袁慧秀王俊博陳 申梁曉瑜曹 璇

（1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，天津300301；2.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江杭州310018；3.陸軍裝備部航空軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江哈爾濱150001）

1 引 言

直升機(jī)因其良好的高機(jī)動性和適應(yīng)性而得到廣泛應(yīng)用，被稱為“樹梢殺手”或“低空礪劍”。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代直升機(jī)功能日益復(fù)雜，承擔(dān)的任務(wù)類型也逐漸多樣化。 為了實(shí)現(xiàn)綜合管理、飛行操縱、狀態(tài)監(jiān)測、安全報警、通信導(dǎo)航、供電配電等功能，直升機(jī)安裝了種類繁多的機(jī)載設(shè)備，其包括了大量傳感器和測試設(shè)備。 這些設(shè)備由于長期處于復(fù)雜的使用環(huán)境中，其準(zhǔn)確度會逐漸下降，如果未及時發(fā)現(xiàn)和修正，將會造成安全隱患，影響飛行任務(wù)的執(zhí)行。 因此，直升機(jī)及其機(jī)載設(shè)備必須及時開展計量保障，以保證其處于完好狀態(tài)。

在使用過程中，各兵種對直升機(jī)專用檢測設(shè)備的計量技術(shù)保障工作進(jìn)行了長期有效的探索和實(shí)踐，使檢測設(shè)備計量覆蓋率和計量受檢率得到明顯提升，但經(jīng)過對直升機(jī)用戶的調(diào)研和工作溝通，直升機(jī)計量保障在實(shí)踐過程中仍存在以下突出問題。

1）因缺乏必要的硬件接口、信號適配器或必要的測試軟件而無法檢測部分影響人身與裝備安全的機(jī)載設(shè)備的性能；

2）機(jī)載設(shè)備和部分地面測試設(shè)備的檢測校準(zhǔn)方法不規(guī)范，部分計量參數(shù)無法溯源到國家計量基準(zhǔn)，部分檢測校準(zhǔn)的有效性得不到保證；

3）無法統(tǒng)一規(guī)劃直升機(jī)在使用階段的計量保障工作，不能合理配置與計量保障相關(guān)的人力和物力資源；

4）部分設(shè)備的檢測校準(zhǔn)方法配置不當(dāng)，未充分利用現(xiàn)有資源，提高了計量保障成本。

在現(xiàn)有的直升機(jī)型號設(shè)計中，直升機(jī)的計量保障工作往往滯后于直升機(jī)設(shè)計工作，發(fā)現(xiàn)計量問題時直升機(jī)業(yè)已設(shè)計定型，難以通過更改現(xiàn)有設(shè)計解決。 而上述問題的核心在于現(xiàn)有的計量保障方式是一種事后保證的被動行為，從直升機(jī)全壽命周期的角度來看，屬于末端介入，大大制約計量保障的實(shí)施和效果。 因此，直升機(jī)計量保障工作的順利開展亟需轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的工作方式，進(jìn)行謀事在先的主動作為，即同步開展計量工作與直升機(jī)設(shè)計工作，在設(shè)計直升機(jī)的同時考慮計量保障的需求。 通過在整個研制過程中開展可計量性設(shè)計，使直升機(jī)具備良好的可計量性，從而為直升機(jī)使用階段的計量保障奠定良好的基礎(chǔ)，提高維修技術(shù)水平，有效降低使用維護(hù)成本。

