裝備研制階段的計量保障方案研究

楊 歡 袁乾臣 劉曉旭

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

計量保障是為保證裝備性能參數(shù)的量值準確一致，實現(xiàn)測量溯源性和檢測過程受控，確保裝備始終處于良好技術(shù)狀態(tài)，具備隨時準確執(zhí)行預定任務的能力而進行的一系列管理和技術(shù)活動。具體實施過程中，需設(shè)計合理的計量保障方案，研制具體的計量保障設(shè)備，以滿足裝備的計量保障需求。通常，計量保障方案是在裝備研制階段結(jié)束后提出，設(shè)計環(huán)節(jié)過于滯后，導致整個系統(tǒng)保障性水平較為落后。顯然，在研制之后再進行計量保障方案設(shè)計的模式已經(jīng)不能滿足新時期的國防需求。因此，需對貫穿整個裝備研制周期的計量保障方案進行研究。

本文以某型裝備為例，詳細闡述了計量保障方案的設(shè)計依據(jù)和原則，在此基礎(chǔ)上給出具體的設(shè)計方案，并完成了實際使用驗證。

2 計量保障設(shè)計依據(jù)與原則

計量保障設(shè)計基礎(chǔ)主要包括設(shè)計需求、設(shè)計依據(jù)、設(shè)計原則三個部分，其框圖如圖1所示。其中，設(shè)計需求來源由具體的計量對象及參數(shù)決定。根據(jù)計量對象及參數(shù)的具體特性，可選用或提出適用的設(shè)計依據(jù)，并確定計量保障方案的設(shè)計原則，最終提出計量保障方案。

圖1 計量保障設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of metering guarantee design

2.1 設(shè)計需求

某型裝備的計量對象均為專用測試設(shè)備，其中包括測發(fā)控設(shè)備、單元測試設(shè)備、壓力儀表設(shè)備、轉(zhuǎn)臺類設(shè)備等。具體計量參數(shù)包括電壓、電流、壓力、角度、速率等。為實現(xiàn)計量保障要求，具體檢測保障設(shè)備及其校準保障設(shè)備應滿足如下要求：

(1)裝備承制方應根據(jù)所研制裝備的檢測和校準需求,編制《裝備檢測需求明細表》、《檢測設(shè)備推薦表》、《校準設(shè)備推薦表》、《裝備檢測和校準需求匯總表》,并經(jīng)訂購方確認后,在交付裝備的同時,與裝備的隨機文件一起提交,為用戶提供實施計量保障的依據(jù)。

(2)凡影響裝備功能、性能的項目或參數(shù)都應進行檢測或校準。

(3)裝備的檢測應滿足性能測量、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷等需求。

(4)裝備的檢測或校準應符合測量溯源性要求。

(5)對裝備需校準的參數(shù)、機內(nèi)測試設(shè)備及內(nèi)嵌式校準設(shè)備,應編制校準方法。

(6)凡有定量要求的檢測設(shè)備應按照規(guī)定的周期進行檢定,并在有效期內(nèi)使用。

(7)檢測用設(shè)備的準確度應高于被測裝備的準確度,其測量不確定度應符合行業(yè)標準要求。

(8)對專用檢測設(shè)備應編制校準規(guī)范。

(9)所有校準設(shè)備,都應溯源到用戶計量技術(shù)機構(gòu)或者用戶認可的計量技術(shù)機構(gòu)保存的測量標準。

(10)檢測設(shè)備和校準設(shè)備的最大允許誤差或測量結(jié)果的測量不確定度應當滿足被測裝備或檢測設(shè)備預期的使用要求。

(11)對被測裝備或被校設(shè)備進行合格判定時,被測裝備與其檢測設(shè)備、檢測設(shè)備與其校準設(shè)備的測量不確定度比不得低于4∶1。

2.2 設(shè)計依據(jù)

根據(jù)計量對象及參數(shù)的具體特性，可選用或提出適用的設(shè)計依據(jù)。

根據(jù)某型裝備的計量對象及參數(shù)，可確定其計量對象均為電氣設(shè)備及相關(guān)測量儀表，其具體參數(shù)的測量需求以及相關(guān)行業(yè)的標準是設(shè)計依據(jù)的一部分。

