装备研制阶段的计量保障方案研究

杨 欢 袁乾臣 刘晓旭

(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

计量保障是为保证装备性能参数的量值准确一致，实现测量溯源性和检测过程受控，确保装备始终处于良好技术状态，具备随时准确执行预定任务的能力而进行的一系列管理和技术活动。具体实施过程中，需设计合理的计量保障方案，研制具体的计量保障设备，以满足装备的计量保障需求。通常，计量保障方案是在装备研制阶段结束后提出，设计环节过于滞后，导致整个系统保障性水平较为落后。显然，在研制之后再进行计量保障方案设计的模式已经不能满足新时期的国防需求。因此，需对贯穿整个装备研制周期的计量保障方案进行研究。

本文以某型装备为例，详细阐述了计量保障方案的设计依据和原则，在此基础上给出具体的设计方案，并完成了实际使用验证。

2 计量保障设计依据与原则

计量保障设计基础主要包括设计需求、设计依据、设计原则三个部分，其框图如图1所示。其中，设计需求来源由具体的计量对象及参数决定。根据计量对象及参数的具体特性，可选用或提出适用的设计依据，并确定计量保障方案的设计原则，最终提出计量保障方案。

图1 计量保障设计框图Fig.1 Block diagram of metering guarantee design

2.1 设计需求

某型装备的计量对象均为专用测试设备，其中包括测发控设备、单元测试设备、压力仪表设备、转台类设备等。具体计量参数包括电压、电流、压力、角度、速率等。为实现计量保障要求，具体检测保障设备及其校准保障设备应满足如下要求：

(1)装备承制方应根据所研制装备的检测和校准需求,编制《装备检测需求明细表》、《检测设备推荐表》、《校准设备推荐表》、《装备检测和校准需求汇总表》,并经订购方确认后,在交付装备的同时,与装备的随机文件一起提交,为用户提供实施计量保障的依据。

(2)凡影响装备功能、性能的项目或参数都应进行检测或校准。

(3)装备的检测应满足性能测量、状态监测和故障诊断等需求。

(4)装备的检测或校准应符合测量溯源性要求。

(5)对装备需校准的参数、机内测试设备及内嵌式校准设备,应编制校准方法。

(6)凡有定量要求的检测设备应按照规定的周期进行检定,并在有效期内使用。

(7)检测用设备的准确度应高于被测装备的准确度,其测量不确定度应符合行业标准要求。

(8)对专用检测设备应编制校准规范。

(9)所有校准设备,都应溯源到用户计量技术机构或者用户认可的计量技术机构保存的测量标准。

(10)检测设备和校准设备的最大允许误差或测量结果的测量不确定度应当满足被测装备或检测设备预期的使用要求。

(11)对被测装备或被校设备进行合格判定时,被测装备与其检测设备、检测设备与其校准设备的测量不确定度比不得低于4∶1。

2.2 设计依据

根据计量对象及参数的具体特性，可选用或提出适用的设计依据。

根据某型装备的计量对象及参数，可确定其计量对象均为电气设备及相关测量仪表，其具体参数的测量需求以及相关行业的标准是设计依据的一部分。

同时，随着装备科技含量的增加和用户需求的提高，装备的通用质量特性即可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性(以下简称“六性”)的重要性日益凸显。计量保障装备作为配套交装的产品，为满足通用质量特性要求，确保稳定的工作状态和技术性能，设计依据不仅应包括工作现场使用及贮存的环境要求、电磁环境要求及供电要求，还需满足该型号质量保证大纲、软件工程化大纲等六性总体文件要求，开展计量保障方案的研究。

2.3 设计原则

根据具体的设计依据，根据计量对象的特征和装备总体要求，可提出具体的设计原则，设计原则直接决定了计量保障设备的性能特性，必须保证设备性能参数的量值准确一致并具有测量溯源性，满足装备、检测设备及其校准设备的检测和校准要求，可分为基本原则和一般原则。

