崔 娟，趙 陽(yáng)，李 剛，張浩凌，鄭永秋

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051; 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094)

1 引言

地面測(cè)試作為航天器制備過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，旨在對(duì)航天器的潛在故障進(jìn)行預(yù)分析。航天器地面測(cè)試環(huán)境龐大且復(fù)雜，其外圍測(cè)試所需的發(fā)熱、大功率設(shè)備會(huì)對(duì)局部環(huán)境造成溫度變化，因此需要在測(cè)試環(huán)境周邊如廠房等有針對(duì)性地分布傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量。目前針對(duì)航天器地面測(cè)試環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未有完善的解決方案。張福生等提出了一種遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、可實(shí)現(xiàn)8路溫濕度、煙霧濃度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。然而，這套環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參量過(guò)少，無(wú)法覆蓋航天器地面測(cè)試不同測(cè)試階段對(duì)環(huán)境重要參量的側(cè)重性監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，航天器地面測(cè)試存在多個(gè)測(cè)試平臺(tái)，各個(gè)平臺(tái)對(duì)測(cè)試環(huán)境的需求不同。不僅需要對(duì)分立的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，還要考慮遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的電源隔離、電磁干擾等問(wèn)題。

針對(duì)航天器地面測(cè)試環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)空白，本文中提出一種多參量、高同步的面向航天器地面測(cè)試環(huán)境參量監(jiān)測(cè)的多源陣列傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立了基于CAN總線的多參量航天器地面測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)包含溫度、應(yīng)力、濕度、振動(dòng)、電流多傳感參量，并針對(duì)不同測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)了不同的系統(tǒng)工作模式。通過(guò)CAN總線驅(qū)動(dòng)采集數(shù)據(jù)的高速回傳，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航天器地面測(cè)試環(huán)境的全方位數(shù)據(jù)參量采集。在數(shù)據(jù)顯示與分析部分，系統(tǒng)針對(duì)不同傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，采用隨機(jī)森林(random forest,RF)集成算法，通過(guò)并行化訓(xùn)練，建立多參量數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析模型，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器潛在異常情況的預(yù)測(cè)與警報(bào)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中提出的地面測(cè)試環(huán)境參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示，包括人機(jī)交互界面、溫度采集模塊、應(yīng)變采集模塊、濕度、振動(dòng)采集模塊、電流采集模塊以及頻譜監(jiān)測(cè)模塊。其中光纖式溫度、應(yīng)變測(cè)量模塊安裝在PCI卡1上，實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸給上位機(jī)；數(shù)字傳感器濕度、振動(dòng)以及霍爾電流傳感器采集模塊安裝于PCI卡2上，此模塊包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)回傳；頻譜監(jiān)測(cè)傳感裝置通過(guò)USB3.0接口完成與工控機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)。由于航天器的地面測(cè)試平臺(tái)要求環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電源和信號(hào)傳輸上均與航天器系統(tǒng)隔離，避免不必要的干擾，因此整個(gè)系統(tǒng)采用AC220V@50 Hz供電，經(jīng)電路的電壓轉(zhuǎn)換模塊處理后滿(mǎn)足各個(gè)測(cè)試模塊的供電需求。

圖1 多源陣列傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Multi-source array sensor network test system

因此，針對(duì)不同的工作平臺(tái)，本系統(tǒng)的不同工作模式對(duì)監(jiān)測(cè)參量的側(cè)重點(diǎn)各有不同，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試階段的不同將測(cè)試系統(tǒng)分為3個(gè)工作模式：

1) 測(cè)試大廳工作模式：此模式下測(cè)試周期長(zhǎng)，測(cè)試參量細(xì)致，設(shè)備多數(shù)處于分立狀態(tài)，因此需要全面地監(jiān)測(cè)溫濕度、電纜應(yīng)變、電流和頻譜泄漏等參量，由于此模式下的測(cè)試工作不涉及設(shè)備的移動(dòng)，因此不需要監(jiān)測(cè)振動(dòng)參量。

2) 發(fā)射基地工作模式：電磁干擾對(duì)發(fā)射基地的測(cè)試過(guò)程影響十分嚴(yán)重，故此模式下重點(diǎn)監(jiān)測(cè)空間電磁干擾和供電電流，輔助監(jiān)測(cè)溫濕度參量，電纜應(yīng)變、振動(dòng)等參量對(duì)測(cè)試環(huán)境影響不大，故可以不做監(jiān)測(cè)。