同時，隨著裝備科技含量的增加和用戶需求的提高，裝備的通用質(zhì)量特性即可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應性(以下簡稱“六性”)的重要性日益凸顯。計量保障裝備作為配套交裝的產(chǎn)品，為滿足通用質(zhì)量特性要求，確保穩(wěn)定的工作狀態(tài)和技術(shù)性能，設(shè)計依據(jù)不僅應包括工作現(xiàn)場使用及貯存的環(huán)境要求、電磁環(huán)境要求及供電要求，還需滿足該型號質(zhì)量保證大綱、軟件工程化大綱等六性總體文件要求，開展計量保障方案的研究。

2.3 設(shè)計原則

根據(jù)具體的設(shè)計依據(jù)，根據(jù)計量對象的特征和裝備總體要求，可提出具體的設(shè)計原則，設(shè)計原則直接決定了計量保障設(shè)備的性能特性，必須保證設(shè)備性能參數(shù)的量值準確一致并具有測量溯源性，滿足裝備、檢測設(shè)備及其校準設(shè)備的檢測和校準要求，可分為基本原則和一般原則。

2.3.1 基本原則

(1)覆蓋性原則。凡影響保障裝備功能、性能的項目或參數(shù)均按規(guī)定的周期進行計量。

(2)原位計量原則。盡可能采用原位計量的方式進行計量。

(3)一體化、小型化原則。計量保障裝備進行一體化、小型化設(shè)計。

(4)可溯源性原則。復現(xiàn)的量值能溯源到相應的國家計量基準或用戶最高測量標準，且溯源方法符合國家相關(guān)標準的要求。

(5)系統(tǒng)級設(shè)計原則。計量項目能體現(xiàn)計量對象的系統(tǒng)性能，計量參數(shù)應為計量對象的整體技術(shù)指標。

2.3.2 一般原則

(1)進行通用化、系列化、組合化設(shè)計，減少計量保障設(shè)備種類、數(shù)量。

(2)特殊計量保障設(shè)備根據(jù)空間要求，開展小型化、輕質(zhì)化設(shè)計，能到達裝備工作現(xiàn)場完成計量保障工作。

(3)采用自動測試方式。計量保障設(shè)備應具備自檢功能，具備記錄、存貯和數(shù)據(jù)自動判讀功能及打印功能，并設(shè)置網(wǎng)絡接口。優(yōu)化設(shè)備人機交互界面，便于人員觀察、測試和操作使用。

(4)計量保障設(shè)備能夠通過測試設(shè)備的計量接口、通信接口完成計量工作，按照總體要求進行統(tǒng)一化設(shè)計。

(5)盡可能延長計量保障裝備的自身計量有效期，保證對測試設(shè)備進行計量時在有效期內(nèi)。

(6)計量保障設(shè)備應配備核查設(shè)備，并提供核查方法，用于對計量設(shè)備的主要技術(shù)指標進行核查。

(7)開展安全性設(shè)計，以確保被檢設(shè)備的安全。

(8)計量保障設(shè)備在工程研制階段應與被檢設(shè)備進行計量匹配試驗，對功能、性能、接口、通信、計量流程等進行充分驗證。

3 計量保障方案設(shè)計示例

計量保障方案示例框圖如圖2所示。主要由硬件設(shè)計和通用質(zhì)量特性設(shè)計兩個部分構(gòu)成。其中，硬件設(shè)計是針對專用測試設(shè)備的檢定、校準裝置；通用質(zhì)量特性設(shè)計用以確保檢定、校準等裝置的性能參數(shù)受到質(zhì)量控制，主要包括可靠性、維修性、安全性、測試性、環(huán)境適應性和保障性六個方面。

圖2 計量保障方案示例框圖Fig.2 Block diagram of metering guarantee scheme

3.1 硬件設(shè)計

計量保障對象包括測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備、單元測試設(shè)備、慣性測試設(shè)備、壓力儀器儀表等。對應的，計量保障設(shè)備按功能將其分為便攜式測發(fā)控檢定裝置、單元測試設(shè)備綜合檢定裝置、慣性器件測試設(shè)備綜合參數(shù)檢定裝置和壓力在線檢定裝置。

