計量性及計量性設計

周自力，李太景，于亞楠，張鵬,陸迪泉,唐偉

(1.中國航空研究院，北京 100029；2.航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095；3.軍委裝備發(fā)展部技術基礎管理中心，北京 100035)

0 引言

當提及計量與測量，檢定、校準和測試的關系問題時[1]，爭論不休，各執(zhí)一詞，沒有定論；而在談及計量與質(zhì)量的關系時，觀點趨于一致。計量是質(zhì)量的基礎、計量是標準，具有權威性，不僅確保了測量數(shù)據(jù)的準確性，還是提高產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件?？梢?，計量的權威性在于數(shù)據(jù)的準確性，為提高測量過程的數(shù)據(jù)準確性必須提出一個概念：計量性。[2-4]

1 問題的提出

《計量法》的研究對象是計量器具和計量標準的管理，主要研究計量標準的建立和量值傳遞等問題。但《國防計量監(jiān)督管理條例》發(fā)布后，計量的外延擴大了，其研究對象從計量器具和計量標準遞進到了制造過程和試驗過程的測試設備的管理。然而，部分人對計量的認知卻仍停留在計量器具和計量標準的理解上，認為測試設備或大型試驗設施屬于測試范疇，不屬于計量范疇，只是按《國防計量監(jiān)督管理條例》的要求對研制過程中的測量設備和測試設備進行管理。《中國人民解放軍計量條例》將研究對象定義為裝備和測量設備，這種提法從裝備計量保障的角度大家是認可的，該條例將計量管理的對象從計量器具和計量標準提升至裝備和測量設備上。計量的外延從《計量法》的計量器具和計量標準的管理進一步擴大至裝備和測量設備的管理。計量的外延擴大了，其內(nèi)涵是否擴大了？首先應明確計量的內(nèi)涵是什么？計量管理該如何做？站在傳統(tǒng)計量管理的理念上如何管理裝備和測量設備？

針對以上問題，開展了測量過程計量屬性的研究，即測量過程的計量性及其實現(xiàn)這種屬性的有關問題的研究。

2 測量過程的計量性

計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動。計量的主要工作有以下幾個方面：計量單位與單位制；計量器具(或測量儀器)，包括實現(xiàn)或復現(xiàn)量值的計量基準、標準與工作計量器具；量值傳遞與量值溯源，包括檢定、校準、測試、檢驗與檢測；物理常量、材料與物質(zhì)特性的測定；不確定度、數(shù)據(jù)處理與測量理論及其方法；計量管理，包括計量保證與計量監(jiān)督等。以下從三個層面進行分析。

傳統(tǒng)《計量法》研究的對象是計量器具和計量標準。第一，計量保證被測參數(shù)量值準確一致、單位統(tǒng)一、溯源有據(jù)；第二，嚴格按照測量不確定度的比值關系或量值傳遞圖進行溯源或傳遞；第三，在管理上形成了一整套嚴格的法律法規(guī)，有效地保證了量值傳遞活動的正確性；第四，其所依據(jù)的工作文件是政府發(fā)布的有法律效力的規(guī)范或規(guī)程，是標準化的測量活動；第五，計量活動的環(huán)境條件受到嚴格控制，滿足計量標準準確賦值的前提條件；第六，計量人員的素質(zhì)和技能等要求較高并嚴格管理；第七，計量活動隨時接受主管部門的監(jiān)督管理，有利于按要求開展準確的量值傳遞工作。

《國防計量監(jiān)督管理條例》中計量的研究對象是研制過程中的測量設備和專用測試設備或大型試驗設施，計量管理需要針對研制過程建立計量師管理體系強化過程的計量監(jiān)督管理。目前，在國防工業(yè)領域按照研制總要求，各型裝備依據(jù)《國防計量監(jiān)督管理條例》及配套法規(guī)，制定了計量保證方案，強化設計、制造、試驗和使用過程中的計量器具和測量設備的計量管理，特別是針對試驗過程出臺了專用測量設備和大型試驗設施相關計量管理辦法，強化了研制過程的計量管理，對提升裝備研制能力和水平起到了積極促進作用。即將計量以及計量管理的理念延伸至研制過程的相關測量活動的管理。

