對參試設(shè)備的狀態(tài)出現(xiàn)誤判和漏判等；三是故障處置策略應(yīng)隨任務(wù)現(xiàn)場事件動態(tài)靈活可變。

(4) 依據(jù)故障設(shè)備類型、故障等級及故障影響域等條件進行合理指揮決策原則。

依據(jù)航天試驗任務(wù)參試設(shè)備中單點設(shè)備的故障等級，任務(wù)指揮的故障處置對策見3.4節(jié)。

3 故障模式下的指揮自動化流程

在航天測控任務(wù)中，光學(xué)、遙測、雷達及通信等設(shè)備種類多、功能多，產(chǎn)生的故障案例多。對實測數(shù)據(jù)進行故障判決處理的正確與否直接影響任務(wù)指令的下達和執(zhí)行，在對故障進行合理分類及組合的基礎(chǔ)上建立完整全面的故障知識庫，同時采用基于故障知識庫的故障判決處理機制、故障邏輯控制條件的故障處理方法、分級指揮的故障處理原則，適用于上述各種參試設(shè)備，可以有效提高全系統(tǒng)指揮自動化的可靠性[8]。

3.1 故障分類

對參試系統(tǒng)的運行故障分類并對其進行組合處理，為故障模式下的任務(wù)指揮提供重要依據(jù)，是指揮自動化系統(tǒng)故障處理的核心。系統(tǒng)故障可按故障宿主、故障排除時限、故障系統(tǒng)性、故障等級等因素進行分類。

按故障宿主可將故障分為單點故障和非單點故障。關(guān)鍵設(shè)備中的單點設(shè)備所發(fā)生的運行故障為單點故障，該類故障直接影響任務(wù)的圓滿執(zhí)行；非關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生的故障為非單點故障，該類故障對任務(wù)圓滿執(zhí)行和完成無影響。

按故障排除時限可將故障分為瞬時性故障、即時性故障和永久性故障。故障排除或持續(xù)時間很短，如幾十秒，且不影響任務(wù)指揮和執(zhí)行的故障為瞬時性故障；故障排除或持續(xù)時間為幾分鐘(3～10 min)的故障為即時性故障，即時性故障可能對指揮協(xié)同程序中的指令執(zhí)行時間有影響(如正常模式下理論彈道檢查指令發(fā)出與執(zhí)行時間為5 min，而即時性故障模式下其指令發(fā)出與執(zhí)行時間可能會延長至10 min)；永久性故障指恢復(fù)時間大于或接近于任務(wù)指揮協(xié)同程序的故障。

按故障系統(tǒng)性可將故障分為系統(tǒng)性故障和非系統(tǒng)性故障。系統(tǒng)中某一分系統(tǒng)(如中心實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))出現(xiàn)故障對整個測控系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行造成推遲、重新組織等嚴(yán)重后果的故障為系統(tǒng)性故障；只對自身設(shè)備運行有影響而對整個測控任務(wù)不會造成嚴(yán)重后果的故障為非系統(tǒng)性故障。

按故障等級進行故障分類時，根據(jù)故障對任務(wù)影響程度和范圍可分為3個等級。一級故障：影響任務(wù)全局，造成任務(wù)重新組織；二級故障：影響任務(wù)全局，造成任務(wù)協(xié)同程序延遲；三級故障：不影響任務(wù)結(jié)果或?qū)θ蝿?wù)執(zhí)行有輕度影響。

3.2 故障模式及故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)描述

根據(jù)故障模式的分類建立故障處理的元數(shù)據(jù)[9]，并在此基礎(chǔ)上建立故障知識庫。故障模式及故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)由故障發(fā)生時刻、故障等級、故障影響范圍、故障出現(xiàn)時所執(zhí)行的指令、故障描述(故障模式及原因)等字段組成，其描述如表1、表2所示。

表1 故障模式的元數(shù)據(jù)描述

表2 故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)描述

3.3 故障知識庫的建立

指揮自動化對任務(wù)指揮和執(zhí)行過程中各階段可能出現(xiàn)的故障模式進行梳理和預(yù)想，在此基礎(chǔ)上建立故障知識庫，分為設(shè)備級故障知識庫和系統(tǒng)級故障知識庫[10]。

