吉經(jīng)緯， 李 琳， 于 歌， 汪 斌， 任 偉， 呂德勝

(1.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049；3.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 中國科學(xué)院太空應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

載人航天工程是當(dāng)今世界高新技術(shù)發(fā)展水平的集中展示，是衡量一個國家綜合國力的重要標(biāo)志[1]。中國將在2022年前后完成空間站建造并開始運(yùn)營，預(yù)計在軌運(yùn)營時間將在10年以上[2]。在軌運(yùn)營期間，國內(nèi)外眾多空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)將在空間站進(jìn)行[3-4]。由于載荷在軌維修困難且更換器件費(fèi)用高昂[5]，為了使載荷能在軌順利運(yùn)行，進(jìn)行充分的地面測試是確保載荷的在軌功能、性能的必要手段。因此，設(shè)計一套用以科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷地面測試的地面檢測系統(tǒng)是非常必要的。

近年來，很多文獻(xiàn)都對地面檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究[6-9]，但以往大部分的空間載荷由于各自研制單位不同，對應(yīng)研制的地面檢測系統(tǒng)大部分是不通用的，且相對功能都比較單一。并且空間站大部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷都以科學(xué)實(shí)驗(yàn)為目的，具有實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、可調(diào)參數(shù)多的特點(diǎn)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都采用了基于人工智能的方法來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，且經(jīng)過人工智能優(yōu)化后的參數(shù)比人類的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果更好[10-11]。筆者介紹了一種通用型空間站載荷地面檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能模擬空間站實(shí)驗(yàn)柜控制器，對科學(xué)載荷進(jìn)行地面測試，同時該系統(tǒng)基于人工智能技術(shù)，通過遙科學(xué)等手段輔助，可實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化功能。地面檢測系統(tǒng)的軟件部分基于Qt、Python和SQLite3。Qt負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面應(yīng)用程序；Python負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)利用人工智能優(yōu)化載荷科學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)；SQLite3作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于存儲數(shù)據(jù)。通過軟件模塊化處理，提煉出不同科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷間的共同需求，將接口與內(nèi)部分離，采用修改配置文件的方式來滿足不同載荷的多樣化需求，極大提高了地面檢測軟件的靈活性和可重用性。硬件大部分采用成熟的商用器件，在增強(qiáng)地面檢測系統(tǒng)可靠性的同時，提高了地面檢測系統(tǒng)的研制效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 設(shè)計需求

從通用性角度分析，由于各個科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷與空間站實(shí)驗(yàn)柜控制器之間的接口數(shù)據(jù)單是不同的，為了實(shí)現(xiàn)地面檢測系統(tǒng)的通用性，必須對地面檢測系統(tǒng)做相應(yīng)的設(shè)計，使其能通過讀取配置文件，識別不同載荷的接口數(shù)據(jù)單，完成不同載荷的數(shù)據(jù)注入和數(shù)據(jù)監(jiān)顯功能。

地面檢測系統(tǒng)主要模擬空間站實(shí)驗(yàn)柜控制器，其共性的需求如下。

① 地面檢測系統(tǒng)通過RS422和以太網(wǎng)接收科學(xué)載荷的數(shù)據(jù)，注入實(shí)驗(yàn)指令。

② 模擬量的采集，即采集載荷溫度、電流等模擬量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷及存儲。

③ 程控指令，主要是控制繼電器開關(guān)。

④ 基于one-wire總線的火警監(jiān)測。

⑤ 指令和載荷數(shù)據(jù)異常報警，以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

地面檢測系統(tǒng)通過完成上述共性需求，就能滿足大部分載荷的功能需求。

除此之外，科學(xué)實(shí)驗(yàn)類載荷還具有實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、環(huán)境因素存在不確定性、預(yù)計可調(diào)參數(shù)數(shù)量龐大的特點(diǎn)。例如，由于空間環(huán)境與地面環(huán)境不同，科學(xué)載荷在軌的實(shí)驗(yàn)參數(shù)往往沒有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停罅繉?shí)驗(yàn)參數(shù)需要在軌重新調(diào)整。因此，地面檢測系統(tǒng)需要基于人工智能技術(shù)，通過遙科學(xué)等手段輔助，實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化功能[12]。

