董鎖利

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710089)

0 引言

建立在測(cè)試測(cè)量基礎(chǔ)上的計(jì)量技術(shù)，在服務(wù)于測(cè)試的過(guò)程中已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)完善的工程手段，成為測(cè)試技術(shù)存在乃至發(fā)展的重要基石。近年來(lái)在航空裝備中的研發(fā)中，引入的測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)及測(cè)試性設(shè)計(jì)所構(gòu)建的測(cè)試單元融合了計(jì)算機(jī)和測(cè)量技術(shù)，使得航空裝備中的測(cè)試設(shè)備超越了傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備所依附的計(jì)量功能。宏觀上計(jì)量的技術(shù)基礎(chǔ)地位依然存在，但多年來(lái)形成的被動(dòng)式計(jì)量手段發(fā)展模式，使得計(jì)量技術(shù)越來(lái)越滯后于測(cè)試技術(shù)發(fā)展的速度，計(jì)量保證面臨著能力的制約。在測(cè)試技術(shù)快速發(fā)展的環(huán)境下，測(cè)試對(duì)計(jì)量的依賴性卻始終沒(méi)有改變，由此催生計(jì)量進(jìn)入了與測(cè)試新技術(shù)相適應(yīng)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)的發(fā)展模式，使計(jì)量由傳統(tǒng)的被動(dòng)式向主動(dòng)式計(jì)量邁出了創(chuàng)新的一步。

1 測(cè)試與計(jì)量

測(cè)試是裝備的眼睛，是裝備獲知一切信息的最基本手段，是裝備在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)的一個(gè)與裝備工作特性并列的重要功能。借助測(cè)試功能，裝備能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲知自身或與之相關(guān)的技術(shù)狀態(tài)。從裝備的全局來(lái)看，測(cè)試具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，是可靠性、維修性、保障性的輔助手段，測(cè)試性還是裝備可靠性與維修保障性設(shè)計(jì)之間的重要紐帶。不可否認(rèn)，測(cè)試性與計(jì)量一樣也是構(gòu)成裝備質(zhì)量特性的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)裝備質(zhì)量提升的重要途徑。

從計(jì)量的觀點(diǎn)來(lái)看，測(cè)試性的功能是建立在以測(cè)試測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)試測(cè)量獲得裝備運(yùn)行狀態(tài)的量值信息，并以量值信息為依據(jù)，對(duì)裝備的運(yùn)行狀態(tài)作出可否工作及性能水平的評(píng)價(jià)。由于裝備特別是航空裝備的使用周期較長(zhǎng)，全壽命階段可達(dá)到數(shù)十年之久，雖然測(cè)試性的設(shè)計(jì)功能是裝備的固有特性，不會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)發(fā)生變化，但實(shí)現(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)目標(biāo)的測(cè)量功能卻是建立在儀器概念的基礎(chǔ)上，因此測(cè)試性與計(jì)量有著不可割裂的依賴關(guān)系。以測(cè)試性最典型的BITE為例，BITE 實(shí)際上是一個(gè)在裝備內(nèi)部獨(dú)立運(yùn)行的測(cè)試單元，工作過(guò)程是以儀器相類似的操作方式來(lái)完成［1］。對(duì)于儀器來(lái)說(shuō)功能正常的重要標(biāo)志是測(cè)量的準(zhǔn)確性，然而長(zhǎng)期的準(zhǔn)確性是儀器自身無(wú)法保證的，維持準(zhǔn)確測(cè)量的措施只能通過(guò)計(jì)量保證。測(cè)量?jī)x器的計(jì)量保證是一個(gè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行完善的技術(shù)體系，計(jì)量過(guò)程是一個(gè)程序化的操作流程，通過(guò)法規(guī)性規(guī)范的計(jì)量溯源功能，既保證了標(biāo)準(zhǔn)量值的統(tǒng)一，也維持了測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確性的長(zhǎng)期穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)裝備測(cè)試性指標(biāo)的手段是測(cè)試性設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試性設(shè)計(jì)，使裝備具備了測(cè)試性所要求的測(cè)試功能，這個(gè)過(guò)程似乎不一定包含計(jì)量需求，不能確定這個(gè)測(cè)試設(shè)備能夠具備計(jì)量的能力，所以無(wú)法保證裝備在全壽命階段測(cè)試性功能的正常發(fā)揮，這是目前測(cè)試性設(shè)計(jì)的真實(shí)現(xiàn)狀。如果測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確性不能保證將導(dǎo)致測(cè)試的根基發(fā)生變化，那么就難免出現(xiàn)虛警誤報(bào)現(xiàn)象，所以要維持測(cè)試性的長(zhǎng)期有效作用，測(cè)試性所依賴的測(cè)量的準(zhǔn)確性是必須的前提條件，由此也佐證了測(cè)試與計(jì)量的不可分割性，有必要在測(cè)試性規(guī)劃階段引入計(jì)量概念，為測(cè)試單元的全壽命階段計(jì)量保證創(chuàng)造條件。

