裝備研制階段的計量保障方案研究

楊 歡 袁乾臣 劉曉旭

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

1 引 言

計量保障是為保證裝備性能參數的量值準確一致，實現測量溯源性和檢測過程受控，確保裝備始終處于良好技術狀態，具備隨時準確執行預定任務的能力而進行的一系列管理和技術活動。具體實施過程中，需設計合理的計量保障方案，研制具體的計量保障設備，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束后提出，設計環節過于滯后，導致整個系統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計的模式已經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計依據和原則，在此基礎上給出具體的設計方案，并完成了實際使用驗證。

2 計量保障設計依據與原則

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

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

2.1 設計需求

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

(1)裝備承制方應根據所研制裝備的檢測和校準需求,編制《裝備檢測需求明細表》、《檢測設備推薦表》、《校準設備推薦表》、《裝備檢測和校準需求匯總表》,并經訂購方確認后,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。

(2)凡影響裝備功能、性能的項目或參數都應進行檢測或校準。

(3)裝備的檢測應滿足性能測量、狀態監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、機內測試設備及內嵌式校準設備,應編制校準方法。

(6)凡有定量要求的檢測設備應按照規定的周期進行檢定,并在有效期內使用。

(7)檢測用設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標準要求。

(8)對專用檢測設備應編制校準規范。

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

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

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

2.2 設計依據

根據計量對象及參數的具體特性，可選用或提出適用的設計依據。

根據某型裝備的計量對象及參數，可確定其計量對象均為電氣設備及相關測量儀表，其具體參數的測量需求以及相關行業的標準是設計依據的一部分。

同時，隨著裝備科技含量的增加和用戶需求的提高，裝備的通用質量特性即可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性(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品，為滿足通用質量特性要求，確保穩定的工作狀態和技術性能，設計依據不僅應包括工作現場使用及貯存的環境要求、電磁環境要求及供電要求，還需滿足該型號質量保證大綱、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 設計原則

根據具體的設計依據，根據計量對象的特征和裝備總體要求，可提出具體的設計原則，設計原則直接決定了計量保障設備的性能特性，必須保證設備性能參數的量值準確一致并具有測量溯源性，滿足裝備、檢測設備及其校準設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、性能的項目或參數均按規定的周期進行計量。

(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、小型化設計。

(4)可溯源性原則。復現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標準的要求。

(5)系統級設計原則。計量項目能體現計量對象的系統性能，計量參數應為計量對象的整體技術指標。

2.3.2 一般原則

(1)進行通用化、系列化、組合化設計，減少計量保障設備種類、數量。

(2)特殊計量保障設備根據空間要求，開展小型化、輕質化設計，能到達裝備工作現場完成計量保障工作。

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

(4)計量保障設備能夠通過測試設備的計量接口、通信接口完成計量工作，按照總體要求進行統一化設計。

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

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

(7)開展安全性設計，以確保被檢設備的安全。

(8)計量保障設備在工程研制階段應與被檢設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 計量保障方案設計示例

計量保障方案示例框圖如圖2所示。主要由硬件設計和通用質量特性設計兩個部分構成。其中，硬件設計是針對專用測試設備的檢定、校準裝置；通用質量特性設計用以確保檢定、校準等裝置的性能參數受到質量控制，主要包括可靠性、維修性、安全性、測試性、環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 硬件設計

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

(1)便攜式測發控檢定裝置

便攜式測發控檢定裝置可在技術陣地、發射陣地對測發控系統設備進行計量檢定。計量項目包括測量并記錄測發控系統多個設備的多路電壓值。

(2)單元測試設備綜合檢定裝置

在現場對配套的電學類技術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)慣性器件測試設備綜合參數檢定裝置

在現場對配套的慣性器件測試設備進行計量檢定。計量項目包括單軸速率轉臺的角速率精度及角速率平穩性以及轉臺系統的功能檢測等。

(4)壓力在線檢定裝置

在現場對配套裝備的壓力表類設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備間的電氣接口、氣壓液壓管路接口、通信接口及通信協議按《計量統一化規定》來進行設計。

3.2 通用質量特性設計

3.2.1 可靠性

裝置采取相應的可靠性設計措施，保證性能可靠,主要措施有：

(1)采用成熟的技術和工藝

充分繼承或借鑒以往產品的成熟技術手段及加工工藝，保證其可靠性。

(2)容錯、冗余和防差錯設計

產品和元器件的選用重點進行裕度、容錯、冗余和防差錯設計，保證可靠性。

(3)簡化設計

設計力求簡單、零部件少、標準化程度高。盡量減少硬件，在電路設計中采用簡化設計減少元器件數量，提高系統的可靠性，結構設計中充分利用標準化器件和成熟的結構形式。

(4)降額設計

主要器件按照GJB/Z 35-1993要求進行了II級降額設計，電子元器件優先在《型號產品物資合格供方名錄》范圍內選用。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)可達性設計

