论航空装备的测试性与计量及计量性设计

董锁利

(中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安710089)

0 引言

建立在测试测量基础上的计量技术，在服务于测试的过程中已经发展成为一项完善的工程手段，成为测试技术存在乃至发展的重要基石。近年来在航空装备中的研发中，引入的测试性设计技术及测试性设计所构建的测试单元融合了计算机和测量技术，使得航空装备中的测试设备超越了传统的测量设备所依附的计量功能。宏观上计量的技术基础地位依然存在，但多年来形成的被动式计量手段发展模式，使得计量技术越来越滞后于测试技术发展的速度，计量保证面临着能力的制约。在测试技术快速发展的环境下，测试对计量的依赖性却始终没有改变，由此催生计量进入了与测试新技术相适应的可计量性设计的发展模式，使计量由传统的被动式向主动式计量迈出了创新的一步。

1 测试与计量

测试是装备的眼睛，是装备获知一切信息的最基本手段，是装备在设计阶段实现的一个与装备工作特性并列的重要功能。借助测试功能，装备能够及时准确地获知自身或与之相关的技术状态。从装备的全局来看，测试具有准确性、实时性的特点，是可靠性、维修性、保障性的辅助手段，测试性还是装备可靠性与维修保障性设计之间的重要纽带。不可否认，测试性与计量一样也是构成装备质量特性的重要组成部分，是实现装备质量提升的重要途径。

从计量的观点来看，测试性的功能是建立在以测试测量为基础，通过测试测量获得装备运行状态的量值信息，并以量值信息为依据，对装备的运行状态作出可否工作及性能水平的评价。由于装备特别是航空装备的使用周期较长，全寿命阶段可达到数十年之久，虽然测试性的设计功能是装备的固有特性，不会随着时间的延续发生变化，但实现测试性设计目标的测量功能却是建立在仪器概念的基础上，因此测试性与计量有着不可割裂的依赖关系。以测试性最典型的BITE为例，BITE 实际上是一个在装备内部独立运行的测试单元，工作过程是以仪器相类似的操作方式来完成［1］。对于仪器来说功能正常的重要标志是测量的准确性，然而长期的准确性是仪器自身无法保证的，维持准确测量的措施只能通过计量保证。测量仪器的计量保证是一个经过长期运行完善的技术体系，计量过程是一个程序化的操作流程，通过法规性规范的计量溯源功能，既保证了标准量值的统一，也维持了测量设备准确性的长期稳定。实现装备测试性指标的手段是测试性设计，通过测试性设计，使装备具备了测试性所要求的测试功能，这个过程似乎不一定包含计量需求，不能确定这个测试设备能够具备计量的能力，所以无法保证装备在全寿命阶段测试性功能的正常发挥，这是目前测试性设计的真实现状。如果测试设备的准确性不能保证将导致测试的根基发生变化，那么就难免出现虚警误报现象，所以要维持测试性的长期有效作用，测试性所依赖的测量的准确性是必须的前提条件，由此也佐证了测试与计量的不可分割性，有必要在测试性规划阶段引入计量概念，为测试单元的全寿命阶段计量保证创造条件。

2 测试性的计量特征

2.1 量化性

测试性的工作目标是完成装备的性能监测、故障检测、故障隔离、虚警抑制和故障预测［2］，测试性设计的目的是把这些测试性功能作为装备的组成部分，把合适的测试性设计方案融入到装备的设计中，方案所形成的测试性单元在装备运行过程中能够提供自动诊断和自动测试信息，实时跟踪显示装备是否在性能特性范围内工作。就目前装备测试性设计的现状而言，承载测试性设计目标的测试单元总是以量值作为信息的表现形式，通过与量化后的装备状态信息比对，来判断装备的工作状态是否超出了性能范围，而测试功能显示的信息所指示引起故障的相关可替换功能单元，也是以量值信息为依据的，可以说与测试性所关联的测试过程是一个完全量化的装备运行状态信息采集的过程，具有明显的量化特点。以常见的几种测试为例，“存在测试”检验信号或特性的有无是以量值为基础的;“比较测试”比较的主体就是量值;“边界测试”对量值的依赖性更强烈;而应用最广泛的监视装备特性具体量值、电平或幅度的“量值测试”，其测试性及实现测试性的测试单元更是处处体现了量值的特征。

