龔勇輝 王靜研黃 成

(1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心指揮控制站，甘肅 酒泉 732750)

航天測(cè)控指揮自動(dòng)化是指在航天任務(wù)中指揮中心對(duì)次級(jí)指揮中心、測(cè)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化指揮和遠(yuǎn)程控制，在指揮和執(zhí)行流程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著航天器生產(chǎn)制造技術(shù)的進(jìn)步和空間任務(wù)需求的活躍，發(fā)射和在軌運(yùn)行的航天器越來(lái)越多，這對(duì)航天測(cè)控指揮及系統(tǒng)運(yùn)行效率的要求越來(lái)越高，特別是應(yīng)對(duì)突發(fā)性測(cè)控服務(wù)的情況[1]。在機(jī)動(dòng)測(cè)控和快速航天的趨勢(shì)下，測(cè)控設(shè)備故障狀態(tài)時(shí)，快速、可靠、精準(zhǔn)指揮是指揮自動(dòng)化的瓶頸[2]，同時(shí)也是應(yīng)對(duì)高密度試驗(yàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)快速反應(yīng)發(fā)射任務(wù)組織指揮的迫切需要[3]。美國(guó)憑借強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技實(shí)力，在航天測(cè)控指揮自動(dòng)化系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和建設(shè)方面處于領(lǐng)先地位，其提出的“快速響應(yīng)航天”[4](Operationally Responlive Space,ORS)計(jì)劃中提出了航天測(cè)控轉(zhuǎn)型及應(yīng)對(duì)突發(fā)故障的處置策略，以適應(yīng)“快速?zèng)Q定性作戰(zhàn)”需求[5]，旨在快速滿足民用和軍用需求，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和適應(yīng)未來(lái)空間攻防對(duì)抗需要。

在有限的資源中，如何借鑒和吸收國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從流程上減少和規(guī)避人為差錯(cuò)，加快任務(wù)遂行速度，提高指揮效能，推進(jìn)國(guó)內(nèi)航天測(cè)控指揮的快速響應(yīng)機(jī)制建設(shè)方面的研究顯得極為迫切。針對(duì)上述情況，本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)測(cè)控組織指揮故障模式原則、流程進(jìn)行了研究分析。工程驗(yàn)證表明，故障模式下航天測(cè)控任務(wù)指揮自動(dòng)化流程優(yōu)化研究提高了航天測(cè)控指揮自動(dòng)化的可靠性。

1 故障模式下的指揮控制處理流程

航天測(cè)控故障模式下的指揮控制技術(shù)主要研究故障模式下自動(dòng)處置原則和方法，根據(jù)設(shè)備上報(bào)的故障信息、指令執(zhí)行情況等進(jìn)行故障判決、分析處理，為調(diào)整組織指揮流程、優(yōu)化指令提供決策依據(jù)，提高所屬測(cè)控設(shè)備任務(wù)實(shí)施效率[6]。

故障模式下指揮自動(dòng)化信息交換與正常模式相比，只是增加了故障判決及指令處理環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)備實(shí)測(cè)信息逐級(jí)判斷上報(bào)，最終由中心級(jí)指揮系統(tǒng)進(jìn)行決策處理。圖1為故障模式下指揮控制處理流程。

圖1 故障模式下指揮控制處理流程

實(shí)際工作中，如果任務(wù)不需要中心級(jí)指揮系統(tǒng)參加，各次級(jí)指揮系統(tǒng)即可視作中心級(jí)指揮系統(tǒng)，自動(dòng)從本級(jí)設(shè)備故障信息庫(kù)中判讀故障信息，向下級(jí)下達(dá)指令，其信息處理流程跟中心級(jí)指揮系統(tǒng)模式下處理流程相似。

2 故障模式下的指揮自動(dòng)化原則

根據(jù)故障模式下的指揮決策特點(diǎn)，為提高指揮自動(dòng)化的可靠性，構(gòu)建最佳的故障知識(shí)表示法[7]，需制定一套科學(xué)合理的故障處置原則。

(1) 指揮可控及指揮決策優(yōu)先權(quán)原則。

人工指揮決策權(quán)優(yōu)先于指揮自動(dòng)化系統(tǒng)各級(jí)指揮決策權(quán)，中心級(jí)指揮決策權(quán)優(yōu)先于分系統(tǒng)本級(jí)指揮，分系統(tǒng)本級(jí)指揮決策權(quán)優(yōu)先于設(shè)備級(jí)指揮。