(1)便攜式測發(fā)控檢定裝置

便攜式測發(fā)控檢定裝置可在技術(shù)陣地、發(fā)射陣地對測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備進行計量檢定。計量項目包括測量并記錄測發(fā)控系統(tǒng)多個設(shè)備的多路電壓值。

(2)單元測試設(shè)備綜合檢定裝置

在現(xiàn)場對配套的電學類技術(shù)保障裝備進行計量檢定。計量項目包括電流、電壓及電源等。

(3)慣性器件測試設(shè)備綜合參數(shù)檢定裝置

在現(xiàn)場對配套的慣性器件測試設(shè)備進行計量檢定。計量項目包括單軸速率轉(zhuǎn)臺的角速率精度及角速率平穩(wěn)性以及轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的功能檢測等。

(4)壓力在線檢定裝置

在現(xiàn)場對配套裝備的壓力表類設(shè)備進行在線計量檢定。計量項目包括壓力示值誤差及重復性。

為了統(tǒng)一接口，提高裝置便捷性和通用性，以上四種檢定裝置與專用測試設(shè)備間的電氣接口、氣壓液壓管路接口、通信接口及通信協(xié)議按《計量統(tǒng)一化規(guī)定》來進行設(shè)計。

3.2 通用質(zhì)量特性設(shè)計

3.2.1 可靠性

裝置采取相應的可靠性設(shè)計措施，保證性能可靠,主要措施有：

(1)采用成熟的技術(shù)和工藝

充分繼承或借鑒以往產(chǎn)品的成熟技術(shù)手段及加工工藝，保證其可靠性。

(2)容錯、冗余和防差錯設(shè)計

產(chǎn)品和元器件的選用重點進行裕度、容錯、冗余和防差錯設(shè)計，保證可靠性。

(3)簡化設(shè)計

設(shè)計力求簡單、零部件少、標準化程度高。盡量減少硬件，在電路設(shè)計中采用簡化設(shè)計減少元器件數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分利用標準化器件和成熟的結(jié)構(gòu)形式。

(4)降額設(shè)計

主要器件按照GJB/Z 35-1993要求進行了II級降額設(shè)計，電子元器件優(yōu)先在《型號產(chǎn)品物資合格供方名錄》范圍內(nèi)選用。上機的電子元器件100%進行篩選測試，合格品方可上機使用。

3.2.2 維修性

在設(shè)計時充分考慮裝置的可維修性，減少后期維修難度。

(1)可達性設(shè)計

設(shè)計上充分考慮了產(chǎn)品維修的可達性，盡量采用原位檢測維修，將需要檢查、維修或更換的零、部、組件設(shè)置在操作性良好的位置上，并在其周圍留有足夠的操作空間。

(2)簡化產(chǎn)品維修操作

簡化產(chǎn)品維修操作難度，設(shè)計上遵循檢修拆裝零、部、組件時做到不拆卸、不移動或少拆卸、少移動周圍相鄰儀器設(shè)備的原則；連接結(jié)構(gòu)盡量選用典型的“螺紋緊固式”、快速接頭等連接方式，拆裝簡便；機柜式電子設(shè)備盡量采用抽拉式結(jié)構(gòu)，方便電子設(shè)備維修及更換。

(3)可測試性設(shè)計

具有自檢能力，以保證對測試設(shè)備檢定前設(shè)備的完好性，通過自動檢測或人工檢測方法，滿足故障能定位到功能插件的要求，從而縮短維修時間。同時在使用技術(shù)文件中，對可能出現(xiàn)的典型故障現(xiàn)象及解決措施進行了詳細說明，便于用戶的操作使用。

(4)防維修差錯設(shè)計

盡量避免維修時可能產(chǎn)生的差錯。例如：不同參數(shù)壓力管路轉(zhuǎn)接頭設(shè)計時，采取了明顯的標識或防差錯結(jié)構(gòu)；各電子設(shè)備機箱插座和電纜插頭均設(shè)置醒目的標牌，防止相同型號的電連接器錯接。

(5)提高標準化和互換性程度

在設(shè)計上最大限度的選用標準件、外購件、貨架產(chǎn)品，盡量做到產(chǎn)品通用和互換，提高維修性；電子設(shè)備、電纜等設(shè)計上均按相應優(yōu)選目錄選取元器件、接插件；盡量減少品種規(guī)格，達到維修的互換性。

