許宗飛 李鴻飛 潘順良

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

空間站多艙測試數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

許宗飛 李鴻飛 潘順良

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

為解決空間站地面多艙聯(lián)合測試數(shù)據(jù)集中分析問題，文章設(shè)計了綜合分析系統(tǒng)架構(gòu)，包括利用數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載(ETL)工具整合多艙數(shù)據(jù)庫組建數(shù)據(jù)倉庫；開發(fā)綜合分析軟件定制參數(shù)查詢頁面；檢索數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)多艙數(shù)據(jù)的比對分析；對分析結(jié)果進行本地存儲，輔助測試判讀人員自動生成分析報告。通過地面試驗，結(jié)果表明：綜合分析系統(tǒng)不僅能滿足多艙段航天器聯(lián)合測試數(shù)據(jù)集中分析的需要，同時，支持單艙測試數(shù)據(jù)的查詢、分析，具有一定的工程應(yīng)用價值。

多艙聯(lián)合測試；綜合分析；數(shù)據(jù)倉庫

1 引言

我國載人航天發(fā)展進入“十三五”階段，空間站建設(shè)穩(wěn)步推進?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”及大數(shù)據(jù)搜索引擎技術(shù)的發(fā)展，促使在總結(jié)前期工作的基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)據(jù)分析策略，提高信息資源共享及利用率，通過技術(shù)手段提高數(shù)據(jù)分析的效率和可靠性?？臻g站建設(shè)過程需經(jīng)歷地面多艙航天器聯(lián)合測試階段。航天器測試[1-3]數(shù)據(jù)分析依賴的信息種類較多，包括遙測數(shù)據(jù)信息、自動判讀結(jié)論信息、自動化測試執(zhí)行信息、測試過程狀態(tài)管理信息等，判讀人員需要對多種數(shù)據(jù)庫信息進行聯(lián)合分析，才能明確給出航天器功能、性能測試狀況的結(jié)論。

空間站多艙聯(lián)合測試模式下，判讀人員不僅要對單艙測試狀況進行數(shù)據(jù)分析，還要對多艙組合體進行整體測試狀況分析。多艙測試模式下，需要對多型號的多種類數(shù)據(jù)庫信息進行比對分析，同時對多個艙聯(lián)合測試情況進行集中分析，原有的支持單艙查詢的客戶端軟件無法滿足多艙測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析需求，需要開發(fā)新的軟件對多艙各類數(shù)據(jù)進行集中關(guān)聯(lián)分析。

本文以多艙數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)為研究對象，闡述空間站多艙數(shù)據(jù)分析的需求，設(shè)計多艙數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)倉庫研制綜合分析軟件[4]，對綜合分析系統(tǒng)進行驗證，結(jié)果表明：此系統(tǒng)為各類人員提供直接、全面的數(shù)據(jù)分析評價手段[5-6]，不僅滿足空間站多艙數(shù)據(jù)綜合分析需求，也支持單一航天器多維信息集中比對分析及測試報告的自動生成，可顯著提高綜合測試效率。

2 空間站多艙數(shù)據(jù)綜合分析需求

空間站多艙聯(lián)合測試，包括測試前準備、測試實施和測試總結(jié)。測試產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，測試模式復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析主要存在以下需求：

(1)多艙聯(lián)合測試，數(shù)據(jù)分析依賴的數(shù)據(jù)庫種類較多，包括遙測數(shù)據(jù)庫、自動判讀結(jié)論庫、自動化測試執(zhí)行信息庫、測試過程狀態(tài)管理信息庫等，目前，各類數(shù)據(jù)庫查詢獨立，測試信息須手動來回切換不同客戶端軟件才能遍歷完全，并手動記錄每種數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)信息，無法用同一軟件對不同種類信息進行聯(lián)合分析，信息比對困難、效率低。所以，為實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)融合，滿足多種類數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析需求，需設(shè)計綜合分析系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)分析質(zhì)量。

(2)多艙聯(lián)合測試或多型號并行測試時，各型號測試軟件相對獨立，不支持多艙數(shù)據(jù)跨平臺比對分析。需要開發(fā)統(tǒng)一軟件，對多型號測試數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)比對，以完成多艙聯(lián)合測試整體分析工作。