1.2 總體設(shè)計

根據(jù)上述需求分析，對空間站有效載荷地面檢測系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計，考慮到通用性，地面檢測系統(tǒng)硬件主要選用商業(yè)模塊進(jìn)行部署。因?yàn)樯虡I(yè)模塊具有接口齊全、部署時間快、可移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能滿足不同載荷的需求。軟件部分采用了模塊化的設(shè)計，將軟件的耦合度降低，即使個別載荷有特殊需求，也僅需修改少量的代碼。系統(tǒng)組成如圖1所示，軟件系統(tǒng)集成于上位機(jī)中，測試人員通過監(jiān)顯畫面與發(fā)送數(shù)據(jù)注入指令來控制與測試科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷。

圖1 地面檢測系統(tǒng)組成框圖

1.3 硬件設(shè)計

地面檢測系統(tǒng)硬件主要選用商業(yè)模塊，具有部署時間短、功能可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能很好地適應(yīng)目前航天任務(wù)復(fù)雜、研制周期短的任務(wù)特點(diǎn)。其硬件主要包括有上位機(jī)、USB-6353模擬量采集卡(NI公司)、PCI-6517數(shù)字量輸出卡(NI公司)、LCT2662M模塊(長信物聯(lián)公司)和U-Port1600-8USB轉(zhuǎn)RS422/RS485模塊(MOXA公司)。

地面檢測系統(tǒng)硬件通過LCT2662M模塊將one-wire總線的數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS485通信總線可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這樣上位機(jī)可以通過RS485讀取相應(yīng)的溫度情況。USB-6353模擬量采集卡主要實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的模擬量采集功能，該采集卡共有16路差分模擬采集通道，模擬輸入分辨率為16-bit，滿足載荷模擬量遙測采集的需求。PCI-6517實(shí)現(xiàn)程控指令的輸出，共有32個通道，輸出電壓為0～30 V，滿足大部分繼電器的工作需求。

1.4 軟件設(shè)計

地面檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計采用具有解耦合設(shè)計理念的MVC模式，將系統(tǒng)軟件分解為模型、視圖和控制器三大部分，MVC模型如圖2所示。M即Model(模型)，用于表示業(yè)務(wù)規(guī)則，它是按照不同方式來存儲的數(shù)據(jù)抽象；V即View(視圖)，是指用戶看到并與之交互的界面即軟件的客戶端界面，包含了數(shù)據(jù)的交互；C即Controller(控制器)，是指控制器接收用戶的輸入并調(diào)用模型和視圖去完成用戶的需求，控制器本身不輸出，也不做任何處理，只是接收請求并決定調(diào)用哪個模型構(gòu)件，然后再確定用哪個視圖來顯示返回的數(shù)據(jù)。通過MVC模式的軟件設(shè)計，將軟件的界面顯示、邏輯控制和數(shù)據(jù)存儲相互解耦，各個部分的改變對其余的影響會降至最低。

圖2 MVC模型示意圖

同時，地面檢測系統(tǒng)基于Qt、Python、SQLite3采用模塊化設(shè)計，軟件系統(tǒng)根據(jù)功能主要劃分為數(shù)據(jù)監(jiān)顯、數(shù)據(jù)注入、配置文件讀取、通信、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理和人工智能優(yōu)化參數(shù)七大模塊[13]。其中，通過對數(shù)據(jù)注入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)地面檢測系統(tǒng)的安全性、可靠性設(shè)計，保證載荷測試時的安全與可靠；通過對數(shù)據(jù)監(jiān)顯、配置文件讀取和數(shù)據(jù)庫模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)地面檢測系統(tǒng)的通用性；同時，利用人工智能優(yōu)化參數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)載荷在軌參數(shù)優(yōu)化功能。

