载人航天器成功包络智能分析系统架构设计

李鹏 刁伟鹤 刘鹤 郑伟 刘建 张欢 宋宏江 杨洋

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

数据包络分析(DEA)是运筹学和研究经济生产边界的一种方法,用来比较提供相似服务的多个服务单位之间的效率[1],其理论广泛应用于产品生产[2]、工程施工、金融管理等领域。航天器飞行成功子样数据包络分析定义为:将待分析航天器数据与对应的航天器飞行成功子样的数据包络范围进行比对,判定待分析航天器数据是否落在包络范围内,得到待分析航天器数据包络状况,评估航天器是否满足执行任务能力的分析方法[3]。

载人航天器具有极端复杂性、高风险性,高质量、高可靠、高安全要求是载人航天工程的显著特点[4]。目前,航天器地面测试进行数据处理时,通过人工查询数据库和总结报告整理出同批次航天器同类产品,以及本航天器历史测试阶段的关键指标包络数据,然后与本航天器本阶段数据进行关键指标横向、纵向比对分析。传统包络分析工作存在以下问题:①包络分析数据缺乏统一的管理和系统级的分析应用。②包络数据主要使用测试阶段数据样本形成参数的最大值、最小值的特征值表征,在进行横向、纵向比对时使用多个数据样本的并集作为比对依据,不具有收敛性,且无法体现数据分布和变化趋势。③航天器地面测试需要模拟在轨运行时的各类任务场景和工作状态,由于开关机、切机、干扰等情况,在数据中会夹杂着很多用户不必关心的野值,以往根据人员经验进行剔野,会发生不同航天器剔野标准不一致导致数据可比性差的问题。

本文以载人航天器为研究对象,设计成功包络智能分析系统架构,实现对成功包络分析对象数字化管理,构建收敛的成功包络线,对航天器数据进行智能化采信,最终实现基于成功包络的数据分析比对,以及系统级数据分析应用。相比于传统包络分析工作,本文系统架构形成了数字化成功包络体系,以不断迭代的数据采信知识逐步建立收敛、标准统一的成功包络线,并挖掘出成功包络分析结论的系统级应用价值。

1 成功包络智能分析系统架构设计

航天器成功包络智能分析系统架构设计总体思路见图1,分为5个部分。①成功包络分析对象是适合进行成功包络分析的载人航天器关键特性参数,并且根据关键特性参数所属的分系统、单机等属性,形成系统级视图和单机视图2类管理体系。②成功包络线构建和管理基于成功包络分析对象的基础信息,采集飞行成功航天器各阶段、各类工作状态的包络数据,以及本航天器已完成阶段的包络数据,作为航天器成功包络比对的基线。③数据智能采信通过反复迭代的专家知识,获得设计人员关注的有分析比对意义的航天器数据,作为本航天器数据分析样本数据集。④成功包络分析基于成功包络分析比对基线,完成本航天器本测试阶段的数据成功包络比对。⑤数据综合应用对于系统中建立的各航天器包络数据和成功包络比对结果,提供多维度分析比对功能及辅助决策功能,对载人航天器健康状态进行评估。

图1 架构设计总体思路Fig.1 General idea of architecture design

1.1 成功包络分析对象管理

航天器成功包络分析的对象是航天器的关键特性,关键特性是影响任务成败的系统、分系统、单机、部组件和零件的特性。根据工程经验,将载人航天器成功包络分析对象的数据类型分为遥测数据、指标测量数据、质量控制数据3种。遥测数据为航天器下行关键遥测;指标测量数据为通过地面测试和测量获得且无法通过下行遥测反映的关键指标数据,例如座椅释放时间、对接锁紧时间;质量控制数据是对关键流程节点、关键状态的确认数据,例如安装极性确认、加注和补气确认。

成功包络分析通过关键特性分解链方法[5]将系统级关键指标和特性自上而下逐层分解为上述3类数据,从而建立航天器层、分系统层、整机层、单机层、关键参数层的5级包络分析基础信息的系统级视图,见图2。在成功包络分析对象的描述设计时,建立以航天器领域为组织的标准化分系统、3级标准化单机、标准化测试阶段的领域,为关键参数的描述信息提供统一标准,见图3。

鉴于航天器国产化单机发展趋势,适应单机产品标准化和国产化的要求,在建立系统级视图的基础上,设计对关键参数的单机组织方式,见图4。对某单机型谱设计形式参数,将实际航天器同类单机产品的实际关键参数关联到形式参数上,这样不同列装的同类型单机就具备了比较的基础,从而建立产品视图管理体系,在包络分析过程中可以进行同类单机的关键数据比对分析。

关键参数的包络描述方式定义为单值、多值、范围值、多状态的范围值4种。实践发现,载人航天器关键特性参数主要采用范围值、多状态的范围值这2种描述方式。

(1)单值:包络数据表现为单个值,例如,开关状态包络数据表现为5.0V。

(2)多值:包络数据表现为可枚举的多个值,例如,工作模式包络数据表现为5.1V,3.1V,1.1V。在工程应用中,如果某关键特性的成功包络表现为多值且可枚举个数大于5,则认为其为范围值。