3) 轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程工作模式：此模式下的航天器處于未通電狀態(tài)，考慮到運(yùn)輸過(guò)程可能對(duì)設(shè)備的連接狀況帶來(lái)影響，因此只對(duì)振動(dòng)參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 傳感模塊及硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)對(duì)溫度和應(yīng)力采用分布式光纖傳感器，對(duì)濕度與振動(dòng)的數(shù)據(jù)采集使用數(shù)字化IC傳感器，對(duì)線纜中供電電流的監(jiān)測(cè)選用霍爾電流傳感器，以確保采集數(shù)據(jù)的精確性；采用便攜式頻譜接收探頭對(duì)測(cè)試環(huán)境的頻譜泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 溫度、應(yīng)變傳感模塊設(shè)計(jì)

溫度、應(yīng)力的傳感模塊選擇基于掃描半導(dǎo)體激光器的單路光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，原理如圖2所示。主要包括光源部分、傳輸光路部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換與采集部分和上位機(jī)控制部分。系統(tǒng)運(yùn)行初始由上位機(jī)對(duì)激光器的工作模式和參數(shù)進(jìn)行控制，系統(tǒng)光源首先輸出某一波長(zhǎng)的光，先經(jīng)隔離器后進(jìn)入1*2耦合器的一端。耦合器剩余兩路中的其中一路用來(lái)將光傳輸至后邊一路的FBG陣列，光源經(jīng)FBG傳感器反射得到的光譜則通過(guò)另一路耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后，由同步數(shù)據(jù)采集卡對(duì)傳感光柵信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)激光器的觸發(fā)信號(hào)也進(jìn)行同步采集，然后通過(guò)USB將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的軟件解調(diào)、顯示等操作。

圖2 解調(diào)系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Demodulation system schematic diagram

本系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)有4個(gè)通道，其中通道一和通道二為溫度傳感系統(tǒng)，通道三和通道四為應(yīng)力傳感系統(tǒng)，每個(gè)通道有10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為FBG1～FBG10。

3.2 濕度、振動(dòng)與電流傳感模塊設(shè)計(jì)

濕度監(jiān)測(cè)使用SHT30溫濕度傳感器中的濕度測(cè)量模塊。該傳感器是一個(gè)集成度極高的傳感器芯片，自帶穩(wěn)壓電路，引腳電平兼容3.3 V與5 V的嵌入式系統(tǒng)，支持串口與ⅡC兩種數(shù)字接口，數(shù)據(jù)輸出速率在0.1～100 Hz內(nèi)可編程選擇，不僅使用便捷，而且達(dá)到了較高的測(cè)量精度，濕度測(cè)量精度可達(dá)到±2%RH。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)使用JY61P姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)。此模塊集成了高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，可快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。該傳感器模塊支持串口與ⅡC兩種數(shù)字接口，數(shù)據(jù)輸出速率在0.1～200 Hz內(nèi)可編程選擇。測(cè)量精度在靜態(tài)下為0.05°，動(dòng)態(tài)下為0.1°，穩(wěn)定性極高。

電流傳感器選用霍爾開(kāi)合電流傳感器HSTS016L，傳感器的測(cè)試量程達(dá)到了±20 A，精度與線性度都達(dá)到了1%，且在5 V電源供電下，最大電流消耗僅為12 mA，可在5 μs內(nèi)對(duì)電流變化做出響應(yīng)，綜合各方面性能，此款電流傳感器與本系統(tǒng)的匹配度較高。

本測(cè)試模塊設(shè)計(jì)為獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)航天設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中大面積的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)配有濕度與振動(dòng)傳感器芯片，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。主控芯片選用STM32F103，考慮到環(huán)境濕度變化較小，故設(shè)置對(duì)濕度的數(shù)據(jù)采集速率為1 Hz；而振動(dòng)數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程工作模式的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，因此其采樣速率為100 Hz。

SHT30溫濕度傳感器與控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)串口1實(shí)現(xiàn)，振動(dòng)傳感器通過(guò)串口2將采集到的環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制芯片；電流傳感器輸出模擬信號(hào)，需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入控制芯片串口引腳。所有采集的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32F103打包后發(fā)送到CAN總線，最終將數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析與保存。其數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 濕度振動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of humidity and vibration sensor node

控制程序通過(guò)定時(shí)器設(shè)置標(biāo)志來(lái)控制單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)化及向溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器發(fā)出指令，定時(shí)器周期為100 ms，每中斷一次就啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)化；當(dāng)中斷累積到10次時(shí)，控制芯片向2個(gè)傳感器發(fā)出指令，并將添加了標(biāo)志位的數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上，同時(shí)清零計(jì)數(shù)。控制程序流程如圖4所示。

