論航空裝備的測試性與計量及計量性設計

董鎖利

(中航工業第一飛機設計研究院，陜西西安710089)

0 引言

建立在測試測量基礎上的計量技術，在服務于測試的過程中已經發展成為一項完善的工程手段，成為測試技術存在乃至發展的重要基石。近年來在航空裝備中的研發中，引入的測試性設計技術及測試性設計所構建的測試單元融合了計算機和測量技術，使得航空裝備中的測試設備超越了傳統的測量設備所依附的計量功能。宏觀上計量的技術基礎地位依然存在，但多年來形成的被動式計量手段發展模式，使得計量技術越來越滯后于測試技術發展的速度，計量保證面臨著能力的制約。在測試技術快速發展的環境下，測試對計量的依賴性卻始終沒有改變，由此催生計量進入了與測試新技術相適應的可計量性設計的發展模式，使計量由傳統的被動式向主動式計量邁出了創新的一步。

1 測試與計量

測試是裝備的眼睛，是裝備獲知一切信息的最基本手段，是裝備在設計階段實現的一個與裝備工作特性并列的重要功能。借助測試功能，裝備能夠及時準確地獲知自身或與之相關的技術狀態。從裝備的全局來看，測試具有準確性、實時性的特點，是可靠性、維修性、保障性的輔助手段，測試性還是裝備可靠性與維修保障性設計之間的重要紐帶。不可否認，測試性與計量一樣也是構成裝備質量特性的重要組成部分，是實現裝備質量提升的重要途徑。

從計量的觀點來看，測試性的功能是建立在以測試測量為基礎，通過測試測量獲得裝備運行狀態的量值信息，并以量值信息為依據，對裝備的運行狀態作出可否工作及性能水平的評價。由于裝備特別是航空裝備的使用周期較長，全壽命階段可達到數十年之久，雖然測試性的設計功能是裝備的固有特性，不會隨著時間的延續發生變化，但實現測試性設計目標的測量功能卻是建立在儀器概念的基礎上，因此測試性與計量有著不可割裂的依賴關系。以測試性最典型的BITE為例，BITE 實際上是一個在裝備內部獨立運行的測試單元，工作過程是以儀器相類似的操作方式來完成［1］。對于儀器來說功能正常的重要標志是測量的準確性，然而長期的準確性是儀器自身無法保證的，維持準確測量的措施只能通過計量保證。測量儀器的計量保證是一個經過長期運行完善的技術體系，計量過程是一個程序化的操作流程，通過法規性規范的計量溯源功能，既保證了標準量值的統一，也維持了測量設備準確性的長期穩定。實現裝備測試性指標的手段是測試性設計，通過測試性設計，使裝備具備了測試性所要求的測試功能，這個過程似乎不一定包含計量需求，不能確定這個測試設備能夠具備計量的能力，所以無法保證裝備在全壽命階段測試性功能的正常發揮，這是目前測試性設計的真實現狀。如果測試設備的準確性不能保證將導致測試的根基發生變化，那么就難免出現虛警誤報現象，所以要維持測試性的長期有效作用，測試性所依賴的測量的準確性是必須的前提條件，由此也佐證了測試與計量的不可分割性，有必要在測試性規劃階段引入計量概念，為測試單元的全壽命階段計量保證創造條件。

2 測試性的計量特征

2.1 量化性

測試性的工作目標是完成裝備的性能監測、故障檢測、故障隔離、虛警抑制和故障預測［2］，測試性設計的目的是把這些測試性功能作為裝備的組成部分，把合適的測試性設計方案融入到裝備的設計中，方案所形成的測試性單元在裝備運行過程中能夠提供自動診斷和自動測試信息，實時跟蹤顯示裝備是否在性能特性范圍內工作。就目前裝備測試性設計的現狀而言，承載測試性設計目標的測試單元總是以量值作為信息的表現形式，通過與量化后的裝備狀態信息比對，來判斷裝備的工作狀態是否超出了性能范圍，而測試功能顯示的信息所指示引起故障的相關可替換功能單元，也是以量值信息為依據的，可以說與測試性所關聯的測試過程是一個完全量化的裝備運行狀態信息采集的過程，具有明顯的量化特點。以常見的幾種測試為例，“存在測試”檢驗信號或特性的有無是以量值為基礎的;“比較測試”比較的主體就是量值;“邊界測試”對量值的依賴性更強烈;而應用最廣泛的監視裝備特性具體量值、電平或幅度的“量值測試”，其測試性及實現測試性的測試單元更是處處體現了量值的特征。

