應用測試島的組批衛(wèi)星流水線測試模式設計

劉鶴 趙陽 張淳 劉曉敏

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛(wèi)星是一種大型復雜裝備系統(tǒng)，具有高度的定制性，技術復雜，制造流程繁多。現階段，國內總裝、集成、測試(AIT)研制生產主要采用單件或小批量排產模式，一般耗費較大的人力、時間成本，衛(wèi)星AIT工作能力受到限制[1]。隨著航天產業(yè)民用化市場開放，應用需求不斷提高，未來會更加聚焦全球覆蓋式組網衛(wèi)星的生產研制。因此，在資源有限的情況下，衛(wèi)星AIT階段生產調度壓力越來越顯著，主要體現在傳統(tǒng)AIT綜合測試模式在應對組批衛(wèi)星生產要素調度方面略顯不足。目前，國內衛(wèi)星AIT階段生產組織形式主要分為以下2種。

(1)傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星AIT生產模式。主要采用原位測試模式，測試設備、人員和場地與衛(wèi)星配套使用，并不進行資源動態(tài)調配和共享。此類AIT生產模式仍保留了孤立捆綁式形態(tài)，缺乏區(qū)域性統(tǒng)籌資源調度能力。因此，在生產過程中難免存在閑置期，或者會發(fā)生資源不足阻滯正常生產的現象[2]。

(2)北斗二號組批衛(wèi)星AIT生產模式。該模式根據測試組織矩陣進行設計，采用表格化設計理念確定組織矩陣中測試人員和測試設備配比情況。此外，生產中又引用了雙星分組生產模式，對人員、設備及場地進行小范圍調配和共享，可支持同類多星并行生產，在一定程度上提高了生產效率。但是，該生產模式的資源共享和調配范疇受到了限制，且資源調配和共享的深度和廣度不足，無法對長周期內所有在研衛(wèi)星進行動態(tài)最優(yōu)的排產策略設計。

國外先進衛(wèi)星AIT生產線早已引入了流水線裝配生產模式。波音公司衛(wèi)星總裝采用的一種新型裝配模式——脈動式裝配。在衛(wèi)星總裝過程中，待裝配衛(wèi)星運送到裝配位置后靜止停放，在一定的周期(節(jié)拍時間或間歇時間)內完成操作后通過輸送線移動到下一個裝配位置。脈動生產線是基于脈動模式建立的衛(wèi)星總裝配線，是間歇移動生產流水線的一種。但是，它仍只在裝配環(huán)節(jié)上采用，對于整個AIT階段，衛(wèi)星的綜合測試和部件裝配是交替實施的。因此，國外的單純流水線裝配生產模式，不能完全適應國內組批衛(wèi)星的AIT裝配測試全過程研制生產。

本文以組批衛(wèi)星AIT階段新型生產模式及資源調度策略為研究對象，設計應用測試島的流水線測試模式，在延續(xù)衛(wèi)星高質量、高可靠、全覆蓋式的試驗前提下，為衛(wèi)星智能AIT工廠理念構建基礎框架。同時，本文采用基于多層編碼的遺傳算法，解決組批衛(wèi)星AIT流水線生產模式下調度策略優(yōu)化問題，對人員、設備和時間成本等生產要素進行合理規(guī)劃和分配，為高效、高可靠、智能化的組批衛(wèi)星AIT生產平臺建立技術基線。

1 應用測試島的組批衛(wèi)星流水線測試模式

本文調研汽車、集成電路等先進制造領域的流水線式綜合生產模式[3-7]，并結合現有衛(wèi)星AIT研制生產過程的綜合測試總體設計要求，基于測試階段、測試功能和測試場地來界定AIT全過程的各個工序，每個工序位即為一個測試島，同類測試島具備相同生產職能。因此，衛(wèi)星AIT全流程可理解為由不同類型測試島按照一定順序串聯形成的生產過程。同類衛(wèi)星并行測試調度問題，就是各類測試島資源的統(tǒng)籌分配問題。通過設計測試島流水線生產模型，可以細化AIT過程各階段準入準出條件，明確各階段實施要素，將傳統(tǒng)AIT過程抽象為以測試島為功能節(jié)點的流水線綜合生產模型。其具體實現方式為：①構建AIT生產的信息化調度管理系統(tǒng)，便于生產要素的統(tǒng)籌分配；②實現復雜約束條件下排產策略的智能分析、引導和實施，解決傳統(tǒng)AIT模式下的資源閑置浪費，或者資源不足阻滯生產問題；③通過先期預測分析，幫助管理人員很好掌控生產要素短板和生產流程的未來走勢，實現生產資源動態(tài)調配。