2.2 准确性

在测试性测量过程中，不仅仅是执行简单的测量过程，对量值的准确性亦有着严格的要求，而且这种要求会随着被测对象性能指标的提高而上升。在测试单元工作过程中，量值是比较的基础，当测量值与特定值作比较时，如果测量值没有准确性的量化描述，测量值的可靠性就消失了，测量值所代表的状态信息也失去了价值，那么比较的基础就不存在了，通过比较得出的如“正常-不正常”的结论就不能准确地表示与装备指标容差范围的含义。在边界测试中，如果没有准确性指标，甚至可能出现在边界临界点的误判。

2.3 持续性

由于测试单元作为装备基本功能之外的一个部分和装备同步运行，以机内测试为例，当装备起动时机内测试与装备同步开始工作，完成装备工作状态的检测任务，在装备运行过程中动态监测装备的运行情况。自成工作体系的自动测试设备或自动测试系统，在装备的全寿命周期承担定期维护检查测试功能。以维修为主进行的故障诊断测试，要处理BITE 和ATE 等无法检测和隔离的故障现象，这些测试都要持续到装备使用过程的各个环节，是装备正常功能发挥的保证措施。

然而，无论承担机内测试的BITE，还是独立于装备本体之外的ATE 或ATS，或者是人工测试使用的仪器设备，都是电子设备，在航空装备长达数十年的寿命周期内，测试性所依赖的各类电子设备都不可避免地存在测量指标的变化，这是测试性自身无法解决的问题。当前，在一些较大的ATE 或ATS 设计中，通过设置内部高精度基准的措施应对长期稳定性问题，实质上这些基准由于具有更高的精度反而更容易在使用过程中“失准”，导致一系列错误的连锁反应。

由于承担测试性任务的测试主体具有测量仪器的特点，有量化准确的要求，就不可能回避计量的保证手段［3］，因为计量是最可靠、最科学的能够把准确量值信息传递到测试测量系统的唯一途径，量传操作过程受技术法规的约束，其结果具有统一性、准确性等特点。但是在装备引入测试性设计的历程中，计量一直处于缺失状态，就航空装备整体而言，装备的各系统、分系统中的BITE 或ATE 在设计过程中，弱化了计量的需求，缺少了标准量值信息传递的通道，导致使用过程计量无法进行。开展与测试性相关的可计量性设计，使装备在测试性设计阶段预留必要的量值溯源接口［4］，为装备长期使用提供计量保证条件，是完善装备测试性功能的新举措。

3 装备的计量性设计

3.1 计量性设计的起步

相比于测试性设计，计量性设计同样有一定的范围界限。根据计量功能仅限于量值准确性的特点，可以把计量性设计的起步确定在装备或装备内部有测量准确性要求的测量设备或测量单元，把计量性设计的目标确定为在最小硬件资源条件下，借助测试性设计手段使BITE，ATE 或ATS 具备可计量功能，达到提高测试性质量等级的目的。

3.2 计量性设计的内容

测试设备的计量性设计是为了满足计量需求，因此计量性设计的工作内容［5］可规划为以下几方面:

1)量值传递的硬件结构

量值传递的硬件结构的功能是:既保证测试对象能够采集到标准量值的信息，又能使测试系统的测量特性反馈给标准测量设备，在计量标准装置和测试设备之间建立信息传递渠道。量值传递结构是测量设备计量的基础。

2)测量误差修正能力

从计量标准与测量设备之间量值的比较过程中能够获得测量设备相对于标准量值的偏离程度，这就是测量设备在使用过程中由于设备老化等因素所产生的性能衰减的累积效应，这种效应的表现形式就是测量误差。计量之所以能够保证测量设备的长期准确，核心是在这样的周期性计量过程中，能够实时地把测量误差不断地通过修正的方式进行补偿，使测量设备能够重新恢复到最初的设计状态，消除性能退化对设备造成的影响。测量误差的修正可以通过硬件或软件方式，也可以采取软硬件结合的方式完成。