2.3.1 基本原则

(1)覆盖性原则。凡影响保障装备功能、性能的项目或参数均按规定的周期进行计量。

(2)原位计量原则。尽可能采用原位计量的方式进行计量。

(3)一体化、小型化原则。计量保障装备进行一体化、小型化设计。

(4)可溯源性原则。复现的量值能溯源到相应的国家计量基准或用户最高测量标准，且溯源方法符合国家相关标准的要求。

(5)系统级设计原则。计量项目能体现计量对象的系统性能，计量参数应为计量对象的整体技术指标。

2.3.2 一般原则

(1)进行通用化、系列化、组合化设计，减少计量保障设备种类、数量。

(2)特殊计量保障设备根据空间要求，开展小型化、轻质化设计，能到达装备工作现场完成计量保障工作。

(3)采用自动测试方式。计量保障设备应具备自检功能，具备记录、存贮和数据自动判读功能及打印功能，并设置网络接口。优化设备人机交互界面，便于人员观察、测试和操作使用。

(4)计量保障设备能够通过测试设备的计量接口、通信接口完成计量工作，按照总体要求进行统一化设计。

(5)尽可能延长计量保障装备的自身计量有效期，保证对测试设备进行计量时在有效期内。

(6)计量保障设备应配备核查设备，并提供核查方法，用于对计量设备的主要技术指标进行核查。

(7)开展安全性设计，以确保被检设备的安全。

(8)计量保障设备在工程研制阶段应与被检设备进行计量匹配试验，对功能、性能、接口、通信、计量流程等进行充分验证。

3 计量保障方案设计示例

计量保障方案示例框图如图2所示。主要由硬件设计和通用质量特性设计两个部分构成。其中，硬件设计是针对专用测试设备的检定、校准装置；通用质量特性设计用以确保检定、校准等装置的性能参数受到质量控制，主要包括可靠性、维修性、安全性、测试性、环境适应性和保障性六个方面。

图2 计量保障方案示例框图Fig.2 Block diagram of metering guarantee scheme

3.1 硬件设计

计量保障对象包括测发控系统设备、单元测试设备、惯性测试设备、压力仪器仪表等。对应的，计量保障设备按功能将其分为便携式测发控检定装置、单元测试设备综合检定装置、惯性器件测试设备综合参数检定装置和压力在线检定装置。

(1)便携式测发控检定装置

便携式测发控检定装置可在技术阵地、发射阵地对测发控系统设备进行计量检定。计量项目包括测量并记录测发控系统多个设备的多路电压值。

(2)单元测试设备综合检定装置

在现场对配套的电学类技术保障装备进行计量检定。计量项目包括电流、电压及电源等。

(3)惯性器件测试设备综合参数检定装置

在现场对配套的惯性器件测试设备进行计量检定。计量项目包括单轴速率转台的角速率精度及角速率平稳性以及转台系统的功能检测等。

(4)压力在线检定装置

在现场对配套装备的压力表类设备进行在线计量检定。计量项目包括压力示值误差及重复性。

为了统一接口，提高装置便捷性和通用性，以上四种检定装置与专用测试设备间的电气接口、气压液压管路接口、通信接口及通信协议按《计量统一化规定》来进行设计。

3.2 通用质量特性设计

3.2.1 可靠性

装置采取相应的可靠性设计措施，保证性能可靠,主要措施有：

(1)采用成熟的技术和工艺

充分继承或借鉴以往产品的成熟技术手段及加工工艺，保证其可靠性。

(2)容错、冗余和防差错设计

产品和元器件的选用重点进行裕度、容错、冗余和防差错设计，保证可靠性。

(3)简化设计

设计力求简单、零部件少、标准化程度高。尽量减少硬件，在电路设计中采用简化设计减少元器件数量，提高系统的可靠性，结构设计中充分利用标准化器件和成熟的结构形式。

(4)降额设计

主要器件按照GJB/Z 35-1993要求进行了II级降额设计，电子元器件优先在《型号产品物资合格供方名录》范围内选用。上机的电子元器件100%进行筛选测试，合格品方可上机使用。