2 測(cè)試性的計(jì)量特征

2.1 量化性

測(cè)試性的工作目標(biāo)是完成裝備的性能監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、故障隔離、虛警抑制和故障預(yù)測(cè)［2］，測(cè)試性設(shè)計(jì)的目的是把這些測(cè)試性功能作為裝備的組成部分，把合適的測(cè)試性設(shè)計(jì)方案融入到裝備的設(shè)計(jì)中，方案所形成的測(cè)試性單元在裝備運(yùn)行過(guò)程中能夠提供自動(dòng)診斷和自動(dòng)測(cè)試信息，實(shí)時(shí)跟蹤顯示裝備是否在性能特性范圍內(nèi)工作。就目前裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀而言，承載測(cè)試性設(shè)計(jì)目標(biāo)的測(cè)試單元總是以量值作為信息的表現(xiàn)形式，通過(guò)與量化后的裝備狀態(tài)信息比對(duì)，來(lái)判斷裝備的工作狀態(tài)是否超出了性能范圍，而測(cè)試功能顯示的信息所指示引起故障的相關(guān)可替換功能單元，也是以量值信息為依據(jù)的，可以說(shuō)與測(cè)試性所關(guān)聯(lián)的測(cè)試過(guò)程是一個(gè)完全量化的裝備運(yùn)行狀態(tài)信息采集的過(guò)程，具有明顯的量化特點(diǎn)。以常見(jiàn)的幾種測(cè)試為例，“存在測(cè)試”檢驗(yàn)信號(hào)或特性的有無(wú)是以量值為基礎(chǔ)的;“比較測(cè)試”比較的主體就是量值;“邊界測(cè)試”對(duì)量值的依賴性更強(qiáng)烈;而應(yīng)用最廣泛的監(jiān)視裝備特性具體量值、電平或幅度的“量值測(cè)試”，其測(cè)試性及實(shí)現(xiàn)測(cè)試性的測(cè)試單元更是處處體現(xiàn)了量值的特征。

2.2 準(zhǔn)確性

在測(cè)試性測(cè)量過(guò)程中，不僅僅是執(zhí)行簡(jiǎn)單的測(cè)量過(guò)程，對(duì)量值的準(zhǔn)確性亦有著嚴(yán)格的要求，而且這種要求會(huì)隨著被測(cè)對(duì)象性能指標(biāo)的提高而上升。在測(cè)試單元工作過(guò)程中，量值是比較的基礎(chǔ)，當(dāng)測(cè)量值與特定值作比較時(shí)，如果測(cè)量值沒(méi)有準(zhǔn)確性的量化描述，測(cè)量值的可靠性就消失了，測(cè)量值所代表的狀態(tài)信息也失去了價(jià)值，那么比較的基礎(chǔ)就不存在了，通過(guò)比較得出的如“正常-不正?！钡慕Y(jié)論就不能準(zhǔn)確地表示與裝備指標(biāo)容差范圍的含義。在邊界測(cè)試中，如果沒(méi)有準(zhǔn)確性指標(biāo)，甚至可能出現(xiàn)在邊界臨界點(diǎn)的誤判。

