◎上海宇航系統(tǒng)工程研究所 顏曉明 劉世俊 張元明

當前，運載火箭研制對網(wǎng)絡化協(xié)同設計、自動化生產(chǎn)測試、智能化遠程測試及數(shù)據(jù)分析診斷等手段的需求日益迫切。上海宇航系統(tǒng)工程研究所開展了基于航天大數(shù)據(jù)，融合科研、生產(chǎn)、試驗測試數(shù)據(jù)的航天產(chǎn)品可靠性綜合評價平臺——全箭遠程測試大數(shù)據(jù)分析及評價系統(tǒng)研究實施，形成高度可信的、通用的生產(chǎn)、試驗數(shù)據(jù)評價方法。

一、項目背景

當前我國運載火箭的發(fā)展面臨新形勢、新任務和新要求，尤其是幾次重大航天發(fā)射任務失利后，航天產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及一致性評價越來越受到重視，中國航天進入高強度研制、高密度發(fā)射階段，在型號生產(chǎn)、測試及在軌運營支持等方面普遍面臨任務重、時間緊、要求高等挑戰(zhàn)，運載火箭對型號研制網(wǎng)絡化協(xié)同設計、自動化生產(chǎn)測試、智能化遠程測試及數(shù)據(jù)分析診斷等手段的需求日益迫切，現(xiàn)有的手段已遠遠不能滿足研制和項目管理需求，嚴重制約了科研生產(chǎn)能力的整體提升。

二、需求分析

遠程測試的需求：建設航天發(fā)射遠程支持系統(tǒng)，形成前方指揮測試和操作、后方數(shù)據(jù)判讀和分析的測發(fā)模式，提高研制人員的復用效率，提升型號隊伍的并行協(xié)同研制和并行測試的能力，達到減少發(fā)射場人員派駐數(shù)量，緩解人力資源配置矛盾。

全生命周期數(shù)據(jù)集成的需求：航天研制及在軌運行期間，涉及大量數(shù)據(jù)管理及應用工作?，F(xiàn)有航天型號具有體量大、周期長、涉及專業(yè)和協(xié)作單位多的特點，迫切需要基于大數(shù)據(jù)建設協(xié)同設計及仿真系統(tǒng)，為密集型號并行研制完成的可靠性和及時性提供基礎。

數(shù)據(jù)智能診斷的需求：現(xiàn)代的運載火箭以及地面支持系統(tǒng)的設計正在變得越來越復雜，系統(tǒng)一般由大量的不同組件以及傳感器組成，相互之間也存在著廣泛的聯(lián)系。如果一個故障沿緊密耦合的子系統(tǒng)傳播，并引起多個子系統(tǒng)中相應參量的觀測值出現(xiàn)大幅波動，就會引發(fā)系統(tǒng)級擾動或故障，導致故障診斷分析與故障定位困難。

三、建設目標

致力于解決運載火箭復雜系統(tǒng)智能管理和測試技術(shù)的基礎性和共性問題，研究基于航天大數(shù)據(jù)模式，融合科研、生產(chǎn)、試驗測試數(shù)據(jù)的航天產(chǎn)品可靠性綜合評價平臺，形成高度可信的、通用的生產(chǎn)、試驗數(shù)據(jù)評價方法，方便后續(xù)型號在本項目研究成果的基礎上深入實踐。

(一)型號任務具備遠程數(shù)據(jù)支持能力

建立以各型號研制院的發(fā)射遠程支持中心為主、發(fā)射場為輔的遠程測控模式，支持型號測試指揮和測試人員遠程下達測試指令，控制發(fā)射場型號的測試工作；建立統(tǒng)一的型號測試數(shù)據(jù)中心，支持型號全生命周期測試數(shù)據(jù)的管理，運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)判讀分析、故障仿真與診斷、健康監(jiān)測等功能，形成從總裝總測、運輸?shù)桨l(fā)射場測試、發(fā)射等各階段的信息閉環(huán)，推動型號測試與試驗流程的簡化與優(yōu)化，支持航天型號研制與發(fā)射支持能力的大幅度提升。