《中國人民解放軍計量條例》中的計量對象改變?yōu)檠b備和測量設備。用保證計量器具或計量標準的技術和管理手段以及基于性能指標的保障理念，保障裝備在使用階段處于良好技術狀態(tài)。為此，加強裝備全壽命各階段系統(tǒng)性計量保障方案的建立并強化計量監(jiān)督管理。不僅要加強測量設備和計量標準的管理，更需加強裝備或測量設備的計量保障。也就是說裝備以及測量設備從設計到使用各階段，都要按照計量的理念建立有利于裝備使用階段的系統(tǒng)計量保障的管理理念。

總之，原本計量是在嚴格的實驗室環(huán)境下，按照規(guī)程或規(guī)范所要求的測量程序，經(jīng)過反復驗證保證測量結果的準確性。在研制生產(chǎn)過程測量數(shù)據(jù)的有效性如何保證呢？也應該按照計量標準器具的嚴格管理理念，對研制生產(chǎn)過程中計量標準、測量設備、專用測試設備和大型試驗設施，進行測量數(shù)據(jù)的有效性管理，即“計量性”管理。同樣，加強裝備全壽命各階段系統(tǒng)性計量保障方案的建立，并強化對裝備和測量設備按照“計量性”要求進行計量管理，保證裝備和測量設備的測量數(shù)據(jù)有效性。其實質(zhì)為 “測量過程的計量性”，簡稱“計量性”。

我國傳統(tǒng)計量管理有四大特性，即：準確性、一致性、溯源性和法制性，保證測量結果可重復、可復現(xiàn)、可比較。準確性是計量的基本特性，表征測量結果與約定真值的接近程度；一致性是統(tǒng)一單位下量值的一致程度，表征測量結果在給定條件下不確定度的可比較程度；溯源性是指任何測量結果都能通過連續(xù)的比較鏈溯源到計量基準或計量標準，是準確性和一致性的技術歸宗；法制性是計量社會屬性的法律保障，是技術手段之外的行政管理。這四大特性也是“計量性”的細化或表述，保證了測量結果的準確性、一致性、溯源性和法制性。

比照測量的國際定義：測量是通過實驗獲得并合理賦予某量一個或多個量值的過程。此處，①測量不適用于標稱特性；②測量意味著量的比較并包括實體的計數(shù)；③測量的先決條件是對測量結果預期用途相適應的量的描述、測量程序以及根據(jù)規(guī)定測量程序(包括測量條件)進行操作的經(jīng)校準的測量系統(tǒng)。

由定義可以看出，測量的本質(zhì)是量的量化，測量體現(xiàn)了人們對測量結果的認知程度。測量的先決條件：某量的量值描述、量化的方法及所包含的邊界條件、所選用的滿足溯源鏈要求的經(jīng)校準的測量設備。所以，測量的基本要求與計量性要求是一致的，其核心內(nèi)涵都是量的合理賦值。

研究美軍標MIL-STD-1839D《美國國防部校準和測量要求》(以下簡稱1839)時，可發(fā)現(xiàn)我國測量人員和管理人員常把該標準當作測試性標準，而其測量的準確性和溯源性卻沒有得到足夠的重視。美軍標1839系列標準是計量性要求，各章節(jié)都涉及系統(tǒng)、子系統(tǒng)和測量設備的校準和溯源方法，非常重視測量數(shù)據(jù)的計量特性。其研究對象包含了裝備和測量設備，也包含了研制過程和試驗過程中的計量標準、測量設備、專用測試設備和大型試驗設施等，回答了測量過程的計量問題。

3 計量性通用要求

1839系列標準的核心是構建清晰完整的溯源鏈，將產(chǎn)品所有性能參量按照溯源性要求溯源到被批準的國家或國際標準。構建裝備和測量設備性能指標從設計、生產(chǎn)、試驗到使用全過程各階段參數(shù)流程圖，形成性能指標的量值定義、測量設備的校準、校準設備的檢定、溯源到國家標準的完整鏈條，使裝備和測量設備滿足計量特性的管理要求，尤其是復雜環(huán)境條件下測量的準確性和復雜系統(tǒng)參數(shù)的溯源性，最終確保系統(tǒng)運行的一致性和準確性。