設計上充分考慮了產品維修的可達性，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)簡化產品維修操作

簡化產品維修操作難度，設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備的原則；連接結構盡量選用典型的“螺紋緊固式”、快速接頭等連接方式，拆裝簡便；機柜式電子設備盡量采用抽拉式結構，方便電子設備維修及更換。

(3)可測試性設計

具有自檢能力，以保證對測試設備檢定前設備的完好性，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。同時在使用技術文件中，對可能出現的典型故障現象及解決措施進行了詳細說明，便于用戶的操作使用。

(4)防維修差錯設計

盡量避免維修時可能產生的差錯。例如：不同參數壓力管路轉接頭設計時，采取了明顯的標識或防差錯結構；各電子設備機箱插座和電纜插頭均設置醒目的標牌，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

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

3.2.3 安全性

研制過程中進行安全設計，通過安全分析或安全檢驗，避免或減少可能發生的危險；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、高壓氣體、爆炸物質等危險因素的操作時有相應的安全性設計措施。

3.2.4 測試性

設計時充分考慮產品的可測試性，方便使用過程中排障和校驗。

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

(2)產品設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)設備設計時充分考慮易于調試、計量，易于隔離和尋找故障；

(4)用于被測試產品設備與測試設備應具有相容性；

(5)各重要單板機整機關鍵測試位置均需留有測試點，測試點均有適當的防護和標記；

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

(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，可幫助排查設備故障原因。

3.2.5 環境適應性

計量保障設備需要適應用戶使用的現場自然環境、運輸轉載環境等，滿足《使用環境條件》的要求。為此，采取以下措施：

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

(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品。針對防鹽霧、防潮濕、防腐蝕的環境要求，所有自研設備機箱表面采用密封設計，表面噴涂三防漆，從而提高環境適應性。

(3)機箱設計及內部元器件的安裝考慮振動環境，對直插元器件采取機械固定和硅膠固定相結合的辦法，規定嚴格的振動環境試驗。經過設計、試驗、改進等一系列措施，提高產品的抗振性。

(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境適應性設計，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)各分系統依據用戶現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，制定專用計量系統保障性方案；

(2)為提高使用性，產品進行人機工程設計，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，開展保障性設計與分析工作；

(4)在設計階段，優先應用產品化產品，減少設備種類，降低采購、備件的難度與成本；關鍵設備和關鍵器件應優先選用國產化產品，同類產品盡量統一規格及廠家，并以成熟技術和穩定貨源為優選前提；盡量減少技術準備項目及任務前檢查、測試項目，降低對專用設備、工具和人力的要求，減少保障工作的難度；

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

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

(7)適時完成用戶技術人員的培訓，使其具備使用和部分維修能力；

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

(9)充分利用用戶現有的保障設施，提出新建或改建設施項目的類型、布局、規模(空間)、環境條件及有關技術要求等建議。

4 方案驗證情況

按照本計量保障方案，將便攜式測發控檢定裝置、單元測試設備綜合檢定裝置、慣性器件測試設備綜合參數檢定裝置和壓力在線檢定裝置研制完成后，經產品研制部門測試、驗證：證明該計量保障措施能夠快速準確的完成各產品參數的計量、校準，工作可穩、定靠，各項性能指標和質量特性均滿足要求。為產品測試、試驗系統、設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支持、保障與監督。根據驗證結果，本設計方案與以往計量保障方案相比具有以下優點：

(1)計量對象：本計量保障方案的設計需求中，計量對象均為專用測量設備，跟以往方案相比，對指標參數的精度要求及使用性能提出了更高的要求。此外，測發控設備明確要求在使用現場計量檢測，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：以往產品計量保障方案是在裝備研制結束后開始制訂，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計；本次方案是貫穿整個產品研制階段的，裝備研制初期便統一了各類計量接口、通訊接口及通訊協議，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備進行通訊，通過規定好的通訊協議實現信號的自動發送、接收，提高計量系統的易用性，降低用戶使用難度，確保好使用、好保障；

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

5 結束語

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律，適應新體制、新任務的需要，強化計量工作的創造性，建立一個高效、協調的計量體系，適應現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，根據計量保障對象及具體參數，提出了設計依據，確定了基本設計原則和一般性設計原則，在此基礎上給出具體的設計方案，包括硬件設計和相應的通用質量特性設計。該設計方案經實際使用驗證，設計合理可行，工作可靠，各項性能指標和質量特性均滿足要求。該計量保障方案的研究，可為后續裝備計量保障方案提供了可行的實施思路。