(3)多艙聯(lián)合測試時，面對多艙復(fù)雜的信息類型、大量測試參數(shù)，如果每次數(shù)據(jù)分析都要選擇信息類型、參數(shù)名稱，工作量大且效率低，相同查詢業(yè)務(wù)在不同測試階段的分析操作不便。因此，需要設(shè)計定制查詢策略，對不同分析業(yè)務(wù)進行分類定制、保存，不必每次都選擇時間、參數(shù)，從而提高不同階段數(shù)據(jù)比對分析的效率。

(4)多艙聯(lián)合測試，數(shù)據(jù)判讀分析、階段數(shù)據(jù)復(fù)查，需要拉曲線分析數(shù)據(jù)跳變、抓圖比對不同階段數(shù)據(jù)差異，形成測試報告。目前，現(xiàn)有軟件無法自動生成測試報告，而要靠人工查詢、抓圖、復(fù)制、粘貼，完成測試報告編制，耗時耗力。因此需要開發(fā)綜合分析軟件，實現(xiàn)分系統(tǒng)自動生成測試報告，提高測試報告編寫效率。

3 多艙聯(lián)合測試綜合分析系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1綜合分析系統(tǒng)總體設(shè)計

為解決空間站多艙數(shù)據(jù)分析的需求，現(xiàn)給出多艙聯(lián)合測試綜合分析系統(tǒng)總體設(shè)計，如圖1所示。

圖1 多艙聯(lián)合測試綜合分析系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Overall design of comprehensive analysis system for multi-module joint test

由圖1可知，系統(tǒng)分為前置區(qū)、服務(wù)區(qū)和測試應(yīng)用區(qū)，系統(tǒng)間通過局域網(wǎng)絡(luò)通信。前置區(qū)包括測控、地面供電、控制等前端設(shè)備和模擬器，服務(wù)區(qū)包括數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉庫，測試應(yīng)用區(qū)為綜合分析軟件。

為解決多艙數(shù)據(jù)庫種類多、需要不同客戶端實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫查詢這一問題，在服務(wù)區(qū)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)，組建數(shù)據(jù)倉庫[7-9]，將不同數(shù)據(jù)庫信息融合；為解決多型號數(shù)據(jù)不同平臺比對需求，在應(yīng)用區(qū)開發(fā)綜合分析軟件實現(xiàn)對不同型號數(shù)據(jù)庫[10]的綁定，用同一軟件對不同型號數(shù)據(jù)進行比對；為解決大量參數(shù)每天重復(fù)選擇查詢條件問題，應(yīng)用區(qū)綜合分析軟件增加參數(shù)定制查詢功能，根據(jù)分析業(yè)務(wù)進行參數(shù)定制，后續(xù)對相同業(yè)務(wù)分析不用重復(fù)選擇查詢條件；為解決測試報告編寫工作重復(fù)的問題，在應(yīng)用區(qū)將綜合分析軟件與數(shù)據(jù)倉庫關(guān)聯(lián)，通過軟件內(nèi)部處理實現(xiàn)測試報告自動生成。

3.2綜合分析軟件架構(gòu)設(shè)計

實現(xiàn)綜合分析系統(tǒng)功能需要開發(fā)綜合分析軟件，綜合分析軟件整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合分析軟件整體架構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.2 Overall framework of comprehensive analysis platform

為了增加綜合分析軟件的靈活性和可擴展性，軟件整體架構(gòu)設(shè)計上采取分層、分模塊思路，整個業(yè)務(wù)按照表現(xiàn)層、邏輯分析層、數(shù)據(jù)驅(qū)動操作層、數(shù)據(jù)倉庫層的4層架構(gòu)去設(shè)計。另外，軟件提供用戶信息等外部接口，其它客戶端軟件可通過接口校驗后獲取本軟件中保存的信息，方便測試數(shù)據(jù)仿真、集成分析。軟件整體架構(gòu)設(shè)計有利于軟件的開發(fā)、維護、部署和擴展。

