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【标杆经验分享】北京空间技术研制试验中心:实施自动化测试和远程测试的经验

当前,我国载人航天事业已经正式步入空间站任务阶段,空间站系统复杂,研制难度大,对航天器系统级综合测试提出了更高的要求。前期航天器测试过程自动化程度不高,测试系统开放程度小、可移植性差,同一平台实现跨型号测试需要付出较大代价;测试过程中人为参与情况较多,测试各个阶段之间相对独立;设备自动化程度低,难以适应未来高密度、高复杂度航天器测试需求。

本项目通过建立开放式构架的自动化测试系统,服务于载人航天器整个测试周期,并与远程测试技术相结合,以提升测试的可靠性、提高测试效率。该系统从测试准备、测试实施、测试评估全周期角度给出了航天器自动化测试的系统解决方案,整个系统可自由裁剪、添加、重组各个测试模块,有效地规避了上述问题,同时作为通用平台可支持后续高密度、多协同的任务需求。

实施背景

综合测试是载人航天器在轨功能验证的最后一道关卡,对载人航天器的设计、研制、装配等各阶段有着重要的反馈作用,对航天器发射任务成败具有决定作用,因此综合测试的水平一定程度上决定了整个航天器的技术水平。

航天器测试有别于其它领域的测试技术,具有专用性强、可靠性要求高的特点,不同型号航天器之前的功能、特点有较大差别,对测试的要求也相应的有较大区别。

本项目皆在通过本项目的研究建立一个基于开放式架构的载人航天器全周期自动化测试系统,提高载人航天器的测试效率,减少人力资源消耗,同时作为开放平台可由用户自由添加和裁剪系统模块,更好的适应后续任务需求,为我国载人航天事业做出更大贡献。同时,本项目中研发的自动化测试关键技术可以为其它领域的测试专业发展作为技术支撑,推动我国整个测试行业的进步。

实施与运行

1、总体思路

载人航天总体部通过对以往载人航天器测试过程的分析与总结,将数字化、信息化手段应用到测试流程设计中,建立了一个基于开放式构架的覆盖航天器测试全周期的自动化测试系统,基于开放式构架的全周期自动化测试系统包括测试过程智能管理技术、测试数据自动化判读技术、测试效果自动化评估技术、系统开放式构建技术、远程测试技术五项关键技术,从测试准备、测试实施、测试评价流程上完成人工到自动实施的转化,以数据流的方式推动测试全过程的执行,包括:文件程序等测试准备、数据处理、判读反馈、故障诊断、结果统计等各测试环节的流动。针对最为复杂的数据判读环节,配置了无线链路自动监测、音视频自动化评估、能源品质检测、自主故障诊断、常规参数指令判读等公用模块,进行多方位立体判读。此外,用户可使用系统提供的判据协议接口自主开发专用模块来提高判读效率和型号专属配置。测试自动实施的状态信息接口采用了信息化状态管理技术提供状态设置信息的实时接入,整个测试过程信息实时存储,最后测试数据经过指令覆盖、参数覆盖、判读结果统计分析后自动输出形成测试报告,实现了测试全周期的电子化。

全周期自动化测试过程设计在通用测试项目模块化设计的思想上,提供格式标准、模块化的测试子项目设计平台,支持格式统一、规范的测试细则自动化导出,实现可视化方式安排测试计划、设计测试用例。同时执行自动生成的测试程序,实时无人值守自主监控,出现异常根据已有设计自主跳转故障诊断系统,最终生成测试执行结果报表、统计分析测试用例完成的覆盖率等自动进行评估结论,使全周期测试表格电子化、标准化,减少人工操作、降低了人力成本,实现载人航天器全测试周期的自动化测试能力。

全周期载人航天器通用测试系统在测试准备、测试实施、测试评价各个阶段均引入自动化测试技术,整个系统采用开放式的设计构架,该架构为可裁减的柔性系统,它通过硬件裁剪、软件配置来满足不通航天器相应测试需求,实现不同试验阶段以及远程测试模式的支持。