(1) 設(shè)備級故障知識庫：主要針對任務(wù)參試設(shè)備，將故障性質(zhì)相同的故障列舉出來形成故障模式并對其采用規(guī)范化形式一一編號入庫。故障模式入庫時其元數(shù)據(jù)描述主要采用故障ID(故障ID編號唯一，采用“信宿+序號”的編碼方式保證其唯一性)、故障宿主、故障設(shè)備所屬系統(tǒng)、故障模式(故障描述)、故障等級、故障影響范圍(如設(shè)備級或系統(tǒng)級)、對任務(wù)造成的影響或后果、故障處理方法或?qū)Σ?、故障排除時限等字段來描述，其中故障類型分別指明故障宿主類型、故障排除時限類型、故障等級類型，表3列舉了某中心設(shè)備級故障模式及故障處理對策(輔助指揮決策)采用字節(jié)方式編碼，具體編碼如表4所示。

(2) 系統(tǒng)級故障知識庫：系統(tǒng)級故障知識庫的建立基于故障樹分析方法(FTA)，尋找導(dǎo)致系統(tǒng)級事件(用故障樹頂事件表示)發(fā)生的原因或原因組合，識別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式，其常用方法是求故障樹的最小割集[11-12]。系統(tǒng)級故障知識庫主要在各設(shè)備級故障知識庫的基礎(chǔ)上利用事件串聯(lián)或并聯(lián)兩種方式[13]，采用故障樹分析方法建立。中心級指揮軟件的系統(tǒng)級故障知識庫是各系統(tǒng)本級指揮故障知識庫的并集。

表3 某中心設(shè)備級故障模式及其故障處理對策

表4 故障處理對策或指揮決策

例如以某中心設(shè)備級故障知識庫、某T型設(shè)備設(shè)備級故障知識庫、某Y型設(shè)備設(shè)備級故障知識庫為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)本級指揮軟件的系統(tǒng)級故障知識庫，其具體過程如下：① 利用并聯(lián)事件模型形成系統(tǒng)級故障模式：采用某中心、某T型設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的運行故障構(gòu)建故障模式及其故障處理模型；② 利用串聯(lián)事件模型形成系統(tǒng)級故障模式：采用某Y型主、備設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)級故障模式及其故障處理模型，當(dāng)某Y型主、備設(shè)備同時發(fā)生一級運行故障時，相應(yīng)設(shè)備級運行故障模式則構(gòu)成系統(tǒng)級故障或事件。

3.4 故障分級處理

指揮自動化系統(tǒng)中對參試系統(tǒng)(設(shè)備)可能出現(xiàn)的故障模式及故障處理所涉及到的故障處置預(yù)案進行列舉，以此為依據(jù)作為故障模式下分級指揮的故障處理模型。通常故障指揮模式分三級，分別是中心級、次(部站)級、設(shè)備級故障指揮模式[14]。

3.4.1 中心級指揮故障處理

中心級指揮故障處理能夠依據(jù)各分系統(tǒng)本級上報的指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式和故障處理結(jié)果為指揮員提供故障模式下人工干預(yù)的指揮決策信息或下達后繼指令。其涉及兩方面的內(nèi)容：一是故障模式下的中心級指揮決策，即根據(jù)各分系統(tǒng)上報的故障模式為指揮員提供指揮決策依據(jù)，指揮軟件應(yīng)能根據(jù)本級故障模式及其分類建立的故障知識庫進行故障模式的分析判決處理；二是根據(jù)各分系統(tǒng)上報的任務(wù)進展情況或指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式和故障處理結(jié)果自動生成后繼指令驅(qū)動系統(tǒng)指揮流程。圖2描述了基于故障知識庫的中心級指揮軟件故障分析判決處理的邏輯流程。

圖2 基于故障知識庫的中心級指揮軟件故障判決處理邏輯流程

信息匯集單元：用于實時匯集各分系統(tǒng)指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式、故障處理結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)或事實并存儲到故障緩存中，作為中心級實時指揮或故障判決處理的信息來源。

相關(guān)數(shù)據(jù)(事實)：相關(guān)數(shù)據(jù)(事實)是臨時的，它采用隊列方式緩存于具體故障模式或問題相關(guān)的數(shù)據(jù)和事實。在某問題或故障得到解決后，這些數(shù)據(jù)一般不再保留。故障緩存數(shù)據(jù)是以事實的形式保留的，這些事實為推理機在故障分析判決推理過程中所用。除此之外，緩存數(shù)據(jù)也可用來對故障知識庫進行調(diào)試。即系統(tǒng)的指揮決策和控制行為一旦不符合最高級指揮員指揮要求時，一般認(rèn)為是知識出了問題，因此需對知識庫進行調(diào)試，找出有問題的知識。