(3)范围值:包络数据表现为一个区间,例如,主电源电压包络数据表现为24.0～32.0V。

(4)多状态的范围值:包络数据表现为多个可枚举的区间,例如,驱动器屏蔽包络数据表现为屏蔽状态3.5～5.0V,不屏蔽状态0.0～1.5V。

图2 基于关键特性分解链的系统级视图Fig.2 System-level view from decomposition chain of key characteristics

图3 标准化分析对象描述Fig.3 Standardized analysis object description

图4 关键参数的单机组织方式Fig.4 Single machine organization of key parameters

1.2 成功包络线构建和管理

成功包络线构建是在明确成功包络分析对象、形成航天器的关键特性清单后,全面搜集飞行成功航天器在各阶段的测试数据,形成航天器成功包络分析的样本数据集;其次,对关键特性数据完成采信和成功包络分析,构建航天器成功包络数据集;最后,各分系统根据工作状态、单机产品状态、软件状态等定制化确定本分系统成功包络线。成功包络线构建和管理过程见图5。

图5 成功包络线构建和管理过程Fig.5 Building and management process for successful envelope

在成功包络数据集的工程应用中,根据被测航天器分系统设计,考虑到分系统单机厂家、批次、测试阶段、工作状态等工程信息,对成功包络数据集进行重新组合,形成适用于本航天器本分系统的成功包络数据集,应用于成功包络分析。对于某些关键参数,进行本阶段和历史各阶段的纵向一致性比对更有意义。

实际应用中,在本航天器包络分析之前,根据用户选择,将具有比对意义的飞行成功载人航天器的相同测试阶段和测试状态的数据包络自动汇总形成横向比对成功包络,作为本航天器横向成功包络分析的比对基线;将具有比对意义的本航天器历史各阶段测试数据包络自动汇总形成纵向比对数据包络,作为本航天器纵向包络分析的比对基线。

1.3 数据智能采信

由于航天器关键参数会随着整器工作状态不同呈现出多种不同的表象,如何提取出设计人员关注的关键参数真实工作状态数据,剔除野值,是进行成功包络分析的基本前提。对此,根据载人航天器关键特性遥测数据的特点,提炼出多种遥测数据采信规则。

(1)干扰指令剔野采信:将影响关键特性遥测数据的指令分为通用干扰指令和专用干扰指令。通用干扰指令为指令发送后会影响航天器所有遥测的指令,例如整器加电指令、测控通道切换指令、采集传输单元复位指令;专用干扰指令为指令发送后只影响某一分系统或某一类特定参数的指令。分系统测试人员分别在系统、分系统、参数级定义干扰指令及影响时间,作为数据采信规则。智能分析系统将指令发送后固定时间段内的相关遥测数据不计入统计范围,但作为详情供用户查阅。

(2)开关机指令剔野采信:载人航天器某些关键参数是在一些指令发送至另一些指令发送之间的时间段内才具有统计意义。据此,对参数定义广义的开机指令集和关机指令集,实践中首先采集指令发送时间,然后在开机指令集和关机指令集之间的时间段内数据计入统计范围。

(3)关联参数剔野采信:载人航天器某些参数是在其他参数满足一定条件下才具有分析意义,据此定义了按照关联参数进行剔野采信的规则,在关联参数在一定的区间内将该参数计入统计范围。

(4)参数范围剔野采信:载人航天器某些参数的特定值是可以直接剔除的,据此定义了按照参数范围进行剔野采信的规则,例如参数未采集时数管计算机填充值、电缆悬空状态表征的高电平值等。剔除的数据不计入统计范围,但作为详情供用户查阅。

(5)人工剔野采信:以上4种剔野方式是可以提前设置在剔野规则中的,统计时生效。统计完成后,如果还发现野值,可以在界面上人工剔野。人工剔野采信有永久不计入包络和单次不计入包络2种方式。其中:永久不计入包络会将该特征值永久记录,在载人航天器后续包络分析时都会不计入分析范围;单次不计入包络反映了当前的特殊工况引起的参数值变化,在本次重新计算时不计入范围。

采信规则按照不同级别(各器通用、本器专用)存储在数据库中形成数据采信专家知识库,并在航天器后续阶段包络分析过程中逐步修正,良性迭代。数据采信专家知识库也用于成功包络线的构建和管理。数据采信规则有修改时,可以按照天、阶段重新进行成功包络采信,系统仅计算规则发生变化的关键参数。图6为数据采信专家知识库的管理和迭代。

对于指标测量数据、质量控制数据,采用人工录入或批量导入的方式对数据进行归档。

图6 数据采信专家知识库管理和迭代Fig.6 Management and iteration for data acquisition expert knowledge database

1.4 成功包络分析

对关键参数完成采信后,基于第1.2节构建的成功包络线完成成功包络的横向、纵向分析比对。横向成功包络分析采用飞行成功的载人航天器的成功包络作为比对基线,由于不同分系统在航天器上使用的单机产品不同,分系统人员可以根据航天器实装情况选择不同飞行成功航天器的包络数据作为本航天器包络分析比对基准,比对基准的形成需要经过严格的审核才能使用。图7为载人飞船横向比对基线的形成。

