載人航天器成功包絡智能分析系統架構設計

李鵬 刁偉鶴 劉鶴 鄭偉 劉建 張歡 宋宏江 楊洋

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

數據包絡分析(DEA)是運籌學和研究經濟生產邊界的一種方法,用來比較提供相似服務的多個服務單位之間的效率[1],其理論廣泛應用于產品生產[2]、工程施工、金融管理等領域。航天器飛行成功子樣數據包絡分析定義為:將待分析航天器數據與對應的航天器飛行成功子樣的數據包絡范圍進行比對,判定待分析航天器數據是否落在包絡范圍內,得到待分析航天器數據包絡狀況,評估航天器是否滿足執行任務能力的分析方法[3]。

載人航天器具有極端復雜性、高風險性,高質量、高可靠、高安全要求是載人航天工程的顯著特點[4]。目前,航天器地面測試進行數據處理時,通過人工查詢數據庫和總結報告整理出同批次航天器同類產品,以及本航天器歷史測試階段的關鍵指標包絡數據,然后與本航天器本階段數據進行關鍵指標橫向、縱向比對分析。傳統包絡分析工作存在以下問題:①包絡分析數據缺乏統一的管理和系統級的分析應用。②包絡數據主要使用測試階段數據樣本形成參數的最大值、最小值的特征值表征,在進行橫向、縱向比對時使用多個數據樣本的并集作為比對依據,不具有收斂性,且無法體現數據分布和變化趨勢。③航天器地面測試需要模擬在軌運行時的各類任務場景和工作狀態,由于開關機、切機、干擾等情況,在數據中會夾雜著很多用戶不必關心的野值,以往根據人員經驗進行剔野,會發生不同航天器剔野標準不一致導致數據可比性差的問題。

本文以載人航天器為研究對象,設計成功包絡智能分析系統架構,實現對成功包絡分析對象數字化管理,構建收斂的成功包絡線,對航天器數據進行智能化采信,最終實現基于成功包絡的數據分析比對,以及系統級數據分析應用。相比于傳統包絡分析工作,本文系統架構形成了數字化成功包絡體系,以不斷迭代的數據采信知識逐步建立收斂、標準統一的成功包絡線,并挖掘出成功包絡分析結論的系統級應用價值。

1 成功包絡智能分析系統架構設計

航天器成功包絡智能分析系統架構設計總體思路見圖1,分為5個部分。①成功包絡分析對象是適合進行成功包絡分析的載人航天器關鍵特性參數,并且根據關鍵特性參數所屬的分系統、單機等屬性,形成系統級視圖和單機視圖2類管理體系。②成功包絡線構建和管理基于成功包絡分析對象的基礎信息,采集飛行成功航天器各階段、各類工作狀態的包絡數據,以及本航天器已完成階段的包絡數據,作為航天器成功包絡比對的基線。③數據智能采信通過反復迭代的專家知識,獲得設計人員關注的有分析比對意義的航天器數據,作為本航天器數據分析樣本數據集。④成功包絡分析基于成功包絡分析比對基線,完成本航天器本測試階段的數據成功包絡比對。⑤數據綜合應用對于系統中建立的各航天器包絡數據和成功包絡比對結果,提供多維度分析比對功能及輔助決策功能,對載人航天器健康狀態進行評估。

圖1 架構設計總體思路Fig.1 General idea of architecture design

1.1 成功包絡分析對象管理

航天器成功包絡分析的對象是航天器的關鍵特性,關鍵特性是影響任務成敗的系統、分系統、單機、部組件和零件的特性。根據工程經驗,將載人航天器成功包絡分析對象的數據類型分為遙測數據、指標測量數據、質量控制數據3種。遙測數據為航天器下行關鍵遙測;指標測量數據為通過地面測試和測量獲得且無法通過下行遙測反映的關鍵指標數據,例如座椅釋放時間、對接鎖緊時間;質量控制數據是對關鍵流程節點、關鍵狀態的確認數據,例如安裝極性確認、加注和補氣確認。