故障判決處理：根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)(事實)啟動知識檢索單元完成故障判決分析處理，并將分析判決結(jié)果反饋給自動發(fā)令控制單元。從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度考察故障判決處理單元，采用適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能表示系統(tǒng)故障模式及其故障處理模型，而描述故障模式及其處理模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可形成特有的故障判決處理方法。因此，在故障信息庫知識表示的基礎(chǔ)上巧妙采用“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”的思想方法是實現(xiàn)故障判決處理的關(guān)鍵。

知識檢索單元：根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)(事實)完成對故障知識庫中相關(guān)問題的檢索，并將相關(guān)知識返回給故障判決處理單元。

對于關(guān)鍵設(shè)備中單點設(shè)備所發(fā)生的不可預(yù)見故障，中心級指揮軟件獲取相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運行故障及其故障處理結(jié)果，依據(jù)故障設(shè)備類型、故障等級等條件和相應(yīng)的故障處置原則，對故障進行邏輯控制處理，實現(xiàn)故障模式下的指揮控制[15]，其故障指揮控制處理流程如圖3所示。根據(jù)實時數(shù)據(jù)通過知識檢索實現(xiàn)對故障的判決處理，依據(jù)指揮決策對故障等級同時判決并根據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)入相應(yīng)后繼處理進程，實現(xiàn)任務(wù)的順利推進。

圖3 基于故障邏輯條件的故障指揮控制處理流程

3.4.2 分系統(tǒng)本級指揮故障處理

故障模式下分系統(tǒng)本級指揮和故障控制處理，涉及本控和受控兩種情形。在中心指揮下，分系統(tǒng)本級指揮在本級故障管理權(quán)限范圍內(nèi)將故障影響范圍控制在本級指揮層次，從而不影響中心任務(wù)指揮。若超出預(yù)案和本級處置權(quán)限，要及時上報故障模式及其故障處理結(jié)果，便于中心級指揮軟件根據(jù)上報故障的等級和故障影響范圍做出指揮決策。在無中心級指揮參與的情況下，分系統(tǒng)本級指揮可以在本級范圍內(nèi)依據(jù)中心級指揮故障處理流程完成航天試驗任務(wù)組織指揮，其故障處理方法同中心級指揮。

3.4.3 設(shè)備級指揮故障處理

(1) 在本級故障管理權(quán)限范圍內(nèi)將故障等級低的故障影響范圍控制在設(shè)備級指揮層次，從而不影響所屬分系統(tǒng)本級和中心級任務(wù)指揮。

(2) 超出本級故障范圍管理權(quán)限，由發(fā)生運行故障的設(shè)備通過設(shè)備指揮終端或遠程操控分系統(tǒng)逐級上報故障模式和故障處理結(jié)果；上級指揮根據(jù)上報的故障模式和故障處理結(jié)果完成故障判決處理及故障處理結(jié)果的判決，提供故障模式下的指揮決策以驅(qū)動和控制航天試驗任務(wù)指揮及執(zhí)行流程。

4 實例分析

在某次航天任務(wù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，出現(xiàn)了因某處設(shè)備主副機同時故障而影響任務(wù)流程的情況，應(yīng)用故障模式下的指揮自動化流程進行處置，正確地識別出了該故障，并根據(jù)故障知識庫形成了決策信息，具體決策判斷詳見表5、表6。在事后的故障復(fù)現(xiàn)中，與軟件判決結(jié)果一致，圖4為此次故障發(fā)生時刻設(shè)備級指揮軟件的運行界面。

表5 故障處理結(jié)果信息

表6 故障模式信息

5 結(jié)束語

航天測控任務(wù)指揮自動化系統(tǒng)依據(jù)航天任務(wù)遂行指揮流程及協(xié)同指揮程序?qū)⒉僮髦噶钕逻_給各試驗設(shè)備進行遠程控制，并對指令執(zhí)行和完成情況進行匯集、分析和判決處理，指揮及執(zhí)行流程中的設(shè)備運行故障時自動轉(zhuǎn)為故障模式進行判決處理，繼續(xù)下達指令或轉(zhuǎn)人工決策，保證航天測控任務(wù)遂行程序正確、暢通高效。通過研究故障模式下指揮決策及故障處理機制，提供了任務(wù)執(zhí)行異常情況下的輔助指揮決策、任務(wù)動態(tài)延時等故障處理手段，完善了系統(tǒng)功能，優(yōu)化了組織流程，提高了指揮控制處理的自動化水平，增強了航天測控任務(wù)指揮自動化的可靠性。目前，該研究在某指揮中心已完成部署并通過一體化仿真測試，達到了預(yù)期效果。

圖4 故障模式下設(shè)備級指揮軟件界面截圖