测绘导航装备可计量性设计与分析

巨志斌，刘宗毅，张丽萍

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2. 地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054



测绘导航装备可计量性设计与分析

巨志斌1,2，刘宗毅1,2，张丽萍1,2

1. 西安测绘研究所，陕西 西安，710054；2. 地理信息工程国家重点实验室，陕西 西安，710054

可计量性是一种固有的装备质量特性。本文在介绍可计量性概念的基础上，针对测绘导航装备可计量性提出了设计策略，构建了指标体系，基于信息流模型探讨了测绘导航装备可计量性设计和分析方法，为规范和强化测绘导航装备的可计量性设计工作提供理论和技术支撑。

可计量性；测绘导航；信息流模型；相关性矩阵

1　引　言

计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动[1]。在装备研制、生产、使用和维护各个阶段实施有效的计量保障，能够使装备所规定的指标进行检定或校准，确保装备性能参数的量值准确和单位统一，提高装备的性能、质量、安全和经济效益[2]。可计量性(Measurability)是随着装备计量发展从装备量值溯源和检测受控相关特性角度提出的一个新概念，用以描述装备计量水平，其概念和内涵目前还没有完全统一认识，综合起来有以下几种：

(1)装备具有可测量的性能。主要包括反映装备基本性能的各种量值的可测性、合理性和复现性等自身性能指标[3]。

(2)装备的一种设计特性，是指在装备规定的应用条件下，使用规定的计量资源(包括外部计量工具和嵌入式计量设备)对其开展参数测量和量值传递、比对的能力[3]。

(3)产品(系统、子系统、设备或组件，包括软硬件)能及时、准确地确定其参数或量值(可计量、不可计量)的一种设计特性[3]。

(4)各测量(测试)设备所具有的反映其量值准确、数据可靠和计量便利程度的一种设计特性，贯穿于装备全寿命周期[4]。

(5)对测试设备本身反映其量值溯源难易程度和对计量资源依赖程度的固有属性[5]。

显然，可计量性是一种设计特性，面向的对象是有计量需求的装备或专用测试系统。

测绘导航装备由于其高精度特性和测量功能，与计量工作关系十分紧密，不仅装备本身需要完善的计量保障体系，而且很多装备(如全站仪、经纬仪、BD用户机等)还被用于几何量、时间频率等参数量值传递的标准构建。现实中由于在装备论证研制阶段对可计量性的忽略，造成了很多测绘导航装备缺少计量测试接口、缺乏高精度测量标准、装备性能参数溯源率低等问题。因此，对于测绘导航装备的可计量性分析、设计和评价是十分必要和非常有意义的，需要一套科学可行的设计方法和指标体系。

2　测绘导航装备可计量性设计策略

2.1全寿命各阶段可计量性设计工作

在实施测绘导航装备全寿命质量管理所必需的六性(可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性)设计中并未包括可计量性，这一方面是因为没有计量需求的装备(如大量软件装备)不需要可计量性设计，另一方面由于可计量性与六性相互渗透和交互作用，特别是与测试性和维修性密切相关，因此，在实际工作中不必单独研究和设计，应该在论证设计阶段，根据综合指标，开展可计量性与“六性”指标一体化设计，以多指标综合优化设计技术、风险分析和费效比评估为基础，通过优化组合，科学确定可计量性与装备“六性”指标需求。另外，可以建立共同的综合验证评价模型，对装备的整体效能做科学的验证与评价[4]。

测绘导航装备的可计量性由于其设计特性，重点工作应放在装备论证设计阶段，同时可计量性工作又是一个连续的系统工程，贯穿于装备全寿命周期，各阶段中可计量性设计工作的主要任务如图1所示。

图1　测绘导航装备全寿命各阶段可计量性设计工作

在论证设计阶段，通过综合分析装备战技指标来确定合理的可计量性指标，把便于计量、降低计量难度、保证量值准确等要求纳入设计规范，并通过可计量性分析来验证设计质量和改进设计。在方案阶段，建立可计量性模型，对可计量性进行定性和定量评价，对可计量性设计进行可行性验证；在研制阶段，将可计量性设计方案进行实践，将可计量性固化为装备的自身特性。在试验阶段，通过获取测试数据分析验证可计量性设计特性，进行可计量性设计的改进。对于已经交付的装备，为了掌握装备可计量性水平和便于改进升级，应该对其可计量性建立高效、可靠的评价方法，对可计量性进行合理评价。