1.4.1 地面檢測系統(tǒng)通用性設(shè)計

由于不同載荷的工程數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)、注入指令是不同的，需要進(jìn)行個性化配置。 考慮到地面檢測系統(tǒng)的通用性，配置文件讀取模塊以數(shù)據(jù)為中心，應(yīng)用至不同載荷時可以讀取配置文件，進(jìn)行界面的自動配置。很多軟件也有讀取配置文件的功能，但這些配置文件往往都只有關(guān)鍵信息，對于沒有學(xué)過編程的人來說，可讀性比較差。因此這些配置文件無法作為與總體單位簽署的接口數(shù)據(jù)單，而將數(shù)量眾多的接口數(shù)據(jù)單翻譯成軟件能識別的配置文件是一個煩瑣、耗時、容易出錯的工作。

為了盡量減少測試人員的工作量，地面檢測系統(tǒng)會先把Word表單自動復(fù)制為Excel格式，然后基于QtXlsx函數(shù)進(jìn)行表格讀取。由于表單中有大量不規(guī)則的單元格，首先找到最小單元格作為基本處理單位，然后遍歷整個表單，軟件將在識別到關(guān)鍵字的單元格時，檢測其相鄰單元格，如果符合預(yù)先設(shè)置的格式，就將單元格的內(nèi)容作為配置數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計后，配置文件的格式與載荷和總體單位簽署的接口數(shù)據(jù)單基本一致，測試人員不需要重新編寫配置文件，大大減輕了工作量。軟件可以自動從接口數(shù)據(jù)單提取到需要的數(shù)據(jù)，完成軟件監(jiān)顯和數(shù)據(jù)注入的重新配置。

數(shù)據(jù)監(jiān)顯模塊負(fù)責(zé)載荷的工程數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的顯示，具有友好的人機(jī)交互界面。不同的載荷可以通過配置文件來定制個性化監(jiān)顯界面。監(jiān)顯參數(shù)也可根據(jù)載荷的需求，通過參數(shù)列表、參數(shù)曲線圖、圖像視頻等多種方式靈活顯示。當(dāng)載荷測試時數(shù)據(jù)監(jiān)顯界面會實(shí)時顯示載荷關(guān)鍵參數(shù)的變化，將接收到的數(shù)據(jù)自動解析為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，便于測試人員觀察數(shù)據(jù)變化。數(shù)據(jù)格式一般包括源碼、比特位模式、物理值和物理含義4項。

數(shù)據(jù)庫模塊用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲管理，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)調(diào)取接口，方便數(shù)據(jù)的在線和離線分析。數(shù)據(jù)庫利用SQLite3的“單一文件”特性，將數(shù)據(jù)庫中所有的信息(例如表、視圖等)都包含在一個獨(dú)立文件內(nèi)。基于數(shù)據(jù)庫，可以將不同載荷的各類下行數(shù)據(jù)都保存為一個單一文件，文件可以復(fù)制到其他目錄或其他機(jī)器上，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)地面檢測系統(tǒng)跨平臺操作。數(shù)據(jù)庫模塊將數(shù)據(jù)存儲后，支持對海量存儲數(shù)據(jù)的查詢與定位。不同的載荷可通過日期、內(nèi)容、關(guān)鍵字等數(shù)據(jù)篩選方式快速定位到滿足條件的測試數(shù)據(jù)，并可以隨時進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的回放。另外，也可以將數(shù)據(jù)以Excel形式導(dǎo)出，便于存檔及數(shù)據(jù)分析。