3.2.3 安全性

研制過程中進行安全設(shè)計，通過安全分析或安全檢驗，避免或減少可能發(fā)生的危險；在貯存、使用過程中保證安全。計量保障裝備具備接地、防靜電、過壓和過流保護等措施或報警提示功能，涉及有毒化學物質(zhì)、高壓氣體、爆炸物質(zhì)等危險因素的操作時有相應的安全性設(shè)計措施。

3.2.4 測試性

設(shè)計時充分考慮產(chǎn)品的可測試性，方便使用過程中排障和校驗。

(1)各分系統(tǒng)進行FMEA分析，其功能、性能指標測試方法匯總形成自檢表，按表格對設(shè)備功能性能進行檢查；

(2)產(chǎn)品設(shè)計過程中均留有必要的檢查點，使其便于測試并有合適的標記；

(3)設(shè)備設(shè)計時充分考慮易于調(diào)試、計量，易于隔離和尋找故障；

(4)用于被測試產(chǎn)品設(shè)備與測試設(shè)備應具有相容性；

(5)各重要單板機整機關(guān)鍵測試位置均需留有測試點，測試點均有適當?shù)姆雷o和標記；

(6)對于測試項目不能完全覆蓋使用狀態(tài)的產(chǎn)品，填寫單機、整機(或分系統(tǒng))、系統(tǒng)測試不到的項目表；

(7)編寫詳細需求分析報告、制定軟件測試計劃及功能測試用例，保證軟件的可測試性；

(8)檢定軟件中設(shè)計自檢程序，并可利用自檢等效器或自檢線纜對各自的功能進行檢查。如有問題，進行報警提示，可幫助排查設(shè)備故障原因。

3.2.5 環(huán)境適應性

計量保障設(shè)備需要適應用戶使用的現(xiàn)場自然環(huán)境、運輸轉(zhuǎn)載環(huán)境等，滿足《使用環(huán)境條件》的要求。為此，采取以下措施：

(1)所用電子元器件優(yōu)先在《型號產(chǎn)品物資合格供方名錄》范圍內(nèi)選用，壓縮元器件的品種和生產(chǎn)廠家，元器件盡量選用密封器件，并按規(guī)定進行篩選，確保裝機元器件的質(zhì)量。

(2)所有自研電路板進行三防處理。外購件盡量選擇溫濕度適應性強及防護等級高的產(chǎn)品。針對防鹽霧、防潮濕、防腐蝕的環(huán)境要求，所有自研設(shè)備機箱表面采用密封設(shè)計，表面噴涂三防漆，從而提高環(huán)境適應性。

(3)機箱設(shè)計及內(nèi)部元器件的安裝考慮振動環(huán)境，對直插元器件采取機械固定和硅膠固定相結(jié)合的辦法，規(guī)定嚴格的振動環(huán)境試驗。經(jīng)過設(shè)計、試驗、改進等一系列措施，提高產(chǎn)品的抗振性。

(4)緊固件均采用防腐性能較高的不銹鋼材料制造。

(5)除了在方案階段進行環(huán)境適應性設(shè)計，還要在工程研制階段進行驗證試驗，保證檢定裝置符合任務書所述的使用環(huán)境要求。

3.2.6 保障性

為提高裝備的保障能力，主要考慮以下幾個方面：

(1)各分系統(tǒng)依據(jù)用戶現(xiàn)場使用和日常維護流程，梳理出保障項目，對這些項目進行分析，制定專用計量系統(tǒng)保障性方案；

(2)為提高使用性，產(chǎn)品進行人機工程設(shè)計，同時對以往用戶使用意見和建議進行梳理，并落實完善；

(3)建立保障性工作體系，制定保障性工作計劃和要求，開展保障性設(shè)計與分析工作；

(4)在設(shè)計階段，優(yōu)先應用產(chǎn)品化產(chǎn)品，減少設(shè)備種類，降低采購、備件的難度與成本；關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵器件應優(yōu)先選用國產(chǎn)化產(chǎn)品，同類產(chǎn)品盡量統(tǒng)一規(guī)格及廠家，并以成熟技術(shù)和穩(wěn)定貨源為優(yōu)選前提；盡量減少技術(shù)準備項目及任務前檢查、測試項目，降低對專用設(shè)備、工具和人力的要求，減少保障工作的難度；