(二)建立具備可容納未來十年型號各階段測試數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)管理平臺

提出基于大數(shù)據(jù)概念的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的需求，為實現(xiàn)火箭故障快速診斷與智能分析，圍繞測試數(shù)據(jù)深度挖掘、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析、智能診斷、數(shù)據(jù)特性統(tǒng)計分析等功能，開展多源數(shù)據(jù)自動歸集技術(shù)、基于HDFS 的分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、海量數(shù)據(jù)的即時可視化技術(shù)、多維度數(shù)據(jù)分析比對技術(shù)、人工智能深度機械學習技術(shù)、基于規(guī)則和模型的故障檢測和模式識別技術(shù)等方面的研究。

(三)可靠的全周期數(shù)據(jù)評價及診斷系統(tǒng)

產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗數(shù)據(jù)的類型多樣，信號特征和表征方式也各不相同，同時其隱含的故障隱患與特征也各不相同。根據(jù)測試數(shù)據(jù)自身特性對數(shù)據(jù)進行分類，給出設計理論值、試驗狀態(tài)值，結(jié)合后臺大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，設計出滿足數(shù)據(jù)評價指標的數(shù)據(jù)一致性評價方法。

(四)基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷系統(tǒng)及飛行仿真系統(tǒng)

故障診斷或智能診斷在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)提了好多年，目前大部分采用基于統(tǒng)計分析的閾值紅線法、包絡分析法、關(guān)聯(lián)分析法及專家?guī)炷Ｐ头?，較為先進的是采用基于故障機理POF 的診斷方法。

(五)新一代視頻編碼傳輸系統(tǒng)

基地地處較偏遠，網(wǎng)絡環(huán)境較為復雜，盡管采用網(wǎng)絡專線，但是資源依然有限，且有時波動不規(guī)律，建設目標為基地建設一套穩(wěn)定可靠的視頻傳輸系統(tǒng)，可將基地發(fā)射及其他關(guān)鍵任務穩(wěn)定可靠實時傳輸至各地指揮中心，進一步加強基地的信息化建設。

圖1 運載遠程測試中心數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)

四、實施方案

全箭遠程測試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)針對：①遠程測試數(shù)據(jù)信息化能力建設；②結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化實時、歷史大數(shù)據(jù)采集、導入、存儲；③數(shù)據(jù)在線檢測及初步故障診斷三方面內(nèi)容制定了方案，并付諸實施。

(一)運營商遠程MSTP 專線網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程鏈路連接

使用單向網(wǎng)閘，部署在安全隔離區(qū)與軍隊C3 網(wǎng)中間，比防護墻管控更為嚴格，控制協(xié)議與數(shù)據(jù)流向，確保隔離區(qū)與軍隊C3 網(wǎng)安全可靠。將網(wǎng)絡安全探針、網(wǎng)絡攻擊分析和局域網(wǎng)準入控制集成在安全管理系統(tǒng)中，進行統(tǒng)一的安全管控。有效檢測網(wǎng)內(nèi)高風險漏洞，識別入侵行為，阻止非可信終端連接，全方位保障安全的同時，便于開展管理和審計工作。

(二)采用新一代視頻編碼標準AVS 對視頻進行壓縮

新一代AVS 編碼標準是我國自主知識產(chǎn)權(quán)編碼標準，其不僅擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，在性能上完全可以達到國際同類標準指標并具有更多的靈活性以及穩(wěn)定性。

編碼端：采用了雙路HD-SDI 采集卡采集兩路實時1080i/50 的信號，通過實時編碼輸出TS over IP 單播碼流，單臺兩路單獨碼流通過交換機傳輸至遠端。

解碼端：采用了千兆IP 輸入端口將遠端的單播碼流送入解碼器實時解碼，單臺單獨碼流解碼后通過HDMI或者SDI 接口通過SDItoHDMI 轉(zhuǎn)換器將解碼后的1080i/50 圖像信號送入大屏顯示矩陣。

(三)配置大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)遠程同步總測廠、發(fā)射基地的總檢查測試、加注測試、飛行測試