2 直升機(jī)可計量性及可計量性設(shè)計

可計量性（Measurability）是從裝備量值溯源和檢測受控相關(guān)特性角度提出的新概念，目前國內(nèi)學(xué)者對可計量性和可計量性設(shè)計尚未有統(tǒng)一的定義。 有文獻(xiàn)將可計量性定義為“裝備各測量（測試）設(shè)備所具有的反映其量值準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠和計量便利程度的一種設(shè)計特性，貫穿于裝備全壽命周期”，也有文獻(xiàn)將其表述為“專用測試設(shè)備在設(shè)計時除了要滿足性能、可靠性要求，還要考慮計量的方便與可行性”；有文獻(xiàn)提出可計量性設(shè)計（Measurability Design）指在裝備研發(fā)階段，通過技術(shù)手段，使裝備在實(shí)現(xiàn)由設(shè)計向生產(chǎn)轉(zhuǎn)型時具備可計量功能，確保裝備在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)計量的一項(xiàng)技術(shù)活動。 一般可以認(rèn)為，裝備可計量性指裝備及其檢測設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計量保障的特性，而裝備的可計量性設(shè)計是為了實(shí)現(xiàn)裝備的可計量性所進(jìn)行的一種設(shè)計。

經(jīng)過對國內(nèi)眾多學(xué)者關(guān)于可計量性及可計量性設(shè)計研究的分析，結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)在直升機(jī)設(shè)計和計量保障的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為在直升機(jī)的研制過程中，可將直升機(jī)可計量性定義為：直升機(jī)及其配套檢測設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計量保障的能力；而將直升機(jī)可計量性設(shè)計定義為：直升機(jī)設(shè)計過程中，通過合理設(shè)計計量接口，配備專用的軟件、硬件以及信號輸入、輸出端口（適配器），從而實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)及其配套檢測設(shè)備性能和參數(shù)的準(zhǔn)確計量。

基于筆者在直升機(jī)研制過程中與計量相關(guān)的工作實(shí)踐，目前直升機(jī)可計量性設(shè)計工作的問題可總結(jié)如下。

1）缺乏可計量性需求的正向捕獲方法。 直升機(jī)研制初期并未考慮計量保障的需求，也未分析計量參數(shù)與整機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備性能的關(guān)系，導(dǎo)致直升機(jī)計量保障規(guī)劃時不清楚目標(biāo)，計量保障實(shí)施時部分設(shè)備參數(shù)由于缺乏必要的硬件接口、信號適配器或必要的測試軟件而無法檢測，計量保障僅覆蓋部分場景；

2）缺乏可計量性的正向設(shè)計工具。 可計量性設(shè)計與直升機(jī)設(shè)計難以有效結(jié)合，導(dǎo)致部分設(shè)備的檢測／校準(zhǔn)方法不規(guī)范，計量溯源鏈不明晰，計量資源配置不合理，計量測試原位接口規(guī)劃不足、性能指標(biāo)受檢率低，不便于計量保障的快速實(shí)施，提高了計量保障的實(shí)施成本；

3）缺乏可計量性的有效驗(yàn)證途徑。 目前，直升機(jī)研制過程中僅開展了設(shè)備級的可計量性驗(yàn)證，可計量性設(shè)計的評估以采用定性評審方式為主，評估結(jié)果缺少試驗(yàn)證據(jù)，難以保證可計量性設(shè)計的有效性。

3 直升機(jī)可計量性設(shè)計流程

3.1 直升機(jī)可計量性模型

針對直升機(jī)可計量性設(shè)計在型號實(shí)踐中的具體問題，我們認(rèn)為直升機(jī)的可計量性設(shè)計工作需要與直升機(jī)的研制過程緊密結(jié)合，覆蓋直升機(jī)的全壽命周期，并與MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）理念相符。 從需求出發(fā)，將可計量性設(shè)計工作與總體和各系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，以體現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)特性、滿足未來用戶計量保障的使用要求為原則，構(gòu)建了如圖1 所示的直升機(jī)可計量性設(shè)計V 模型。可計量性設(shè)計流程主要包括需求分析、方案設(shè)計和驗(yàn)證評價三個方面，其中需求分析從整機(jī)級、系統(tǒng)級和設(shè)備級自上而下開展，正向逐級捕獲并確認(rèn)可計量性需求；方案設(shè)計包括逐級設(shè)計可計量性各核心要素和制定計量保障方案；驗(yàn)證評價則依據(jù)直升機(jī)設(shè)計進(jìn)度自下而上分別開展設(shè)備級、系統(tǒng)級和整機(jī)級的可計量性驗(yàn)證與評價。

