人工智能在航电测试领域中的应用探索

边海关，刘春宇，王选平，辛宇，邵鸿煜

（航天神舟飞行器有限公司，天津，300301）

0 引言

航电测试是指在航电产品的设计、研发、制造、使用、维护过程中，对产品进行测试，并根据测试结果进行评估，判断其是否满足使用要求，航电测试贯穿于航电产品全寿命周期。近年来，随着人工智能技术不断成熟，人工智能技术与产业发展应用场景不断扩展。目前，人工智能已上升为国家战略，未来几年将迎来人工智能技术应用的爆发期。同时，随着航电测试技术的不断发展，未来人工智能技术在航电测试领域中将会得到广泛应用。本文从对人工智能技术在航电测试领域应用进行初步分析及探索，提出了一种智能航电测试系统架构，并对航电测试领域未来发展方向及趋势进行分析。

1 人工智能技术介绍

1956年夏，麦卡锡、明斯基等科学家在美国达特茅斯学院开会研讨“如何用机器模拟人的智能”，首次提出“人工智能(Artificial Intelligence，简称AI)”这一概念，标志着人工智能学科的诞生[1]。人工智能是一门基于计算机科学、生物学、心理学、神经科学、数学和哲学等学科的科学和技术。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能可分为弱人工智能(包含基本的、特定场景下角色型的任务，如Siri等聊天机器人和AlphaGo等下棋机器人)、通用人工智能(机器的持续学习)、强人工智能(比人类更聪明的机器)三类。人工智能60余年的发展历程可划分为起步发展期(1956年-20世纪60年代初)，人工智能概念提出后，相继取得了一批令人瞩目的研究成果，人工智能技术得以快速发展。反思发展期(20世纪60年代-70年代初)，人们开始尝试更具挑战性的任务，并提出了一些不切实际的研发目标。然而，伴随着预期目标的落空，人工智能的发展走入低谷。应用发展期(20世纪70年代初-80年代中)，20世纪70年代出现解决特定领域问题的专家系统，推动人工智能走入应用发展的新高潮。低迷发展期(20世纪80年代中-90年代中)，随着人工智能的应用规模不断扩大，专家系统存在的问题逐渐暴露出来，人工智能进入低迷发展期。稳步发展期(20世纪90年代中-2010年)，互联网技术的发展，加速了人工智能的创新研究，促使人工智能技术进一步走向实用化。蓬勃发展期(2011年至今)随着大数据、云计算、互联网、物联网等信息技术的发展，迎来人工智能爆发式增长的新高潮。60余年来，人工智能逐步应用于大数据、感知、理解、机器人、自动驾驶等几大领域。

2 航电测试的发展历程及趋势

在先进飞机研制需求牵引和技术推动下航电测试技术已有了几十年的发展历史，其发展历程及趋势如图1所示。20世纪50～60年代为手工测试阶段，主要利用测试仪器仪表定义测试、跟踪测试，直到这些测试因为产品变更或废弃为止，此时手工测试技术在航电测试过程中发挥了重要作用；20世纪70年代为半自动测试阶段，主要是利用由计算机控制的专业半自动测试设备或系统进行测试；20世纪80年代至90年代为总线结构的自动测试阶段，利用总线结构平台、规范的测试语言搭建模块化自动测试设备或系统进行测试；20世纪90年代以来，随着微电子技术、人工智能技术等不断发展，BIT(机内测试)设计已经成为航电产品设计的必要环节，极大的推进了机载产品的可测试性和可维修性，同时BIT设计也推动了航电测试技术的进步和发展。21世纪前出现了能力更强的自动测试技术，在总线结构的自动测试设备或系统的基础上，综合应用高速总线技术、虚拟仪器技术、信息融合技术提供能力更强的自动化测试。21世纪以来，航电测试技术主要向模块化、通用化、智能化和标准化方向发展，即总体结构模块化、检测功能通用化、测控方式智能化和技术实现标准化。[2]总线型仪器设备的性能不断得到提升，同时在定时和同步能力、EMI防护、仪器的尺寸等方面得到了很大的改善，在很大程度上提高了系统的兼容性和可扩展能力，并且大大降低了系统的构建成本[3]。