(2) 分級(jí)指揮原則。

對(duì)設(shè)備的運(yùn)行故障根據(jù)故障影響域?qū)嵭蟹旨?jí)指揮的故障處置原則。對(duì)設(shè)備低影響域運(yùn)行故障，在設(shè)備級(jí)指揮和管理層進(jìn)行合理解決；對(duì)設(shè)備所發(fā)生的較高影響域運(yùn)行故障，因其故障影響范圍可能是系統(tǒng)性的，所以要逐級(jí)上報(bào)該類故障，并控制在分系統(tǒng)本級(jí)或中心級(jí)指揮管理層進(jìn)行合理處置。

(3) 準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理原則。

故障處置準(zhǔn)確性體現(xiàn)在以下幾方面：一是故障知識(shí)庫(kù)隨任務(wù)參試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化及時(shí)更新，包括故障知識(shí)庫(kù)知識(shí)的擴(kuò)充和過(guò)時(shí)知識(shí)的剔除；二是系統(tǒng)故障處置合理，不能對(duì)參試設(shè)備的狀態(tài)出現(xiàn)誤判和漏判等；三是故障處置策略應(yīng)隨任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)事件動(dòng)態(tài)靈活可變。

(4) 依據(jù)故障設(shè)備類型、故障等級(jí)及故障影響域等條件進(jìn)行合理指揮決策原則。

依據(jù)航天試驗(yàn)任務(wù)參試設(shè)備中單點(diǎn)設(shè)備的故障等級(jí)，任務(wù)指揮的故障處置對(duì)策見(jiàn)3.4節(jié)。

3 故障模式下的指揮自動(dòng)化流程

在航天測(cè)控任務(wù)中，光學(xué)、遙測(cè)、雷達(dá)及通信等設(shè)備種類多、功能多，產(chǎn)生的故障案例多。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判決處理的正確與否直接影響任務(wù)指令的下達(dá)和執(zhí)行，在對(duì)故障進(jìn)行合理分類及組合的基礎(chǔ)上建立完整全面的故障知識(shí)庫(kù)，同時(shí)采用基于故障知識(shí)庫(kù)的故障判決處理機(jī)制、故障邏輯控制條件的故障處理方法、分級(jí)指揮的故障處理原則，適用于上述各種參試設(shè)備，可以有效提高全系統(tǒng)指揮自動(dòng)化的可靠性[8]。

3.1 故障分類

對(duì)參試系統(tǒng)的運(yùn)行故障分類并對(duì)其進(jìn)行組合處理，為故障模式下的任務(wù)指揮提供重要依據(jù)，是指揮自動(dòng)化系統(tǒng)故障處理的核心。系統(tǒng)故障可按故障宿主、故障排除時(shí)限、故障系統(tǒng)性、故障等級(jí)等因素進(jìn)行分類。

按故障宿主可將故障分為單點(diǎn)故障和非單點(diǎn)故障。關(guān)鍵設(shè)備中的單點(diǎn)設(shè)備所發(fā)生的運(yùn)行故障為單點(diǎn)故障，該類故障直接影響任務(wù)的圓滿執(zhí)行；非關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生的故障為非單點(diǎn)故障，該類故障對(duì)任務(wù)圓滿執(zhí)行和完成無(wú)影響。

按故障排除時(shí)限可將故障分為瞬時(shí)性故障、即時(shí)性故障和永久性故障。故障排除或持續(xù)時(shí)間很短，如幾十秒，且不影響任務(wù)指揮和執(zhí)行的故障為瞬時(shí)性故障；故障排除或持續(xù)時(shí)間為幾分鐘(3～10 min)的故障為即時(shí)性故障，即時(shí)性故障可能對(duì)指揮協(xié)同程序中的指令執(zhí)行時(shí)間有影響(如正常模式下理論彈道檢查指令發(fā)出與執(zhí)行時(shí)間為5 min，而即時(shí)性故障模式下其指令發(fā)出與執(zhí)行時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)至10 min)；永久性故障指恢復(fù)時(shí)間大于或接近于任務(wù)指揮協(xié)同程序的故障。

