倪君菲

【摘 要】民用飛機(jī)設(shè)計過程復(fù)雜，往往需要開展大量的模擬試驗來驗證設(shè)計的合理性。本文以民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目為研究對象，在介紹了測量系統(tǒng)和測量系統(tǒng)分析概念的基礎(chǔ)上，通過分析民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗過程中對測量系統(tǒng)的控制現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其存在對測量系統(tǒng)缺乏整體有效評價的問題。針對該問題，本文提出了對測量系統(tǒng)進(jìn)行整體有效評價的內(nèi)容和步驟，并通過實例應(yīng)用加以說明。本文對民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目中測量系統(tǒng)分析的開展具有一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗；測量系統(tǒng)；測量系統(tǒng)分析

中圖分類號： C81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.002

Application of Measurement System Analysis in Civil Aircraft System Simulation Test Project

NI Jun-fei

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute，Shanghai 201210，China）

【Abstract】Due to the complexity of civil aircraft design process，a large number of simulation tests are often needed to verify the rationality of the design. In this paper，we focus on the aircraft system simulation tests，introduce the concepts of the measurement system and the measurement system analysis，analyze the current status of measurement system，and find that an effective the overall effective evaluation of the measurement system is lacked.To solve this problem，here，we put forward the contents and steps of the overall effective evaluation of the measurement system，and illustrate it through examples.Our study provides novel ideas and reference not only to the analysis of the aircraft system measurement.

【Key words】Aircraft system simulation test；Measurement system；Measurement system analysis

0 前言

在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)過程中，為了保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品能滿足顧客需求，我們需要對產(chǎn)品研制過程進(jìn)行監(jiān)視和測量，同時在產(chǎn)品成型后還需對產(chǎn)品本身進(jìn)行各種測試，這些往往需要收集大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)就需要使用測量系統(tǒng)來提供。測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)經(jīng)常是我們用于做出判斷或決策的依據(jù)，因此數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接影響到我們做出的決策[1]。

理想的測量系統(tǒng)每次測量都應(yīng)該沒有測量誤差的存在，而且面對同一個被測對象每次測量的結(jié)果都應(yīng)該是相一致的，但事實上，世界上并不存在這樣的測量系統(tǒng)，也就是說測量系統(tǒng)總是會存在測量誤差[2]，所以我們需要進(jìn)行測量系統(tǒng)分析和控制，盡量減小測量誤差，以保證得到高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)。

1 測量系統(tǒng)分析概述

1.1 測量系統(tǒng)概念

測量人員在環(huán)境條件下利用測量設(shè)備以一定的測量方法對被測對象進(jìn)行測量得到測量數(shù)據(jù)，在這個測量過程中，測量人員、測量設(shè)備和必要的軟件、被測對象、測量方法、測量環(huán)境就構(gòu)成了一個測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、操作、方法、軟件、操作人員、環(huán)境和條件等的集合[3]。

1.2 測量系統(tǒng)分析概念

測量系統(tǒng)是測量人員、測量設(shè)備、被測對象、測量方法、測量環(huán)境所構(gòu)成一個集合，那么顧名思義測量系統(tǒng)分析就是對這個集合進(jìn)行分析評估，用統(tǒng)計學(xué)的方法來分析測量系統(tǒng)的各個波動源，以及它們對測量結(jié)果的影響，判斷測量系統(tǒng)是否符合使用要求[4]。

2 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀分析

2.1 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目概述

民機(jī)系統(tǒng)是由飛控、液壓、電源、航電等系統(tǒng)組成，民機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計是個復(fù)雜而又漫長的過程，設(shè)計過程中需要開展大量的模擬試驗來支持驗證設(shè)計的合理性，這些試驗統(tǒng)稱為民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗，它是在模擬真實條件下完成飛機(jī)各類功能、性能試驗，以表明飛機(jī)各系統(tǒng)的功能符合設(shè)計要求，滿足適航符合性要求。

2.2 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)的構(gòu)成

民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗周期長、參與人員多，在試驗過程中會產(chǎn)生許多測量數(shù)據(jù)。試驗人員依據(jù)經(jīng)確認(rèn)的試驗方法或測量方法，使用測量設(shè)備，在一定試驗環(huán)境下開展對被測試驗對象進(jìn)行測量，得到大量試驗數(shù)據(jù)。在這個過程中，試驗人員、試驗方法/測量方法、被測試驗對象、測量設(shè)備、試驗環(huán)境就構(gòu)成了一個試驗測量系統(tǒng)。

2.3 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

目前在民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目中，對試驗人員、測量設(shè)備、試驗大綱和試驗環(huán)境都做了不同程度的要求：

