巨志斌，劉宗毅，張麗萍

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054

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測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計與分析

巨志斌1,2，劉宗毅1,2，張麗萍1,2

1. 西安測繪研究所，陜西 西安，710054；2. 地理信息工程國家重點實驗室，陜西 西安，710054

可計量性是一種固有的裝備質(zhì)量特性。本文在介紹可計量性概念的基礎(chǔ)上，針對測繪導(dǎo)航裝備可計量性提出了設(shè)計策略，構(gòu)建了指標體系，基于信息流模型探討了測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計和分析方法，為規(guī)范和強化測繪導(dǎo)航裝備的可計量性設(shè)計工作提供理論和技術(shù)支撐。

可計量性；測繪導(dǎo)航；信息流模型；相關(guān)性矩陣

1　引　言

計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動[1]。在裝備研制、生產(chǎn)、使用和維護各個階段實施有效的計量保障，能夠使裝備所規(guī)定的指標進行檢定或校準，確保裝備性能參數(shù)的量值準確和單位統(tǒng)一，提高裝備的性能、質(zhì)量、安全和經(jīng)濟效益[2]?？捎嬃啃?Measurability)是隨著裝備計量發(fā)展從裝備量值溯源和檢測受控相關(guān)特性角度提出的一個新概念，用以描述裝備計量水平，其概念和內(nèi)涵目前還沒有完全統(tǒng)一認識，綜合起來有以下幾種：

(1)裝備具有可測量的性能。主要包括反映裝備基本性能的各種量值的可測性、合理性和復(fù)現(xiàn)性等自身性能指標[3]。

(2)裝備的一種設(shè)計特性，是指在裝備規(guī)定的應(yīng)用條件下，使用規(guī)定的計量資源(包括外部計量工具和嵌入式計量設(shè)備)對其開展參數(shù)測量和量值傳遞、比對的能力[3]。

(3)產(chǎn)品(系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備或組件，包括軟硬件)能及時、準確地確定其參數(shù)或量值(可計量、不可計量)的一種設(shè)計特性[3]。

(4)各測量(測試)設(shè)備所具有的反映其量值準確、數(shù)據(jù)可靠和計量便利程度的一種設(shè)計特性，貫穿于裝備全壽命周期[4]。

(5)對測試設(shè)備本身反映其量值溯源難易程度和對計量資源依賴程度的固有屬性[5]。

顯然，可計量性是一種設(shè)計特性，面向的對象是有計量需求的裝備或?qū)Ｓ脺y試系統(tǒng)。

測繪導(dǎo)航裝備由于其高精度特性和測量功能，與計量工作關(guān)系十分緊密，不僅裝備本身需要完善的計量保障體系，而且很多裝備(如全站儀、經(jīng)緯儀、BD用戶機等)還被用于幾何量、時間頻率等參數(shù)量值傳遞的標準構(gòu)建?，F(xiàn)實中由于在裝備論證研制階段對可計量性的忽略，造成了很多測繪導(dǎo)航裝備缺少計量測試接口、缺乏高精度測量標準、裝備性能參數(shù)溯源率低等問題。因此，對于測繪導(dǎo)航裝備的可計量性分析、設(shè)計和評價是十分必要和非常有意義的，需要一套科學可行的設(shè)計方法和指標體系。

2　測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計策略

2.1全壽命各階段可計量性設(shè)計工作

在實施測繪導(dǎo)航裝備全壽命質(zhì)量管理所必需的六性(可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性)設(shè)計中并未包括可計量性，這一方面是因為沒有計量需求的裝備(如大量軟件裝備)不需要可計量性設(shè)計，另一方面由于可計量性與六性相互滲透和交互作用，特別是與測試性和維修性密切相關(guān)，因此，在實際工作中不必單獨研究和設(shè)計，應(yīng)該在論證設(shè)計階段，根據(jù)綜合指標，開展可計量性與“六性”指標一體化設(shè)計，以多指標綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、風險分析和費效比評估為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化組合，科學確定可計量性與裝備“六性”指標需求。另外，可以建立共同的綜合驗證評價模型，對裝備的整體效能做科學的驗證與評價[4]。