圖1 直升機(jī)可計量性設(shè)計系統(tǒng)工程V 模型圖Fig.1 V model of system engineering for helicopter measurability design

3.2 可計量性需求分析

直升機(jī)可計量性需求分析主要為了尋找可計量性設(shè)計和計量保障的需求來源，只有全面分析直升機(jī)的性能與計量參數(shù)的關(guān)系，合理地轉(zhuǎn)化為可計量性需求，才能更好地展開后續(xù)的設(shè)計和驗(yàn)證，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖2 所示的直升機(jī)可計量性正向需求分析流程，主要包括需求準(zhǔn)備、需求捕獲、需求分類、需求確認(rèn)和需求輸出等幾個部分。需求分析過程遵循正向分析、功能區(qū)分、場景區(qū)分、全壽命周期覆蓋原則，以影響被測直升機(jī)任務(wù)完成、人身與設(shè)備安全的關(guān)鍵重要參數(shù)為核心，分析其故障模式、影響及危害性、關(guān)鍵功能與性能指標(biāo)，從而識別出影響直升機(jī)使用效能、人身與設(shè)備安全的主要測量參數(shù)或項(xiàng)目，形成對參數(shù)計量要素的要求，包括參數(shù)名稱、參數(shù)量值、最大允許誤差、測量條件（環(huán)境要求、測量時機(jī)、測量位置）、溯源要求（原位／離位、在線／離線）等，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類、確認(rèn)后形成可計量性需求分析輸出，作為后續(xù)可計量性方案設(shè)計的輸入。 需求捕獲時，應(yīng)遵循場景分類的原則，盡量分析全生命周期的計量保障需求，包括作戰(zhàn)或使用場景、地面保障場景、維修場景、定型試驗(yàn)場景、在役考核場景、性能鑒定場景等，識別功能利益、性能利益、風(fēng)險利益、故障識別利益等不同類型的利益攸關(guān)方，從而實(shí)現(xiàn)需求的全面捕獲。

圖2 直升機(jī)可計量性需求分析流程圖Fig.2 Analysis process of requirements for helicopter measurability design

3.3 可計量性方案設(shè)計

直升機(jī)可計量性方案設(shè)計以可計量性需求分析結(jié)果作為輸入，對關(guān)鍵、重要參數(shù)及其計量要素開展可計量性設(shè)計，主要包括各個參數(shù)的可計量性核心要素設(shè)計和計量保障方案規(guī)劃，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖3 所示的直升機(jī)可計量性正向設(shè)計流程，包括設(shè)計準(zhǔn)備、核心要素設(shè)計、計量保障規(guī)劃、符合性分析和設(shè)計輸出等幾個部分。 方案設(shè)計過程遵循元件通用性、操作簡便性、經(jīng)濟(jì)合理性、場景適用性原則，以需求分析捕獲的測量參數(shù)或項(xiàng)目為設(shè)計對象進(jìn)行，覆蓋計量接口、計量軟件、檢測要求、校準(zhǔn)要求、計量時機(jī)和周期、不確定度評定等要素，進(jìn)而確定每個參數(shù)的檢測、校準(zhǔn)方法并推薦相應(yīng)的設(shè)備，規(guī)劃適用于各場景的直升機(jī)計量保障方案，經(jīng)符合性分析并從計量覆蓋率、計量效費(fèi)比、扁平化率和國產(chǎn)化率等角度開展總體評價后，最終形成直升機(jī)整機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備各級的可計量性設(shè)計方案。

圖3 直升機(jī)可計量性方案設(shè)計流程圖Fig.3 Design process of scheme for helicopter measurability design