標準第一章“目的”：“本標準是所有系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設備的校準和測量溯源方法的總要求，本標準中的系統(tǒng)均指系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設備。本標準確保系統(tǒng)操作的完整性和準確性。標準規(guī)定了從系統(tǒng)級的測量溯源到國家標準技術研究院或別的測量源頭的要求?！睒藴实诙铝谐龅陌朔葜С中晕募鶠樗菰葱晕募?/p>

標準第四章“通用要求”，要求設計單位應當確保在整個壽命周期內(nèi)，對系統(tǒng)和設備完成以下四項內(nèi)容：①為確保系統(tǒng)正常而精確地運行需測量的所有參數(shù)都應當確定下來，即“參數(shù)的完整性指標”；②維持系統(tǒng)良好運行所需的校準和測量活動都要完成，并且，這些活動應當在所有相應的系統(tǒng)和子系統(tǒng)級別上完成，同時應當恰當?shù)鼐C合生成總的系統(tǒng)要求，即“參數(shù)的系統(tǒng)性指標”；③所有的參數(shù)都應迅速可達并易于測量，同時盡可能地減少測量次數(shù)、縮短測量時間，即“測量或校準的便捷性指標”；④所有系統(tǒng)和子系統(tǒng)參數(shù)的測量溯源性，即“性能指標的溯源性指標”。

這四項要求實際是系統(tǒng)和設備的計量總要求及其評價指標。提出了系統(tǒng)性能測量與校準的總原則：為確保系統(tǒng)正常而精確地運行需測量的所有參數(shù)且所有參數(shù)都應迅速可達并易與測量。

標準第五章“要求細則”分為四大部分：系統(tǒng)測量參數(shù)；機內(nèi)測試及機內(nèi)測試設備；系統(tǒng)測試點；測試、測量和診斷設備。

5.1系統(tǒng)測量參數(shù)主要要求確保系統(tǒng)性能條件下的參量的定義與區(qū)分。

5.2機內(nèi)測試(BIT)及機內(nèi)測試設備(BITE)主要針對日益廣泛使用的“BIT”和“BITE”并沒有改變對參數(shù)校準的需求，用于定量測量或提供既定激勵的“BIT”和“BITE”和其他保障設備一樣都需要進行校準。如果沒有校準，就不能維護系統(tǒng)的溯源性，超出容差的情況可能不會被發(fā)現(xiàn)。不經(jīng)校準的“BIT”和“BITE”可能會使錯誤被拒絕的概率提高，從而導致那些好系統(tǒng)進行不必要的重復工作，更糟的情況是可能錯誤接受超出容差的狀態(tài)出現(xiàn)，從而導致系統(tǒng)在任務尚未完成時卻錯誤地認為任務已經(jīng)完成。

5.3系統(tǒng)測試點是對校準測試點提出了幾個評價指標。系統(tǒng)測試點應該做到校準對系統(tǒng)的干擾最小、校準對校準人員完全風險最小、校準期間引起設備故障的概率最小、校準效率盡可能的高。

5.4測試、測量和診斷設備(TMDE)通過5.4.1 推薦 TMDE、 5.4.2 保障TMDE的TMDE和5.4.3測量不確定度比的要求提出了構建不間斷溯源鏈的相應要求，并對5.4.4 自動測試設備(ATE)進行了設計規(guī)范。

綜上所述，1839系列標準是基于性能保障要求的裝備和測量設備的計量性文件，是確保系統(tǒng)性能參數(shù)指標一致性和準確性的通用要求。同時還需要滿足其使用便捷性和保障快速性等問題，需要從設計之初提出相應計量保障要求以及指標，并為此開展計量性設計的研究。