采用Kafka 訂閱系統(tǒng)，可以準實時地解決數(shù)據(jù)實時性問題，該方案為松耦合消息機制，可有效避免外部因素導致系統(tǒng)異常，實時數(shù)據(jù)緩存過程中，將采集到的針對不同參數(shù)的具有時序特征的監(jiān)測數(shù)據(jù)寫入不同的Topic，由于多個Topic 之間互不干擾，內(nèi)部又可以保持嚴格的時序特性，因此可以實現(xiàn)多個參數(shù)數(shù)據(jù)的分布式并行化處理，進而提高數(shù)據(jù)處理效率。鏈接拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

(四) 采用ES、Hadoop 方案，對火箭測試數(shù)據(jù)進行采集處理、持久化存儲以及可視化展現(xiàn)

文本類數(shù)據(jù)存儲基于ElasticSearch設計開發(fā)，是一個兼有搜索引擎和NoSQL 數(shù)據(jù)庫功能的分布式存儲系統(tǒng)。多媒體類數(shù)據(jù)存儲基于Hadoop 體系的HDFS 分布式文件系統(tǒng)設計開發(fā)。平臺設計支持4 種型號火箭測試數(shù)據(jù)的存儲，共可支持存儲1000 發(fā)火箭測試的數(shù)據(jù)，每發(fā)支持10 次測試數(shù)據(jù)記錄，按數(shù)據(jù)量40TB 配置。使用REST 接口方式，采用流式處理技術(shù)對收到的每一個測量數(shù)據(jù)進行分析處理，最后，將接收到的數(shù)據(jù)與分析處理后的結(jié)果進行統(tǒng)一存儲。

圖2 全箭遠程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的遠程連接的拓撲圖

圖3 大數(shù)據(jù)管理平臺

(五)依據(jù)參數(shù)分類將數(shù)據(jù)分為狀態(tài)特征、任務特征類、關(guān)聯(lián)特征類參數(shù)實施全流程基于大數(shù)據(jù)完成自動判讀

狀態(tài)特征類同測試狀態(tài)相關(guān)，參數(shù)均值穩(wěn)定，測試值一般服從高斯分布，基于均值的概率密度統(tǒng)計方法對該類參數(shù)進行評價。任務特征是指執(zhí)行任務特點密切相關(guān)，入制導系統(tǒng)起止導時間及導引量、時序、彈道參數(shù)等，基于偏差的概率密度統(tǒng)計方法對其進行評價。對關(guān)聯(lián)特征類不能通過獨立參數(shù)的異常情況進行故障的評估和診斷，需要通過多個關(guān)聯(lián)參數(shù)的行為模型進行異常和故障的評估，使用多參數(shù)概率密度統(tǒng)計方法進行異常檢測。

五、建設內(nèi)容

(一)遠程大數(shù)據(jù)支持能力建設

遠程同步各發(fā)射基地總檢查測試、加注測試、飛行測試，為發(fā)射現(xiàn)場提供遠程數(shù)據(jù)支持、遠程快速歸零、遠程實時故障診斷具體包括：回傳并存儲基地全系統(tǒng)檢查、總檢查數(shù)據(jù)，含箭上遙測、地面測試數(shù)據(jù)；火箭發(fā)射時，實時接收發(fā)射基地首區(qū)飛行數(shù)據(jù)，顯示速度高度、飛行軌跡、測控區(qū)域覆蓋；火箭加注時，回傳并存儲基地加注系統(tǒng)數(shù)據(jù)，含加注流程、進度信息；火箭發(fā)射前，回傳并存儲發(fā)射場氣壓、風速風向、塔架各層溫度適度、云層數(shù)據(jù)。

(二)航天大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲和應用

構(gòu)建火箭數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)，實現(xiàn)對火箭測試數(shù)據(jù)進行采集處理、持久化存儲以及可視化展現(xiàn)。數(shù)據(jù)從采集到分析展現(xiàn)的流程如下：

1、采集服務器進行數(shù)據(jù)采集，可實時、定時或者手工導入等多種方式；

2、采集完成后，部分需要進行預處理，然后傳輸至存儲服務器集群進行存儲，其中文本類數(shù)據(jù)存儲在ES集群，多媒體類數(shù)據(jù)存儲在Hadoop集群；