基于功能區(qū)域化測試島流水線的生產模式如圖1所示。整個流水線由各類測試島串聯形成，同類測試島又包含多個相同功能測試區(qū)域，為組批衛(wèi)星并行測試提供支持。該測試模式以數據處理中心、數據診斷中心、調度中心、仿真中心、設計中心和研發(fā)中心為信息技術支撐。

1.1 測試島關鍵要素分析

按照現有組批衛(wèi)星的AIT綜合測試研制生產要求，基于測試階段、測試功能和測試場地，共建立8類測試島，其中北京地區(qū)共建立7類測試島，分別是A狀態(tài)測試島、B狀態(tài)測試島、C及電磁兼容性(EMC)試驗測試島、力學試驗測試島、熱試驗測試島、出廠測試島和故障診斷驗證島，發(fā)射場建立發(fā)射場測試島，如表1所示。組批衛(wèi)星通過在測試島間流轉實現流水線測試，在進入每類測試島啟動測試前，應按每類測試島的準入條件要求進行檢查，當全部條件均滿足時方可啟動綜合測試。

圖1 應用測試島的流水線測試模式框圖Fig.1 Diagram of flow-shop testing mode using testing islands表1 測試島關鍵要素說明Table 1 Key elements description of testing islands

測試島測試目標與傳統(tǒng)AIT模式對比場地要求設備要求A狀態(tài)測試島 檢查衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)之間電氣接口的正確性和匹配性;檢查平臺與測試設備之間電接口的正確性和匹配性B狀態(tài)測試島 檢驗各分系統(tǒng)設備在整星條件下的功能、性能指標是否滿足設計要求;檢驗衛(wèi)星飛行程序和起飛狀態(tài)設計的合理性和正確性 傳統(tǒng)測試模式是采用原位測試方法,即各顆衛(wèi)星固定工位。 流水線測試模式支持A狀態(tài)和B狀態(tài)測試,測試過程中可在同類工位中流轉和互換,以配合整體調度要求 傳統(tǒng)測試模式中,測試設備是與衛(wèi)星配套使用。 流水線測試模式下,該階段測試所需設備是與相應測試島來配合使用,可服務于所有同類衛(wèi)星,并不綁定在某顆衛(wèi)星使用C及EMC試驗測試島 檢驗各分系統(tǒng)設備在整星無線條件下的功能、性能指標是否滿足設計要求力學試驗測試島 通過力學環(huán)境試驗前、試驗中、試驗后衛(wèi)星電性能的測試,檢驗衛(wèi)星經過力學環(huán)境試驗后電性能是否滿足設計指標要求。熱試驗測試島 檢驗衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)使衛(wèi)星儀器設備保持在規(guī)定工作溫度范圍內的能力;在模擬軌道工況和熱真空循環(huán)溫度條件下,對衛(wèi)星電性能進行測試,檢驗衛(wèi)星適應空間熱真空環(huán)境的能力 傳統(tǒng)測試中,該類測試場地也是進行合理化排產使用,與流水線測試模式功能相似 傳統(tǒng)測試模式中,測試設備需要跟隨衛(wèi)星轉移運輸并配套使用。 流水線測試模式下,采用固有設備配合完成電測任務,主要是配合EMC、力學或熱試驗測試所用的地面支持系統(tǒng),配合完成電性能測試的地面輔助電纜、電纜轉接箱、各系統(tǒng)電性能測試設備。以上設備服務于各類型測試島,并不隨衛(wèi)星流轉出廠測試島 通過對衛(wèi)星進行較詳細的電測,最終確認衛(wèi)星的電性能指標是否滿足設計要求。故障診斷驗證島 用于在衛(wèi)星常規(guī)測試島流程中出現異常問題時長時間的診斷定位發(fā)射場測試島 檢查衛(wèi)星通過長途運輸后電氣系統(tǒng)性能是否滿足設計指標,檢測衛(wèi)星轉場后電氣系統(tǒng)性能是否滿足發(fā)射衛(wèi)星的技術指標 傳統(tǒng)測試模式采用原位測試方法,即各衛(wèi)星固定工位。 流水線測試模式支持出廠測試島、故障診斷驗證島、發(fā)射場測試島測試。測試過程中可在同類工位中流轉和互換,以配合整體調度要求 傳統(tǒng)測試模式中,測試設備是與衛(wèi)星配套使用,并不進行流轉。 流水線測試模式下,該階段測試所需設備是與相應測試島來配合使用,可服務于所有同類衛(wèi)星,并不綁定在某顆衛(wèi)星使用