成功包絡分析通過關鍵特性分解鏈方法[5]將系統級關鍵指標和特性自上而下逐層分解為上述3類數據,從而建立航天器層、分系統層、整機層、單機層、關鍵參數層的5級包絡分析基礎信息的系統級視圖,見圖2。在成功包絡分析對象的描述設計時,建立以航天器領域為組織的標準化分系統、3級標準化單機、標準化測試階段的領域,為關鍵參數的描述信息提供統一標準,見圖3。

鑒于航天器國產化單機發展趨勢,適應單機產品標準化和國產化的要求,在建立系統級視圖的基礎上,設計對關鍵參數的單機組織方式,見圖4。對某單機型譜設計形式參數,將實際航天器同類單機產品的實際關鍵參數關聯到形式參數上,這樣不同列裝的同類型單機就具備了比較的基礎,從而建立產品視圖管理體系,在包絡分析過程中可以進行同類單機的關鍵數據比對分析。

關鍵參數的包絡描述方式定義為單值、多值、范圍值、多狀態的范圍值4種。實踐發現,載人航天器關鍵特性參數主要采用范圍值、多狀態的范圍值這2種描述方式。

(1)單值:包絡數據表現為單個值,例如,開關狀態包絡數據表現為5.0V。

(2)多值:包絡數據表現為可枚舉的多個值,例如,工作模式包絡數據表現為5.1V,3.1V,1.1V。在工程應用中,如果某關鍵特性的成功包絡表現為多值且可枚舉個數大于5,則認為其為范圍值。

(3)范圍值:包絡數據表現為一個區間,例如,主電源電壓包絡數據表現為24.0～32.0V。

(4)多狀態的范圍值:包絡數據表現為多個可枚舉的區間,例如,驅動器屏蔽包絡數據表現為屏蔽狀態3.5～5.0V,不屏蔽狀態0.0～1.5V。

圖2 基于關鍵特性分解鏈的系統級視圖Fig.2 System-level view from decomposition chain of key characteristics

圖3 標準化分析對象描述Fig.3 Standardized analysis object description

圖4 關鍵參數的單機組織方式Fig.4 Single machine organization of key parameters

1.2 成功包絡線構建和管理

成功包絡線構建是在明確成功包絡分析對象、形成航天器的關鍵特性清單后,全面搜集飛行成功航天器在各階段的測試數據,形成航天器成功包絡分析的樣本數據集;其次,對關鍵特性數據完成采信和成功包絡分析,構建航天器成功包絡數據集;最后,各分系統根據工作狀態、單機產品狀態、軟件狀態等定制化確定本分系統成功包絡線。成功包絡線構建和管理過程見圖5。

圖5 成功包絡線構建和管理過程Fig.5 Building and management process for successful envelope

在成功包絡數據集的工程應用中,根據被測航天器分系統設計,考慮到分系統單機廠家、批次、測試階段、工作狀態等工程信息,對成功包絡數據集進行重新組合,形成適用于本航天器本分系統的成功包絡數據集,應用于成功包絡分析。對于某些關鍵參數,進行本階段和歷史各階段的縱向一致性比對更有意義。

實際應用中,在本航天器包絡分析之前,根據用戶選擇,將具有比對意義的飛行成功載人航天器的相同測試階段和測試狀態的數據包絡自動匯總形成橫向比對成功包絡,作為本航天器橫向成功包絡分析的比對基線;將具有比對意義的本航天器歷史各階段測試數據包絡自動匯總形成縱向比對數據包絡,作為本航天器縱向包絡分析的比對基線。

1.3 數據智能采信

由于航天器關鍵參數會隨著整器工作狀態不同呈現出多種不同的表象,如何提取出設計人員關注的關鍵參數真實工作狀態數據,剔除野值,是進行成功包絡分析的基本前提。對此,根據載人航天器關鍵特性遙測數據的特點,提煉出多種遙測數據采信規則。