2.3 持續(xù)性

由于測(cè)試單元作為裝備基本功能之外的一個(gè)部分和裝備同步運(yùn)行，以機(jī)內(nèi)測(cè)試為例，當(dāng)裝備起動(dòng)時(shí)機(jī)內(nèi)測(cè)試與裝備同步開(kāi)始工作，完成裝備工作狀態(tài)的檢測(cè)任務(wù)，在裝備運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝備的運(yùn)行情況。自成工作體系的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在裝備的全壽命周期承擔(dān)定期維護(hù)檢查測(cè)試功能。以維修為主進(jìn)行的故障診斷測(cè)試，要處理BITE 和ATE 等無(wú)法檢測(cè)和隔離的故障現(xiàn)象，這些測(cè)試都要持續(xù)到裝備使用過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，是裝備正常功能發(fā)揮的保證措施。

然而，無(wú)論承擔(dān)機(jī)內(nèi)測(cè)試的BITE，還是獨(dú)立于裝備本體之外的ATE 或ATS，或者是人工測(cè)試使用的儀器設(shè)備，都是電子設(shè)備，在航空裝備長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的壽命周期內(nèi)，測(cè)試性所依賴的各類電子設(shè)備都不可避免地存在測(cè)量指標(biāo)的變化，這是測(cè)試性自身無(wú)法解決的問(wèn)題。當(dāng)前，在一些較大的ATE 或ATS 設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)置內(nèi)部高精度基準(zhǔn)的措施應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上這些基準(zhǔn)由于具有更高的精度反而更容易在使用過(guò)程中“失準(zhǔn)”，導(dǎo)致一系列錯(cuò)誤的連鎖反應(yīng)。

由于承擔(dān)測(cè)試性任務(wù)的測(cè)試主體具有測(cè)量?jī)x器的特點(diǎn)，有量化準(zhǔn)確的要求，就不可能回避計(jì)量的保證手段［3］，因?yàn)橛?jì)量是最可靠、最科學(xué)的能夠把準(zhǔn)確量值信息傳遞到測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的唯一途徑，量傳操作過(guò)程受技術(shù)法規(guī)的約束，其結(jié)果具有統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。但是在裝備引入測(cè)試性設(shè)計(jì)的歷程中，計(jì)量一直處于缺失狀態(tài)，就航空裝備整體而言，裝備的各系統(tǒng)、分系統(tǒng)中的BITE 或ATE 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，弱化了計(jì)量的需求，缺少了標(biāo)準(zhǔn)量值信息傳遞的通道，導(dǎo)致使用過(guò)程計(jì)量無(wú)法進(jìn)行。開(kāi)展與測(cè)試性相關(guān)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)，使裝備在測(cè)試性設(shè)計(jì)階段預(yù)留必要的量值溯源接口［4］，為裝備長(zhǎng)期使用提供計(jì)量保證條件，是完善裝備測(cè)試性功能的新舉措。

3 裝備的計(jì)量性設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量性設(shè)計(jì)的起步

相比于測(cè)試性設(shè)計(jì)，計(jì)量性設(shè)計(jì)同樣有一定的范圍界限。根據(jù)計(jì)量功能僅限于量值準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，可以把計(jì)量性設(shè)計(jì)的起步確定在裝備或裝備內(nèi)部有測(cè)量準(zhǔn)確性要求的測(cè)量設(shè)備或測(cè)量單元，把計(jì)量性設(shè)計(jì)的目標(biāo)確定為在最小硬件資源條件下，借助測(cè)試性設(shè)計(jì)手段使BITE，ATE 或ATS 具備可計(jì)量功能，達(dá)到提高測(cè)試性質(zhì)量等級(jí)的目的。