2.2可计量性设计的原则

测绘导航装备可计量性设计是比较复杂的工程，它需要综合考虑测试性、维修性、可靠性等许多因素，笔者认为应遵循以下原则：

(1)计量参数能够覆盖主要性能；

(2)应综合考虑可靠性、维修性等设计特性，在满足装备效能要求的情况下使计量校准周期最优化；

(3)应考虑计量的方便，设计计量接口；

(4)计量校准时应保证系统的完整性，尽量不拆卸系统；

(6)尽量使用通用标准(工具)，减少专用检校设备；

(7)能够对多个独立的功能部件进行并行计量；

(8)设计时应考虑实现的费用和代价，从效费比出发进行权衡；

(9)相对于离位计量应优先考虑原位计量方案；

(10)条件具备时应考虑自动化计量。

3　测绘导航装备可计量性指标体系

设计测绘导航装备的可计量性指标体系是分析、评价装备计量保障水平及能力的基础和前提。结合有关文献研究成果[4,6]，综合考虑测绘导航装备计量保障特征和系统性、客观性、完备性、一致性原则，本文提出测绘导航装备可计量性指标体系如图2所示。

图2　测绘导航装备可计量性指标体系

3.1便利性指标

(1)计量可达性：反映了在对武器装备进行计量校准时，接近被校设备的难易程度。计量可达性会为装备的现场快速计量保障提供有效的支撑。

(2)计量可行性：对于制定的计量计划，能否确保可以应用与执行，可以理解为对计量工作能否进行的确定。

(3)(最佳)计量周期：在满足计量要求的情况下相邻两次计量所间隔的最长时间，反映装备计量的便利程度。

(4)通用计量设备占有率：通用计量设备数与计量设备总数之比，反映采用通用计量设备和计量接口的水平。

(5)保障时间：在规定的条件下，实施计量时所耗费的时间。

3.2量值准确性指标

(1)溯源率：可实施计量的参数与应计量的参数之比，指标越高，表明可计量性越好，该装备的计量保障有效性就越好。

(2)溯源性：通过具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的量值能够与规定的参照标准、国家测量标准或国际测量标准联系起来的特性。

(3)量值传递率：进行量值传递的量值数与量值总数的比值，检验装备参量接受量值传递多少的情况。

(4)计量覆盖率：可实施计量的仪器(设备)数与应计量的仪器(设备)总数之比。反映实施计量保障的基本能力，即已建立的测量标准对装备或检测设备需要开展的计量检定或校准的覆盖情况。此指标可在装备论证阶段作为使用指标。

(5)计量受检率：已计量的装备数与应计量的装备总数之比。反映了装备技术状态的受控能力。此指标可用于装备可计量性评价。

(6)自检率：可自检量与应检量之比，反映自保障能力。

4　测绘导航装备可计量性设计

4.1可计量性设计流程

可计量性设计主要是在装备研发阶段的一项技术活动，可计量性设计的基础可以抽象为一个技术规范，这个规范是实现装备可计量的所有约束的集合，只要在这个规范指导下，设计出来的装备就具有可计量性[7]。按照可操作性原则，测绘导航装备的可计量性设计流程如图3所示。

图3　测绘导航装备可计量性设计流程

在装备的需求论证阶段要开展可计量性需求分析，分解出可计量性指标。在设计阶段形成可计量性初步方案，可以通过建立数学模型(如基于信息流的相关性模型)对设计方案进行静态分析和策略优化，优化后的详细设计方案最终要进行验证和评估，形成评估结论。

4.2可计量性模型

4.2.1相关性模型

从上述测绘导航装备可计量性设计流程中可以看出，可计量性分析是非常关键的部分，基于数学模型可计量性分析能够科学有效地辨识不可确定的超差、模糊组以及冗余校准等，有助于计量策略的制定与优化。

可计量性建模是可计量性技术中的一个关键问题，目前国内外研究成果多是采用在测试性分析中比较成熟的相关性模型。相关性模型提出于20 世纪 80 年代，该模型不直接对系统硬件进行描述, 而是通过有向图来描述部件与测试点之间的因果连接关系, 也被称为因果模型(causal effect model)或者诊断推理模型(diagnostic inference model)[8]。

信息流模型是一种典型的相关性模型，可以通过图4所示的有向图进行表征，故障隔离结论与测试之间的相关关系用表1所示的布尔矩阵FT表征。

图4　信息流有向图

表1故障隔离与测试的相关矩阵(FT矩阵)

在信息流模型中，用t1表示测试(l=1,…,N,N为系统中测试总数)，测试结果用布尔变量表示，若tl输出正常，则为“0”；反之为“1”。用fk表示故障隔离结论(k=1,…,L,L为系统中故障隔离结论总数)，当对应的故障发生时，fk为“1”；反之为“0”。

