控制系统集成交付平台的建设实践

◎北京航天自动控制研究所 吴润 王知非 方焕辉 赵晓岚 姬传义

控制系统集成交付平台的建设实践

◎北京航天自动控制研究所 吴润 王知非 方焕辉 赵晓岚 姬传义

基于系统工程学、运筹学和控制理论方法，利用统计学方法分析比对多年型号控制系统批生产交付以及综合试验的经验，完成了控制系统集成交付平台数学模型设计，建立了产品基线等4个维度体系，并利用网络规划方法确认关键流程，通过流程改造的方法完成过程优化。根据最优工序路径完成了集成交付现场的新规划布局，同时，结合集成交付试验协作指挥流程并利用多媒体技术工具，实现了对平台运行情况的实时控制监测。

近年来，以某战略型号为代表的新一代导弹武器研制、列装任务迫在眉睫，其控制系统采用了大量新技术，呈现出高度集成化、海量测试数据、测试流程异常复杂、型号研制与批生产周期极大缩短等新特点，传统研制、测试模式的不适应性逐渐显现。

面对内外部环境变化和形势任务要求，北京航天自动控制研究所于2014年4月发布了《北京航天自动控制研究所未来10年发展战略（2014～2023）》，提出“技术引领、产品驱动、人才强所、管理转型”的发展战略，建成控制系统集成交付平台，并实现用最短的时间和最少的资源交付用户最好的产品。控制系统集成交付是根据型号、系统、分系统、单机和软件产品的设计与使用特点，按照系统级产品的思路开展各项任务，其实质是将飞行控制系统、测试发射控制系统形成系统级产品向用户整体交付。

一、集成交付平台的建设实践

1．现状分析与总体思路

研究所原有的型号研制模式为：控制系统对配套产品完成规划，在产品完成设计后将生产图纸交给配套生产单位进行整机生产，或由研究所负责提出整机技术任务书，相关配套单位进行整机的研制和生产，产品由生产单位直接交付使用方，生产单位对产品的生产质量负全责。近年来，随着各专业分工的日趋精细，控制系统配套单位不断增加，责任更加分散，传统的产品研制模式已越来越不适应当前的需求。因此，针对现有生产状况及特点，研究所必须提升精细化管理水平、提升产品集成验证能力及系统抓总能力。

控制系统集成交付承担的系统级产品主要包括飞行控制系统、测试发射控制系统。考虑各型号以及不同研制阶段的控制系统在测试项目、流程和设备等方面的相似性，结合集成交付平台建设的经济性等因素，控制系统集成交付平台的建设采用“试点先行、稳步推进”的工作总体思路，通过型号试点建立成熟模型并逐步推广展开，最终建立完善的集成交付体系。

2．顶层框架模型设计

（1）霍尔三维结构

控制系统集成交付平台涉及面广、参与单位多、规模庞大、技术状态和试验流程复杂，各专业产品验证点彼此交叉、整体又紧密耦合，是集技术、管理和基础建设为一体的庞大系统工程。

为了更优化地建设一套集成交付体系，将现代系统科学理论、观点和方法引入其中，运用系统工程和运筹学思想，通过统计分析样本数据构建霍尔三维结构模型，从时间维、逻辑维、专业维3个方面刻画系统工程的组成及空间结构，将其集成为一个大的关联系统，从而实现软、硬件的相互集成，资源有效整合，提高产品测试方法成熟度、覆盖性、通用性和可靠性。三维结构形象地描述了系统集成研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤进一步展开，形成分层的立体结构体系。控制系统集成交付平台的霍尔三维结构模型如图1所示。

从时间维、逻辑维、专业维3个方面入手，根据霍尔活动矩阵对各种要素进行分析，制定应对策略和方案，进行优选判定，再通过神羊角模型进行迭代性和收敛性分析，并将控制理论中的负反馈思想引入模型设计，最终按照图2的逻辑经过设计分析改进得到最优输出。