按故障系統(tǒng)性可將故障分為系統(tǒng)性故障和非系統(tǒng)性故障。系統(tǒng)中某一分系統(tǒng)(如中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))出現(xiàn)故障對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行造成推遲、重新組織等嚴(yán)重后果的故障為系統(tǒng)性故障；只對(duì)自身設(shè)備運(yùn)行有影響而對(duì)整個(gè)測(cè)控任務(wù)不會(huì)造成嚴(yán)重后果的故障為非系統(tǒng)性故障。

按故障等級(jí)進(jìn)行故障分類時(shí)，根據(jù)故障對(duì)任務(wù)影響程度和范圍可分為3個(gè)等級(jí)。一級(jí)故障：影響任務(wù)全局，造成任務(wù)重新組織；二級(jí)故障：影響任務(wù)全局，造成任務(wù)協(xié)同程序延遲；三級(jí)故障：不影響任務(wù)結(jié)果或?qū)θ蝿?wù)執(zhí)行有輕度影響。

3.2 故障模式及故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)描述

根據(jù)故障模式的分類建立故障處理的元數(shù)據(jù)[9]，并在此基礎(chǔ)上建立故障知識(shí)庫(kù)。故障模式及故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)由故障發(fā)生時(shí)刻、故障等級(jí)、故障影響范圍、故障出現(xiàn)時(shí)所執(zhí)行的指令、故障描述(故障模式及原因)等字段組成，其描述如表1、表2所示。

表1 故障模式的元數(shù)據(jù)描述

表2 故障處理結(jié)果的元數(shù)據(jù)描述

3.3 故障知識(shí)庫(kù)的建立

指揮自動(dòng)化對(duì)任務(wù)指揮和執(zhí)行過(guò)程中各階段可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行梳理和預(yù)想，在此基礎(chǔ)上建立故障知識(shí)庫(kù)，分為設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)和系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)[10]。

(1) 設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)：主要針對(duì)任務(wù)參試設(shè)備，將故障性質(zhì)相同的故障列舉出來(lái)形成故障模式并對(duì)其采用規(guī)范化形式一一編號(hào)入庫(kù)。故障模式入庫(kù)時(shí)其元數(shù)據(jù)描述主要采用故障ID(故障ID編號(hào)唯一，采用“信宿+序號(hào)”的編碼方式保證其唯一性)、故障宿主、故障設(shè)備所屬系統(tǒng)、故障模式(故障描述)、故障等級(jí)、故障影響范圍(如設(shè)備級(jí)或系統(tǒng)級(jí))、對(duì)任務(wù)造成的影響或后果、故障處理方法或?qū)Σ?、故障排除時(shí)限等字段來(lái)描述，其中故障類型分別指明故障宿主類型、故障排除時(shí)限類型、故障等級(jí)類型，表3列舉了某中心設(shè)備級(jí)故障模式及故障處理對(duì)策(輔助指揮決策)采用字節(jié)方式編碼，具體編碼如表4所示。

(2) 系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)：系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)的建立基于故障樹(shù)分析方法(FTA)，尋找導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)事件(用故障樹(shù)頂事件表示)發(fā)生的原因或原因組合，識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式，其常用方法是求故障樹(shù)的最小割集[11-12]。系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)主要在各設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上利用事件串聯(lián)或并聯(lián)兩種方式[13]，采用故障樹(shù)分析方法建立。中心級(jí)指揮軟件的系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)是各系統(tǒng)本級(jí)指揮故障知識(shí)庫(kù)的并集。

表3 某中心設(shè)備級(jí)故障模式及其故障處理對(duì)策

表4 故障處理對(duì)策或指揮決策

例如以某中心設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)、某T型設(shè)備設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)、某Y型設(shè)備設(shè)備級(jí)故障知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)本級(jí)指揮軟件的系統(tǒng)級(jí)故障知識(shí)庫(kù)，其具體過(guò)程如下：① 利用并聯(lián)事件模型形成系統(tǒng)級(jí)故障模式：采用某中心、某T型設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行故障構(gòu)建故障模式及其故障處理模型；② 利用串聯(lián)事件模型形成系統(tǒng)級(jí)故障模式：采用某Y型主、備設(shè)備構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)故障模式及其故障處理模型，當(dāng)某Y型主、備設(shè)備同時(shí)發(fā)生一級(jí)運(yùn)行故障時(shí)，相應(yīng)設(shè)備級(jí)運(yùn)行故障模式則構(gòu)成系統(tǒng)級(jí)故障或事件。

