航空裝備測試儀器應用驗證方法研究

劉艷輝， 封錦琦， 苗學問

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 100111； 2.中國人民解放軍93184部隊，北京 100076 )

測試儀器作為裝備研制、生產、外場使用的測試保障與質量衛士，在確保武器裝備系統性能、保證裝備完好率方面發揮著舉足輕重的作用[1]。隨著航空裝備的發展建設，對配套測試儀器的功能、性能、質量與可靠性、環境適應性、軟硬件兼容性等提出了更高的要求。

國外測試儀器產業技術基礎好，應用驗證工作充分，在航空領域應用中取得了較好的效果。近年來，國內測試儀器技術水平取得了長足進步，在研制保障、外場使用中得到越來越廣泛的應用，但由于研制階段缺乏需求場景的識別與輸入、鑒定后的應用驗證不充分，在使用中逐步暴露出了功能覆蓋不全、兼容性不好、穩定性與可靠性差等問題。當前，為適應航空裝備用國產化測試儀器需求，推動自主可控產業鏈發展建設，在提高儀器研制能力基礎上，亟需基于實際應用場景，全面系統地開展應用驗證工作，持續提升國產儀器設備的適裝能力，推進國產測試儀器在裝備研制生產和外場使用保障中的使用率。

測試儀器應用驗證是在裝備實際使用條件或接近實際使用條件下，分類別、分層級地開展適裝性、產品穩定性、環境適應性、質量可靠性等一系列試驗、分析、評估和質量提升工作，以確定測試儀器滿足使用要求。測試儀器應用驗證與基于任務書考核產品是否達標的鑒定試驗不同，其目的是考察儀器在鑒定考核通過后在預期的使用環境下的適應性，一般應由驗證機構或用戶組織實施，通過分析應用場景和測試儀器特點構建應用驗證指標體系，逐級開展、逐項驗證。然而，如何科學有效地開展軍用測試儀器應用驗證工作，尚缺乏理論與方法支撐，是我國儀器研制單位、檢測機構和用戶當前面臨的困惑。

本文從航空裝備需求出發，分析裝備需求與驗證指標的傳遞關系，運用系統工程方法，提出航空裝備測試儀器應用驗證的內涵、工作思路，設計應用驗證工作流程，明確應用驗證主要內容以及基本的評價方法，為我國軍用測試儀器應用驗證工作的組織管理、工作思路和驗證方法提供借鑒。

1 應用驗證工作思路

測試儀器具有基礎性、小批量、多規格等特點，加之測試儀器形態各異、使用場景復雜，既有獨立使用的臺式儀器，又有集成使用的模塊板卡以及復雜集成的自動測試系統，導致測試儀器應用驗證影響因素眾多，驗證流程復雜。筆者運用系統工程方法，遵循對測試儀器的需求進行分類、分層規劃，按照夯實基礎、頂層設計、統籌推進的應用驗證工作原則，以提高測試儀器適裝性為目標牽引，對應用驗證工作進行總體設計，其工作思路如圖1所示。

圖1 測試儀器應用驗證工作思路

測試儀器類別綜合考慮信號特征、驗證技術難度等，分為微波毫米波、光電、基礎測試儀器、通信、自動測試等。

測試儀器驗證層級分為基礎級、系統級。基礎級驗證用于檢驗摸清測試儀器基礎產品自身功能、性能及通用質量特性；系統級驗證用于摸清驗證測試儀器在不同使用場景中的適裝能力，即滿足裝備測試所需的功能、性能、接口等基本要求，以及在系統環境下的穩定性、兼容性、環境適應性等。確認測試儀器在實裝對接過程中隱藏問題是否得到解決，同時通過接近實戰環境解決當前重要裝備急需測試儀器的應用選型問題。

