邊海關(guān)，劉春宇，王選平，辛宇，邵鴻煜

（航天神舟飛行器有限公司，天津，300301）

0 引言

航電測試是指在航電產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、制造、使用、維護過程中，對產(chǎn)品進行測試，并根據(jù)測試結(jié)果進行評估，判斷其是否滿足使用要求，航電測試貫穿于航電產(chǎn)品全壽命周期。近年來，隨著人工智能技術(shù)不斷成熟，人工智能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用場景不斷擴展。目前，人工智能已上升為國家戰(zhàn)略，未來幾年將迎來人工智能技術(shù)應(yīng)用的爆發(fā)期。同時，隨著航電測試技術(shù)的不斷發(fā)展，未來人工智能技術(shù)在航電測試領(lǐng)域中將會得到廣泛應(yīng)用。本文從對人工智能技術(shù)在航電測試領(lǐng)域應(yīng)用進行初步分析及探索，提出了一種智能航電測試系統(tǒng)架構(gòu)，并對航電測試領(lǐng)域未來發(fā)展方向及趨勢進行分析。

1 人工智能技術(shù)介紹

1956年夏，麥卡錫、明斯基等科學(xué)家在美國達特茅斯學(xué)院開會研討“如何用機器模擬人的智能”，首次提出“人工智能(Artificial Intelligence，簡稱AI)”這一概念，標(biāo)志著人工智能學(xué)科的誕生[1]。人工智能是一門基于計算機科學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、數(shù)學(xué)和哲學(xué)等學(xué)科的科學(xué)和技術(shù)。該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能可分為弱人工智能(包含基本的、特定場景下角色型的任務(wù)，如Siri等聊天機器人和AlphaGo等下棋機器人)、通用人工智能(機器的持續(xù)學(xué)習(xí))、強人工智能(比人類更聰明的機器)三類。人工智能60余年的發(fā)展歷程可劃分為起步發(fā)展期(1956年-20世紀(jì)60年代初)，人工智能概念提出后，相繼取得了一批令人矚目的研究成果，人工智能技術(shù)得以快速發(fā)展。反思發(fā)展期(20世紀(jì)60年代-70年代初)，人們開始嘗試更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，并提出了一些不切實際的研發(fā)目標(biāo)。然而，伴隨著預(yù)期目標(biāo)的落空，人工智能的發(fā)展走入低谷。應(yīng)用發(fā)展期(20世紀(jì)70年代初-80年代中)，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)解決特定領(lǐng)域問題的專家系統(tǒng)，推動人工智能走入應(yīng)用發(fā)展的新高潮。低迷發(fā)展期(20世紀(jì)80年代中-90年代中)，隨著人工智能的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，專家系統(tǒng)存在的問題逐漸暴露出來，人工智能進入低迷發(fā)展期。穩(wěn)步發(fā)展期(20世紀(jì)90年代中-2010年)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速了人工智能的創(chuàng)新研究，促使人工智能技術(shù)進一步走向?qū)嵱没?。蓬勃發(fā)展期(2011年至今)隨著大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，迎來人工智能爆發(fā)式增長的新高潮。60余年來，人工智能逐步應(yīng)用于大數(shù)據(jù)、感知、理解、機器人、自動駕駛等幾大領(lǐng)域。

2 航電測試的發(fā)展歷程及趨勢

在先進飛機研制需求牽引和技術(shù)推動下航電測試技術(shù)已有了幾十年的發(fā)展歷史，其發(fā)展歷程及趨勢如圖1所示。20世紀(jì)50～60年代為手工測試階段，主要利用測試儀器儀表定義測試、跟蹤測試，直到這些測試因為產(chǎn)品變更或廢棄為止，此時手工測試技術(shù)在航電測試過程中發(fā)揮了重要作用；20世紀(jì)70年代為半自動測試階段，主要是利用由計算機控制的專業(yè)半自動測試設(shè)備或系統(tǒng)進行測試；20世紀(jì)80年代至90年代為總線結(jié)構(gòu)的自動測試階段，利用總線結(jié)構(gòu)平臺、規(guī)范的測試語言搭建模塊化自動測試設(shè)備或系統(tǒng)進行測試；20世紀(jì)90年代以來，隨著微電子技術(shù)、人工智能技術(shù)等不斷發(fā)展，BIT(機內(nèi)測試)設(shè)計已經(jīng)成為航電產(chǎn)品設(shè)計的必要環(huán)節(jié)，極大的推進了機載產(chǎn)品的可測試性和可維修性，同時BIT設(shè)計也推動了航電測試技術(shù)的進步和發(fā)展。21世紀(jì)前出現(xiàn)了能力更強的自動測試技術(shù)，在總線結(jié)構(gòu)的自動測試設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用高速總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、信息融合技術(shù)提供能力更強的自動化測試。21世紀(jì)以來，航電測試技術(shù)主要向模塊化、通用化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，即總體結(jié)構(gòu)模塊化、檢測功能通用化、測控方式智能化和技術(shù)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。[2]總線型儀器設(shè)備的性能不斷得到提升，同時在定時和同步能力、EMI防護、儀器的尺寸等方面得到了很大的改善，在很大程度上提高了系統(tǒng)的兼容性和可擴展能力，并且大大降低了系統(tǒng)的構(gòu)建成本[3]。