圖4 控制程序流程框圖Fig.4 Flow chart of control program

3.3 頻譜監(jiān)測(cè)

頻譜泄漏監(jiān)測(cè)選用超緊湊型接收機(jī)探頭SAM60，射頻前端包含完整的前置放大器、衰減器、5端預(yù)選濾波器、后置放大器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)9 kHz～6.3 GHz頻段的頻譜監(jiān)測(cè)，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及嵌入式應(yīng)用的需求，對(duì)體積、重量、功耗進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)射一個(gè)介于9 kHz～6.3 GHz間的微波信號(hào)時(shí)，此設(shè)備可以準(zhǔn)確捕捉，達(dá)到精確的頻譜泄漏監(jiān)測(cè)。

3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)封裝設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)濕度傳感模塊與振動(dòng)傳感模塊的集成，設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)方體的封裝結(jié)構(gòu)，在側(cè)面開(kāi)窗，方便溫濕度傳感器對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)外部環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，如圖5所示。將內(nèi)部核心電路設(shè)計(jì)為上下兩板，上板主要包括控制模塊，下板為傳感器模塊。將內(nèi)部電路的電源、地線、CanH與CanL引出到一個(gè)坐針連接器，便于進(jìn)行CAN總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的線纜連接與傳感器節(jié)點(diǎn)的分布式放置。電流傳感節(jié)點(diǎn)需要引出電流環(huán)鉗住被測(cè)線纜。

圖5 硬件電路實(shí)物圖Fig.5 Physical drawing of hardware circuit

每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)特制電纜連接，傳感器節(jié)點(diǎn)首先連接“人”字型線纜一，“人”字型線纜的坐針(ZJ)連接器與線纜二的頭孔(TK)匹配連接，下一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的連接方式相同，如此連接20個(gè)節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)陣列分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器地面測(cè)試環(huán)境的大面積分布式監(jiān)測(cè)。線纜制作過(guò)程如圖6。

圖6 線纜制作過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of cables

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)界面由Labview與C#混合編程實(shí)現(xiàn)，針對(duì)地面測(cè)試的不同階段場(chǎng)景，選擇不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)界面，能夠在不同的工作模式下直觀地查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。上位機(jī)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、后臺(tái)組件、數(shù)據(jù)處理引擎、用戶(hù)界面4個(gè)模塊組成，其中數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)，包括溫度、應(yīng)力、濕度、振動(dòng)、電流和頻譜等傳感信息；后臺(tái)組件通過(guò)內(nèi)置的API實(shí)現(xiàn)顯示功能；數(shù)據(jù)處理引擎搭建起傳輸網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交換與處理的橋梁，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取與顯示。對(duì)3種傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)有軟件界面，設(shè)計(jì)有DLL，方便直接調(diào)用不同的上位機(jī)界面，完成各個(gè)測(cè)試傳感量的數(shù)據(jù)融合與管理。上位機(jī)功能如圖7所示。

圖7 上位機(jī)功能框圖Fig.7 System function diagram

4.1 溫度、應(yīng)力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)

溫度、應(yīng)力傳感數(shù)據(jù)通過(guò)RS485串口協(xié)議完成數(shù)據(jù)的回傳。作為不同傳感模塊的上位機(jī)主界面系統(tǒng)，此界面能直觀顯示當(dāng)前測(cè)試大廳的溫度與應(yīng)力變化，精確顯示單條光纖對(duì)溫度和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并可實(shí)現(xiàn)不同光纖信道的無(wú)縫切換。根據(jù)不同的地面測(cè)試環(huán)境，選取不同的工作模式側(cè)重?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，調(diào)取濕度、振動(dòng)以及頻譜檢測(cè)的上位機(jī)界面。其上位機(jī)界面如圖8所示。

圖8 溫度、應(yīng)變上位機(jī)界面Fig.8 Temperature and strain main interface of host computer

4.2 濕度、振動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)

濕度、振動(dòng)傳感模塊的數(shù)據(jù)回傳是通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)的。此模塊的上位機(jī)由C#編程實(shí)現(xiàn)，功能包括串口數(shù)據(jù)接收、CAN傳輸波特率選擇、CAN接口設(shè)備打開(kāi)與關(guān)閉及信息的顯示、清空與自動(dòng)保存以及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)曲線繪制和歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。其上位機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 濕度、振動(dòng)傳感上位機(jī)界面Fig.9 Humidity and vibration sensor interface of host computer