3、前端業(yè)務人員、管理人員或者大屏等數(shù)據(jù)請求會下發(fā)至可視化應用服務器集群，可視化應用服務器集群根據(jù)實際業(yè)務請求，將文本類數(shù)據(jù)請求下發(fā)至ES 集群，將多媒體數(shù)據(jù)請求下發(fā)至Hadoop 集群；

4、ES 集群和Hadoop 集群分別根據(jù)請求對數(shù)據(jù)進行處理，然后將數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果返回至可視化應用服務器集群；

5、可視化應用服務器集群收到數(shù)據(jù)處理結(jié)果后，將結(jié)果分別發(fā)送至前端業(yè)務人員、管理人員等PC 端或者大屏上進行展現(xiàn)。

(三)全箭測試數(shù)據(jù)一致性、可靠性自動評價方法

火箭測試不同于其他系統(tǒng)，同一狀態(tài)項目可能反復測試多次，時間較長，采樣點密集，僅依靠人工全程判讀，不僅工作量巨大，而且時效性和判讀質(zhì)量很難保證，本項目能夠遠程實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的歷史數(shù)據(jù)回放、查詢、統(tǒng)計、檢索、包絡分析功能和實時數(shù)據(jù)故障診斷功能，自動給出評價，判定此次測試的有效性。

(四)低資源占用高清晰影像的視頻系統(tǒng)

建立一套高效穩(wěn)定的實時視頻監(jiān)看及傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)可支持多路視頻高效穩(wěn)定的傳輸，并可靈活接入。系統(tǒng)采用先進新一代編解碼傳輸技術(shù)，可確保視頻內(nèi)容低延時、高穩(wěn)定、高安全進行傳輸，將大大提高中心對于基地的監(jiān)看效率，為進一步的加強基地管理及預警提供高效穩(wěn)定圖像資料。

圖4 運載火箭大數(shù)據(jù)支持架構(gòu)方案框圖

六、應用效果與經(jīng)驗

全箭遠程測試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)硬件鏈路上實現(xiàn)了與總測廠房和太原衛(wèi)星發(fā)射中心的聯(lián)通，并成功應用于某發(fā)火箭的發(fā)射測試。大數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)對XX-2D/4B/4C 的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)完成了設計，并進行了結(jié)果展示，滿足比對、篩選、包絡分析、關(guān)聯(lián)分析等功能，在故障診斷方面利用發(fā)動機推力故障進行了探索。

經(jīng)濟與社會效益：

1、通過遠程測試大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)前后方協(xié)同測試，提高航天高密度發(fā)射能力；減少前方試驗隊80%的判讀崗位，提升航天多型號并行研制能力；減少試驗隊人員出差周期，單發(fā)發(fā)射成本至少降低約15 萬元；

2、通過大數(shù)據(jù)的分析與在線檢測，實現(xiàn)全箭單次測試判讀、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)時間減少50%以上；

3、通過對航天歷史數(shù)據(jù)的歸集，形成具有航天特色的大數(shù)據(jù)平臺，開展深度的數(shù)據(jù)分析、評價、挖掘和復雜算法的應用，提升航天產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)評價質(zhì)量；

4、視頻系統(tǒng)已在岢嵐基地實施建設，并且完成了兩次發(fā)射實時直播任務，系統(tǒng)將發(fā)射現(xiàn)場情況第一時間安全、高效、穩(wěn)定的傳輸至遠程測發(fā)中心，為專家團隊在后方支撐提供了有力的同步保障。

七、后續(xù)發(fā)展思路及計劃

本項目與太原衛(wèi)星發(fā)射基地開展實時遠程同步是邁出遠程測發(fā)的一小步，實現(xiàn)了運載測試大廳的全箭級測試大數(shù)據(jù)分析，完成了飛行演示系統(tǒng)階段性的工作，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)的接收、飛行曲線的演示、歷史數(shù)據(jù)分析比對、數(shù)據(jù)評估。

計劃與酒泉衛(wèi)星發(fā)射基地、海南衛(wèi)星發(fā)射基地、文昌衛(wèi)星發(fā)射基地實施實時遠程同步測試，網(wǎng)絡連通業(yè)已全面啟動，此次與太原基地的網(wǎng)絡連通為軍網(wǎng)連通提供可行的實施方案，也為后續(xù)發(fā)射場的實時遠程同步測試奠定了基礎。