1.4.2 地面檢測系統(tǒng)安全可靠性設(shè)計

考慮到載荷測試過程中，需要對載荷狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以防出現(xiàn)載荷失效，因此，需要地面檢測系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、處理。如果某一參數(shù)出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)處理模塊將通過參數(shù)飄紅、高亮、閃爍等方式向測試人員發(fā)出預(yù)警。另外，考慮載荷部分關(guān)鍵器件使用壽命限制，地面檢測系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理模塊可以對使用時間或頻次進(jìn)行統(tǒng)計，例如開機(jī)總時間、繼電器的動作次數(shù)、器件工作時間等，這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以為載荷安全可靠性分析和失效分析提供明確數(shù)據(jù)，是載荷安全可靠性設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)注入模塊主要用于制作符合空間站注入規(guī)范的指令。指令形式包括立即指令、帶時間碼的指令和柜內(nèi)指令3種。每條數(shù)據(jù)注入指令可由若干事件組成，每添加一個事件數(shù)據(jù)注入模塊都會在指令對應(yīng)的事件計數(shù)位加“1”?；诎踩煽啃缘目紤]，數(shù)據(jù)注入模塊在完成添加事件前，會檢查指令可添加的剩余事件長度。若新添加事件的長度大于剩余事件長度，數(shù)據(jù)注入模塊將給出“事件長度超出范圍”的提示。載荷的電源開關(guān)通常是有上電順序的，如果上電順序不當(dāng)，有可能會造成器件的損壞。當(dāng)注入電源開關(guān)指令時，數(shù)據(jù)注入模塊會檢查其上電的先后順序，以保障載荷的上電安全。所有制作完成的指令將會逐條保存在一個列表中，通過該列表可以查看指令的注入源碼和相應(yīng)的中文解析，使指令制作人員能檢查核對。數(shù)據(jù)注入模塊可以在測試過程中形成測試日志和操作日志，并對其進(jìn)行查詢、導(dǎo)出和管理。

通信模塊與載荷間的通信接口有RS422接口和以太網(wǎng)接口兩種。RS422接口數(shù)據(jù)鏈路層使用UART協(xié)議，在協(xié)議層保證波特率設(shè)置和奇偶校驗(yàn)的正確性；以太網(wǎng)接口使用TCP/IP協(xié)議，傳輸速率設(shè)置為600 Mbit/s。通信模塊與NI采集輸出卡間通過調(diào)用NI-DAQmx的API函數(shù)進(jìn)行通信[14]。在需要調(diào)用NI-DAQmx的文件時，導(dǎo)入NI-DAQmx的頭文件和庫文件就可以很方便地使用DAQ提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)采集卡的讀取與輸出。當(dāng)有圖像和視頻數(shù)據(jù)傳輸時，為了避免單個進(jìn)程處理大數(shù)據(jù)流時響應(yīng)變慢，甚至出現(xiàn)界面卡死的現(xiàn)象，對通信模塊進(jìn)行了通信功能的可靠性設(shè)計，軟件使用了主線程、大數(shù)據(jù)收發(fā)線程和輕數(shù)據(jù)收發(fā)線程3種線程配置。主線程負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶交互，大數(shù)據(jù)收發(fā)線程負(fù)責(zé)圖像視頻數(shù)據(jù)的傳輸獲取，輕數(shù)據(jù)收發(fā)線程負(fù)責(zé)工程數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過上述設(shè)計，系統(tǒng)在操作大數(shù)據(jù)的過程中即使遇到了用戶操作，也完全可以在另一個不同的進(jìn)程中去響應(yīng)用戶，從而保證整個系統(tǒng)的流暢性。

1.4.3 載荷在軌性能優(yōu)化

從以往科學(xué)載荷在軌測試的經(jīng)驗(yàn)來看，由于空間環(huán)境復(fù)雜，受到微重力、磁場等因素影響，普遍存在在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)與地面測試參數(shù)不匹配的情況。目前在軌的測試工作基本還是用地面測試參數(shù)配合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚{(diào)整在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)，但這種方法需要花費(fèi)大量時間。基于此，地面檢測軟件設(shè)計了一種基于人工智能的方法，以實(shí)現(xiàn)載荷在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)的快速自動尋優(yōu)。