3.2.2 维修性

在设计时充分考虑装置的可维修性，减少后期维修难度。

(1)可达性设计

设计上充分考虑了产品维修的可达性，尽量采用原位检测维修，将需要检查、维修或更换的零、部、组件设置在操作性良好的位置上，并在其周围留有足够的操作空间。

(2)简化产品维修操作

简化产品维修操作难度，设计上遵循检修拆装零、部、组件时做到不拆卸、不移动或少拆卸、少移动周围相邻仪器设备的原则；连接结构尽量选用典型的“螺纹紧固式”、快速接头等连接方式，拆装简便；机柜式电子设备尽量采用抽拉式结构，方便电子设备维修及更换。

(3)可测试性设计

具有自检能力，以保证对测试设备检定前设备的完好性，通过自动检测或人工检测方法，满足故障能定位到功能插件的要求，从而缩短维修时间。同时在使用技术文件中，对可能出现的典型故障现象及解决措施进行了详细说明，便于用户的操作使用。

(4)防维修差错设计

尽量避免维修时可能产生的差错。例如：不同参数压力管路转接头设计时，采取了明显的标识或防差错结构；各电子设备机箱插座和电缆插头均设置醒目的标牌，防止相同型号的电连接器错接。

(5)提高标准化和互换性程度

在设计上最大限度的选用标准件、外购件、货架产品，尽量做到产品通用和互换，提高维修性；电子设备、电缆等设计上均按相应优选目录选取元器件、接插件；尽量减少品种规格，达到维修的互换性。

3.2.3 安全性

研制过程中进行安全设计，通过安全分析或安全检验，避免或减少可能发生的危险；在贮存、使用过程中保证安全。计量保障装备具备接地、防静电、过压和过流保护等措施或报警提示功能，涉及有毒化学物质、高压气体、爆炸物质等危险因素的操作时有相应的安全性设计措施。

3.2.4 测试性

设计时充分考虑产品的可测试性，方便使用过程中排障和校验。

(1)各分系统进行FMEA分析，其功能、性能指标测试方法汇总形成自检表，按表格对设备功能性能进行检查；

(2)产品设计过程中均留有必要的检查点，使其便于测试并有合适的标记；

(3)设备设计时充分考虑易于调试、计量，易于隔离和寻找故障；

(4)用于被测试产品设备与测试设备应具有相容性；

(5)各重要单板机整机关键测试位置均需留有测试点，测试点均有适当的防护和标记；

(6)对于测试项目不能完全覆盖使用状态的产品，填写单机、整机(或分系统)、系统测试不到的项目表；

(7)编写详细需求分析报告、制定软件测试计划及功能测试用例，保证软件的可测试性；

(8)检定软件中设计自检程序，并可利用自检等效器或自检线缆对各自的功能进行检查。如有问题，进行报警提示，可帮助排查设备故障原因。

3.2.5 环境适应性

计量保障设备需要适应用户使用的现场自然环境、运输转载环境等，满足《使用环境条件》的要求。为此，采取以下措施：

(1)所用电子元器件优先在《型号产品物资合格供方名录》范围内选用，压缩元器件的品种和生产厂家，元器件尽量选用密封器件，并按规定进行筛选，确保装机元器件的质量。

(2)所有自研电路板进行三防处理。外购件尽量选择温湿度适应性强及防护等级高的产品。针对防盐雾、防潮湿、防腐蚀的环境要求，所有自研设备机箱表面采用密封设计，表面喷涂三防漆，从而提高环境适应性。

(3)机箱设计及内部元器件的安装考虑振动环境，对直插元器件采取机械固定和硅胶固定相结合的办法，规定严格的振动环境试验。经过设计、试验、改进等一系列措施，提高产品的抗振性。