圖2中，表現(xiàn)層主要通過圖表、曲線等形式展示綜合分析軟件整體界面，用戶通過表現(xiàn)層選擇數(shù)據(jù)查詢類型及查詢條件，；邏輯分析層是軟件架構(gòu)的核心，主要負責(zé)業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模塊、數(shù)據(jù)集中查詢模塊、生成文檔模塊等具體的功能實現(xiàn)模塊，經(jīng)邏輯分析層可驗證查詢條件合法性并解析數(shù)據(jù)查詢命令；數(shù)據(jù)驅(qū)動操作層主要負責(zé)訪問數(shù)據(jù)倉庫，通過Oracle數(shù)據(jù)庫驅(qū)動和Thrift軟件框架實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取和傳遞，將查詢結(jié)果返回到邏輯分析層進行統(tǒng)計分析、比對計算等操作，邏輯分析層再將處理結(jié)果返回到表現(xiàn)層，以表格或者繪制曲線圖的方式呈現(xiàn)給用戶；數(shù)據(jù)倉庫層鏈接遙測數(shù)據(jù)庫、自動化測試庫、自動判讀結(jié)論庫、狀態(tài)管理信息庫，依托數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載(ETL)工具定時從原有數(shù)據(jù)庫中抽取數(shù)據(jù)信息組建數(shù)據(jù)倉庫，為用戶提供數(shù)據(jù)分析的內(nèi)容。另外，為規(guī)范引入數(shù)據(jù)倉庫的信息格式，各接入數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)采用統(tǒng)一格式。

3.3綜合分析軟件數(shù)據(jù)交互設(shè)計

綜合分析軟件是分析系統(tǒng)的核心軟件，軟件的數(shù)據(jù)交互設(shè)計如圖3所示，圖3中各個數(shù)據(jù)交互點功能介紹如下：①從測試數(shù)據(jù)庫定時抽取測試數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)倉庫；②從自動化測試數(shù)據(jù)庫、自動判讀結(jié)論庫、狀態(tài)管理信息庫等庫中抽取所需數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)倉庫；③對應(yīng)查詢功能模塊從數(shù)據(jù)倉庫中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)；④將部分查詢結(jié)論信息保存到數(shù)據(jù)倉庫中；⑤將用戶定制查詢條件的查詢結(jié)果保存到緩存服務(wù)器中；⑥將用戶歷史查詢的查詢結(jié)果保存到緩存服務(wù)器中；⑦按照用戶定制的查詢模板，查詢相對應(yīng)的數(shù)據(jù)；⑧按照用戶定制的查詢模板和查詢所得數(shù)據(jù)，自動生成相應(yīng)的文檔；⑨將查詢結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、過濾篩選、邏輯判斷等操作；⑩負載均衡(多個查詢同時請求時的排序響應(yīng))組件對于多個用戶發(fā)送的大批量查詢請求進行排隊，給予響應(yīng)；將數(shù)據(jù)處理成表格或者圖形，便于用戶查看；使用.Net插件繪制參數(shù)工程值曲線圖；用戶與軟件客戶端界面進行數(shù)據(jù)交互請求。

圖3 綜合分析軟件數(shù)據(jù)交互設(shè)計Fig.3 Data design of comprehensive analysis platform

3.4綜合分析系統(tǒng)功能及關(guān)鍵技術(shù)

多艙聯(lián)合測試綜合分析系統(tǒng)用于支持空間站地面組建測試，通過對每個艙測試數(shù)據(jù)挖掘分析，完成地面對空間站整體的測試功能、性能評估。綜合分析系統(tǒng)具體功能及關(guān)鍵技術(shù)如下。

1)多艙數(shù)據(jù)倉庫組建

為解決多艙各類數(shù)據(jù)庫異構(gòu)問題，依托ETL工具，定時從原有數(shù)據(jù)庫中抽取相應(yīng)數(shù)據(jù)組建數(shù)據(jù)倉庫，利用Oracle的.Net驅(qū)動在數(shù)據(jù)倉庫中按照分析內(nèi)容進行相應(yīng)的查詢，綜合分析系統(tǒng)具備對原有分散的多類數(shù)據(jù)庫進行有效數(shù)據(jù)抽取、融合，跨平臺開展數(shù)據(jù)集成，支持不同角色測試人員對航天器數(shù)據(jù)的分析。