矩阵 FT 的行理解为可以检测该行所列故障隔离结论的测试，如果该故障隔离结论出现，则该行“1”元素对应的测试结果均异常；矩阵 FT 的列理解为该列所对应的测试可检测的故障隔离结论，只要该列中“1”对应的故障隔离结论有一个存在，则该列对应的测试结果为异常。

4.2.2可计量性信息流模型

对于测绘导航装备可计量性的信息流模型，可参照测试性建模思想，根据溯源链的连接确定相关矩阵，然后利用相关矩阵分析整个系统的可计量性。本文以“测绘导航装备机动计量保障系统[9]”为例来介绍可计量性建模方法。

“测绘导航装备机动计量保障系统” 的主要目的是在野外机动条件下对测绘导航装备进行计量检定，其核心部分是车载式测量标准装置，含车载式长度、频率、角度和水准标准装置。按照信息流模型分析其计量链如图5所示。

图5　测绘导航装备机动计量保障系统计量链信息流有向图

用mj表示相邻仪器的校准或检定过程，vi表示检定的结果，合格则为“0”，超差则为“1”。超差结论与检定的相关矩阵见表2。

表2超差与检定相关矩阵

m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11v111111111111v211100000000v301100000000v400011100000v500001100000v600100100000v700000011000v800000001000v900000000111v1000000000011v1100000000001

表2矩阵中的行表示若该模块(仪器)超差，该行“1”对应的检定会出现异常；矩阵中的列表示只要该列中“1”元素对应的超差结论有一个发生，则该列对应的检定是异常的，结果是不可信的。

4.2.3基于相关性矩阵的可计量性分析

基于相关性矩阵就可以开展系统可计量性分析[6,8,10]，获得的指标可以评估、改进计量策略，完善可计量性设计，这些指标主要包括不可确定的超差、计量覆盖率、隐藏超差集、冗余检定、检定周期等。

(1)不可确定的超差：矩阵中不存在能检测该模块的检定操作，认为是缺少可计量性。如果相关性矩阵中存在全为0的行，则该行所对应的超差结论即为不可确定超差，表2中不存在不可确定超差。

(2)计量覆盖率：如果计量链中所有的mi都可以执行，则覆盖率可认为是100%。图5的计量链中，当缺少m8时, 计量覆盖率为：接受校准参量数/总参量数=10/11×100%=90.9%。

(3)冗余检定：如果相关性矩阵中存在对应元素相等的列元素，Mi=Mj(i≠j), 则i、j两列对应的校准互为冗余检定，表2中不存在冗余检定。

(4)隐藏超差集：多个仪器发生超差时和单个仪器超差时表现特征相同，隐藏超差集的存在使得对仪器是否超差造成遗漏，定义隐藏超差集可以对多超差计量策略设计提供参考依据。例如表2中v2的隐藏集为{v3,v6}。

(5)可计量性贡献率：描述不同仪器在装备可计量性指标中的重要程度，可作为检定周期及量值稳定性分析的重要依据。表2中上级计量的贡献率为34%。

5　结束语

测绘导航装备的可计量性设计是一项非常重要又容易被忽视的技术活动，目前也缺乏理论、技术和实践性研究。本文尝试建立一套科学规范、有指导性的设计和分析方法，所提出的策略和方法也还需要在实践中不断检验和改进。此外，在更复杂条件下多信号模型以及可计量性与测试性、维修性等其它设计综合分析等问题还需要进一步深入研究。

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[6]蒋薇. 装备可计量性的相关性模型研究[D]. 长沙：国防科技大学，2012.

[7]董锁利. 论装备可计量性设计专业化的必然性[J]. 计量信息化与管理，2013，33(1):38-40.

[8]蒋薇，张玘，汪静. 装备可计量性的相关性模型研究与分析[J]. 电子测量与仪器学报，2012，26(4):299-304.

[9]刘智超. 测绘装备机动计量保障系统设计与实现[D]. 郑州：信息工程大学，2012.

[10]汪静，欧阳红军，蒋薇. ATE可计量性信息流建模与分析研究[J].仪器仪表学报，2012，33(11):2503-2508.

Measurability Design and Analysis of Surveying,Mapping & Navigation Equipment

Ju Zhibin1,2, Liu Zongyi1,2, Zhang Liping1,2

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Measurability is an inherent characteristic of equipment quality. On the basis of measurability concept introduction, the design strategy is put forward and the index system is set up for surveying, mapping & navigation equipment measurability. Referring to the information flow model, the measurability design and analysis method are studied, which provides theoretical and technological support for the standardization and enhancement of measurability design of surveying, mapping & navigation equipment.

measurability; surveying, mapping & navigation; information flow model; dependency matrix

2016-02-02。

巨志斌(1974—)，男，副研究员，主要从事装备技术基础研究。

TB9

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