2、技术方案

本项目主要针对载人航天器研制中测试系统的开放性和通用性关键技术进行了分析和研究,成果对后续载人航天领域及其它航天器测试具有重要的指导意义。结合上述总体思路,本项目的实现通过测试准备、测试实施、测试评价各阶段逐级实施。系统功能组成及流程图如下图所示。

全周期自动化测试实施模式

测试准备阶段,通过建立测试准备自动化管理系统将文件准备状态、设备准备状态、程序准备状态、人员准备状态进行统一协调管理,自动分析测试准备状态以及生成用于测试的自动化测试程序。

测试实施阶段,通过自动化数据处理平台完成测试全阶段的数据处理,通过状态管理系统对测试全过程状态进行安全管理,利用数据发布系统完成航天器测试数据的集中管理、实现数据共享,利用自动化测试等效器完成功能等效并自动执行功能测试,通过上述技术完成测试实施阶段的自动化实现。

测试评价阶段,通过数据自动化判读系统完成对测试数据的自动化判读,通过音视频自动化评估系统、自主故障诊断系统、无线链路自动监测系统以及能源品质监视系统完成对航天器关键参数和项目的自动化监视测试功能。

基于开放式架构的全周期自动化测试系统,在具体技术实现上主要由若干关键技术模块组成,本技术方案主要结合各个关键技术进行说明,详细介绍如下。

2.1测试状态管理平台

自动化测试系统充分利用信息化时代的技术手段,使综合测试工作在信息化平台上实现“统一管理、流程规范、过程清晰”。测试状态管理系统将具有完善的测试状态元素与界面一体呈现、可配置的流程与表单审批流程、可控的测试状态与关键点检查、面向总体前后伸展的应用与数据集成、适应灵活的权限体系、多维度的测试状态数据挖掘等特点,其流程图如下图所示。

测试状态管理平台信息流程图

2.2自动化程序控制平台

2.2.1系统结构

自动化程序控制平台在测试过程中起着至关重要的作为,用于测试指令自动发送、反馈数据接收、数据处理、结果反馈。借鉴模块化设计方法,自动化程序控制平台采用C++语言开发,数据库环境为Oracle,图形开发工具为QT,采用C/S架构,可分别在HP UNIX、RedHat Linux和Windows三个操作系统上运行,客户端软件可在一般商用计算机Windows操作系统上运行。系统主要由主测试计算机(MTP)、测试前端设备(SCOE)、自动化程序控制主机以及数据库服务器组成,数据通过以太网传输,如下图所示。

自动化数据处理平台

自动化测试平台由程序设计、程序执行、数据判读、数据查询、资源管理五个功能模块组成,包括“测试程序库”、“基础数据库”、“判读知识库”、“结果数据库”、“管理信息库”,将综合测试设计、执行、总结、过程管理相结合,平台工作模式如下图所示。

自动化程序平台工作模式

2.2.2实现过程

(1)测试子项目设计

自动化测试采用“元素”与“集合”概念,程序设计中首先按测试需求、功能需求将大纲中要求的功能检查项目拆分成若元素,定义为测试子项目,子项目可复用,是自顶而下的设计,覆盖大纲要求的全部内容;子项目间的组合形成集合构成一个测试项目;再由若干项目的集合构成每日测试乃至整个阶段测试,下图是神舟十一号结构机构分系统检查、正常模飞测试的项目分解示例。

测试项目与子项目结构关系

相对于常规测试,自动化测试工作重点集中在测试前设计环节,包括子项目设计、信息录入、资源配置等,子项目设计是其中的要点。测试子项目按功能分为静态测试子项目、动态测试子项目。其中静态测试子项目,是按照非定时激励方式对飞船静态电性能功能的测试项目,即测试指令没有固定时间顺序,一般为适用于分系统测试或接口匹配测试;与之相对,动态测试子项目是按照固定时序对飞船实施激励考核其电性能的测试项目,其指令之间有固定的发送时间顺序,一般适用于飞行模拟测试。