人工智能算法是利用計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。其中典型的算法有支持向量機(jī)算法、決策樹算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由眾多可調(diào)權(quán)重的神經(jīng)元連接組成，單個神經(jīng)元比較簡單，但大量神經(jīng)元相互組合就變成了復(fù)雜的系統(tǒng)。通過反向傳播的方法，不斷調(diào)整神經(jīng)的權(quán)重，理論上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能擬合任意函數(shù)。因此地面檢測系統(tǒng)選擇了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來擬合科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程。

人工智能優(yōu)化參數(shù)模塊主要實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)的自動優(yōu)化功能。人工智能優(yōu)化參數(shù)模塊把每個載荷的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都當(dāng)作黑盒函數(shù)。黑盒函數(shù)的輸入是載荷需要優(yōu)化的參數(shù)，參數(shù)數(shù)量為n個，輸出是需要優(yōu)化的目標(biāo)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的實(shí)驗(yàn)流程是：首先通過地面檢測系統(tǒng)軟件建立一個模型，例如建立一個n個輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，如圖3所示，模型初始權(quán)重為隨機(jī)值，同時設(shè)置一組初始值參數(shù)，通過遙科學(xué)通道，發(fā)送給在軌的科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，科學(xué)載荷使用這組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后返回科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，地面根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型的輸出結(jié)果的差值通過梯度下降和反向傳播來更新模型的權(quán)重，同時使用SciPy庫調(diào)用L-BFGS-B方法預(yù)測能使差值最小的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。地面再將這組新的參數(shù)通過遙科學(xué)發(fā)送給在軌載荷，科學(xué)載荷使用新的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到新的結(jié)果，再更新模型和預(yù)測新的參數(shù)，多次迭代后，使用預(yù)測的參數(shù)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型輸出結(jié)果之差接近于0，通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)此時預(yù)測參數(shù)即為最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖3 人工智能模型示意圖

2 應(yīng)用驗(yàn)證

空間站有效載荷地面檢測系統(tǒng)設(shè)計在“天宮二號”空間冷原子鐘、空間站超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜和空間站高精度時頻實(shí)驗(yàn)柜微波鐘的研制與測試工作中得到了驗(yàn)證。

(1) 通過地面測試，驗(yàn)證了與載荷間的通信功能，當(dāng)數(shù)據(jù)通信正常時，地面檢測系統(tǒng)的監(jiān)顯界面進(jìn)行實(shí)時刷新，監(jiān)顯功能如圖4所示。每個參數(shù)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，包括參數(shù)名稱(物理含義)、顯示格式、單位、數(shù)據(jù)內(nèi)容(物理值)和源碼。同時，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)異常時的報警功能，當(dāng)參數(shù)正常時，數(shù)據(jù)顯示正常(黑色)，如果參數(shù)出現(xiàn)異常，如超過閾值、突變等，監(jiān)顯界面立即通過參數(shù)飄紅處理發(fā)出示警。通過該功能，測試人員可以迅速發(fā)現(xiàn)載荷的異常情況，做出相對應(yīng)的處置。該功能可有效降低載荷地面測試的故障。

圖4 數(shù)據(jù)監(jiān)顯功能示意圖

(2) 對地面檢測系統(tǒng)的通用性進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)通過讀入數(shù)據(jù)接口單，自動生成圖5所示的數(shù)據(jù)注入界面。通過該功能，不同載荷的測試人員只要提交數(shù)據(jù)接口單，軟件就可以自動配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)注入和數(shù)據(jù)監(jiān)顯，大大減少了測試人員手工配置的工作量。