2)多艙數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析

綜合分析系統(tǒng)支持多航天器測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)查詢，可實現(xiàn)多航天器信息后臺配置，在同一軟件上對不同航天器測試數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)比對，具體功能如下。

(1)關(guān)聯(lián)查詢分析功能：提供分析平臺，對數(shù)據(jù)庫進行需求信息關(guān)聯(lián)查詢，支持測試參數(shù)/指令、自動化測試信息、自動判讀結(jié)論、狀態(tài)管理信息等數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)查詢，提供信息融合界面，輔助進行數(shù)據(jù)分析。

(2)數(shù)據(jù)比對分析功能：提供統(tǒng)一界面，實現(xiàn)同源數(shù)據(jù)比對分析、同一參數(shù)不同測試階段比對分析、同類參數(shù)同一時間段比對分析、相關(guān)參數(shù)比對分析。用戶可以通過引用原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)進行比較，引用方式可以為數(shù)據(jù)名稱或數(shù)據(jù)編號；數(shù)據(jù)比對分析時，用戶可以通過預(yù)處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)初步分析，為后續(xù)分析創(chuàng)建輸入條件，預(yù)處理可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾。

(3)綜合統(tǒng)計分析功能：實現(xiàn)參數(shù)跳變信息、開關(guān)/繼電器加電次數(shù)、電池剩余電量、設(shè)備加斷電時間、測試指令發(fā)送情況等統(tǒng)計?？蓪?shù)據(jù)進行作圖處理，支持多數(shù)據(jù)圖形疊加顯示或單獨顯示(曲線圖、柱狀圖)；支持時間為橫坐標，參數(shù)值為縱坐標進行圖像顯示；支持某條數(shù)據(jù)為橫坐標，另外一條或多條數(shù)據(jù)為縱坐標進行圖像顯示。

3)多維數(shù)據(jù)庫集中定制查詢

綜合分析系統(tǒng)支持在一個集成查詢平臺上，根據(jù)數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)需要，通過定制查詢策略實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)信息集中查詢、顯示。

(1)數(shù)據(jù)定制查詢功能：提供定制頁面配置方式，通過判讀人員預(yù)先配置的多個選項進行快速查詢，定制查詢內(nèi)容具備配置保存功能，用戶下次查詢操作不用重復(fù)配置。

(2)測試數(shù)據(jù)庫查詢：對存儲在數(shù)據(jù)庫中的測試數(shù)據(jù)進行定制查詢，按用戶的需求提供數(shù)據(jù)曲線、列表等分析模版，支持各階段數(shù)據(jù)查詢。

(3)狀態(tài)管理信息查詢：實現(xiàn)測試過程狀態(tài)控制情況定制查詢，支持流程審批單、歸檔文件查詢，支持查詢各類綜合測試狀態(tài)信息。

(4)自動判讀結(jié)論查詢：按照特定顯示格式對參數(shù)/指令報錯的信息、參數(shù)/指令由錯誤到正確的信息、參數(shù)報錯時的輔助定位信息進行定制查詢，輔助用戶進行數(shù)據(jù)報錯分析和比對。

(5)自動化測試信息查詢：為用戶提供操作顯示頁面，查詢顯示測試子項目內(nèi)容、測試項目內(nèi)容、測試項目執(zhí)行結(jié)果，同時對測試子項目完成覆蓋率或測試項目完成情況進行查詢統(tǒng)計。

4)測試報告自動生成

綜合分析系統(tǒng)支持添加測試報告文檔模板，將綜合分析軟件與文檔模板關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)測試報告自動生成功能。

(1)模板編輯：綜合分析軟件提供模板編輯工具，根據(jù)不同崗位判讀人員分析報告編寫內(nèi)容，通過下拉選擇、項目勾選、表格編輯等形式生成崗位測試報告文檔模板；

(2)模板關(guān)聯(lián)：根據(jù)各崗位報告模板名稱，支持判讀人員通過綜合分析軟件與報告模板建立關(guān)聯(lián)，將報告模板加入綜合分析軟件；