静态测试子项目含指令、判据信息、指令间隔等主体信息,执行过程中可同时进行指令参数判读,此外还包括项目保障条件、状态设置条件、状态恢复说明、项目耗时、参数单位、注意事项等信息。动态测试子项目不含参数判读,区分数管程序指令、总控指令等指令类型。子程序设计完成后可由测试主测试计算机(MTP)生成可执行的自动化程序。

(2)测试细则生成

子项目设计完成后,可导出生成EXCEL文件形成相应细则,如分系统检查与匹配细则、电磁兼容性(EMC)测试细则,而测试平台中保存原始程序及判据信息,是固化的知识。子项目可复用,可减少重复设计工作,例如下图中故障预案验证细则即使用了程序库中成熟模块,将相关模块导出形成了细则,将常规编写8小时工作量降低到2小时。

细则与子项目间关系

(3)指令执行自动化

测试实施过程中,子项目或其组合生成的自动化程序可自动发送执行,不需要人工单独发令控制。常规测试模式下,每一条指令发送需要预令→回令→确认3个环节,平均耗时20秒;自动化测试模式下,子项目内指令根据判读间隔自动执行,间隔一般为3秒。

(4)可视化进度显示

在可视化平台中编辑插件,将插件与自动化程序的执行进度关联实时显示测试项目的执行进度,其中在动态测试中根据程序总时间的完成比例进行显示,静态测试中根据已发送指令数目比例显示测试进度,下图为测试过程中的进度动态显示结果。

测试进度实时显示

(5)主动式数据判读

主动式数据判读是指在指令发送后自动进行该条指令参数判读。判读中如参数异常,则程序暂停并进行提示,如判读正常则自动按照指令间隔设置发送后续指令。指令判据和判读时间(指令执行间隔设置)是数据判读的核心,属子项目设计内容,在以往型号测试数据基础上进行提炼总结,并根据实际测试进行迭代进行更新。

2.3测试数据自动化判读平台

测试数据自动判读平台提供后台实时全参数判读功能,对参数越限进行报警提示,与主动判读相区分,称为被动式数据判读。自动判读系统包含以下3大部分:判读知识库;判读推理机;客户端。具体结构如下图所示。

测试自动化判读运行机理

其中判读推理机是自动判读软件系统的核心,由推理引擎和存储引擎组成;判读客户端为用户提供管理判读知识、查看判读结果的界面;数据判读知识和判读结论将存储于判读数据库中。自动化判读系统应用专家系统技术,利用现有的计算机技术,实时监视和分析载人航天器的遥测数据,并依据已经录入计算机的知识得出相关结论。

2.4远程测试平台

远程测试是被测对象与测试人员和测试设备处于不同地域的一种测试模式,可分为远程监测模式与远程指控模式。远程监测模式下,后方只对测试数据进行监视和判读,不具备独立测试能力。远程指控模式下,后方可发送测试指令、遥控地面设备、控制测试状态,独立完成测试。

远程监控与指控模式示意图

2018年3月,经过前期紧张调试和试运行,远程指控测试在空间站核心舱天和一号正式启用,天和一号京津远程测试系统主要包括前方和后方两部分,前方(天津)为总装及辅助测试现场,后方(北京)为指挥和判读中心,两者通过光纤链路连为一体,均具备完整的测试能力,各自独立又互为犄角。

该远程测试系统具备如下特点:

1) 实现了远程指控测试模式,测试方式灵活

天和一号远程测试实现了远程指控测试模式,指挥、发令、判读既可一方独自完成,也可前后方交叉协作完成。

2) 前后方均具备完整的判读能力,测试数据自然备份

器上下传的测试数据分为相同的两路,一路在前方解析处理送至前方判读终端,一路加密后经专用链路传输至后方进行处理。前后方测试环境配置相同,均具备数据解析、自动化判读和人工分析能力。某一方出现设备故障时,不影响另一方测试,测试数据自然备份。

3) 前后方协调展开工作,实时交互,有条不紊

前方、后方调度音同步,可同步召开班前班后会,在测试指挥的统一调度下,协同开展工作。通过视频会议系统前后方可随时进行工作交流和技术讨论。

4) 链路带宽大,满足并行测试需求

京津两地链路带宽1G,充分满足了载人航天器测试数据密度大、带宽占用高的需求,可进行多船并行测试。在常规遥测数据远程测试的同时,在业内第一次实现了器上下行图像话音数据的远程测试,保证了测试判读无死角。