图1 航电测试技术发展历程及趋势

3 智能航电测试系统

智能航电测试系统的定义包含两方面内容:一是利用人工智能技术提升传统航电系统测试能力，二是对人工智能技术应用友好且支持动态学习进化的航电测试系统[4]。智能航测测试系统是将人工智能理论应用到航电产品的的设计、测试、总装、试飞、使用/培训及维护全寿命周期，如图2所示。使测试设备具有自检测、自诊断、自监控、自适应、自学习和自决策等能力[5]。

图2 航电测试技术覆盖全寿命周期

航电产品设计阶段以计算机仿真和航电产品生命周期建模为基础，在虚拟条件下，对航电产品进行虚拟设计工作。同时，由于航电产品主要性能指标体现在其动态特性，因此在航电产品设计阶段，应强调测试性在设计中的重要作用。智能航电测试系统在航电产品出厂测试、验收测试、测试数据管理及联试/仿真测试中可完全替代目前航电系统专用测试设备，为航电产品提供一个通用化、智能模块化测试环境。在总装测试阶段，智能航电测试系统可参与到包含故障排除在内的整个总装通电检查过程。试飞阶段，智能航电测试系统可与试飞测试系统数据共享，并对试飞数据进行集中管理。在培训/使用阶段，航电测试工作主要集中在飞行员培训、教学评估、航电系统健康管理及故障预测、飞行数据管理等方面。在航电系统维护方面，航电测试工作主要体现在故障诊断、远程支援和故障记录方面。

3.1 智能航电测试系统架构

传统的航电测试系统一般由信号采集模块、数据处理模块、显示模块组成，目前已朝着模块化、通用化、智能化和标准化方向发展，但测试过程中都离不开接口控制文件(ICD)。与传统航电测试系统相比，智能航电测试系统利用人工智能、机器学习、大数据等非传统方法，实现对被测系统的接口识别、参数辨识及智能诊断等功能。智能航电测试系统架构如图3所示，是一个支持学习进化的架构。在进行航电产品测试时，实时保存激励及输出信号特性，可积累大量真实样本数据及经验，整个数据积累过程贯穿航电系统设计、测试、总装试验、试飞试验、培训/使用过程及维修维护等全寿命周期过程。在进行仿真测试时，实时保存激励及输出信号特性，可积累大量被仿真产品样本及经验。大量样本数据和经验数据通过学习/训练，可作为智能模块的输入。执行仿真/测试任务时，智能模块作为专家知识库，指导真实产品测试和虚拟产品仿真。测试和仿真结果有产生新的样本进一步训练和修正智能模块，实现智能模块的升级迭代。仿真模型中可增加故障注入模块，可模拟航电产品故障状态下的输出结果，从而丰富智能模块中专家知识库内容。

图3 智能航电测试系统架构

智能测试/仿真模块属于智能测试系统硬件部分，不同于传统航电测试/仿真模块包含模拟量采集/仿真系统、数字量采集/仿真系统、常用航空总线(UART、ARINC429、1553B等)采集/仿真系统。而是，只有高低电平两种信号采集/仿真端口，这两种信号端口可采集/仿真模拟量、数字量及常用航空总线信号。智能测试/仿真模块可在智能模块控制下自动适配所要采集/仿真信号类型，无需像传统航电测试设备一样必须使用固定类型数据处理模块实现相应数据采集/仿真。