將作戰(zhàn)要求轉化為性能和保障指標，是美軍“基于性能保障”的基本要求，性能和保障指標應包括裝備戰(zhàn)備完好性、可用性、響應時間等，這些保障要求始于設計。計量性設計就是研究裝備或系統(tǒng)在有限計量保障資源的前提下，如何便捷快速保障其始終處于良好技術狀態(tài)的一種設計特性。即產(chǎn)品或系統(tǒng)一旦交付使用，如何利用計量資源快速保障其在使用狀態(tài)中處于良好技術狀態(tài)。如果我們在設計和制造階段按照某種計量保障模式進行有效的技術管理，掌握在使用過程中可能失準的系統(tǒng)或關鍵參量等，并及時準確地進行校準，從而保障其處于良好技術狀態(tài)，這種設計稱為計量性設計。

4 計量性設計

1839系列標準提出了計量性通用要求，但并沒有提出如何解決實現(xiàn)快速高效系統(tǒng)保障的設計方法。首先裝備在設計階段必須提出基于性能保障的指標要求；其次給出開展計量性設計的原則和方法，以保障裝備在使用階段所有狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)都經(jīng)過量化、優(yōu)化和固化的迭代而處于控制狀態(tài)，從而保證裝備處于良好技術狀態(tài)。

測量是量化的手段，是設計的有效輸入。對裝備而言，首先需要描述或定義測量需求，全面梳理裝備系統(tǒng)、分系統(tǒng)和測量設備的性能及指標，用計量參數(shù)定義其性能指標和邊界條件，用量值定義或描述的方法進行參量分解，按系統(tǒng)、分系統(tǒng)和測量設備構建參數(shù)流程圖；其次，選用標準測量方法和設備對被測參量進行測量，進行設計-試驗的反復優(yōu)化和迭代；再次，用準確數(shù)據(jù)量化其物理狀態(tài)，獲取使用過程無需再測量校準的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設計固化狀態(tài)。

計量性設計還應保證計量保障資源最小化。充分考慮使用方計量保障資源協(xié)同設計，匹配系統(tǒng)及系統(tǒng)間測量和校準設備進行標準化協(xié)同，校準時間間隔協(xié)同，包括機內(nèi)測試及機內(nèi)測試設備的配置和自動測試設備的設計等。

計量性設計流程：系統(tǒng)功能需求分析；參數(shù)量值定義；測量方法選擇；參數(shù)流程優(yōu)化；設計參數(shù)固化；優(yōu)化固化迭代；內(nèi)、外部測量點和參量設置。裝備定型階段設計優(yōu)化應收斂至測量需求最小化。

計量性設計原則：所有參數(shù)量化原則；測量鏈最短原則；充分試驗狀態(tài)固化原則；保障參數(shù)指標和時間間隔標準化原則(含接口)；保障參數(shù)最小化最優(yōu)化原則；保障快速便捷原則；系統(tǒng)級保障原則；保障間隔期與保障維修級別協(xié)調(diào)一致原則；計量保障資源最小化原則等。

研制過程各階段都需進行測量需求的優(yōu)化設計和反復迭代。測量從來不是目的，只是手段，為保證系統(tǒng)性能狀態(tài)，通過準確測量優(yōu)化設計達到測量最小化的控制要求，試驗的意義在于固化所有狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)設計要求和性能指標。按照量化—優(yōu)化—固化的流程將測量和校準參量迭代至最少，滿足使用過程快速便捷的計量保障需求。

計量性設計應保證裝備在使用過程中技術狀態(tài)始終良好，系統(tǒng)模型分析至關重要，構建測量模型或半實物仿真模型，獲得影響性能指標一致性和準確性的關鍵參量群，對系統(tǒng)相關試驗數(shù)據(jù)進行研究，充分優(yōu)化測量參量和校準參量，通過充分的試驗將關鍵性能的狀態(tài)參數(shù)固化為設計修正指標。這種“量化、優(yōu)化、固化”迭代的設計方法就是獲取裝備處于良好技術狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)的常用方法，這就是計量性設計的方法。

5 小結

綜上所述，計量性是一種針對測量過程的技術和管理屬性，裝備研制必須建立基于性能的計量保障理念，按照保障裝備在使用階段處于良好技術狀態(tài)的理念，構建裝備全壽命各階段系統(tǒng)性計量保證方案，開展計量管理，使得測量滿足計量性要求。同時，為實現(xiàn)使用階段裝備處于良好技術狀態(tài)，必須從設計之初開展“量化、優(yōu)化、固化”的計量性設計工作。