3)计量校准操作规范文件

装备测量设备的计量保证是装备全寿命阶段的长期行为，为了保证计量的一致性，需要相应的技术文件来约束计量过程。通常用计量校准规范来保证历次计量的过程，以确保标准量值在相同的环境条件下，由具有计量资质的人员用相同的计量校准方法，实现量值的传递功能。

4)计量标准源

计量标准源承载着计量必须的标准量值信息，航空装备的量值种类规格与民用通用计量存在着较大差异，当市场上缺乏所需标准量值载体时，计量过程将不存在，因此计量性设计的内容也必须包含标准量值的提供。

3.3 与测试性相关的计量性设计

测试性所涉及的测量主体不外乎BITE，ATE 及人工测试所用的设备等三种形式，由于人工测试所用的设备已经处在计量保证的范畴，因此针对测试性的计量性设计的重点是研究BITE 和ATE 的计量模式。

3.3.1 BITE 的计量

随着装备复杂程度的上升和测试新技术新方法的使用，机内测试由测试性BITE 到智能BITE、综合诊断、预测与健康管理和中央测试系统方向发展。诊断技术与中央测试系统进一步成熟，中央测试系统功能的扩展，以及向健康管理系统的转化，进一步扩展了状态检测功能，增强了诊断和预测能力，具有综合化的智能BITE 可以使综合诊断达到100%故障诊断与隔离。虽然在这一系列的技术发展过程中BITE 的功能会产生质的飞跃，但BITE 的工作模式本质没有发生改变，计量需求仍然存在，可以从以下两方面研究对BITE 的计量策略。

1)采用模拟仪器计量方式。把BITE 作为一个测量仪器，分析BITE 的计量特性，确定计量保证方案。在BITE 设计时配置标准量值传递所必需的信号交换通道，通过外部计量资源完成计量。按照仪器计量方式对BITE计量具有标准量值传递形式简单、易于实现的特点。

2)综合计量模式。综合计量模式适用于计量特性复杂的BITE 或BITS。在复杂的BITE 结构中，可以通过构建内部量值传递方案，借助BITE 的自动测试功能，在机内完成高准确度向低准确度比对的初级测量指标量值传递，外部计量仅仅对最高标准量值完成校准。这种方式可以大大减少计量性设计的工作量，降低计量性设计对测量设备的附加影响，使计量过程简化可行。

3.3.2 ATE 的计量

相对于BITE，ATE 的计量策略就要简化多了，这是因为ATE 在形式上表现为一个独立的设备，具备完整的量值信息交换功能，具有计量的基本条件，计量所要完成的就是从ATE 的测量功能中分析计量特性，进而确定计量保证策略，设计可行的计量校准方案，完成计量过程。目前已经开展了对ATE 的计量工作，虽然ATE 的功能极其复杂，量值传递种类规格较多，需要的计量资源庞大，而且计量难度大，但ATE 的设计人员已经意识到了问题的存在，已经从设计源头开始研究计量策略，在设计过程中，已经引入了服务于计量的可计量性设计思想，以使ATE 在设计阶段就具备可计量功能，以便在使用过程中，能够高效、便捷地实现计量校准功能。

4 结束语

要准确知晓装备的运行状况，就需要对其进行监测，引入测试性概念，通过测试性设计来改善装备工作的质量水平。同样测试性功能也只有在健康的状况下发挥作用，才能保证测试性设计所预期的效果，用计量作为测试性设计的测试保证，构成“计量-测试性-装备质量”的技术链，就能更好地从保障的角度提高装备的战备完好性，优化寿命周期费用和保障资源。

［1］中国人民解放军总装备部.GJB 2547A-2002 装备测试性工作通用要求［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2002.

［2］石君友.测试性设计分析与验证［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［3］中国人民解放军总装备部.GJB 5109-2004 装备计量保障通用要求检测和校准［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2004.

［4］董锁利，丁颖，张建兰，等，机载设备计量性分析与设计讨论［J］.计测技术，2011，31(3)，46-48.

［5］中国人民解放军总装备部.GJB 5539-2006 航空测试设备校准和测试通用要求［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2006.