3.2 計(jì)量性設(shè)計(jì)的內(nèi)容

測(cè)試設(shè)備的計(jì)量性設(shè)計(jì)是為了滿足計(jì)量需求，因此計(jì)量性設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容［5］可規(guī)劃為以下幾方面:

1)量值傳遞的硬件結(jié)構(gòu)

量值傳遞的硬件結(jié)構(gòu)的功能是:既保證測(cè)試對(duì)象能夠采集到標(biāo)準(zhǔn)量值的信息，又能使測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量特性反饋給標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備，在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和測(cè)試設(shè)備之間建立信息傳遞渠道。量值傳遞結(jié)構(gòu)是測(cè)量設(shè)備計(jì)量的基礎(chǔ)。

2)測(cè)量誤差修正能力

從計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)量設(shè)備之間量值的比較過(guò)程中能夠獲得測(cè)量設(shè)備相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量值的偏離程度，這就是測(cè)量設(shè)備在使用過(guò)程中由于設(shè)備老化等因素所產(chǎn)生的性能衰減的累積效應(yīng)，這種效應(yīng)的表現(xiàn)形式就是測(cè)量誤差。計(jì)量之所以能夠保證測(cè)量設(shè)備的長(zhǎng)期準(zhǔn)確，核心是在這樣的周期性計(jì)量過(guò)程中，能夠?qū)崟r(shí)地把測(cè)量誤差不斷地通過(guò)修正的方式進(jìn)行補(bǔ)償，使測(cè)量設(shè)備能夠重新恢復(fù)到最初的設(shè)計(jì)狀態(tài)，消除性能退化對(duì)設(shè)備造成的影響。測(cè)量誤差的修正可以通過(guò)硬件或軟件方式，也可以采取軟硬件結(jié)合的方式完成。

3)計(jì)量校準(zhǔn)操作規(guī)范文件

裝備測(cè)量設(shè)備的計(jì)量保證是裝備全壽命階段的長(zhǎng)期行為，為了保證計(jì)量的一致性，需要相應(yīng)的技術(shù)文件來(lái)約束計(jì)量過(guò)程。通常用計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范來(lái)保證歷次計(jì)量的過(guò)程，以確保標(biāo)準(zhǔn)量值在相同的環(huán)境條件下，由具有計(jì)量資質(zhì)的人員用相同的計(jì)量校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)量值的傳遞功能。

4)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)源

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)源承載著計(jì)量必須的標(biāo)準(zhǔn)量值信息，航空裝備的量值種類規(guī)格與民用通用計(jì)量存在著較大差異，當(dāng)市場(chǎng)上缺乏所需標(biāo)準(zhǔn)量值載體時(shí)，計(jì)量過(guò)程將不存在，因此計(jì)量性設(shè)計(jì)的內(nèi)容也必須包含標(biāo)準(zhǔn)量值的提供。

3.3 與測(cè)試性相關(guān)的計(jì)量性設(shè)計(jì)

測(cè)試性所涉及的測(cè)量主體不外乎BITE，ATE 及人工測(cè)試所用的設(shè)備等三種形式，由于人工測(cè)試所用的設(shè)備已經(jīng)處在計(jì)量保證的范疇，因此針對(duì)測(cè)試性的計(jì)量性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是研究BITE 和ATE 的計(jì)量模式。

3.3.1 BITE 的計(jì)量

隨著裝備復(fù)雜程度的上升和測(cè)試新技術(shù)新方法的使用，機(jī)內(nèi)測(cè)試由測(cè)試性BITE 到智能BITE、綜合診斷、預(yù)測(cè)與健康管理和中央測(cè)試系統(tǒng)方向發(fā)展。診斷技術(shù)與中央測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)一步成熟，中央測(cè)試系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，以及向健康管理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步擴(kuò)展了狀態(tài)檢測(cè)功能，增強(qiáng)了診斷和預(yù)測(cè)能力，具有綜合化的智能BITE 可以使綜合診斷達(dá)到100%故障診斷與隔離。雖然在這一系列的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中BITE 的功能會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，但BITE 的工作模式本質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變，計(jì)量需求仍然存在，可以從以下兩方面研究對(duì)BITE 的計(jì)量策略。