2.2 準確性

在測試性測量過程中，不僅僅是執行簡單的測量過程，對量值的準確性亦有著嚴格的要求，而且這種要求會隨著被測對象性能指標的提高而上升。在測試單元工作過程中，量值是比較的基礎，當測量值與特定值作比較時，如果測量值沒有準確性的量化描述，測量值的可靠性就消失了，測量值所代表的狀態信息也失去了價值，那么比較的基礎就不存在了，通過比較得出的如“正常-不正常”的結論就不能準確地表示與裝備指標容差范圍的含義。在邊界測試中，如果沒有準確性指標，甚至可能出現在邊界臨界點的誤判。

2.3 持續性

由于測試單元作為裝備基本功能之外的一個部分和裝備同步運行，以機內測試為例，當裝備起動時機內測試與裝備同步開始工作，完成裝備工作狀態的檢測任務，在裝備運行過程中動態監測裝備的運行情況。自成工作體系的自動測試設備或自動測試系統，在裝備的全壽命周期承擔定期維護檢查測試功能。以維修為主進行的故障診斷測試，要處理BITE 和ATE 等無法檢測和隔離的故障現象，這些測試都要持續到裝備使用過程的各個環節，是裝備正常功能發揮的保證措施。

然而，無論承擔機內測試的BITE，還是獨立于裝備本體之外的ATE 或ATS，或者是人工測試使用的儀器設備，都是電子設備，在航空裝備長達數十年的壽命周期內，測試性所依賴的各類電子設備都不可避免地存在測量指標的變化，這是測試性自身無法解決的問題。當前，在一些較大的ATE 或ATS 設計中，通過設置內部高精度基準的措施應對長期穩定性問題，實質上這些基準由于具有更高的精度反而更容易在使用過程中“失準”，導致一系列錯誤的連鎖反應。

由于承擔測試性任務的測試主體具有測量儀器的特點，有量化準確的要求，就不可能回避計量的保證手段［3］，因為計量是最可靠、最科學的能夠把準確量值信息傳遞到測試測量系統的唯一途徑，量傳操作過程受技術法規的約束，其結果具有統一性、準確性等特點。但是在裝備引入測試性設計的歷程中，計量一直處于缺失狀態，就航空裝備整體而言，裝備的各系統、分系統中的BITE 或ATE 在設計過程中，弱化了計量的需求，缺少了標準量值信息傳遞的通道，導致使用過程計量無法進行。開展與測試性相關的可計量性設計，使裝備在測試性設計階段預留必要的量值溯源接口［4］，為裝備長期使用提供計量保證條件，是完善裝備測試性功能的新舉措。

3 裝備的計量性設計

3.1 計量性設計的起步

相比于測試性設計，計量性設計同樣有一定的范圍界限。根據計量功能僅限于量值準確性的特點，可以把計量性設計的起步確定在裝備或裝備內部有測量準確性要求的測量設備或測量單元，把計量性設計的目標確定為在最小硬件資源條件下，借助測試性設計手段使BITE，ATE 或ATS 具備可計量功能，達到提高測試性質量等級的目的。

3.2 計量性設計的內容

測試設備的計量性設計是為了滿足計量需求，因此計量性設計的工作內容［5］可規劃為以下幾方面:

1)量值傳遞的硬件結構

量值傳遞的硬件結構的功能是:既保證測試對象能夠采集到標準量值的信息，又能使測試系統的測量特性反饋給標準測量設備，在計量標準裝置和測試設備之間建立信息傳遞渠道。量值傳遞結構是測量設備計量的基礎。

2)測量誤差修正能力

從計量標準與測量設備之間量值的比較過程中能夠獲得測量設備相對于標準量值的偏離程度，這就是測量設備在使用過程中由于設備老化等因素所產生的性能衰減的累積效應，這種效應的表現形式就是測量誤差。計量之所以能夠保證測量設備的長期準確，核心是在這樣的周期性計量過程中，能夠實時地把測量誤差不斷地通過修正的方式進行補償，使測量設備能夠重新恢復到最初的設計狀態，消除性能退化對設備造成的影響。測量誤差的修正可以通過硬件或軟件方式，也可以采取軟硬件結合的方式完成。