測繪導(dǎo)航裝備的可計量性由于其設(shè)計特性，重點工作應(yīng)放在裝備論證設(shè)計階段，同時可計量性工作又是一個連續(xù)的系統(tǒng)工程，貫穿于裝備全壽命周期，各階段中可計量性設(shè)計工作的主要任務(wù)如圖1所示。

圖1　測繪導(dǎo)航裝備全壽命各階段可計量性設(shè)計工作

在論證設(shè)計階段，通過綜合分析裝備戰(zhàn)技指標來確定合理的可計量性指標，把便于計量、降低計量難度、保證量值準確等要求納入設(shè)計規(guī)范，并通過可計量性分析來驗證設(shè)計質(zhì)量和改進設(shè)計。在方案階段，建立可計量性模型，對可計量性進行定性和定量評價，對可計量性設(shè)計進行可行性驗證；在研制階段，將可計量性設(shè)計方案進行實踐，將可計量性固化為裝備的自身特性。在試驗階段，通過獲取測試數(shù)據(jù)分析驗證可計量性設(shè)計特性，進行可計量性設(shè)計的改進。對于已經(jīng)交付的裝備，為了掌握裝備可計量性水平和便于改進升級，應(yīng)該對其可計量性建立高效、可靠的評價方法，對可計量性進行合理評價。

2.2可計量性設(shè)計的原則

測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計是比較復(fù)雜的工程，它需要綜合考慮測試性、維修性、可靠性等許多因素，筆者認為應(yīng)遵循以下原則：

(1)計量參數(shù)能夠覆蓋主要性能；

(2)應(yīng)綜合考慮可靠性、維修性等設(shè)計特性，在滿足裝備效能要求的情況下使計量校準周期最優(yōu)化；

(3)應(yīng)考慮計量的方便，設(shè)計計量接口；

(4)計量校準時應(yīng)保證系統(tǒng)的完整性，盡量不拆卸系統(tǒng)；

(6)盡量使用通用標準(工具)，減少專用檢校設(shè)備；

(7)能夠?qū)Χ鄠€獨立的功能部件進行并行計量；

(8)設(shè)計時應(yīng)考慮實現(xiàn)的費用和代價，從效費比出發(fā)進行權(quán)衡；

(9)相對于離位計量應(yīng)優(yōu)先考慮原位計量方案；

(10)條件具備時應(yīng)考慮自動化計量。

3　測繪導(dǎo)航裝備可計量性指標體系

設(shè)計測繪導(dǎo)航裝備的可計量性指標體系是分析、評價裝備計量保障水平及能力的基礎(chǔ)和前提。結(jié)合有關(guān)文獻研究成果[4,6]，綜合考慮測繪導(dǎo)航裝備計量保障特征和系統(tǒng)性、客觀性、完備性、一致性原則，本文提出測繪導(dǎo)航裝備可計量性指標體系如圖2所示。

圖2　測繪導(dǎo)航裝備可計量性指標體系

3.1便利性指標

(1)計量可達性：反映了在對武器裝備進行計量校準時，接近被校設(shè)備的難易程度。計量可達性會為裝備的現(xiàn)場快速計量保障提供有效的支撐。

(2)計量可行性：對于制定的計量計劃，能否確?？梢詰?yīng)用與執(zhí)行，可以理解為對計量工作能否進行的確定。

(3)(最佳)計量周期：在滿足計量要求的情況下相鄰兩次計量所間隔的最長時間，反映裝備計量的便利程度。

(4)通用計量設(shè)備占有率：通用計量設(shè)備數(shù)與計量設(shè)備總數(shù)之比，反映采用通用計量設(shè)備和計量接口的水平。

(5)保障時間：在規(guī)定的條件下，實施計量時所耗費的時間。

3.2量值準確性指標

(1)溯源率：可實施計量的參數(shù)與應(yīng)計量的參數(shù)之比，指標越高，表明可計量性越好，該裝備的計量保障有效性就越好。

(2)溯源性：通過具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果或測量標準的量值能夠與規(guī)定的參照標準、國家測量標準或國際測量標準聯(lián)系起來的特性。