(5)保障設(shè)備，要便于維護，并將使用和維修過程中所需工具均列入產(chǎn)品使用說明或備附件清單中，供戰(zhàn)斗基地使用；

(6)在使用和維修過程中涉及的各種備件，在產(chǎn)品使用說明或備附件清單中進行明確，供戰(zhàn)斗基地使用；

(7)適時完成用戶技術(shù)人員的培訓，使其具備使用和部分維修能力；

(8)操作使用文件受控，技術(shù)資料內(nèi)容正確、清楚、完整，滿足使用和維修的要求；

(9)充分利用用戶現(xiàn)有的保障設(shè)施，提出新建或改建設(shè)施項目的類型、布局、規(guī)模(空間)、環(huán)境條件及有關(guān)技術(shù)要求等建議。

4 方案驗證情況

按照本計量保障方案，將便攜式測發(fā)控檢定裝置、單元測試設(shè)備綜合檢定裝置、慣性器件測試設(shè)備綜合參數(shù)檢定裝置和壓力在線檢定裝置研制完成后，經(jīng)產(chǎn)品研制部門測試、驗證：證明該計量保障措施能夠快速準確的完成各產(chǎn)品參數(shù)的計量、校準，工作可穩(wěn)、定靠，各項性能指標和質(zhì)量特性均滿足要求。為產(chǎn)品測試、試驗系統(tǒng)、設(shè)備專用標準的量值一致性提供了量值溯源保障，為計量測試要求提供了技術(shù)支持、保障與監(jiān)督。根據(jù)驗證結(jié)果，本設(shè)計方案與以往計量保障方案相比具有以下優(yōu)點：

(1)計量對象：本計量保障方案的設(shè)計需求中，計量對象均為專用測量設(shè)備，跟以往方案相比，對指標參數(shù)的精度要求及使用性能提出了更高的要求。此外，測發(fā)控設(shè)備明確要求在使用現(xiàn)場計量檢測，這對檢定裝置的小型化、輕量化提出了更高的要求；

(2)接口要求：以往產(chǎn)品計量保障方案是在裝備研制結(jié)束后開始制訂，計量對象的接口均已確定，只能按照計量對象提供的接口進行設(shè)計；本次方案是貫穿整個產(chǎn)品研制階段的，裝備研制初期便統(tǒng)一了各類計量接口、通訊接口及通訊協(xié)議，包括連接器型號及接點定義，使計量保障裝置與裝備成為了整體，其易用性、準確性及匹配性得到大幅提升；

(3)計量方式：采用自動化計量，即在計量時與被檢設(shè)備進行通訊，通過規(guī)定好的通訊協(xié)議實現(xiàn)信號的自動發(fā)送、接收，提高計量系統(tǒng)的易用性，降低用戶使用難度，確保好使用、好保障；

(4)通用質(zhì)量特性控制：設(shè)計時加強通用質(zhì)量控制，從制度上保證產(chǎn)品的性能指標。

5 結(jié)束語

裝備訓練離不開計量保障，計量保障方案的重要性越來越突出。面對新的變革，就要探索在新形勢下國防計量工作的特點和規(guī)律，適應新體制、新任務的需要，強化計量工作的創(chuàng)造性，建立一個高效、協(xié)調(diào)的計量體系，適應現(xiàn)代信息化實際的需要。

本文研究了裝備研制階段計量保障方案的制定方法，根據(jù)計量保障對象及具體參數(shù)，提出了設(shè)計依據(jù)，確定了基本設(shè)計原則和一般性設(shè)計原則，在此基礎(chǔ)上給出具體的設(shè)計方案，包括硬件設(shè)計和相應的通用質(zhì)量特性設(shè)計。該設(shè)計方案經(jīng)實際使用驗證，設(shè)計合理可行，工作可靠，各項性能指標和質(zhì)量特性均滿足要求。該計量保障方案的研究，可為后續(xù)裝備計量保障方案提供了可行的實施思路。