1)采用模擬儀器計(jì)量方式。把BITE 作為一個(gè)測(cè)量?jī)x器，分析BITE 的計(jì)量特性，確定計(jì)量保證方案。在BITE 設(shè)計(jì)時(shí)配置標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞所必需的信號(hào)交換通道，通過(guò)外部計(jì)量資源完成計(jì)量。按照儀器計(jì)量方式對(duì)BITE計(jì)量具有標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞形式簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

2)綜合計(jì)量模式。綜合計(jì)量模式適用于計(jì)量特性復(fù)雜的BITE 或BITS。在復(fù)雜的BITE 結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)構(gòu)建內(nèi)部量值傳遞方案，借助BITE 的自動(dòng)測(cè)試功能，在機(jī)內(nèi)完成高準(zhǔn)確度向低準(zhǔn)確度比對(duì)的初級(jí)測(cè)量指標(biāo)量值傳遞，外部計(jì)量?jī)H僅對(duì)最高標(biāo)準(zhǔn)量值完成校準(zhǔn)。這種方式可以大大減少計(jì)量性設(shè)計(jì)的工作量，降低計(jì)量性設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量設(shè)備的附加影響，使計(jì)量過(guò)程簡(jiǎn)化可行。

3.3.2 ATE 的計(jì)量

相對(duì)于BITE，ATE 的計(jì)量策略就要簡(jiǎn)化多了，這是因?yàn)锳TE 在形式上表現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，具備完整的量值信息交換功能，具有計(jì)量的基本條件，計(jì)量所要完成的就是從ATE 的測(cè)量功能中分析計(jì)量特性，進(jìn)而確定計(jì)量保證策略，設(shè)計(jì)可行的計(jì)量校準(zhǔn)方案，完成計(jì)量過(guò)程。目前已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)ATE 的計(jì)量工作，雖然ATE 的功能極其復(fù)雜，量值傳遞種類規(guī)格較多，需要的計(jì)量資源龐大，而且計(jì)量難度大，但ATE 的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到了問(wèn)題的存在，已經(jīng)從設(shè)計(jì)源頭開(kāi)始研究計(jì)量策略，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，已經(jīng)引入了服務(wù)于計(jì)量的可計(jì)量性設(shè)計(jì)思想，以使ATE 在設(shè)計(jì)階段就具備可計(jì)量功能，以便在使用過(guò)程中，能夠高效、便捷地實(shí)現(xiàn)計(jì)量校準(zhǔn)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

要準(zhǔn)確知曉裝備的運(yùn)行狀況，就需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，引入測(cè)試性概念，通過(guò)測(cè)試性設(shè)計(jì)來(lái)改善裝備工作的質(zhì)量水平。同樣測(cè)試性功能也只有在健康的狀況下發(fā)揮作用，才能保證測(cè)試性設(shè)計(jì)所預(yù)期的效果，用計(jì)量作為測(cè)試性設(shè)計(jì)的測(cè)試保證，構(gòu)成“計(jì)量-測(cè)試性-裝備質(zhì)量”的技術(shù)鏈，就能更好地從保障的角度提高裝備的戰(zhàn)備完好性，優(yōu)化壽命周期費(fèi)用和保障資源。

［1］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 2547A-2002 裝備測(cè)試性工作通用要求［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2002.

［2］石君友.測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

［3］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 5109-2004 裝備計(jì)量保障通用要求檢測(cè)和校準(zhǔn)［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2004.

［4］董鎖利，丁穎，張建蘭，等，機(jī)載設(shè)備計(jì)量性分析與設(shè)計(jì)討論［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2011，31(3)，46-48.

［5］中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 5539-2006 航空測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)和測(cè)試通用要求［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2006.