圖1 航電測試技術(shù)發(fā)展歷程及趨勢

3 智能航電測試系統(tǒng)

智能航電測試系統(tǒng)的定義包含兩方面內(nèi)容:一是利用人工智能技術(shù)提升傳統(tǒng)航電系統(tǒng)測試能力，二是對人工智能技術(shù)應(yīng)用友好且支持動態(tài)學(xué)習(xí)進化的航電測試系統(tǒng)[4]。智能航測測試系統(tǒng)是將人工智能理論應(yīng)用到航電產(chǎn)品的的設(shè)計、測試、總裝、試飛、使用/培訓(xùn)及維護全壽命周期，如圖2所示。使測試設(shè)備具有自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策等能力[5]。

圖2 航電測試技術(shù)覆蓋全壽命周期

航電產(chǎn)品設(shè)計階段以計算機仿真和航電產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，在虛擬條件下，對航電產(chǎn)品進行虛擬設(shè)計工作。同時，由于航電產(chǎn)品主要性能指標(biāo)體現(xiàn)在其動態(tài)特性，因此在航電產(chǎn)品設(shè)計階段，應(yīng)強調(diào)測試性在設(shè)計中的重要作用。智能航電測試系統(tǒng)在航電產(chǎn)品出廠測試、驗收測試、測試數(shù)據(jù)管理及聯(lián)試/仿真測試中可完全替代目前航電系統(tǒng)專用測試設(shè)備，為航電產(chǎn)品提供一個通用化、智能模塊化測試環(huán)境。在總裝測試階段，智能航電測試系統(tǒng)可參與到包含故障排除在內(nèi)的整個總裝通電檢查過程。試飛階段，智能航電測試系統(tǒng)可與試飛測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，并對試飛數(shù)據(jù)進行集中管理。在培訓(xùn)/使用階段，航電測試工作主要集中在飛行員培訓(xùn)、教學(xué)評估、航電系統(tǒng)健康管理及故障預(yù)測、飛行數(shù)據(jù)管理等方面。在航電系統(tǒng)維護方面，航電測試工作主要體現(xiàn)在故障診斷、遠程支援和故障記錄方面。

3.1 智能航電測試系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的航電測試系統(tǒng)一般由信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊組成，目前已朝著模塊化、通用化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，但測試過程中都離不開接口控制文件(ICD)。與傳統(tǒng)航電測試系統(tǒng)相比，智能航電測試系統(tǒng)利用人工智能、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等非傳統(tǒng)方法，實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的接口識別、參數(shù)辨識及智能診斷等功能。智能航電測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，是一個支持學(xué)習(xí)進化的架構(gòu)。在進行航電產(chǎn)品測試時，實時保存激勵及輸出信號特性，可積累大量真實樣本數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，整個數(shù)據(jù)積累過程貫穿航電系統(tǒng)設(shè)計、測試、總裝試驗、試飛試驗、培訓(xùn)/使用過程及維修維護等全壽命周期過程。在進行仿真測試時，實時保存激勵及輸出信號特性，可積累大量被仿真產(chǎn)品樣本及經(jīng)驗。大量樣本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)通過學(xué)習(xí)/訓(xùn)練，可作為智能模塊的輸入。執(zhí)行仿真/測試任務(wù)時，智能模塊作為專家知識庫，指導(dǎo)真實產(chǎn)品測試和虛擬產(chǎn)品仿真。測試和仿真結(jié)果有產(chǎn)生新的樣本進一步訓(xùn)練和修正智能模塊，實現(xiàn)智能模塊的升級迭代。仿真模型中可增加故障注入模塊，可模擬航電產(chǎn)品故障狀態(tài)下的輸出結(jié)果，從而豐富智能模塊中專家知識庫內(nèi)容。

圖3 智能航電測試系統(tǒng)架構(gòu)

智能測試/仿真模塊屬于智能測試系統(tǒng)硬件部分，不同于傳統(tǒng)航電測試/仿真模塊包含模擬量采集/仿真系統(tǒng)、數(shù)字量采集/仿真系統(tǒng)、常用航空總線(UART、ARINC429、1553B等)采集/仿真系統(tǒng)。而是，只有高低電平兩種信號采集/仿真端口，這兩種信號端口可采集/仿真模擬量、數(shù)字量及常用航空總線信號。智能測試/仿真模塊可在智能模塊控制下自動適配所要采集/仿真信號類型，無需像傳統(tǒng)航電測試設(shè)備一樣必須使用固定類型數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)采集/仿真。