(1)干擾指令剔野采信:將影響關鍵特性遙測數據的指令分為通用干擾指令和專用干擾指令。通用干擾指令為指令發送后會影響航天器所有遙測的指令,例如整器加電指令、測控通道切換指令、采集傳輸單元復位指令;專用干擾指令為指令發送后只影響某一分系統或某一類特定參數的指令。分系統測試人員分別在系統、分系統、參數級定義干擾指令及影響時間,作為數據采信規則。智能分析系統將指令發送后固定時間段內的相關遙測數據不計入統計范圍,但作為詳情供用戶查閱。

(2)開關機指令剔野采信:載人航天器某些關鍵參數是在一些指令發送至另一些指令發送之間的時間段內才具有統計意義。據此,對參數定義廣義的開機指令集和關機指令集,實踐中首先采集指令發送時間,然后在開機指令集和關機指令集之間的時間段內數據計入統計范圍。

(3)關聯參數剔野采信:載人航天器某些參數是在其他參數滿足一定條件下才具有分析意義,據此定義了按照關聯參數進行剔野采信的規則,在關聯參數在一定的區間內將該參數計入統計范圍。

(4)參數范圍剔野采信:載人航天器某些參數的特定值是可以直接剔除的,據此定義了按照參數范圍進行剔野采信的規則,例如參數未采集時數管計算機填充值、電纜懸空狀態表征的高電平值等。剔除的數據不計入統計范圍,但作為詳情供用戶查閱。

(5)人工剔野采信:以上4種剔野方式是可以提前設置在剔野規則中的,統計時生效。統計完成后,如果還發現野值,可以在界面上人工剔野。人工剔野采信有永久不計入包絡和單次不計入包絡2種方式。其中:永久不計入包絡會將該特征值永久記錄,在載人航天器后續包絡分析時都會不計入分析范圍;單次不計入包絡反映了當前的特殊工況引起的參數值變化,在本次重新計算時不計入范圍。

采信規則按照不同級別(各器通用、本器專用)存儲在數據庫中形成數據采信專家知識庫,并在航天器后續階段包絡分析過程中逐步修正,良性迭代。數據采信專家知識庫也用于成功包絡線的構建和管理。數據采信規則有修改時,可以按照天、階段重新進行成功包絡采信,系統僅計算規則發生變化的關鍵參數。圖6為數據采信專家知識庫的管理和迭代。

對于指標測量數據、質量控制數據,采用人工錄入或批量導入的方式對數據進行歸檔。

圖6 數據采信專家知識庫管理和迭代Fig.6 Management and iteration for data acquisition expert knowledge database

1.4 成功包絡分析

對關鍵參數完成采信后,基于第1.2節構建的成功包絡線完成成功包絡的橫向、縱向分析比對。橫向成功包絡分析采用飛行成功的載人航天器的成功包絡作為比對基線,由于不同分系統在航天器上使用的單機產品不同,分系統人員可以根據航天器實裝情況選擇不同飛行成功航天器的包絡數據作為本航天器包絡分析比對基準,比對基準的形成需要經過嚴格的審核才能使用。圖7為載人飛船橫向比對基線的形成。

圖7 橫向比對基準的形成Fig.7 Formation of horizontal comparison benchmark

關鍵參數的每個特征值均與橫向比對基線比對,獲得特征點橫向比對結論,然后將特征點的結論匯總,獲得每日和階段的橫向比對結論。用戶對比對結果進行確認和人工處理,發現問題后如果需要修改采信規則,修改后可以重新計算。橫向比對結論分為以下4種[1]。

(1)合格包絡:數據在正常值范圍內,在成功包絡范圍內。

(2)合格不包絡:數據在正常值范圍內,不在成功包絡范圍內。

(3)不合格包絡:數據不在正常值范圍內,在成功包絡范圍內。

(4)不合格不包絡:數據不在正常值范圍內,不在成功包絡范圍內。

根據包絡中線、成功包絡線、正常值范圍確定5級風險等級,見圖8。其中,mn為包絡中線,Sn為理論中心值,s為樣本標準差,σ為總體標準差。對于風險等級不小于3級的特征值,系統記錄其發生的時刻及附近指令作為詳情,用戶可以根據風險等級和詳情完成后續分析。

圖8 橫向比對包絡分析風險分布Fig.8 Risk distribution of horizontal comparison envelope analysis

