自动判读系统在载人航天器电测中的应用

吴 伟，张 威，潘顺良，李鸿飞，杨 硕

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

载人航天器电测是指对器上设备的电气功能和性能指标的测试[1]。为了验证载人航天器的各项性能和功能是否满足设计要求，并考核载人航天器上硬件设备和软件程序的可靠性，在其发射之前需要进行长时间的电测。载人航天器结构复杂、分系统多，在每次测试过程中都会产生大量的测试数据。人工判读这些数据的正确性将耗费大量的人力，因此在载人航天器的电测过程中引入了自动判读系统。

自动判读系统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和规则，自动地进行数据的判读。这不仅极大地减轻了测试人员的判读负担，也提高了数据判读的准确性，提升了发现载人航天器潜在故障的能力。

目前自动判读系统已经全面应用于载人航天器各个型号的电测过程中，发现了一些靠人工判读难以发现的错误，发挥了很大的作用。本文介绍目前在载人航天器电测过程中使用的自动判读系统，并对采用的方案和取得的效果进行讨论。

1 自动判读系统方案

载人航天器电测中采用的自动判读系统是专家系统的一种应用。专家系统是人工智能领域的研究热点[2-3]，在世界范围内都得到了广泛的应用，是人工智能从理论研究走向实际应用的成功案例。自1984年美国航空航天局开始大规模引入人工智能技术开始，世界各地的航天机构都陆续开始在航天器研制的各个阶段进行专家系统的开发和应用，并收到了很好的效果[4-8]。

基本的专家系统由知识库和推理机构成，其一般实现中还包含有知识获取模块和结论显示模块[9]。与此类似，目前载人航天器电测中采用的自动判读系统的构成包括：判读数据库，判读推理机，结论存储引擎，知识管理客户端和结论显示客户端，其系统设计如图1所示。

图1 自动判读系统结构示意图Fig.1 Structure of the automatic diagnostic system

自动判读系统各组成部分的功能如下。

1）判读数据库：存放判读所需要的知识（由判读规则组成）、判读推理机得出的判读结论以及所测试载人航天器的基本信息（如指令和参数信息等）。在工作过程中，判读数据库为判读推理机提供判读知识和其他基本信息，接收结论存储引擎发送来的判读结论并加以存储，为各个结论显示客户端提供历史判读结论的查询服务，并能够存储结论显示客户端对历史判读结论的分析信息。此外，判读数据库为知识管理客户端提供判读知识，并接收知识管理客户端对判读知识的修改、添加与删除。

2）判读推理机：负责从判读数据库获得判读知识并加以解析，处理网络发送来的参数代号和工程值以及指令发送信息，得出判读的结论，将判读结论发送给结论存储引擎，并通过测试局域网广播给各个结论显示客户端。

3）结论存储引擎：负责处理判读推理机发出的判读结论，并将处理后的结论存入判读数据库。判读推理机发出的判读结论数据量巨大，但是实际应用中测试人员需要注意的仅是判读出错以及判读由错变对的相关信息。结论存储引擎就负责从判读推理机发出的大量判读结论中提取出这两部分信息，并按照数据库需要的格式存入判读数据库。

4）知识管理客户端：提供人机交互界面，从判读数据库中获取判读知识并将其显示给用户，同时为用户提供修改判读知识的接口。知识管理客户端的主要功能包括判读规则编辑、规则检查、规则查询、规则的批量导入导出等，能支持用户对判读知识进行便捷的修改、添加和删除。

5）结论显示客户端：提供人机交互界面，主要包括实时判读结论显示和历史判读结论查询功能。实时判读结论显示功能是指实时将判读推理机得出的判读结论显示在界面上，并提供出错时的报警，提醒测试人员对当前出现的错误进行处理；历史判读结论查询功能是指测试人员可以方便地查看某一段时间内的历史判读结论，并能够为这些历史判读结论填写分析信息。

对于专家系统而言，知识库与推理机是其主要组成部分[10]，也是设计的重点和难点。在载人航天器所使用的这套自动判读系统中，判读知识和判读推理机的设计是系统设计的核心。

2 判读知识的表达与组织

此自动判读系统中，判读知识采用了航天器测试常用的“条件+期望值”表达法，用产生式规则的形式表示判读知识，并采取正向推理的策略运用判读知识。一个参数或者指令的判读知识一般由若干条判读规则组成，每条判读规则由规则关键字、前件及后件等部分组成，其形式为“If前件 Then后件;”。其中，“If”和“Then”为规则关键字，前件表示判读的条件，后件给出了判读的结论，每条判读规则以“;”符号结尾。在一条判读规则中，前件可以为空，表示此判据无须其他判决条件，但是后件必须存在。当前件为空时，“If”和“Then”规则关键字不用给出。

规则的前件为判据的条件部分，其既可以是一条单独的布尔表达式（如“A001＞9”），也可以是几个布尔表达式的逻辑组合。目前自动判读系统的知识表达支持“与”逻辑（关键字为“&”）、“或”逻辑（关键字为“||”）和“非”逻辑（关键字为“！”），而布尔表达式则支持＜，＜=，＞，＞=，==，!=等常用的关系运算符和加减乘除等常用的数学运算符。

规则的后件为判据的结论部分，目前自动判读系统中后件主要有以下4种表达方式：

1）期望范围表示。如“IfA001＞9 ThenEL=0,EU=4;”，其中“EL”和“EU”分别为表示期望下限和期望上限的关键字。此表达式表示当参数A001的值大于9时，如果所判参数的取值在0～4之间则为正确，否则为错误。