儀器應用驗證工作涉及的相關方主要有技術總體單位、用戶單位、研制單位、鑒定單位、應用驗證機構等。儀器用戶單位包括臺式儀器獨立使用單位、設備組合用戶單位、系統集成單位和航空裝備維修機構；儀器獨立使用用戶單位，重點關注測試儀器基礎產品自身功能、性能和通用質量特性；設備組合使用、系統集成用戶，重點關注測試儀器在不同使用場景中的適用能力。在應用驗證需求調研過程中，用戶單位負責分析自身使用場景并提出驗證要求，提供實裝對接驗證環境以支撐驗證工作。在應用驗證實施過程中，作為用戶代表，參與驗證過程評審與監管。儀器研制單位按照研制要求設計樣機、生產儀器，并提供待驗證儀器和配套技術文件，支撐驗證機構開展應用驗證工作。鑒定試驗單位由第三方機構組成，對儀器的功能、性能進行實驗室試驗，給出儀器是否符合任務書要求的結論；在應用驗證工作中，鑒定試驗單位應提交鑒定試驗結論及其支撐文件。應用驗證機構開展測試儀器獨立使用、組合使用等不同場景下的使用要求調研，綜合考慮儀器使用場景，結合測試儀器技術指標，提出應用驗證要求，編制測試儀器應用驗證方案和大綱，并實施具體驗證工作。

考慮到測試儀器應用驗證涉及領域眾多，驗證技術復雜，并且驗證過程中基礎級、系統級工作交聯嵌套，需做實技術總體工作，由技術總體單位負責，主要設計驗證管理體系、構建驗證標準體系、匯總驗證過程數據信息、實施驗證項目過程技術監督管理和發布驗證成果目錄等，綜合保障驗證工作科學管理、嚴謹實施、結果可控。

2 應用驗證工作流程與要求

航空裝備測試儀器應用驗證包括：確定應用驗證需求、構建應用驗證指標、明確應用驗證要素、確定驗證實施流程、應用驗證實施、應用驗證綜合評價并形成成果目錄進行推廣等步驟，如圖2所示[2-4]。

圖2 航空裝備測試儀器應用驗證工作實施流程

2.1 確定應用驗證需求

確定應用驗證需求主要為制定應用驗證項目方案和編制大綱提供輸入，主要工作為需求調研分析。需求調研分析應做到4個覆蓋，即覆蓋產品(具有相同專業、功能、性能指標等特征的同系列產品)、覆蓋用戶(總體單位和直接用戶功能性能、使用環境、可靠性等具體要求)、覆蓋型號(現有和潛在的應用裝備型號)、覆蓋資源(待驗樣品數量、驗證進度、不同驗證項目的資源復用等)，并明確測試儀器型號規格等基本信息、應用裝備、直接用戶、通用和特殊要求、驗證進度等其他要求。具體工作包括收集驗證對象歷史履歷數據、確定產品功能性能和穩定性等參數、識別驗證要求、分析驗證資源、形成測試儀器應用驗證需求分析報告。識別驗證需求應重點調研待驗測試儀器使用場景，例如通用測試平臺中集成使用的PXIe任意波形發生模塊，既要關注模塊自身的質量，也要關注其如何能夠在集成環境中“裝得上、跑得穩、跑得準”，識別具體要求就是本階段的重點工作。

2.2 構建應用驗證指標

應用驗證指標是實施驗證工作的依據。一般應重點從研制費心的、用戶關心的、應用不放心的內容來設計驗證指標體系。針對研制費心的內容，應設計應用數據充分性評價指標，重點解決測試儀器國產基礎產品特性曲線數據少甚至直接引用仿制國外產品手冊信息等問題；針對用戶關心的內容，應設計應用失效模式覆蓋性評價指標，重點根據以往同類產品失效情況，確定需要開展哪些驗證評價內容；針對應用不放心的內容，應設計應用可靠性評價指標，重點評價各種接口、通信協議、極限使用環境等內容。具體工作節點包括開展測試儀器設備級、系統級分級具體驗證要求分析，逐級梳理與映射對應的應用驗證指標。一般而言，測試儀器指標體系可分為功能指標、性能指標和戰術指標。