图7 横向比对基准的形成Fig.7 Formation of horizontal comparison benchmark

关键参数的每个特征值均与横向比对基线比对,获得特征点横向比对结论,然后将特征点的结论汇总,获得每日和阶段的横向比对结论。用户对比对结果进行确认和人工处理,发现问题后如果需要修改采信规则,修改后可以重新计算。横向比对结论分为以下4种[1]。

(1)合格包络:数据在正常值范围内,在成功包络范围内。

(2)合格不包络:数据在正常值范围内,不在成功包络范围内。

(3)不合格包络:数据不在正常值范围内,在成功包络范围内。

(4)不合格不包络:数据不在正常值范围内,不在成功包络范围内。

根据包络中线、成功包络线、正常值范围确定5级风险等级,见图8。其中,mn为包络中线,Sn为理论中心值,s为样本标准差,σ为总体标准差。对于风险等级不小于3级的特征值,系统记录其发生的时刻及附近指令作为详情,用户可以根据风险等级和详情完成后续分析。

图8 横向比对包络分析风险分布Fig.8 Risk distribution of horizontal comparison envelope analysis

纵向包络比对采用本航天器历史各阶段关键特性参数包络作为比对基线,不同阶段工况下单机工作状态不同,分系统人员可以根据载人航天器实际情况选择不同阶段包络数据的并集作为本阶段纵向包络分析比对基准。纵向比对结论分为以下2种。①一致性好:数据在纵向包络分析比对基准范围内;②超区间:数据不在纵向包络分析比对基准范围内,结论给出具体工作状态下,上限超多少,下限超多少,例如,开机上限超0.5%,关机上限超0.1%。

在实际工程应用中,某些关键参数使用源码比对,参数变化在一个分层值内,认为一致性好。

1.5 数据综合应用

在采集到所有飞行成功和在测载人航天器的包络数据后,可以进行不同维度的数据分析比对。在完成系统级视图构建的基础上,对不同的关键参数根据其重要程度分配权重,系统对载人航天器本阶段成功包络分析结果自动打分(见图9)。打分原则为:①参数完成包络分析的满分为1.00,未完成包络分析为0.00分;②参数不合格不包络,减少0.05分;③参数合格不包络或不合格包络,减少0.02分;④参数纵向比对超区间,减少0.02分。打分自下而上,每层进行归一化处理,并根据分配权重向上计算,打分结果表征了单机、分系统、整器的包络分析完成情况,并在一定程度上反映了其健康状态。

在完成产品视图构建的基础上,通过形式化参数的设计实现单机维度的关键数据分析比对,可以反映单机工作状态的一致性。

在参数层,支持相同参数和不同参数的比对,相同参数用于不同载人航天之间同参数之间的比对分析,不同参数比对用于代表同类物理含义但参数编号不同的参数之间的比对分析,见图10。

图9 多级视图自下而上逐级打分Fig.9 Multi-level view grading from bottom to top

图10 参数层多维度比对分析Fig.10 Multi-dimensional comparison analysis at parameter level

2 系统应用实践

载人飞船作为组批研制的重大工程航天器,一直以来对数据判读工作非常重视,历史数据知识积累基础好、机器数据判读模式成熟。在此基础上,应用并实践载人航天器成功包络智能分析系统架构,取得以下应用效果。

(1)包络分析对象标准化。建立批次、单船、分系统、单机,以及测试阶段、测试状态的2维标准化成功包络分析结构,整船共界定关键遥测302个,通过关联遥测、线性插值、遥测差值等数据再处理,形成关键指标76个,解决了传统包络分析工作中数据缺乏统一的管理和系统级的分析应用的问题,如图11所示。

(2)包络构建及分析过程数字化。利用爱泼斯-普利方法和单值控制图原理等数据分析方法,分析载人飞船发射场测试数据,构建收敛可信的成功包络线。同时,在包络数据采集、分析结果确认和存储等各环节实现数字化,初步建立了载人飞船成功包络数字资产,为飞船执行任务能力评估提供数据支撑。这样就解决了传统包络分析工作中成功包络构建缺少收敛性的问题。

(3)包络数据采信及结果分析智能化。在数据计算和包络分析中,通过学习包络数据处理专家知识,形成包络智能采信方法。在后续工作中,拟将使用积累的专家知识,以及系统工程的分析方法,进行载人飞船执行任务能力的智能评估和辅助决策,并打通与质量确认系统的接口,完成成功包络分析工作闭环。这样能解决传统包络分析工作中不同载人航天器剔野标准不一致导致数据可比性差的问题。

3 结束语

本文提出载人航天器成功包络智能分析系统架构设计,系统架构已成功应用于载人航天器地面测试及在轨飞控工作中,其分析结果作为载人航天器发射场质量确认[9]工作的一部分,可为航天器是否可飞行提供数据支撑。载人航天器中的成功包络智能分析方法和系统设计具有一定的代表性和普适性,可以在一定程度上为其他批产航天器开展成功包络分析工作提供借鉴。