（2）多维数学模型

通过优化分析设计及实际验证最终完成了控制系统集成交付平台多层次数学模型的设计，建立了产品基线、测试基线、人员协作基线、文件标准基线4个维度立体空间体系。

测试基线主要从霍尔三维模型时间维展开，按照产品的集成交付工作特性依次进行各项目单元，利用网络规划方法将线性流程有效优化，并通过交叉、并行、迭代等手段提升流程效率。部分复杂单元逐层向下延展，结合产品基线特性自顶向下分层设计，从系统层、分系统层、单机层逐层深入进行测试覆盖性的设计工作。

针对目前控制系统研制、批生产过程中大型复杂系统级产品的测试性分析靠人工方式难以实现的现状，开展测试性自动化分析手段建设，寻找测试过程中存在的薄弱环节，进而改进试验方法和测试流程以提高测试覆盖性，确保飞行的可靠性。此外，还对系统故障诊断和健康及时监测技术进行技术储备，以满足武器系统的快速测试和发射需求，进一步提高系统级产品测试的覆盖性、准确程度和合理性。系统级产品测试性设计与分析系统主要由测试性分析基本模块、系统实时诊断工具模块、测试性模型和数据管理工具及测试性职能管理助手组成。

可测试性建模是进行产品测试性分析、评估与优化的基础。借鉴国外武器系统在可测试性分析工具上的成功运用，采用多信号流图模型的建模方法确定了层次化的建模机制，能够清晰地描述系统、子系统、单机、功能模块、元器件等不同层次之间的可测试性信息，可以把专家对系统的理解和测试诊断经验简单直观地转换成专家知识，并以模型化的文档形式保存，同时方便系统模型和测试性设计的修改与优化。

图1 控制系统集成交付平台的霍尔三维结构

图2 系统集成交付平台设计逻辑及反馈机制

控制系统在测试流程的设计上，基本是从自身型号的特点出发，经过仿真验证后进行设计，做到系统测试项目覆盖出厂测试项目，出厂测试项目覆盖靶场测试项目。另外，在测试时长的安排上，系统测试和出厂测试也可以覆盖靶场测试，避免出现由于时长不同导致其它异常现象发生。同时，进行系统级产品的环境试验设计，实现控制系统集成产品在实际安装环境中进行的电磁兼容性、运输、振动、低温、高温等机械力学环境试验和气候环境试验，而且要尽量模拟出综合环境。

产品基线按照系统级、分系统级、单机级产品展开各项工作，在设计模型时与测试基线有效结合。总检查测试一般验证系统级产品的主要性能指标，各分系统测试主要验证分系统产品的主要性能，单机进行单元测试验证。

总检查测试是模拟飞行状态下系统工作情况的全面检查。分系统测试针对控制系统进一步细分为平台系统、伺服系统、时序系统和电源配电系统、安全控制系统等测试。单元测试是对单机功能和性能指标进行的全面检查，在单机任务书中特别强调测试覆盖性的设计和考虑，具体要求包括测试的全面性、冗余功能的可测试性以及模拟各种工况的真实性。各层考虑各层的功能覆盖需求，并对下层提出明确的测试性及测试覆盖性的设计要求，包括接口测试、冗余功能测试、逻辑测试要求等。

按照控制系统产品的不同特性，研制、测试、批生产过程一般包括以下试验内容：单机级试验一般包含下厂验收、入所复验、筛选试验、验收试验、例试试验、鉴定试验；专项试验一般包含姿控系统数学仿真、等效器仿真、半实物仿真试验，制导系统闭路仿真试验，控制系统综合试验，控制系统可靠性环境试验，软件全数字仿真系统测试，通用PLC软件测试；系统级试验一般包含飞行控制系统综合试验、测试发射控制系统综合交收试验、控制系统匹配试验、控制系统环境试验（热待机、高温淋雨、运输等）。

人员协作基线主要按照系统集成交付涉及的各个相关部门展开，产品设计、生产时依照总体室—系统室—单机/软件室—生产厂单位—特装库房—集成测试的流程展开。

文件标准基线构建了一套从岗位规范、文件规范、设备管理规范到具体的工艺文件、操作细则的文件标准体系，确保所有过程均有据可依、有章可循，每个环节质量受控，可以指导设计、工艺、测试、检验、库房等各类岗位人员开展工作。