5) 充分利用智能化建设成果,人员占用少

远程测试系统建设过程中,充分吸收智能化建设成果,部署自动化测试平台,升级自动判读平台,完善综合分析平台,测试判读的稳定性和精准性不断增强,对人员的依赖逐步减弱,成功实现了减员增效。

6) 故障预案周到细致,问题处置快速清晰

针对可能出现的故障,制定了周到细致的故障预案,最大限度保障测试工作的顺利进行。远程测试系统在测试前方配备便携式音视频采集设备和交互系统,可将现场资料实时回传后方。发生故障时,后方测试专家可在第一时间介入,调度前方人员进行故障处置和后续分析,实现问题快速定位,故障快速处理。

2.5无线链路监视

无线链路监视系统肩负着地面与航天器之间进行信息传输以及模拟航天器无线/测试环境的任务。在地面试验中,为保证正常的测试工作,需要对射频信号进行监测,以便于分析射频信号质量,特别是当器地间数据通信异常时,射频信号为最原始、直观的分析依据,为判断异常原因提供可靠的数据支持。

射频信号自动监测系统由射频信号监测开关矩阵切换模块及频谱监测模块组成,两个模块又分别包括主界面模块、系统配置模块、网络通信模块、数据解析模块、数据存储模块及日志记录模块,如下图所示。

射频信号监测系统模块组成

射频信号自动监测系统实际运行过程中的效果下图所示。

射频信号自动监测系统运行效果图

2.6音视频自动测试

音频自动测试主要将音频信号转化为视频信号,声音信号转换为视频信号后,可以同时显示多路音频信号,通过音频幅值曲线判断是否存在音频信号以及音频信号是否连续,进而完成对多路音频信号的监测。音频码流首先通过解码器解码;将解码后音频数字量发送给音频可视化软件,软件将数字量转换为音频幅值信息,该过程类似于硬件电路中的模数转换器;最后,将该幅值信息以适当的比例进行显示。与此同时,将音频幅值信息进行存储,以备事后回放。如下图所示,系统可实现多路音频的自动判读。

音频自动监测系统运行效果图

视频自动化测试过程如下图所示。整个测试系统包括是码显示器、视频解码设备以及智能视频判读软件。通过该系统,可实现视频测试的自动化。

视频自动化测试过程图

2.7能源品质监视

能源品质监视系统具备数据识别功能,主要是实现对单台电子设备负载加断电电流波形的记忆、存储、比对和识别。系统可以人工设定或者记忆某台设备的加断电电流波形,作为判断该设备加断电是否正常的依据。在整船加断电过程中,依据此项数据可以实时识别该设备的上电状态以及工作状态是否正常,如果比对结果异常则报警。

能源品质监视设备组成示意图

2.8自动等效器

等效器用于模拟航天器上行指令、火工品状态下行等功能,在综合测试过程中起到关键作用。在传统等效器架构基础上,采用PXI通用设备作为控制平台,提供了网络数据通讯、远程控制,具备程序化执行任务、自动判读归档的硬件平台。控制软件采用模块化设计,功能模块相互独立,避免了程序运行过程中各模块之间的干扰。软件以LabView做为开发平台,能够支持脚本文件配置等功能,可以实现检测项目、预期结果的配置,实现各功能的自动检测及预期结果生成,实现有线指令序列自动发送、执行结果自动判读,系统组成图如下图所示。

自动测试等效器组成示意图

2.9数据发布

数据发布系统将综合测试数据库查询系统进行功能和性能优化并采用B/S架构方式,提供对多个应用系统的接口,统一数据库接口规范,对航天器历史数据、实时测试数据、飞控在轨数据进行集中管理、实现数据共享,对于后续产生的测试及在轨数据提供扩展接口可以方便发布数据信息,且提供方便快捷的查询和分析手段,满足载人航天器型号研制人员、管理人员、测试人员查询与分析各阶段各方面数据的需求。