1）試驗人員。經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)，持有上崗證；

2）測量設(shè)備。需經(jīng)計量符合試驗要求且在計量有效期內(nèi)；

3）試驗方法。需經(jīng)過評審確認(rèn)；

4）試驗環(huán)境。需符合試驗和測量設(shè)備使用要求。

2.4 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)控制存在問題

民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目中，產(chǎn)生的大量試驗數(shù)據(jù)均來自試驗測量系統(tǒng)的測量，而試驗測量系統(tǒng)是由試驗人員、測量設(shè)備、試驗被測對象、試驗方法/測量方法、試驗環(huán)境構(gòu)成，其中任何一部分發(fā)生較大波動都會導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。同時這些因素之間可能還會存在某些兩兩交互作用，需要加以識別判斷。雖然我們已經(jīng)對這些組成因素做了不同程度的要求和控制，但始終缺乏對試驗測量系統(tǒng)的整體有效分析評價，沒有對試驗測量系統(tǒng)做出整體是否符合要求的定量判斷，也就無法保證試驗測量系統(tǒng)能得到高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)。

3 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)控制改進(jìn)

3.1 測量系統(tǒng)分析方法的應(yīng)用

針對民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目試驗測量系統(tǒng)控制存在的問題，我們應(yīng)對試驗測量系統(tǒng)進(jìn)行整體有效分析評價，即在目前試驗測量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運用六西格瑪管理中的測量系統(tǒng)分析方法對試驗測量系統(tǒng)進(jìn)行分析評價，判斷試驗測量系統(tǒng)是否滿足要求。若試驗測量系統(tǒng)存在不符合要求的現(xiàn)象，應(yīng)分析原因，采取有效措施，以減小或者消除試驗測量系統(tǒng)變差對試驗數(shù)據(jù)的影響，保證得到高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)。

3.2 測量系統(tǒng)分析的評價指標(biāo)

測量系統(tǒng)變異類型有五種：偏倚、線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性，這也是測量系統(tǒng)分析中評判測量系統(tǒng)是否可被接受的指標(biāo)[5]。

1）偏倚：測量系統(tǒng)對于某個被測對象進(jìn)行多次測量，其結(jié)果的平均值與其基準(zhǔn)值之差。所謂基準(zhǔn)值是由更高精度的測量設(shè)備提供；

2）線性：每個測量系統(tǒng)都具有相應(yīng)的測量范圍，所謂線性就是測量系統(tǒng)在測量范圍內(nèi)其偏倚的變化是否呈線性；

3）穩(wěn)定性：測量系統(tǒng)對某一被測對象的測量結(jié)果隨著時間變化而發(fā)生改變的程度，即偏倚隨時間的變化；

4）重復(fù)性：相同的測量人員、測量方法和測量設(shè)備，對同一被測對象進(jìn)行多次測量所得測量結(jié)果的變異；

5）再現(xiàn)性：不同的測量人員采用相同的測量設(shè)備和測量方法對同一被測對象進(jìn)行多次測量，所得測量結(jié)果平均值的變異，又稱測量人員的變異。

3.3 測量系統(tǒng)分析的步驟

在開展測量系統(tǒng)分析前需要做好充分的策劃和準(zhǔn)備，主要步驟如下：

1）確定參與分析的測量設(shè)備和測量人員

該步驟主要包括確定測量設(shè)備和測量人員。其中應(yīng)確認(rèn)參與分析的測量設(shè)備應(yīng)經(jīng)過有資質(zhì)計量技術(shù)機(jī)構(gòu)的檢定/校準(zhǔn)，符合使用要求且在計量有效期內(nèi)，同時還需確認(rèn)測量設(shè)備的分辨力應(yīng)優(yōu)于被測對象分辨力的1/10。通常情況下往往選擇3個測量人員，測量人員應(yīng)經(jīng)過培訓(xùn)，熟練掌握了測量方法和測量設(shè)備的操作，具有相關(guān)上崗證。

2）確定測量方法

該步驟主要是確定被測對象的數(shù)量、測量數(shù)據(jù)的類型和數(shù)據(jù)的測量方法。

3）收集測量數(shù)據(jù)

該步驟主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和收集。在測量過程中，測量人員應(yīng)按要求完成數(shù)據(jù)測量，彼此間互不干擾并做好數(shù)據(jù)記錄，妥善保存。

4）分析測量數(shù)據(jù)

完成數(shù)據(jù)測量后，借助Minitab質(zhì)量管理統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷測量系統(tǒng)是否滿足要求，若存在不符合要求的情況需進(jìn)一步分析根本原因，制定相關(guān)措施，減小或消除變差。