1.2 測試島流水線調度生產問題描述

衛(wèi)星AIT過程可細分到各類型測試島功能實現，但在流水車間生產問題中同樣要考慮裝配準備、等待和轉運等時間耗損問題。因此，應用測試島的流水線生產過程劃分為裝配及準備、綜合測試、等待、轉運4個階段，各階段之間的關系如圖2所示。綜合考慮各測試島的工位及配套設備是否流轉等因素，可以將北京地區(qū)的7種測試島合并為4種類型，包括：常態(tài)下的測試工位、EMC無線測試工位、力學試驗工位、真空熱試驗工位。根據固有的生產流程，設計測試島流水線結構，如圖3所示。

圖2 應用測試島的流水線生產流程Fig.2 Production process of flow-shop work using testing islands

圖3 組批衛(wèi)星流水線調度示意Fig.3 Flow-shop scheduling of batching satellites

測試島流水線調度生產問題描述如下。①所有衛(wèi)星都需要按照相同的AIT綜合測試路徑經過多個測試階段完成；②至少有1個測試島鏈有2個或2個以上同構并行測試島，每個測試島鏈上的測試島數量不等；③每個測試島上的衛(wèi)星一旦開始測試就不能中斷，異常除外；④任意1顆衛(wèi)星的同一個階段只能在1個測試島內開展測試；⑤在任意2個相鄰階段之間有運輸時間；⑥組批衛(wèi)星中因為功能的差異，其配備的載荷設備也不盡相同，在同一個階段生產時間也不相同；⑦在衛(wèi)星AIT過程中，常態(tài)型工位可以覆蓋多個測試階段，因此存在衛(wèi)星重新進入到與先前相同功能測試島鏈的過程。以圖3為例，衛(wèi)星在出廠之前都要重新經過測試島鏈1作為最后一個階段的AIT測試。

2 組批衛(wèi)星生產調度模型

應用測試島理念設計的組批衛(wèi)星流水線測試模式，提出了測試島流水線生產模式中的關鍵要素，并對AIT綜合測試階段的組批衛(wèi)星流水線生產調度問題進行了科學描述，明確了測試島流水線的生產流程。為了能夠解決組批衛(wèi)星智能排產問題，需對以上問題進行科學建模，并研究復雜流水線系統(tǒng)排產策略的非線性尋優(yōu)算法。

2.1 混合流水車間調度模型

組批衛(wèi)星AIT測試流程調度可歸為混合流水車間調度問題(HFSP)[8-13]。HFSP是經典流水車間與并行機作業(yè)車間的結合，具有多任務、多工序、多并行特點。通過合理調度多階段并行機的生產任務，縮短完工時間，降低生產成本。目前，國內外針對不同的調度目標(如完工時間、生產線平衡)，通過車間調度優(yōu)化開展研究。其基本原理是：通過一定約束情景的假設，建立車間生產模型，并借助優(yōu)化技術求解，完成生產任務排序及設備分配。

根據第1節(jié)構建的組批衛(wèi)星流水線測試模式，研究該模式下組批衛(wèi)星生產調度模型。衛(wèi)星AIT綜合測試中常用的術語與HFSP模型的關系為：測試階段對應流水線工廠模型中的工序，測試島對應流水線工廠模型中的工位。