智能控制模塊屬于智能測試系統(tǒng)軟件部分，通過采集并存儲大量真實航電測試樣本及經(jīng)過學(xué)習(xí)/訓(xùn)練的仿真模型樣本形成航電測試/仿真樣本庫。當(dāng)有新的被測航電系統(tǒng)接入時，智能測試系統(tǒng)將此信息與已存儲的信息進行比較，以判斷被測航電系統(tǒng)信號類型及具體數(shù)值信息。同時與樣本庫中信號閾值進行比較，以判斷被測信號是否合格當(dāng)需要對航電系統(tǒng)進行仿真時，智能測試系統(tǒng)將從樣本庫中提取所需仿真信號信息，同時將仿真信息發(fā)送給智能測試/仿真模塊，完成信號仿真。

3.2 智能航電測試數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)航電測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集一般采用專用工控機和配套板卡來完成，不同類型板卡對應(yīng)不同被測信號類型。智能航電測試數(shù)據(jù)采集應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的數(shù)據(jù)擬合能力，設(shè)計合適的深度模型可以取得較好的識別性能，其數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。將被測信號通過AD轉(zhuǎn)換使之轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，然后進行濾波處理，消除噪聲信號。根據(jù)不同被測航電信號類型(模擬量、離散量、ARINC429、1553B、RS422等)提取出選定的特征參數(shù)。然后，訓(xùn)練每個特征對于分類的貢獻，也即網(wǎng)絡(luò)權(quán)重；最后，通過多分類器判決輸出識別結(jié)果。與常規(guī)航電測試中數(shù)據(jù)采集方法相比，智能航電測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備通用信號采集接口，不需要大量的不同類型板卡，能夠大大降低測試系統(tǒng)硬件成本。

圖4 智能航電測試數(shù)據(jù)采集流程

3.3 智能狀態(tài)判定

航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、識別后利用閾值法判定識別結(jié)果是否合格，具體閾值由機載成品設(shè)計任務(wù)書確定。針對不同被測航電系統(tǒng)被測參數(shù)閾值建立數(shù)據(jù)庫，測試數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的閾值相比較，當(dāng)全部被測參數(shù)落在閾值內(nèi)，認為被測機載成品合格，否則不合格。

4 未來發(fā)展趨勢

現(xiàn)代基于“柔性測試技術(shù)”的機載產(chǎn)品測試設(shè)備，可根據(jù)測試的需要，通過改變軟件而改變測試功能，已實現(xiàn)測試軟件一次開發(fā)、逐步添加、相互移植、數(shù)據(jù)共享的功能。同時，通用化、模塊化、可擴展性已成為航電測試設(shè)備設(shè)計的一個重要設(shè)計準(zhǔn)則。未來航電測試技術(shù)主要發(fā)展方向為以下幾點。

(1)智能化

隨著人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航電測試領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，這些新技術(shù)必將在航電測試領(lǐng)域扮演越來越重要的角色，并發(fā)揮越來越重要的作用。未來具有自測試、自學(xué)習(xí)、自診斷和數(shù)據(jù)自處理等功能的智能航電測試系統(tǒng)將是航電測試領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向?？蛇_到減少測試人員工作量、測試資源共享、測試設(shè)備互換以及使用維護方便、出勤率和戰(zhàn)備完好率提升的目的。

(2)網(wǎng)絡(luò)化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)正在逐漸向航電測試領(lǐng)域滲透，未來航電測試行業(yè)將直接利用網(wǎng)絡(luò)將各測試數(shù)據(jù)傳送給遠程服務(wù)器，實現(xiàn)遠程測試、集中控制，更大程度的提高測試資源互聯(lián)和實時共享。未來越來越多的航電測試設(shè)備可能不像一個硬件測試測試而更像網(wǎng)絡(luò)終端，只需要在主控機中輸入設(shè)備IP地址就可以訪問整個測試設(shè)備，并進行遠程測試數(shù)據(jù)獲取。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)與航電測試領(lǐng)域相結(jié)合，可將航電系統(tǒng)設(shè)計、研發(fā)、制造、使用環(huán)節(jié)有機結(jié)合、互聯(lián)互通，同時主機廠、所不再需要建設(shè)專門的航電測試系統(tǒng)，只需建設(shè)中心接入點，將各航電設(shè)備供應(yīng)商自有測試系統(tǒng)接入中心接入點即可進行遠程測試。

(3)軍民兩用化

軍工企業(yè)作為軍用技術(shù)的研發(fā)單位，其掌握的航電測試技術(shù)可廣泛應(yīng)用于民用航電測試領(lǐng)域；一些基于人工智能的民用測試技術(shù)經(jīng)歷市場的考驗，其發(fā)展水平已超過部分軍工技術(shù)，將這些民用測試技術(shù)轉(zhuǎn)化到軍工航電測試領(lǐng)域，或為軍工應(yīng)用技術(shù)作為輔助補充，勢必促進國防建設(shè)與社會經(jīng)濟共同發(fā)展。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代飛機航電系統(tǒng)集成化、智能化進一步提高，航電測試面臨著測試種類繁多、多種技術(shù)的高交叉性以及技術(shù)更新速度加快等新挑戰(zhàn)。雖然我國已經(jīng)在人工智能領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，但人工智能技術(shù)在航電測試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用還有一段距離。因此，人工智能在航電測試領(lǐng)域的應(yīng)用還有待挖掘與深入研究。