3.4 實例應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目中較為常見的專用測試設(shè)備，其在試驗數(shù)據(jù)測量中發(fā)揮著巨大作用。本文采用某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為測量系統(tǒng)分析的測量設(shè)備，該設(shè)備經(jīng)過計量校準(zhǔn)且在計量有效期內(nèi)，同時其分辨力也滿足測量需求1/10的要求。邀請3名試驗人員作為測量人員，分別簡稱為測量人員甲、乙、丙，該3名試驗人員均從事試驗工作多年且均受過相關(guān)培訓(xùn)持有上崗證，能熟練操作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.4.1 數(shù)據(jù)測量收集

1）穩(wěn)定性數(shù)據(jù)測量收集

從甲、乙、丙3名試驗人員中隨機(jī)選擇一人作為穩(wěn)定性數(shù)據(jù)的測量人員，其在10天內(nèi)，每天在上午、中午、下午三個不同時間段用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對20A直流電流進(jìn)行測量，按表1方式測量并記錄數(shù)據(jù)。

2）偏倚和線性數(shù)據(jù)測量收集

從甲、乙、丙3名試驗人員中隨機(jī)選擇一人作為偏倚和線性數(shù)據(jù)的測量人員，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每次分別對20A、30A、40A、50A和60A直流電流進(jìn)行測量，共進(jìn)行12次測量。按表2方式測量并記錄數(shù)據(jù)，測量時用更高精度的多功能標(biāo)準(zhǔn)源提供基準(zhǔn)值。

3）重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)測量收集

甲、乙、丙3名測量人員依次在較短的時間內(nèi)采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對30A直流電流進(jìn)行3次測量，每次測量10個數(shù)據(jù)。按表3格式進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)。

3.4.2 測量數(shù)據(jù)分析

1）穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析

將表1記錄的數(shù)據(jù)輸入Minitab軟件中分析得到圖1。

從圖1中可以得出，所有數(shù)據(jù)均落在了控制圖的控制限內(nèi)，并無出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此可以認(rèn)為測量系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

2）偏倚和線性數(shù)據(jù)分析

將表2記錄的數(shù)據(jù)輸入Minitab軟件中分析得到圖2。

從圖2中可以得出，測量系統(tǒng)各測量點偏倚P值均為0<0.05，表明測量系統(tǒng)存在顯著偏倚。偏倚=0線未落入95%置信區(qū)間內(nèi)，同時偏倚隨測量點的增大而逐漸增大，說明測量系統(tǒng)具有明顯線性。所以偏倚和線性都不可被接受。

3）重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)分析

將表3記錄的數(shù)據(jù)輸入到Minitab軟件中分析得到圖3。

3.4.3 測量系統(tǒng)改進(jìn)

1）分析存在問題原因

查看最近幾年數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)用于本次測量系統(tǒng)分析的電流通道雖從未超差，但數(shù)據(jù)一直偏小，同時偏小幅度在逐漸變大，結(jié)合線性和偏倚的分析結(jié)果，最終得出可能是該電流通道的精密電阻阻值發(fā)生了漂移。經(jīng)測量精度±0.1%，8Ω的精密電阻阻值變成了7.95Ω，阻值漂移嚴(yán)重。

2）改進(jìn)措施

在這種情況下，更換高精度的8Ω精密電阻是最為合適的方法，但精密電阻更換涉及設(shè)備維修處理，周期會較長，可以通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道增益系數(shù)來減小偏倚。電流通道變比x=1000，則原通道增益系數(shù)為y=x/R=1000/8=125，如今需要重新計算通道增益系數(shù)，y=x/R=1000/7.95=125.786，于是將該通道增益系數(shù)設(shè)置為125.786。

3）改進(jìn)效果

按表2格式重新測量偏倚和線性數(shù)據(jù)并記錄得到表4。

從圖4中可以得出各測量點偏倚P值均大于0.05，說明測量系統(tǒng)無顯著偏倚，同時偏倚=0線也完全包含于95%置信區(qū)間內(nèi)，線性消除滿足要求。說明通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道增益系數(shù)的調(diào)整對測量系統(tǒng)產(chǎn)生了積極影響，效果明顯。

4 結(jié)論

試驗測量系統(tǒng)由試驗人員、測量設(shè)備、試驗被測對象、試驗方法（測量方法）、試驗環(huán)境等構(gòu)成，試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量受到試驗測量系統(tǒng)各組成因素影響。在民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗項目中，雖然對試驗測量系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行了必要控制，但是測量系統(tǒng)仍可能存在不符合要求的現(xiàn)象。因此有必要運用測量系統(tǒng)分析方法，對試驗測量系統(tǒng)進(jìn)行分析評價，判斷測量系統(tǒng)是否滿足試驗的要求。對其不滿足要求的變異進(jìn)行原因分析，制定有效改進(jìn)措施，減小或消除測量系統(tǒng)變差對試驗數(shù)據(jù)的影響，保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

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