3.4 可計量性驗(yàn)證

直升機(jī)可計量性驗(yàn)證以可計量性需求分析和設(shè)計的結(jié)果作為輸入，對包括各個參數(shù)的可計量性核心要素和計量保障方案展開驗(yàn)證并確認(rèn)可計量性需求是否逐一得到滿足，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖4 所示的直升機(jī)可計量性驗(yàn)證流程，包括驗(yàn)證時機(jī)、驗(yàn)證方案、局部迭代驗(yàn)證、集成試驗(yàn)確認(rèn)和驗(yàn)證輸出等。 直升機(jī)可計量性的驗(yàn)證應(yīng)當(dāng)盡可能提前介入設(shè)計過程，采取包括但不限于仿真或摸底試驗(yàn)的合理方式開展局部驗(yàn)證，為設(shè)備級、系統(tǒng)級、整機(jī)級設(shè)計的迭代優(yōu)化提供依據(jù)，完整的驗(yàn)證方案涵蓋驗(yàn)證對象、驗(yàn)證執(zhí)行者、驗(yàn)證方式和驗(yàn)證流程；設(shè)計完成后，在直升機(jī)制造過程中也需要從設(shè)備、系統(tǒng)、整機(jī)逐級展開試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計的有效性并確認(rèn)可計量性需求是否得到滿足，最終完成直升機(jī)的可計量性設(shè)計工作。

圖4 直升機(jī)可計量性驗(yàn)證流程圖Fig.4 Validation process for helicopter measurability design

4 可計量性設(shè)計參考模型

在上述直升機(jī)可計量性設(shè)計流程分析的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步凝練了如圖5 所示的型號可計量性設(shè)計的一般化參考模型。 該模型與型號全壽命周期各階段緊密結(jié)合，符合MBSE 的設(shè)計理念，適應(yīng)現(xiàn)有裝備的設(shè)計流程，可為其他裝備型號的可計量性設(shè)計提供借鑒。 該參考模型將可計量性設(shè)計融入論證、方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、加工制造等設(shè)計制造階段，包括需求分析、設(shè)計和驗(yàn)證三大部分：需求分析主要在論證和方案設(shè)計階段中開展，包含“需求捕獲——需求分類——需求確認(rèn)”組成的內(nèi)部循環(huán)，實(shí)現(xiàn)需求分析的迭代優(yōu)化；可計量性設(shè)計主要在初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段中開展，包含“核心要素設(shè)計——計量保障規(guī)劃——符合性分析”組成的內(nèi)部循環(huán)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計的迭代優(yōu)化；驗(yàn)證則在加工制造階段開始介入，包括設(shè)計前期局部迭代驗(yàn)證和后期系統(tǒng)集成試驗(yàn)確認(rèn)，為設(shè)計和需求提供數(shù)據(jù)支撐，并形成設(shè)計驗(yàn)證和需求驗(yàn)證兩個驗(yàn)證大循環(huán)，驗(yàn)證可計量性設(shè)計是否有效并最終確認(rèn)所捕獲的型號計量需求是否得到滿足，從而提高型號交付使用后的計量保障效能。

圖5 型號可計量性設(shè)計參考模型Fig.5 Reference model for product measurability design

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了現(xiàn)有直升機(jī)計量保障中存在的問題，在國內(nèi)可計量性及可計量性設(shè)計研究基礎(chǔ)上，結(jié)合直升機(jī)型號研制中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，明確了直升機(jī)計量保障中的可計量性及可計量性設(shè)計的定義和內(nèi)涵，將直升機(jī)可計量性定義為：直升機(jī)及其配套檢測設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計量保障的能力；而將直升機(jī)可計量性設(shè)計定義為：直升機(jī)設(shè)計過程中，通過合理設(shè)計計量接口，配備專用的軟件、硬件以及信號輸入、輸出端口（適配器），從而實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)及其配套檢測設(shè)備性能和參數(shù)的準(zhǔn)確計量。 隨后總結(jié)直升機(jī)多個型號中可計量性工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將可計量性工作存在的問題概括為缺乏需求捕獲、缺乏正向設(shè)計和缺乏有效驗(yàn)證三個方面，針對性地提出包括需求分析、方案設(shè)計和驗(yàn)證在內(nèi)的可計量性設(shè)計流程用于解決目前直升機(jī)設(shè)計中的可計量性問題，并進(jìn)一步提煉形成型號可計量性設(shè)計參考模型，研究結(jié)果可為直升機(jī)及其他裝備的可計量性設(shè)計提供借鑒。