2）期望值与误差范围。如“IfB001＞9 ThenB002.EV=12,ERR=1;”，其中“EV”和“ERR”分别为表示参数值和误差范围的关键字。此表达式表示当参数B001的值大于9时，若参数B002的取值范围在12±1内时为正确，否则为错误。

3）期望规律表示。如“IfC001＞9 ThenRET=incp(1,0,50)”，其中“RET”和“incp”分别为表示规则返回值和递增函数的关键字。此表达式表示当参数C001的值大于9时，参数值若以步长1在0～50的范围内周期性递增变化，则为正确，否则为错误。期望规律一般由函数表述，如此例中所述的“incp”函数。

4）直接返回判断结论。如“IfD001＞9 ThenRET=1”，则表示当参数D001的值大于9时，结论正确。在直接返回判断结论时，需要注意结论返回的完备性，同时要考虑到何时返回错误、何时返回正确，因此使用直接返回判断结论方式表示判读知识时，往往由几条判断规则共同组成。

由以上4种后件表达方式可以看出，前2种的后件中是一个期望表达式，而后2种的后件则直接给出了结论的返回值。实际上所有用期望表达式表达的后件都可以转化为直接给出结论的方式，但是使用期望表达式往往更为简洁。

目前，自动判读系统的判读知识表达除了支持常用的数学运算符、关系运算符和逻辑运算符以外，还支持递增、递减、差值、按位取值、正弦、余弦、正切等常用的函数和表达，使得载人航天器专家的知识可以顺利地转化为判读知识，实现了较好的知识覆盖。

3 判读推理机的设计

判读推理机是整个自动判读系统的核心，其推理能力直接影响到自动判读的有效性与实时性。目前，载人航天器电测所采用的自动判读推理机的工作流程如图2所示。

图2 判读推理机工作流程示意图Fig.2 The flow chart of the diagnostic inference engine

由图2可知，判读推理机启动后首先从判读数据库中加载并解析判读知识，得出判读所需的规则，并读入所测航天器的参数和指令的相关信息，接着进入等待接收数据状态。若接收到了网络发送来的测试数据，首先判断数据是遥测参数、设备数据还是遥控指令信息，并分别更新参数列表、执行指令作用效果，接着匹配规则并执行参数判读、指令判读、指令监视和事件判读（参数判读、指令判读、指令监视和事件判读的详细含义将在4.1节给出）。得出判读结论后，判读推理机将判读结论发送给结论存储引擎，并以广播的方式发送到测试局域网供结论显示客户端使用。

自动判读系统所采用的判读推理机充分考虑了载人航天器测试的特点，用遥测参数、遥控指令等信息驱动判读规则匹配，得到了较好的效果，判读结论的准确性高、实时性好。

4 已实现的功能和取得的成效

4.1 自动判读系统已经实现的功能

根据载人航天器电测的特点，自动判读系统除了实现对航天器参数的判读外，还实现了指令判读、事件判读和指令监视等功能。

1）参数判读

参数判读主要监视载人航天器在电测过程中遥测下传的各种参数，如温度值、气压值、电压值等。由于指令的发送、飞行模式的改变等都会对航天器上的参数产生影响，所以需要将这些影响因素写入规则表达式的前件；此外，有时虽然指令已经发送，但是对于某些参数的影响需要延迟一段时间才会显现出来，因此判读知识中还包含有与指令相关的延迟判读信息。

2）指令判读

指令判读主要监视指令发送后其执行效果是否正常。当一条指令被发送后，一般会导致相关参数的变化，指令判读就是通过监视这些参数，来判读指令是否被成功执行。

3）事件判读

模拟飞行试验是航天器测试中不可缺少的一部分。在模拟飞行试验中，指令是按照预先设定的时间顺序自动发送的。事件判读的目的是监视模拟飞行试验中指令的发送和执行情况。它以指令判读的知识为基础，并根据模拟飞行试验已经设定好的指令发送时间来监视指令的作用效果，以判读出指令发送的时间是否准确、执行是否正常。

4）指令监视

指令判读是在已知指令发送的情况下判读指令的作用效果是否正常。而指令监视与指令判读不同，是指在不知道指令发送的情况下，通过航天器上遥测下传的各种参数值来判断这些参数的值是否和某条指令发送后导致的执行效果一致，从而逆向推导出可能的指令发送。指令监视是通过遍历所有指令的执行效果来实现的，其目的在于监视航天器上指令的发送情况，及时发现和消除设备故障及误操作。

4.2 自动判读系统所取得的成效

目前，参数判读、指令判读、事件判读和指令监视等功能都已经在载人航天器的日常应用中发挥了重要作用，虽然还未完全取代人工判读，但是已经为测试人员提供了另一种方便可靠的判读依据。在已经开展的载人航天器各型号的测试中，自动判读系统发现了人工判读难以发现的参数跳变等问题，提升了载人航天器测试的有效性。

此外，目前自动判读系统中的判读知识组织清晰、继承性好，采用数据库技术后转移和沿用十分方便，同系列载人航天器判读知识的沿用比例接近 100%，极大地节省了人力物力。随着系列型号电测的不断进行，自动判读知识得以不断改进和积累，知识的准确性和覆盖率得到稳步提升。

5 结束语

经过多年的发展，自动判读系统已经弥补了人工判读的很多不足，取得了良好的效果。自动判读系统的参数判读、指令判读、事件判读和指令监视等功能方便实用，为载人航天器的测试提供了有效的支撑手段。随着判读功能和判读知识的不断完善，自动判读系统将在未来的载人航天器测试中发挥更加重要的作用。

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