2.3 明確應用驗證要素

根據測試儀器功能指標、性能指標和戰術指標體系，結合航空裝備測試的特殊應用需求，繼續分解要素綜合給出應用驗證要素和應用驗證內容，具體應滿足以下要求：針對測試儀器生產過程要素，應覆蓋研制單位的設計能力、加工工藝、質量管理等要素的驗證；針對測試儀器功能性能要素，應覆蓋產品常規、重要、極限功能性能的驗證；針對測試儀器可靠性，應覆蓋產品設計、結構、工藝、器件、軟件等可靠性的驗證；針對測試儀器環境適應性應覆蓋產品配套型號要求溫度、濕熱、氣壓、振動、電磁等特殊要求。具體工作節點是：明確產品研制單位遴選要求，待驗證產品準入要求和應用場景下的功能性能需求，使用環境適應性需求，機械結構兼容性、軟件環境兼容性、硬件環境兼容性等需求。

2.4 確定驗證實施流程

確定驗證實施流程是總體策劃應用驗證活動，形成應用驗證實施方案，重點考慮驗證流程與測試儀器基礎產品研制流程的協調匹配、應用流程的合理切入和驗證資源的統籌平衡調配。具體工作包括：根據鑒定試驗、篩選試驗等歷史數據，統籌不同驗證內容對應的項目驗證實施情況，進一步裁剪和優化已明確的應用驗證項目，有針對性地選擇驗證方法；加強驗證過程監督，明確各階段的關鍵評審點，初步考慮應設置實施方案、試驗大綱、綜合評價報告、應用指南技術文件等評審點；構建驗證流程圖，指導具體驗證工作。

2.5 應用驗證實施

實施應用驗證試驗主要工作是：確定驗證機構，由驗證機構負責編制驗證試驗大綱，分階段遞進開展試驗，記錄試驗數據；對試驗過程中產生的典型失效件按實際需求進行失效分析。具體工作包括：設計驗證機構優選方案，按照競標、談判、單一來源等多種方式擇優確定驗證單位；根據需求分析報告、驗證方案等資料，參考相應標準規范，編制試驗大綱；分階段、遞進式開展基礎產品應用驗證，一般先進行非破壞性試驗項目，然后開展破壞性試驗項目，形成數據記錄，編制各階段驗證報告，提交上級主管部門進行評審，評審通過后進入下一階段驗證。

2.6 應用驗證綜合評價

基于系統工程思想，綜合領域專家意見，設計應用驗證判據體系，根據基礎產品研制和生產過程、功能性能、適裝性等方面的驗證結果，以及基礎產品供方的質量保證數據、鑒定數據、評測數據，開展綜合評價。一般應按以下3種情況之一給出最終結論：① 各項評價指標通過了應用驗證，滿足應用要求；② 部分功能或性能指標未完全達到預期要求，但可有條件應用，按照應用驗證給出的設定條件使用；③ 評價指標未通過應用驗證，不滿足應用要求。針對通過驗證的基礎產品，綜合各層級驗證結論數據，編制基礎產品應用指南，經評審后發布。

3 應用驗證內容與驗證方法

3.1 應用驗證內容

應用驗證是根據實際應用場景構建出功能性能、環境條件、可靠性、使用要求等指標體系，當鑒定試驗數據滿足應用場景條件時，可以采信相應項目和數據[4-7]。當鑒定試驗數據不滿足應用場景條件時，應進行補充試驗。測試儀器應用驗證在對象上跨專業、多類別，在應用上面向裝備不同類型、不同階段、不同狀態，在流程上環節復雜、資源多樣、型號依附、多元參與，在技術上要素評價多、層級驗證多、環境融合多，結合各專業測試儀器特點，同時保障應用驗證效果，必須從以下幾方面內容開展驗證。

確定應用驗證需求、構建應用驗證指標、明確應用驗證要素的過程即逐漸分解、細化應用驗證內容的過程。測試儀器基礎級應用驗證內容主要包含基本功能和性能驗證。基本功能驗證：待驗證儀器應具備的基本功能集合是否符合對應行業標準、使用說明或技術規范[5-12]，并進一步確認是否滿足裝備專用功能。性能指標驗證：參照儀器獨立使用場景，儀器的可量化指標包括測量參數、測量范圍、靈敏度、準確度、參數穩定性等，在此基礎上進一步驗證裝備應用要求的機械特性驗證、電源特性驗證、電磁兼容性驗證、安全性驗證、環境適應性驗證、可靠性驗證等內容。測試儀器系統級應用驗證內容，針對測試儀器集成使用場景，驗證其與儀器組合、設備組合、系統組合的系統兼容性，主要包括機械結構兼容性、操作系統兼容性、軟件環境兼容性、硬件環境兼容性等。