在HFSP中，衛(wèi)星在某個測試階段內可由對應測試島鏈內的某一個測試島完成，并且至少存在一個階段由一個或多個測試島實現該任務。記Ji為待測衛(wèi)星序號(i=1,2,…,n，n為衛(wèi)星總數)，mj為第j個階段的測試島總數，ti,j,k，si,j,k，和ei,j,k分別為衛(wèi)星Ji在第j個階段第k個測試島上的總裝集成測試時間、開始時間和工作完成時間，最大允許完工時間Cmax=max{C1,C2,…,Cn}，p為測試階段總數。其HFSP模型描述如下。

minCmax=min {max{ei,p}}i=1,2,…,n

(1)

(2)

(3)

k=1,2,...,mj

(4)

ei,j=si,j+1+ti,ji=1,2,...,n；

j=1,2,...,p

(5)

ei,j≤si,ji=1,2,...,n；j=1,2,...,p

(6)

l=1,2,...,n；k=1,2,…,mj;j=1,2,…,p

(7)

j=1,2,…,p；l1=1,2,…,n；l2=1,2,…,n；

l1≤l2；k=1,2,…,mj

(8)

式中：L為測試島的最大允許測試周期。

(9)

(10)

式(1)表示以最小化最大綜合測試時間為目標函數；式(2)確保任何一個測試階段的某個位置只能安排一顆衛(wèi)星；式(3)確保任何一個測試階段中一顆衛(wèi)星僅能被安排在一個位置上測試；式(4)表示在某個階段上一顆衛(wèi)星僅能在一個測試島上測試；式(5)表示某一個測試階段上衛(wèi)星的總裝集成測試完成時刻等于衛(wèi)星的開始測試時刻加上衛(wèi)星的階段測試時間；式(6)表示衛(wèi)星需要滿足測試流程順序約束；式(7)表示衛(wèi)星在任一個階段的優(yōu)先級越高則衛(wèi)星開始處理時間就越早；式(8)表示如果同一階段2顆衛(wèi)星被分配到同一個測試島測試，則優(yōu)先級低的衛(wèi)星需要等待，直到優(yōu)先級更高的衛(wèi)星測試完畢。

2.2 基于多層編碼遺傳算法的HFSP方案

本文采用多層編碼遺傳算法優(yōu)化上述HFSP。傳統(tǒng)遺傳算法中每個染色體表示問題中的一個潛在最優(yōu)解。對于簡單問題來講，染色體可以表達問題的潛在解。然而，對于較為復雜的優(yōu)化問題，染色體不能充分表達問題的解。多層編碼遺傳算法把個體編碼分為多層，每層編碼均表示不同含義，多層編碼共同完整表達了問題的解，從而一個染色體可以準確表達復雜問題的解。多層編碼遺傳算法擴展了遺傳算法的使用領域，可以方便用于多輸入多輸出類復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題解算。總體設計流程見圖4。

算法具體計算步驟為：①參數初始化，優(yōu)化算法參數，例如種群個體數、最大進化代數等。②種群初始化，根據作業(yè)測試島調度規(guī)則，隨機初始化種群，每一個個體表示問題的一個可行解。③計算種群適應度及選擇優(yōu)秀個體，根據適應度函數計算個體的適應度，選擇目標函數作為適應度函數，并采用輪盤賭法選擇優(yōu)秀個體。④交叉和變異操作，采用整數交叉和變異方法得到優(yōu)秀個體。⑤合并種群并保留優(yōu)秀個體，計算新個體的適應值，比較新個體間的距離，若距離小于給定距離時，重新生成新個體替換當前個體。⑥若達到最大進化代數，終止進化，否則，進化代數自加1，并返回②重復上述步驟。⑦最終得到編碼后的測試島流轉順序，例如203，表示2號衛(wèi)星第3個階段的測試工序。

圖4 多層編碼遺傳算法總體設計流程Fig.4 Overall flow chart of multi-layer coding genetic algorithm