(3)量值傳遞率：進行量值傳遞的量值數(shù)與量值總數(shù)的比值，檢驗裝備參量接受量值傳遞多少的情況。

(4)計量覆蓋率：可實施計量的儀器(設(shè)備)數(shù)與應(yīng)計量的儀器(設(shè)備)總數(shù)之比。反映實施計量保障的基本能力，即已建立的測量標準對裝備或檢測設(shè)備需要開展的計量檢定或校準的覆蓋情況。此指標可在裝備論證階段作為使用指標。

(5)計量受檢率：已計量的裝備數(shù)與應(yīng)計量的裝備總數(shù)之比。反映了裝備技術(shù)狀態(tài)的受控能力。此指標可用于裝備可計量性評價。

(6)自檢率：可自檢量與應(yīng)檢量之比，反映自保障能力。

4　測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計

4.1可計量性設(shè)計流程

可計量性設(shè)計主要是在裝備研發(fā)階段的一項技術(shù)活動，可計量性設(shè)計的基礎(chǔ)可以抽象為一個技術(shù)規(guī)范，這個規(guī)范是實現(xiàn)裝備可計量的所有約束的集合，只要在這個規(guī)范指導(dǎo)下，設(shè)計出來的裝備就具有可計量性[7]。按照可操作性原則，測繪導(dǎo)航裝備的可計量性設(shè)計流程如圖3所示。

圖3　測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計流程

在裝備的需求論證階段要開展可計量性需求分析，分解出可計量性指標。在設(shè)計階段形成可計量性初步方案，可以通過建立數(shù)學模型(如基于信息流的相關(guān)性模型)對設(shè)計方案進行靜態(tài)分析和策略優(yōu)化，優(yōu)化后的詳細設(shè)計方案最終要進行驗證和評估，形成評估結(jié)論。

4.2可計量性模型

4.2.1相關(guān)性模型

從上述測繪導(dǎo)航裝備可計量性設(shè)計流程中可以看出，可計量性分析是非常關(guān)鍵的部分，基于數(shù)學模型可計量性分析能夠科學有效地辨識不可確定的超差、模糊組以及冗余校準等，有助于計量策略的制定與優(yōu)化。

可計量性建模是可計量性技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題，目前國內(nèi)外研究成果多是采用在測試性分析中比較成熟的相關(guān)性模型。相關(guān)性模型提出于20 世紀 80 年代，該模型不直接對系統(tǒng)硬件進行描述, 而是通過有向圖來描述部件與測試點之間的因果連接關(guān)系, 也被稱為因果模型(causal effect model)或者診斷推理模型(diagnostic inference model)[8]。

信息流模型是一種典型的相關(guān)性模型，可以通過圖4所示的有向圖進行表征，故障隔離結(jié)論與測試之間的相關(guān)關(guān)系用表1所示的布爾矩陣FT表征。

圖4　信息流有向圖

表1故障隔離與測試的相關(guān)矩陣(FT矩陣)

在信息流模型中，用t1表示測試(l=1,…,N,N為系統(tǒng)中測試總數(shù))，測試結(jié)果用布爾變量表示，若tl輸出正常，則為“0”；反之為“1”。用fk表示故障隔離結(jié)論(k=1,…,L,L為系統(tǒng)中故障隔離結(jié)論總數(shù))，當對應(yīng)的故障發(fā)生時，fk為“1”；反之為“0”。

矩陣 FT 的行理解為可以檢測該行所列故障隔離結(jié)論的測試，如果該故障隔離結(jié)論出現(xiàn)，則該行“1”元素對應(yīng)的測試結(jié)果均異常；矩陣 FT 的列理解為該列所對應(yīng)的測試可檢測的故障隔離結(jié)論，只要該列中“1”對應(yīng)的故障隔離結(jié)論有一個存在，則該列對應(yīng)的測試結(jié)果為異常。

4.2.2可計量性信息流模型

對于測繪導(dǎo)航裝備可計量性的信息流模型，可參照測試性建模思想，根據(jù)溯源鏈的連接確定相關(guān)矩陣，然后利用相關(guān)矩陣分析整個系統(tǒng)的可計量性。本文以“測繪導(dǎo)航裝備機動計量保障系統(tǒng)[9]”為例來介紹可計量性建模方法。