圖5 數(shù)據(jù)注入示意圖

(3) 通過地面測試，對地面檢測系統(tǒng)的組包、畫圖、模擬量采集等功能進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖6所示。測試過程中，根據(jù)指令要求，監(jiān)顯界面可以正確顯示目標(biāo)圖像。坐標(biāo)橫軸是時間，縱軸是參數(shù)的模擬信號強(qiáng)度，通過該功能，測試人員可以形象地看到模擬量參數(shù)隨時間的變化情況。

圖6 數(shù)據(jù)組包、作圖示意圖

(4) 通過對TG-2空間冷原子鐘鑒定件進(jìn)行測試，對數(shù)據(jù)處理模塊的統(tǒng)計功能進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖7所示，地面檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)機(jī)判斷功能，生成的Excel列表準(zhǔn)確地統(tǒng)計并顯示了開關(guān)機(jī)動作的時間和開機(jī)持續(xù)的時間。通過該功能，測試人員可統(tǒng)計出有壽命限制的元器件使用情況，例如激光器、繼電器開關(guān)等。通過掌握這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，測試人員可在臨近器件壽命時，對其特別關(guān)注或通過貨運(yùn)飛船將器件上行更換。

圖7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能示意圖

(5) 由于目前空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷還在研制階段，無法進(jìn)行在軌測試，為了驗(yàn)證人工智能優(yōu)化參數(shù)的功能，構(gòu)造了一個有5個參數(shù)的黑箱函數(shù)。與在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)相同，人工智能優(yōu)化參數(shù)模塊的目標(biāo)是找到能使這個黑箱函數(shù)輸出值最小的5個參數(shù)的值。采用了在線學(xué)習(xí)的方式，即每次優(yōu)化得到預(yù)測參數(shù)后，將預(yù)測參數(shù)輸入黑箱函數(shù)，將函數(shù)的輸出用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再預(yù)測新的參數(shù)。通過圖8可以看到，隨著迭代次數(shù)的增加，黑箱函數(shù)的輸出持續(xù)減小，最終在設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)附近波動。此次驗(yàn)證共迭代1200次，耗時約30 min，可以預(yù)計，當(dāng)載荷在軌運(yùn)行時，利用該模塊可以大幅減少調(diào)整參數(shù)的時間。

圖8 黑箱函數(shù)輸出隨迭代增加持續(xù)減小

(6) 利用 “天宮二號”空間冷原子鐘在軌磁屏蔽內(nèi)的剩余磁場數(shù)據(jù)對優(yōu)化參數(shù)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。使用Jiles-Atherton(J-A)磁滯模型來計算屏蔽罩內(nèi)剩余磁場。該模型有7個參數(shù)，通過這7個參數(shù)可以計算出剩余磁場，再將計算值與實(shí)測磁場相減，得到的誤差用于優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測下一組能使誤差變小的參數(shù)。通過快速迭代，約20 min完成了優(yōu)化，使用優(yōu)化后的參數(shù)計算屏蔽罩的剩余磁場與通過磁通門實(shí)測的磁場，如圖9所示。圖9中藍(lán)線為通過磁場門實(shí)測的磁場，紅線為使用優(yōu)化后參數(shù)計算得到的磁場，可以看到紅線與藍(lán)線基本重疊，這說明人工智能優(yōu)化參數(shù)模塊有效地優(yōu)化了參數(shù)。

圖9 通過J-A模型計算和實(shí)測的剩余磁場

3 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種通用的空間站有效載荷地面檢測系統(tǒng)，該地面檢測系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計加載配置文件的方式，將不同應(yīng)用載荷的共同需求提煉成規(guī)范化配置文件模板，大大提高了地面檢測系統(tǒng)的通用性。同時，該檢測系統(tǒng)基于人工智能技術(shù)，從設(shè)計上可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷在軌實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化?？臻g站預(yù)計在軌運(yùn)行10年，該地面檢測系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于不同科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的地面測試和在軌的科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，有助于開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷地面驗(yàn)證，并有效提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)在軌運(yùn)行效率。