4.3 頻譜監(jiān)測(cè)上位機(jī)

接收機(jī)頻譜監(jiān)測(cè)上位機(jī)界面如圖10所示。此模塊的上位機(jī)功能表包括頻譜顯示、全局峰值顯示、基本參量顯示、設(shè)備內(nèi)核溫度監(jiān)測(cè)、針對(duì)基本參數(shù)、測(cè)量參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置以及主信號(hào)處理器等功能模塊。

圖10 頻譜監(jiān)測(cè)上位機(jī)界面Fig.10 Spectrum monitoring interface of host computer

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及大數(shù)據(jù)模型分析

5.1 溫度傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

溫度環(huán)境測(cè)量主要面向航天器外圍測(cè)試的發(fā)熱、大功率設(shè)備對(duì)局部環(huán)境造成的溫度變化測(cè)量。實(shí)際測(cè)試環(huán)境中，大型設(shè)備內(nèi)部最大發(fā)熱溫度不超過(guò)70 ℃，同時(shí)溫度傳感節(jié)點(diǎn)并不直接接觸設(shè)備，而是圍繞測(cè)試大廳以及廠房進(jìn)行分布式布置，因此設(shè)定測(cè)試階段最高溫度為70 ℃。為模擬應(yīng)用環(huán)境的溫度變化情況，通過(guò)日常使用的吹風(fēng)機(jī)加熱通道2的FBG2傳感節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)放置在不受熱源影響的位置測(cè)量環(huán)境室溫，作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照。加熱過(guò)程中，首先對(duì)FBG2進(jìn)行持續(xù)加熱一段時(shí)間后，讓其自然冷卻一段時(shí)間，而后繼續(xù)加熱，記錄溫度變化曲線。實(shí)驗(yàn)中的溫度變化曲線如圖11。

圖11 溫度變化曲線Fig.11 Variable temperature test

5.2 應(yīng)力傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

為監(jiān)測(cè)測(cè)試大廳與發(fā)射基地內(nèi)的供電線纜的受損傷情況，將應(yīng)力光纖光柵傳感器與供電線纜貼合固定，一旦供電線纜產(chǎn)生異常形變，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的顯示出此異常。本測(cè)試針對(duì)線纜的不同彎折情況，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如圖12(a)所示，彎折過(guò)程如圖12(b)所示。

圖12 線纜彎折測(cè)試Fig.12 Cable bending test

5.3 濕度振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

濕度傳感器與振動(dòng)傳感器封裝在同一傳感節(jié)點(diǎn)中，圍繞測(cè)試廠房分布式布置安裝。為進(jìn)行濕度傳感器的功能驗(yàn)證與精確度測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中在該傳感節(jié)點(diǎn)的濕度探頭附近放置加濕器，改變測(cè)試環(huán)境空氣濕度的變化。最終測(cè)試的濕度變化結(jié)果曲線如圖13所示，驗(yàn)證了濕度傳感器的監(jiān)測(cè)功能。

圖13 最終測(cè)試的濕度變化結(jié)果曲線Fig.13 Curve of humidity change

振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境振動(dòng)，評(píng)估航天器運(yùn)輸過(guò)程中的設(shè)備連接狀態(tài)，因此主要考慮人員走動(dòng)和載體拖動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)設(shè)備連接狀態(tài)的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的振動(dòng)測(cè)試量程為±16 g，量程較大且靈敏度和精確性滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。針對(duì)航天器運(yùn)輸過(guò)程的設(shè)備連接狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，本測(cè)試首先測(cè)試人物走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微弱振動(dòng)并記錄其數(shù)據(jù)曲線，如圖14(a)所示。然后將傳感節(jié)點(diǎn)放置在機(jī)械設(shè)備上，往復(fù)拖動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)載體，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的采集與曲線繪制，如圖14(b)所示。結(jié)果表明本系統(tǒng)的振動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境振動(dòng)量的感知具有極高的靈敏度與準(zhǔn)確性。