縱向包絡比對采用本航天器歷史各階段關鍵特性參數包絡作為比對基線,不同階段工況下單機工作狀態不同,分系統人員可以根據載人航天器實際情況選擇不同階段包絡數據的并集作為本階段縱向包絡分析比對基準。縱向比對結論分為以下2種。①一致性好:數據在縱向包絡分析比對基準范圍內;②超區間:數據不在縱向包絡分析比對基準范圍內,結論給出具體工作狀態下,上限超多少,下限超多少,例如,開機上限超0.5%,關機上限超0.1%。

在實際工程應用中,某些關鍵參數使用源碼比對,參數變化在一個分層值內,認為一致性好。

1.5 數據綜合應用

在采集到所有飛行成功和在測載人航天器的包絡數據后,可以進行不同維度的數據分析比對。在完成系統級視圖構建的基礎上,對不同的關鍵參數根據其重要程度分配權重,系統對載人航天器本階段成功包絡分析結果自動打分(見圖9)。打分原則為:①參數完成包絡分析的滿分為1.00,未完成包絡分析為0.00分;②參數不合格不包絡,減少0.05分;③參數合格不包絡或不合格包絡,減少0.02分;④參數縱向比對超區間,減少0.02分。打分自下而上,每層進行歸一化處理,并根據分配權重向上計算,打分結果表征了單機、分系統、整器的包絡分析完成情況,并在一定程度上反映了其健康狀態。

在完成產品視圖構建的基礎上,通過形式化參數的設計實現單機維度的關鍵數據分析比對,可以反映單機工作狀態的一致性。

在參數層,支持相同參數和不同參數的比對,相同參數用于不同載人航天之間同參數之間的比對分析,不同參數比對用于代表同類物理含義但參數編號不同的參數之間的比對分析,見圖10。

圖9 多級視圖自下而上逐級打分Fig.9 Multi-level view grading from bottom to top

圖10 參數層多維度比對分析Fig.10 Multi-dimensional comparison analysis at parameter level

2 系統應用實踐

載人飛船作為組批研制的重大工程航天器,一直以來對數據判讀工作非常重視,歷史數據知識積累基礎好、機器數據判讀模式成熟。在此基礎上,應用并實踐載人航天器成功包絡智能分析系統架構,取得以下應用效果。

(1)包絡分析對象標準化。建立批次、單船、分系統、單機,以及測試階段、測試狀態的2維標準化成功包絡分析結構,整船共界定關鍵遙測302個,通過關聯遙測、線性插值、遙測差值等數據再處理,形成關鍵指標76個,解決了傳統包絡分析工作中數據缺乏統一的管理和系統級的分析應用的問題,如圖11所示。

(2)包絡構建及分析過程數字化。利用愛潑斯-普利方法和單值控制圖原理等數據分析方法,分析載人飛船發射場測試數據,構建收斂可信的成功包絡線。同時,在包絡數據采集、分析結果確認和存儲等各環節實現數字化,初步建立了載人飛船成功包絡數字資產,為飛船執行任務能力評估提供數據支撐。這樣就解決了傳統包絡分析工作中成功包絡構建缺少收斂性的問題。

(3)包絡數據采信及結果分析智能化。在數據計算和包絡分析中,通過學習包絡數據處理專家知識,形成包絡智能采信方法。在后續工作中,擬將使用積累的專家知識,以及系統工程的分析方法,進行載人飛船執行任務能力的智能評估和輔助決策,并打通與質量確認系統的接口,完成成功包絡分析工作閉環。這樣能解決傳統包絡分析工作中不同載人航天器剔野標準不一致導致數據可比性差的問題。

3 結束語

本文提出載人航天器成功包絡智能分析系統架構設計,系統架構已成功應用于載人航天器地面測試及在軌飛控工作中,其分析結果作為載人航天器發射場質量確認[9]工作的一部分,可為航天器是否可飛行提供數據支撐。載人航天器中的成功包絡智能分析方法和系統設計具有一定的代表性和普適性,可以在一定程度上為其他批產航天器開展成功包絡分析工作提供借鑒。