(3)報告自動生成：支持將判讀人員查詢、比對的顯示結(jié)果自動加入報告文檔，并支持定制查詢內(nèi)容自動加入報告文檔，實現(xiàn)測試報告自動生成功能。

4 綜合分析系統(tǒng)應(yīng)用

綜合分析系統(tǒng)采取地面試驗驗證方式，驗證過程如下：①在航天器電性能測試系統(tǒng)中部署使用綜合分析軟件，采用定時索引策略抽取多航天器測試數(shù)據(jù)庫中信息，組建數(shù)據(jù)倉庫；②利用綜合分析軟件定制參數(shù)查詢頁面，生成查詢配置條件，并將定制的查詢條件保存；③判讀人員通過預(yù)先定制的查詢頁面，檢索數(shù)據(jù)倉庫，獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，集中展示查詢與比對分析結(jié)果；④對查詢與比對分析結(jié)果進行本地存儲，并自動生成測試分析報告。

綜合分析系統(tǒng)應(yīng)用主要依賴綜合分析軟件實現(xiàn)多型號數(shù)據(jù)比對、自動生成測試報告等功能，同時，支持對載人飛船、貨運飛船等單一航天器各類測試數(shù)據(jù)查詢分析，具體軟件應(yīng)用界面如圖4所示。綜合分析系統(tǒng)支持對測試數(shù)據(jù)庫、自動判讀結(jié)論庫、自動化測試庫等進行集中綁定，在一個軟件上實現(xiàn)參數(shù)、自動判讀結(jié)論、自動化測試等信息集中顯示，減少不同數(shù)據(jù)庫客戶端軟件的操作，節(jié)約比對時間；綜合分析系統(tǒng)支持不同型號信息底層配置，跨平臺實現(xiàn)多個型號測試數(shù)據(jù)庫比對查詢，避免對不同型號分別配置客戶端軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、比對，通過對2個型號1天20個參數(shù)跨庫查詢，綜合分析軟件響應(yīng)時間比分別打開兩個查詢客戶端節(jié)省了約30 s；綜合分析軟件支持加載測試報告模板，將定制查詢結(jié)果自動插入測試報告，減少人工查詢、抓圖、復(fù)制、粘貼等80%的操作步驟，實現(xiàn)自動生成測試報告。綜上，綜合分析系統(tǒng)顯著提高了測試數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量和效率。

圖4 綜合分析軟件界面示意圖Fig.4 Sketch map of comprehensive analysis platform

5 結(jié)束語

本文提出一種支持空間站多艙地面聯(lián)合測試的綜合分析系統(tǒng)設(shè)計，在總結(jié)多艙數(shù)據(jù)分析需求的基礎(chǔ)上，給出了綜合分析系統(tǒng)總體設(shè)計思路，并結(jié)合數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)開發(fā)了綜合分析軟件，設(shè)計了軟件整體架構(gòu)。此外還對綜合分析系統(tǒng)功能和應(yīng)用進行了說明。通過地面試驗，結(jié)果表明：綜合分析系統(tǒng)支持多艙數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，也支持一個型號多種類數(shù)據(jù)庫集中分析，為型號測試數(shù)據(jù)分析提供了優(yōu)化集成策略，可提高數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量和效率。

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Design and Application of Space Station Multi-module Test Data Comprehensive Analysis System

XU Zongfei LI Hongfei PAN Shunliang

(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094, China)

To solve the problem of data integrated analysis about space station multi-module ground joint test,the framework of comprehensive analysis system is designed.Multifarious databases are congregated to build data warehouse by using ETL(Extraction-Transformation-Loading).The comprehensive analysis software is developed to customize parameter query pages,retrieve data warehouse and realize the comparative analysis of multi-module data. The analysis result is saved locally,which helps the tester to write analysis report automatically.The results of ground test shows that the comprehensive analysis system not only supports test data integrated analysis of multi-module spacecrafts joint test,but also supports test data query and analysis of single spacecraft.There for the system has some engineering application value.

multi-module joint test;comprehensive analysis;data warehouse

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.019

2017-06-09；

2017-06-27

國家重大科技專項工程

許宗飛，男，碩士，工程師，從事航天器綜合測試研究。Email：xzf99@126.com。

(編輯：李多)