数据发布系统框图

实施效果

基于开放式构架的全周期自动化测试系统通过自顶而下层层分解的子项目设计方法,将载人型号复杂的测试过程分解,通过子项目再次组合覆盖了型号周期各阶段的测试要求;通过程序自动化执行提升了测试效率;通过主动式数据判读和被动式数据判读相结合保障了参数判读质量,由主观工作转变为了客观判据,将人的经验固化,同时减少了人员在操作、判读、复查、总结各环节的工作量,降低了人为控制风险;通过远程测试技术,减少了异地人员的奔波,实现了多地测试并举专家资源的共享。

基于开放式构架的全周期自动化测试系统采用的是开放式测试体系,通过裁剪、配置可以满足多种类别航天器在不同测试阶段的测试需求,具有操作简单、软件易移植、系统可更新等优点。该系统取得了喜人的效果:

a. 测试精度、可靠性技术指标达到国际先进水平;

b. 测试自动化覆盖测试各个阶段,达到全周期覆盖;

c. 测试精度、可靠性技术指标达到国际先进水平;

d. 设备自动化率达到90%;

e. 设备配套减少30%;

f. 测试效率提高70%;

g. 缩短测试周期30%;

h. 减少测试人员58%。

“一纤飞架南北,两地变同城”,远程指控测试是测试模式的又一次创新,具有重要意义:

1) 实现了远程指控模式,后方对前方“看得见、够得着、管得住”

实现了远程指控测试模式,真正实现了后方对前方的实时监视、指挥和控制,做到了“看得见、够得着、管得住”。

2) 实现了后方测试专家团队的动态共享,为并行测试的多艘航天器把脉问诊

远程测试模式下,测试专家打破型号限制,在后方集中,借助技术手段获取第一手测试资料,评估产品质量,远程排故、诊断,第一时间介入,高质高效。技术手段和专家共享制度,让多航天器“争夺”测试专家的问题迎刃而解。

3) 远程测试有效的保持了测试队伍的稳定

随着测试工作的不断成熟,将越来越多的采用后方(北京)中心方式进行远程测试,前方仅保留最小保障团队。在北京地区进行测试,减少了大量的舟车劳顿,让测试人员有更多的时间和精力投入到工作中。

该项目本身优化了航天产业自身的技术结构,促进资源向技术开发领域投入,提升航天产业整体的技术水平。该项目建成使北京航天城地区成为我国载人航天技术发展研究和试验的重要基地,有利于实现航天产业的合理布局,能够有效的促进不同区域间技术交流,发挥各地区的优势,平衡各地差异。综上,本项目产生的社会效益如下:

1) 提升国家威望

该项目是载人航天任务的重要保障。通过载人航天器任务,大大提高了我国的国际地位和国际威望,增强了政治影响力、民族自信心和自豪感。同时广泛鼓舞了青少年的科学热情,为我国航天科发展吸引了新生力量。

2) 带动基础学科发展

载人航天器全周期自动化测试技术构建需要牵引众多的试验项目,带动基础学科的发展,解决人员就业问题。

3) 推动航天技术持续发展

该技术圆满完成了载人航天器的相关测试工作。即为后续载人航天器型号测试积累经验,又可服务于卫星的测试需求。

4) 促进产学研合作

该技术与北京航空航天大学等多所高校展开合作,形成人才培养模式,建立了人才流动通道,吸引符合航天城区发展需要的高素质人才。

5) 带动新产业新技术发展

由于项目开放性、通用性的需要,以及对系统模块化、集成化和高可靠性的要求,国家投入财力开展相关技术的研究,带动了自动控制技术、评估技术、信息化技术和过程管理技术的发展,并扩展了自动化测试技术的研究。

6) 为后续载人航天任务奠定坚实基础

该技术是我国载人航天技术发展研究和试验的重要平台。通过开展这些航天高新技术的试验和验证,将极大地提高我国航天技术的整体水平,在建设航天强国的征途上迈出了重要一步。

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