3.2 應用驗證方法

綜合考慮各層級應用驗證內容，明確應用驗證方法主要包括：文檔審查、實物查看、性能測試、軟件測評、演示驗證、實裝對接、統計分析等，在具體實施時參照測試儀器行業標準、試驗類標準[13-16]、應用驗證系列標準。具體驗證方法如下。

① 文檔審查。文檔審查主要針對測試儀器配套的文件圖紙等資料數量、內容進行審查，重點審查文檔的齊套性、格式規范性以及文檔描述技術特性，側重文檔的功能性能的審查，驗證其是否滿足裝備預期，以及技術實現是否合理是否滿足使用要求。

② 實物查看。主要對實物清單、資源組成、物理特性、識別標志進行一致性的目視檢查。

③ 性能測試。圍繞性能指標驗證開展正常、峰值、異常負載條件來對系統的各項性能指標進行測試。驗證其是否具備基礎應用能力，并兼顧驗證儀器是否具備系統應用能力。

④ 軟件測評。對測試儀器系統軟件、驅動程序、常用函數等內容，借鑒軟件測評的基本流程、標準要求開展文檔、軟件代碼、功能實現、性能指標等驗證。

⑤ 演示驗證。針對典型應用場景，構建接近真實使用場景的應用驗證環境，開展儀器的功能驗證、性能驗證，以及系統級儀器各參數準確性、穩定性和可靠性、模塊化儀器的互換性以及有關裝備研制生產所需的專用功能特性的驗證。

⑥ 實裝對接。連接測試儀器與真實的被測對象、甚至包含機載產品，驗證測試儀器滿足裝備測試需求的能力。選取航空裝備典型外場可更換單元作為測試對象，連接外場可更換單元并運行相關測試程序集，輸出測試結果；開展系統測試數據處理分析以及與原有數據的分析對比工作，驗證其系統集成后滿足裝備測試需求、保障能力要求情況。

⑦ 統計分析。匯總基礎級、系統級試驗數據，完成測試儀器功能、性能數據統計。

3.3 應用驗證舉例

考慮測試儀器應用典型性、使用場景系統復雜性，選取某型PXIe總線示波器模塊作為應用驗證對象，結合實際裝備使用場景，分析確定驗證層級、驗證內容、驗證方法，明確基礎級、系統級驗證指標體系、驗證要素及驗證內容，并結合驗證內容具體實施明確具體驗證方法。例如，本模塊在基礎級應用驗證中除驗證自身功能性能外，應根據裝備測試需求，重點關注特定采樣率下脈寬測量準確度指標的驗證；在系統級驗證中，應關注與其他儀器或模塊集成及裝備適裝對接后，系統功能、性能滿足情況。典型產品應用驗證內容及方法的具體示例如表1所示。

表1 典型產品應用驗證內容及方法示例

4 結論和展望

本文針對測試儀器的特點，遵循驗證基本原則，運用系統工程方法，設計了儀器應用驗證的總體框架，提出了應用驗證的基本程序和內容要求，可為測試儀器應用實踐和工程推廣提供有力支撐。

通過推動應用驗證工作，既可以發現儀器設計生產缺陷或質量隱患、促進產品成熟，解決“不好用”問題，又可以逐步積累儀器基礎數據、化解應用風險，促進基礎產品工程應用，解決“不敢用”問題；根據應用驗證結論形成的應用指南，還可以指導用戶單位正確、合理地使用基礎產品，解決“用不好”的問題。當前應用驗證工作處于起步階段，行業應加強投入，建立健全配套法規標準，研究構建驗證技術方法體系，扎實做好配套驗證手段建設，推動儀器領域科學發展。