3 設計驗證

3.1 仿真設計

以“北斗”組批衛(wèi)星AIT測試調度為例進行仿真分析。按照種類，“北斗”衛(wèi)星可分為中地球軌道(MEO)、傾斜地球同步軌道(IGSO)和地球靜止軌道(GEO)3類，由于衛(wèi)星設計功能差異，3類衛(wèi)星在各測試階段耗費的時間各不相同，如表2所示。目前，A狀態(tài)和B狀態(tài)測試島可以復用，衛(wèi)星和地面設備無需轉運，因此可以將2個測試島測試周期合并。假設有一組衛(wèi)星進行排產，MEO/GEO/IGSO數量分別為4/2/2，衛(wèi)星各階段可選的測試島分配如表3所示。這里假設僅考慮出廠前的AIT階段，同一類衛(wèi)星的同一個階段測試時間相同，各測試島測試時間如表4所示。由表4可知，組批衛(wèi)星在出廠前AIT全過程中，主要覆蓋4個測試階段，共經過5類測試島，包括A狀態(tài)測試島、B狀態(tài)測試島、C及EMC測試島、力學測試島和熱試驗測試島。3類組批衛(wèi)星在各測試階段的時間略有差異，但衛(wèi)星經過各測試島的工序是一致的。

表4 “北斗”衛(wèi)星在各測試階段的測試時間Table 4 Testing time of Beidou satellites in different testing stage 天

3.2 仿真結果及分析

采用多層編碼遺傳算法求解該組衛(wèi)星HFSP，算法基本參數設置為：種群數目為50，最大迭代次數為100，交叉概率為0.8，變異概率為0.6，得到最優(yōu)個體對應衛(wèi)星測試的甘特圖如圖5所示。仿真過程中未設置衛(wèi)星的測試次序，圖5中三位數編碼表示衛(wèi)星的測試工序，例如測試島5中有602，表示序號6衛(wèi)星在第2階段選擇5號測試島。同一顆衛(wèi)星在不同階段用同一個顏色來表示。

圖5 組批“北斗”衛(wèi)星AIT階段調度Fig.5 Scheduling for Beidou batching satellites in AIT stage

由圖5的仿真結果可知：在4個測試階段中，測試島數量分配為4/2/2/2時，MEO/GEO/IGSO的數量為4/2/2，排產結果總共需要239天。如果按照傳統(tǒng)AIT測試流程實施，該項任務在4個測試階段共需要時間約為(87+88)+(13+13)+(16+17)+(21+22)=277天。可見，算法智能排產后時間傳統(tǒng)測試流程排產時間縮減了13.7%。另外，從圖5中還可發(fā)現：測試階段之間的空白區(qū)域能通過調整入島時間進行壓縮或者放寬處理；同時也能獲得同一時段開展的所有衛(wèi)星資源的占用和耗損情況，包括場地、設備、人員等，對AIT生產過程有積極的指導意義。

4 結束語

本文調研了國內外衛(wèi)星AIT測試模式，設計面向組批衛(wèi)星的流水線裝配和測試模型，提出應用多功能“測試島”的模型設計，并實施測試島內的專業(yè)化獨立管理，明確測試島的狀態(tài)定義和準入標準，可實現AIT測試的信息交互同步、集中高效、統(tǒng)一調度管理，為引入流水線模式排產調度合理化分析奠定良好基礎。通過對測試島流水線的衛(wèi)星AIT生產調度問題構建HFSP模型，并提出采用基于多層編碼的遺傳算法解決流水線裝配測試問題，最終實現在資源約束條件下，通過數字化模型最優(yōu)分析完成組批衛(wèi)星AIT排產策略。在現有研究基礎上，后續(xù)將開展以下幾個方面的深入研究：在衛(wèi)星AIT階段，生產模式多遵守“先入先出”原則，可將次序約束條件引入到HFSP模型中，更真實地描述組批衛(wèi)星的生產過程；在AIT的某些階段，存在同進同出的并行機式測試島，通過引入并行機數字化約束，可與組批衛(wèi)星生產相適應；進一步考慮測試島內復雜測試用例的并行及串行的調度策略。