圖14 振動(dòng)測(cè)試曲線Fig.14 Vibration test

5.4 電流傳感節(jié)點(diǎn)測(cè)試

電流監(jiān)測(cè)主要針對(duì)航天器分陣式供電進(jìn)行第三方監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)供電箱操作平臺(tái)輸出線纜中的電流大小。操作監(jiān)控室中的供電設(shè)備采用二級(jí)串聯(lián)的形式，最大輸出電流為15 A，基本滿(mǎn)足大多后端設(shè)備的用電需求，因此本項(xiàng)測(cè)試主要針對(duì)電流傳感器的測(cè)量范圍與測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證?？刂坪懔麟娫串a(chǎn)生0.5～14 A的信號(hào)，每次提升0.5 A，測(cè)試電流傳感節(jié)點(diǎn)的量程與測(cè)量精度，測(cè)試場(chǎng)景如圖15(a)所示，采集的數(shù)據(jù)如圖15(b)所示。測(cè)試結(jié)果表明，電流傳感節(jié)點(diǎn)的誤差精度控制在±5%，此誤差產(chǎn)生于霍爾元件自身攜帶的測(cè)量誤差且在測(cè)量時(shí)電流環(huán)對(duì)供電線纜的鉗制松緊也會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，滿(mǎn)足了地面測(cè)試環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

圖15 電流測(cè)試Fig.15 Current test

5.5 大數(shù)據(jù)模型訓(xùn)練與數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

RF算法的要求較為簡(jiǎn)單，不會(huì)有很高的泛化誤差，并通過(guò)降低偏差來(lái)不斷提高最終分類(lèi)器的精度。模型訓(xùn)練首先生成多個(gè)訓(xùn)練集，并對(duì)每個(gè)訓(xùn)練集構(gòu)造決策樹(shù)。分裂節(jié)點(diǎn)時(shí)，在特征中隨機(jī)抽取一部分特征并在其中找到最優(yōu)解應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行分裂。RF的方法由于有了集成的思想，實(shí)際上對(duì)樣本和特征都進(jìn)行了采樣，所以可避免過(guò)擬合帶來(lái)的負(fù)面影響。

通過(guò)模擬不同的異常監(jiān)測(cè)環(huán)境并進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集，在傳感器網(wǎng)絡(luò)將多個(gè)傳感量采集并存儲(chǔ)后，輸入到建立好的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理與模型訓(xùn)練。本模型旨在根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的值判斷節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境是否異樣，為了消除數(shù)據(jù)分布范圍對(duì)分類(lèi)器訓(xùn)練的影響，使用0-1標(biāo)準(zhǔn)化將每個(gè)數(shù)據(jù)的特征縮放到0到1的區(qū)間上，也就是用“1”表示環(huán)境正常，用“0”表示環(huán)境異常。

針對(duì)溫度、應(yīng)力與振動(dòng)這3類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練與預(yù)測(cè)結(jié)果如表1和表2所示。表中micro表示所有類(lèi)別總和的性能，macro時(shí)每一個(gè)類(lèi)別的性能加和求平均，weighted是每個(gè)類(lèi)別的性能指標(biāo)求加權(quán)平均。而Precision代表模型判定為正的所有樣本中有多少是真正的正樣本，Recall表示所有正樣本有多少模型被模型判定為正，F(xiàn)1則是對(duì)Precision和Recall的權(quán)衡結(jié)果。

表1 RF分類(lèi)器的分類(lèi)性能參數(shù)數(shù)據(jù)(%)Table 1 Classification performance of RF classifier on test sets of temperature and stress data

表2 RF分類(lèi)器在振動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)試集上的 分類(lèi)性能參數(shù)數(shù)據(jù)(%)Table 2 Classification performance of RF classifier on test sets of vibration data

結(jié)果顯示RF算法在3類(lèi)數(shù)據(jù)上的分類(lèi)性能都非常好，且對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度基本達(dá)到全對(duì)的結(jié)果，在本系統(tǒng)應(yīng)用于航天器地面測(cè)試環(huán)境參量監(jiān)測(cè)時(shí)可以發(fā)揮極佳的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)能力。

6 結(jié)論

本文提出的針對(duì)航天器地面測(cè)試環(huán)境的關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)的多源陣列傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在不同模式下對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的側(cè)重采集與分析：1) 可以同步、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面測(cè)試環(huán)境的溫濕度、應(yīng)力、振動(dòng)、電流等重要參數(shù)；2) 采集速率快、同步性強(qiáng)、融合度高，整套系統(tǒng)采用與航天器系統(tǒng)完全隔離的電源供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸方式，避免了對(duì)航天器產(chǎn)生的干擾；3)通過(guò)建立基于隨機(jī)森林集成算法的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境異常預(yù)測(cè)。該研究克服了一般地面測(cè)試環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參量少、難以覆蓋整個(gè)測(cè)試過(guò)程的技術(shù)缺陷，將大數(shù)據(jù)模型訓(xùn)練與異常預(yù)測(cè)技術(shù)加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)中，擴(kuò)大了系統(tǒng)在地面測(cè)試中的應(yīng)用前景。