3.4 故障分級(jí)處理

指揮自動(dòng)化系統(tǒng)中對(duì)參試系統(tǒng)(設(shè)備)可能出現(xiàn)的故障模式及故障處理所涉及到的故障處置預(yù)案進(jìn)行列舉，以此為依據(jù)作為故障模式下分級(jí)指揮的故障處理模型。通常故障指揮模式分三級(jí)，分別是中心級(jí)、次(部站)級(jí)、設(shè)備級(jí)故障指揮模式[14]。

3.4.1 中心級(jí)指揮故障處理

中心級(jí)指揮故障處理能夠依據(jù)各分系統(tǒng)本級(jí)上報(bào)的指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式和故障處理結(jié)果為指揮員提供故障模式下人工干預(yù)的指揮決策信息或下達(dá)后繼指令。其涉及兩方面的內(nèi)容：一是故障模式下的中心級(jí)指揮決策，即根據(jù)各分系統(tǒng)上報(bào)的故障模式為指揮員提供指揮決策依據(jù)，指揮軟件應(yīng)能根據(jù)本級(jí)故障模式及其分類建立的故障知識(shí)庫(kù)進(jìn)行故障模式的分析判決處理；二是根據(jù)各分系統(tǒng)上報(bào)的任務(wù)進(jìn)展情況或指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式和故障處理結(jié)果自動(dòng)生成后繼指令驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)指揮流程。圖2描述了基于故障知識(shí)庫(kù)的中心級(jí)指揮軟件故障分析判決處理的邏輯流程。

圖2 基于故障知識(shí)庫(kù)的中心級(jí)指揮軟件故障判決處理邏輯流程

信息匯集單元：用于實(shí)時(shí)匯集各分系統(tǒng)指令執(zhí)行狀態(tài)、故障模式、故障處理結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)或事實(shí)并存儲(chǔ)到故障緩存中，作為中心級(jí)實(shí)時(shí)指揮或故障判決處理的信息來(lái)源。

相關(guān)數(shù)據(jù)(事實(shí))：相關(guān)數(shù)據(jù)(事實(shí))是臨時(shí)的，它采用隊(duì)列方式緩存于具體故障模式或問(wèn)題相關(guān)的數(shù)據(jù)和事實(shí)。在某問(wèn)題或故障得到解決后，這些數(shù)據(jù)一般不再保留。故障緩存數(shù)據(jù)是以事實(shí)的形式保留的，這些事實(shí)為推理機(jī)在故障分析判決推理過(guò)程中所用。除此之外，緩存數(shù)據(jù)也可用來(lái)對(duì)故障知識(shí)庫(kù)進(jìn)行調(diào)試。即系統(tǒng)的指揮決策和控制行為一旦不符合最高級(jí)指揮員指揮要求時(shí)，一般認(rèn)為是知識(shí)出了問(wèn)題，因此需對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行調(diào)試，找出有問(wèn)題的知識(shí)。

故障判決處理：根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)(事實(shí))啟動(dòng)知識(shí)檢索單元完成故障判決分析處理，并將分析判決結(jié)果反饋給自動(dòng)發(fā)令控制單元。從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度考察故障判決處理單元，采用適合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能表示系統(tǒng)故障模式及其故障處理模型，而描述故障模式及其處理模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可形成特有的故障判決處理方法。因此，在故障信息庫(kù)知識(shí)表示的基礎(chǔ)上巧妙采用“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”的思想方法是實(shí)現(xiàn)故障判決處理的關(guān)鍵。

知識(shí)檢索單元：根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)(事實(shí))完成對(duì)故障知識(shí)庫(kù)中相關(guān)問(wèn)題的檢索，并將相關(guān)知識(shí)返回給故障判決處理單元。