智能控制模块属于智能测试系统软件部分，通过采集并存储大量真实航电测试样本及经过学习/训练的仿真模型样本形成航电测试/仿真样本库。当有新的被测航电系统接入时，智能测试系统将此信息与已存储的信息进行比较，以判断被测航电系统信号类型及具体数值信息。同时与样本库中信号阈值进行比较，以判断被测信号是否合格当需要对航电系统进行仿真时，智能测试系统将从样本库中提取所需仿真信号信息，同时将仿真信息发送给智能测试/仿真模块，完成信号仿真。

3.2 智能航电测试数据采集

传统航电测试系统中数据采集一般采用专用工控机和配套板卡来完成，不同类型板卡对应不同被测信号类型。智能航电测试数据采集应用深度神经网络强大的数据拟合能力，设计合适的深度模型可以取得较好的识别性能，其数据采集流程如图4所示。将被测信号通过AD转换使之转换为数字量信号，然后进行滤波处理，消除噪声信号。根据不同被测航电信号类型(模拟量、离散量、ARINC429、1553B、RS422等)提取出选定的特征参数。然后，训练每个特征对于分类的贡献，也即网络权重；最后，通过多分类器判决输出识别结果。与常规航电测试中数据采集方法相比，智能航电测试数据采集系统具备通用信号采集接口，不需要大量的不同类型板卡，能够大大降低测试系统硬件成本。

图4 智能航电测试数据采集流程

3.3 智能状态判定

航电系统数据经采集、处理、识别后利用阈值法判定识别结果是否合格，具体阈值由机载成品设计任务书确定。针对不同被测航电系统被测参数阈值建立数据库，测试数据与数据库中的阈值相比较，当全部被测参数落在阈值内，认为被测机载成品合格，否则不合格。

4 未来发展趋势

现代基于“柔性测试技术”的机载产品测试设备，可根据测试的需要，通过改变软件而改变测试功能，已实现测试软件一次开发、逐步添加、相互移植、数据共享的功能。同时，通用化、模块化、可扩展性已成为航电测试设备设计的一个重要设计准则。未来航电测试技术主要发展方向为以下几点。

(1)智能化

随着人工智能技术、大数据、数字孪生技术及物联网技术在航电测试领域的逐步应用，这些新技术必将在航电测试领域扮演越来越重要的角色，并发挥越来越重要的作用。未来具有自测试、自学习、自诊断和数据自处理等功能的智能航电测试系统将是航电测试领域的一个重要发展方向。可达到减少测试人员工作量、测试资源共享、测试设备互换以及使用维护方便、出勤率和战备完好率提升的目的。

(2)网络化

随着网络技术的飞速发展，物联网技术、数字孪生技术正在逐渐向航电测试领域渗透，未来航电测试行业将直接利用网络将各测试数据传送给远程服务器，实现远程测试、集中控制，更大程度的提高测试资源互联和实时共享。未来越来越多的航电测试设备可能不像一个硬件测试测试而更像网络终端，只需要在主控机中输入设备IP地址就可以访问整个测试设备，并进行远程测试数据获取。物联网技术、数字孪生技术与航电测试领域相结合，可将航电系统设计、研发、制造、使用环节有机结合、互联互通，同时主机厂、所不再需要建设专门的航电测试系统，只需建设中心接入点，将各航电设备供应商自有测试系统接入中心接入点即可进行远程测试。

(3)军民两用化

军工企业作为军用技术的研发单位，其掌握的航电测试技术可广泛应用于民用航电测试领域；一些基于人工智能的民用测试技术经历市场的考验，其发展水平已超过部分军工技术，将这些民用测试技术转化到军工航电测试领域，或为军工应用技术作为辅助补充，势必促进国防建设与社会经济共同发展。

5 结束语

随着现代飞机航电系统集成化、智能化进一步提高，航电测试面临着测试种类繁多、多种技术的高交叉性以及技术更新速度加快等新挑战。虽然我国已经在人工智能领域处于领先水平，但人工智能技术在航电测试领域广泛应用还有一段距离。因此，人工智能在航电测试领域的应用还有待挖掘与深入研究。