“測繪導(dǎo)航裝備機動計量保障系統(tǒng)” 的主要目的是在野外機動條件下對測繪導(dǎo)航裝備進行計量檢定，其核心部分是車載式測量標準裝置，含車載式長度、頻率、角度和水準標準裝置。按照信息流模型分析其計量鏈如圖5所示。

圖5　測繪導(dǎo)航裝備機動計量保障系統(tǒng)計量鏈信息流有向圖

用mj表示相鄰儀器的校準或檢定過程，vi表示檢定的結(jié)果，合格則為“0”，超差則為“1”。超差結(jié)論與檢定的相關(guān)矩陣見表2。

表2超差與檢定相關(guān)矩陣

m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11v111111111111v211100000000v301100000000v400011100000v500001100000v600100100000v700000011000v800000001000v900000000111v1000000000011v1100000000001

表2矩陣中的行表示若該模塊(儀器)超差，該行“1”對應(yīng)的檢定會出現(xiàn)異常；矩陣中的列表示只要該列中“1”元素對應(yīng)的超差結(jié)論有一個發(fā)生，則該列對應(yīng)的檢定是異常的，結(jié)果是不可信的。

4.2.3基于相關(guān)性矩陣的可計量性分析

基于相關(guān)性矩陣就可以開展系統(tǒng)可計量性分析[6,8,10]，獲得的指標可以評估、改進計量策略，完善可計量性設(shè)計，這些指標主要包括不可確定的超差、計量覆蓋率、隱藏超差集、冗余檢定、檢定周期等。

(1)不可確定的超差：矩陣中不存在能檢測該模塊的檢定操作，認為是缺少可計量性。如果相關(guān)性矩陣中存在全為0的行，則該行所對應(yīng)的超差結(jié)論即為不可確定超差，表2中不存在不可確定超差。

(2)計量覆蓋率：如果計量鏈中所有的mi都可以執(zhí)行，則覆蓋率可認為是100%。圖5的計量鏈中，當缺少m8時, 計量覆蓋率為：接受校準參量數(shù)/總參量數(shù)=10/11×100%=90.9%。

(3)冗余檢定：如果相關(guān)性矩陣中存在對應(yīng)元素相等的列元素，Mi=Mj(i≠j), 則i、j兩列對應(yīng)的校準互為冗余檢定，表2中不存在冗余檢定。

(4)隱藏超差集：多個儀器發(fā)生超差時和單個儀器超差時表現(xiàn)特征相同，隱藏超差集的存在使得對儀器是否超差造成遺漏，定義隱藏超差集可以對多超差計量策略設(shè)計提供參考依據(jù)。例如表2中v2的隱藏集為{v3,v6}。

(5)可計量性貢獻率：描述不同儀器在裝備可計量性指標中的重要程度，可作為檢定周期及量值穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。表2中上級計量的貢獻率為34%。

5　結(jié)束語

測繪導(dǎo)航裝備的可計量性設(shè)計是一項非常重要又容易被忽視的技術(shù)活動，目前也缺乏理論、技術(shù)和實踐性研究。本文嘗試建立一套科學規(guī)范、有指導(dǎo)性的設(shè)計和分析方法，所提出的策略和方法也還需要在實踐中不斷檢驗和改進。此外，在更復(fù)雜條件下多信號模型以及可計量性與測試性、維修性等其它設(shè)計綜合分析等問題還需要進一步深入研究。

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[4]汪靜. 軍用 ATS 可計量性關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長沙：國防科技大學，2010.

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[6]蔣薇. 裝備可計量性的相關(guān)性模型研究[D]. 長沙：國防科技大學，2012.

[7]董鎖利. 論裝備可計量性設(shè)計專業(yè)化的必然性[J]. 計量信息化與管理，2013，33(1):38-40.

[8]蔣薇，張玘，汪靜. 裝備可計量性的相關(guān)性模型研究與分析[J]. 電子測量與儀器學報，2012，26(4):299-304.

[9]劉智超. 測繪裝備機動計量保障系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 鄭州：信息工程大學，2012.

[10]汪靜，歐陽紅軍，蔣薇. ATE可計量性信息流建模與分析研究[J].儀器儀表學報，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，副研究員，主要從事裝備技術(shù)基礎(chǔ)研究。

TB9

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