3)計量校準操作規范文件

裝備測量設備的計量保證是裝備全壽命階段的長期行為，為了保證計量的一致性，需要相應的技術文件來約束計量過程。通常用計量校準規范來保證歷次計量的過程，以確保標準量值在相同的環境條件下，由具有計量資質的人員用相同的計量校準方法，實現量值的傳遞功能。

4)計量標準源

計量標準源承載著計量必須的標準量值信息，航空裝備的量值種類規格與民用通用計量存在著較大差異，當市場上缺乏所需標準量值載體時，計量過程將不存在，因此計量性設計的內容也必須包含標準量值的提供。

3.3 與測試性相關的計量性設計

測試性所涉及的測量主體不外乎BITE，ATE 及人工測試所用的設備等三種形式，由于人工測試所用的設備已經處在計量保證的范疇，因此針對測試性的計量性設計的重點是研究BITE 和ATE 的計量模式。

3.3.1 BITE 的計量

隨著裝備復雜程度的上升和測試新技術新方法的使用，機內測試由測試性BITE 到智能BITE、綜合診斷、預測與健康管理和中央測試系統方向發展。診斷技術與中央測試系統進一步成熟，中央測試系統功能的擴展，以及向健康管理系統的轉化，進一步擴展了狀態檢測功能，增強了診斷和預測能力，具有綜合化的智能BITE 可以使綜合診斷達到100%故障診斷與隔離。雖然在這一系列的技術發展過程中BITE 的功能會產生質的飛躍，但BITE 的工作模式本質沒有發生改變，計量需求仍然存在，可以從以下兩方面研究對BITE 的計量策略。

1)采用模擬儀器計量方式。把BITE 作為一個測量儀器，分析BITE 的計量特性，確定計量保證方案。在BITE 設計時配置標準量值傳遞所必需的信號交換通道，通過外部計量資源完成計量。按照儀器計量方式對BITE計量具有標準量值傳遞形式簡單、易于實現的特點。

2)綜合計量模式。綜合計量模式適用于計量特性復雜的BITE 或BITS。在復雜的BITE 結構中，可以通過構建內部量值傳遞方案，借助BITE 的自動測試功能，在機內完成高準確度向低準確度比對的初級測量指標量值傳遞，外部計量僅僅對最高標準量值完成校準。這種方式可以大大減少計量性設計的工作量，降低計量性設計對測量設備的附加影響，使計量過程簡化可行。

3.3.2 ATE 的計量

相對于BITE，ATE 的計量策略就要簡化多了，這是因為ATE 在形式上表現為一個獨立的設備，具備完整的量值信息交換功能，具有計量的基本條件，計量所要完成的就是從ATE 的測量功能中分析計量特性，進而確定計量保證策略，設計可行的計量校準方案，完成計量過程。目前已經開展了對ATE 的計量工作，雖然ATE 的功能極其復雜，量值傳遞種類規格較多，需要的計量資源龐大，而且計量難度大，但ATE 的設計人員已經意識到了問題的存在，已經從設計源頭開始研究計量策略，在設計過程中，已經引入了服務于計量的可計量性設計思想，以使ATE 在設計階段就具備可計量功能，以便在使用過程中，能夠高效、便捷地實現計量校準功能。

4 結束語

要準確知曉裝備的運行狀況，就需要對其進行監測，引入測試性概念，通過測試性設計來改善裝備工作的質量水平。同樣測試性功能也只有在健康的狀況下發揮作用，才能保證測試性設計所預期的效果，用計量作為測試性設計的測試保證，構成“計量-測試性-裝備質量”的技術鏈，就能更好地從保障的角度提高裝備的戰備完好性，優化壽命周期費用和保障資源。

［1］中國人民解放軍總裝備部.GJB 2547A-2002 裝備測試性工作通用要求［S］.北京:總裝備部軍標出版發行部，2002.

［2］石君友.測試性設計分析與驗證［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［3］中國人民解放軍總裝備部.GJB 5109-2004 裝備計量保障通用要求檢測和校準［S］.北京:總裝備部軍標出版發行部，2004.

［4］董鎖利，丁穎，張建蘭，等，機載設備計量性分析與設計討論［J］.計測技術，2011，31(3)，46-48.

［5］中國人民解放軍總裝備部.GJB 5539-2006 航空測試設備校準和測試通用要求［S］.北京:總裝備部軍標出版發行部，2006.