對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備中單點(diǎn)設(shè)備所發(fā)生的不可預(yù)見(jiàn)故障，中心級(jí)指揮軟件獲取相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行故障及其故障處理結(jié)果，依據(jù)故障設(shè)備類型、故障等級(jí)等條件和相應(yīng)的故障處置原則，對(duì)故障進(jìn)行邏輯控制處理，實(shí)現(xiàn)故障模式下的指揮控制[15]，其故障指揮控制處理流程如圖3所示。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)知識(shí)檢索實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的判決處理，依據(jù)指揮決策對(duì)故障等級(jí)同時(shí)判決并根據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)入相應(yīng)后繼處理進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的順利推進(jìn)。

圖3 基于故障邏輯條件的故障指揮控制處理流程

3.4.2 分系統(tǒng)本級(jí)指揮故障處理

故障模式下分系統(tǒng)本級(jí)指揮和故障控制處理，涉及本控和受控兩種情形。在中心指揮下，分系統(tǒng)本級(jí)指揮在本級(jí)故障管理權(quán)限范圍內(nèi)將故障影響范圍控制在本級(jí)指揮層次，從而不影響中心任務(wù)指揮。若超出預(yù)案和本級(jí)處置權(quán)限，要及時(shí)上報(bào)故障模式及其故障處理結(jié)果，便于中心級(jí)指揮軟件根據(jù)上報(bào)故障的等級(jí)和故障影響范圍做出指揮決策。在無(wú)中心級(jí)指揮參與的情況下，分系統(tǒng)本級(jí)指揮可以在本級(jí)范圍內(nèi)依據(jù)中心級(jí)指揮故障處理流程完成航天試驗(yàn)任務(wù)組織指揮，其故障處理方法同中心級(jí)指揮。

3.4.3 設(shè)備級(jí)指揮故障處理

(1) 在本級(jí)故障管理權(quán)限范圍內(nèi)將故障等級(jí)低的故障影響范圍控制在設(shè)備級(jí)指揮層次，從而不影響所屬分系統(tǒng)本級(jí)和中心級(jí)任務(wù)指揮。

(2) 超出本級(jí)故障范圍管理權(quán)限，由發(fā)生運(yùn)行故障的設(shè)備通過(guò)設(shè)備指揮終端或遠(yuǎn)程操控分系統(tǒng)逐級(jí)上報(bào)故障模式和故障處理結(jié)果；上級(jí)指揮根據(jù)上報(bào)的故障模式和故障處理結(jié)果完成故障判決處理及故障處理結(jié)果的判決，提供故障模式下的指揮決策以驅(qū)動(dòng)和控制航天試驗(yàn)任務(wù)指揮及執(zhí)行流程。

4 實(shí)例分析

在某次航天任務(wù)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中，出現(xiàn)了因某處設(shè)備主副機(jī)同時(shí)故障而影響任務(wù)流程的情況，應(yīng)用故障模式下的指揮自動(dòng)化流程進(jìn)行處置，正確地識(shí)別出了該故障，并根據(jù)故障知識(shí)庫(kù)形成了決策信息，具體決策判斷詳見(jiàn)表5、表6。在事后的故障復(fù)現(xiàn)中，與軟件判決結(jié)果一致，圖4為此次故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)備級(jí)指揮軟件的運(yùn)行界面。

表5 故障處理結(jié)果信息

表6 故障模式信息

5 結(jié)束語(yǔ)

航天測(cè)控任務(wù)指揮自動(dòng)化系統(tǒng)依據(jù)航天任務(wù)遂行指揮流程及協(xié)同指揮程序?qū)⒉僮髦噶钕逻_(dá)給各試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并對(duì)指令執(zhí)行和完成情況進(jìn)行匯集、分析和判決處理，指揮及執(zhí)行流程中的設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為故障模式進(jìn)行判決處理，繼續(xù)下達(dá)指令或轉(zhuǎn)人工決策，保證航天測(cè)控任務(wù)遂行程序正確、暢通高效。通過(guò)研究故障模式下指揮決策及故障處理機(jī)制，提供了任務(wù)執(zhí)行異常情況下的輔助指揮決策、任務(wù)動(dòng)態(tài)延時(shí)等故障處理手段，完善了系統(tǒng)功能，優(yōu)化了組織流程，提高了指揮控制處理的自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了航天測(cè)控任務(wù)指揮自動(dòng)化的可靠性。目前，該研究在某指揮中心已完成部署并通過(guò)一體化仿真測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖4 故障模式下設(shè)備級(jí)指揮軟件界面截圖