3．流程优化方法

基于霍尔三维模型充分考虑测试、产品、人员、标准维度的多种耦合联系，在控制系统集成交付平台框架模型基础上，利用网络规划方法对测试基线的工序流程进行优化设计，以提高试验效率，合理配置资源，提升集成交付管理水平。

以某型号集成交付的典型工序流程为例，经统计分析得出各工序时间参数表，并在表中列出工序代号、所需工时以及紧后工序，具体见表1。

根据表1画出集成交付工序流程网络规划图（见图3），分析比对各个方案确认关键路径。

分析各工序影响程度可以看出调整性试验、机柜装调、稳定性与拉偏试验和准备阶段对集成交付过程影响最大、周期最长，约占整个比例的70%，在网络规划中应重点考虑其造成的影响，制定针对性策略。

通过工序分解、交叉、并行、改进、分类等方法简化集成过程，合理重排顺序，优化资源配置，实现流程树分级压缩，任务流程分支细化，流程扁平化管理，完成了最优路径设计。

4．质量控制方法设计

（1）基于Mind manager软件的过程质量控制体系

基于Mind manager软件以具体系统集成交付工作流程为主线，结合工艺规程不断测量、分析、改进、控制，将质量控制落实到每一个工序、每一步操作。每一个细小的环节均有相对应的依据文件、操作规范、检查表格、岗位配置，确定质量控制点、注意事项和相应的责任人，强调精细化、表格化、流程化、规范化管理，并对交收检验中发现的问题进行全程追踪处理，增强知识的积累。

表1 集成交付工序参数表

质量控制体系更加强调可视化的管理，将存在于庞大技术文件、标准规范中的各种参数要求通过流程图形象、直观地表示出来，点开每一环节均有相应的操作规程指导以及责任人、岗位配置、检查表格、重点需要关注的地方等信息。

（2）基于统计质量控制的系统集成过程质量监测

利用统计质量控制方法，对系统集成交付过程关键特性进行分析，得到过程控制统计量化值与偏离系数，具体包括期望时间（分析统计得出完成工序所用的标准时间）、实操时间（完成工序的实际时间）、偏离系数（实操时间/期望时间）。

利用分析用控制图，对多套集成交付中积累的样本值进行统计分析，绘制单值—移动极差图（I-MR控制图），计算出偏离系数的控制线。设计过程控制用控制图对工序过程偏离系数进行实时监测，当偏离系数发生异常时，控制图会实时报警并通过对样本值的分析判断报警类型，以达到对集成过程的监控。

5．指挥调度系统建设

图3 集成交付流程网络规划图

利用视频、语音等多媒体手段，以及可输出的电子白板、协同指挥计算机等工具，建立了一套较为完善的试验协调指挥调度系统，包括语音指挥调度系统和多媒体视频监控系统。利用该系统可以结合集成交付试验协作指挥流程，更好地进行集成交付试验过程的质量控制，同时也增强了集成交付试验的可追溯性，使各种试验现象和操作记录更加精确。

二、实践效果和后续思路

1．实践效果

控制系统集成测试是型号研制、批生产过程中的重要环节，是控制系统产品研制、生产、交付的最后一道关卡，是客观评价控制系统质量的重要方法。集成测试平台过程状态控制的好坏直接影响到批生产的结果评判，进而影响到整个型号的质量控制。

北京航天自动控制研究所在某型号中推广、应用控制系统集成交付平台，极大地提升了试验效率，增强了集成交付过程质量控制能力及测试覆盖性，使测试流程更加细化，交收检验过程更加合理、优化，节约了批生产综合交收检验的时间、人力、物力等资源。与传统的综合交收检验模式相比较，提升了控制系统的抓总能力，加强了系统级产品的优化设计能力，加强了控制系统系统级产品生产质量的保证能力，构建了更加适应多型号、多任务的产品生产体系。

2．后续思路

控制系统集成交付平台率先在某型号控制系统和某型号测试发射控制系统展开试点，取得良好效果后逐步推广到其它同类型号，最终构建一个适应多型号、多任务以及批生产要求的通用性集成交付平台，通过持续的生产设施建设和人员培养建立起完善的生产管理体系，提升新形势、新任务下研究所对控制系统的抓总能力和系统交付能力，确保后续型号高密度发射任务能够顺利完成。◀