(4)紧固件均采用防腐性能较高的不锈钢材料制造。

(5)除了在方案阶段进行环境适应性设计，还要在工程研制阶段进行验证试验，保证检定装置符合任务书所述的使用环境要求。

3.2.6 保障性

为提高装备的保障能力，主要考虑以下几个方面：

(1)各分系统依据用户现场使用和日常维护流程，梳理出保障项目，对这些项目进行分析，制定专用计量系统保障性方案；

(2)为提高使用性，产品进行人机工程设计，同时对以往用户使用意见和建议进行梳理，并落实完善；

(3)建立保障性工作体系，制定保障性工作计划和要求，开展保障性设计与分析工作；

(4)在设计阶段，优先应用产品化产品，减少设备种类，降低采购、备件的难度与成本；关键设备和关键器件应优先选用国产化产品，同类产品尽量统一规格及厂家，并以成熟技术和稳定货源为优选前提；尽量减少技术准备项目及任务前检查、测试项目，降低对专用设备、工具和人力的要求，减少保障工作的难度；

(5)保障设备，要便于维护，并将使用和维修过程中所需工具均列入产品使用说明或备附件清单中，供战斗基地使用；

(6)在使用和维修过程中涉及的各种备件，在产品使用说明或备附件清单中进行明确，供战斗基地使用；

(7)适时完成用户技术人员的培训，使其具备使用和部分维修能力；

(8)操作使用文件受控，技术资料内容正确、清楚、完整，满足使用和维修的要求；

(9)充分利用用户现有的保障设施，提出新建或改建设施项目的类型、布局、规模(空间)、环境条件及有关技术要求等建议。

4 方案验证情况

按照本计量保障方案，将便携式测发控检定装置、单元测试设备综合检定装置、惯性器件测试设备综合参数检定装置和压力在线检定装置研制完成后，经产品研制部门测试、验证：证明该计量保障措施能够快速准确的完成各产品参数的计量、校准，工作可稳、定靠，各项性能指标和质量特性均满足要求。为产品测试、试验系统、设备专用标准的量值一致性提供了量值溯源保障，为计量测试要求提供了技术支持、保障与监督。根据验证结果，本设计方案与以往计量保障方案相比具有以下优点：

(1)计量对象：本计量保障方案的设计需求中，计量对象均为专用测量设备，跟以往方案相比，对指标参数的精度要求及使用性能提出了更高的要求。此外，测发控设备明确要求在使用现场计量检测，这对检定装置的小型化、轻量化提出了更高的要求；

(2)接口要求：以往产品计量保障方案是在装备研制结束后开始制订，计量对象的接口均已确定，只能按照计量对象提供的接口进行设计；本次方案是贯穿整个产品研制阶段的，装备研制初期便统一了各类计量接口、通讯接口及通讯协议，包括连接器型号及接点定义，使计量保障装置与装备成为了整体，其易用性、准确性及匹配性得到大幅提升；

(3)计量方式：采用自动化计量，即在计量时与被检设备进行通讯，通过规定好的通讯协议实现信号的自动发送、接收，提高计量系统的易用性，降低用户使用难度，确保好使用、好保障；

(4)通用质量特性控制：设计时加强通用质量控制，从制度上保证产品的性能指标。

5 结束语

装备训练离不开计量保障，计量保障方案的重要性越来越突出。面对新的变革，就要探索在新形势下国防计量工作的特点和规律，适应新体制、新任务的需要，强化计量工作的创造性，建立一个高效、协调的计量体系，适应现代信息化实际的需要。

本文研究了装备研制阶段计量保障方案的制定方法，根据计量保障对象及具体参数，提出了设计依据，确定了基本设计原则和一般性设计原则，在此基础上给出具体的设计方案，包括硬件设计和相应的通用质量特性设计。该设计方案经实际使用验证，设计合理可行，工作可靠，各项性能指标和质量特性均满足要求。该计量保障方案的研究，可为后续装备计量保障方案提供了可行的实施思路。