袁慧秀王俊博陳 申梁曉瑜曹 璇

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津300301；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州310018；3.陸軍裝備部航空軍事代表局駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，黑龍江哈爾濱150001）

1 引 言

直升機(jī)因其良好的高機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性而得到廣泛應(yīng)用，被稱為“樹梢殺手”或“低空礪劍”。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代直升機(jī)功能日益復(fù)雜，承擔(dān)的任務(wù)類型也逐漸多樣化。 為了實(shí)現(xiàn)綜合管理、飛行操縱、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全報(bào)警、通信導(dǎo)航、供電配電等功能，直升機(jī)安裝了種類繁多的機(jī)載設(shè)備，其包括了大量傳感器和測(cè)試設(shè)備。 這些設(shè)備由于長(zhǎng)期處于復(fù)雜的使用環(huán)境中，其準(zhǔn)確度會(huì)逐漸下降，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正，將會(huì)造成安全隱患，影響飛行任務(wù)的執(zhí)行。 因此，直升機(jī)及其機(jī)載設(shè)備必須及時(shí)開展計(jì)量保障，以保證其處于完好狀態(tài)。

在使用過程中，各兵種對(duì)直升機(jī)專用檢測(cè)設(shè)備的計(jì)量技術(shù)保障工作進(jìn)行了長(zhǎng)期有效的探索和實(shí)踐，使檢測(cè)設(shè)備計(jì)量覆蓋率和計(jì)量受檢率得到明顯提升，但經(jīng)過對(duì)直升機(jī)用戶的調(diào)研和工作溝通，直升機(jī)計(jì)量保障在實(shí)踐過程中仍存在以下突出問題。

1）因缺乏必要的硬件接口、信號(hào)適配器或必要的測(cè)試軟件而無(wú)法檢測(cè)部分影響人身與裝備安全的機(jī)載設(shè)備的性能；

2）機(jī)載設(shè)備和部分地面測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)校準(zhǔn)方法不規(guī)范，部分計(jì)量參數(shù)無(wú)法溯源到國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)，部分檢測(cè)校準(zhǔn)的有效性得不到保證；

3）無(wú)法統(tǒng)一規(guī)劃直升機(jī)在使用階段的計(jì)量保障工作，不能合理配置與計(jì)量保障相關(guān)的人力和物力資源；

4）部分設(shè)備的檢測(cè)校準(zhǔn)方法配置不當(dāng)，未充分利用現(xiàn)有資源，提高了計(jì)量保障成本。

在現(xiàn)有的直升機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)中，直升機(jī)的計(jì)量保障工作往往滯后于直升機(jī)設(shè)計(jì)工作，發(fā)現(xiàn)計(jì)量問題時(shí)直升機(jī)業(yè)已設(shè)計(jì)定型，難以通過更改現(xiàn)有設(shè)計(jì)解決。 而上述問題的核心在于現(xiàn)有的計(jì)量保障方式是一種事后保證的被動(dòng)行為，從直升機(jī)全壽命周期的角度來看，屬于末端介入，大大制約計(jì)量保障的實(shí)施和效果。 因此，直升機(jī)計(jì)量保障工作的順利開展亟需轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的工作方式，進(jìn)行謀事在先的主動(dòng)作為，即同步開展計(jì)量工作與直升機(jī)設(shè)計(jì)工作，在設(shè)計(jì)直升機(jī)的同時(shí)考慮計(jì)量保障的需求。 通過在整個(gè)研制過程中開展可計(jì)量性設(shè)計(jì)，使直升機(jī)具備良好的可計(jì)量性，從而為直升機(jī)使用階段的計(jì)量保障奠定良好的基礎(chǔ)，提高維修技術(shù)水平，有效降低使用維護(hù)成本。

2 直升機(jī)可計(jì)量性及可計(jì)量性設(shè)計(jì)

可計(jì)量性（Measurability）是從裝備量值溯源和檢測(cè)受控相關(guān)特性角度提出的新概念，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)可計(jì)量性和可計(jì)量性設(shè)計(jì)尚未有統(tǒng)一的定義。 有文獻(xiàn)將可計(jì)量性定義為“裝備各測(cè)量（測(cè)試）設(shè)備所具有的反映其量值準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)可靠和計(jì)量便利程度的一種設(shè)計(jì)特性，貫穿于裝備全壽命周期”，也有文獻(xiàn)將其表述為“專用測(cè)試設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿足性能、可靠性要求，還要考慮計(jì)量的方便與可行性”；有文獻(xiàn)提出可計(jì)量性設(shè)計(jì)（Measurability Design）指在裝備研發(fā)階段，通過技術(shù)手段，使裝備在實(shí)現(xiàn)由設(shè)計(jì)向生產(chǎn)轉(zhuǎn)型時(shí)具備可計(jì)量功能，確保裝備在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量的一項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)。 一般可以認(rèn)為，裝備可計(jì)量性指裝備及其檢測(cè)設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計(jì)量保障的特性，而裝備的可計(jì)量性設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)裝備的可計(jì)量性所進(jìn)行的一種設(shè)計(jì)。

經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者關(guān)于可計(jì)量性及可計(jì)量性設(shè)計(jì)研究的分析，結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)在直升機(jī)設(shè)計(jì)和計(jì)量保障的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為在直升機(jī)的研制過程中，可將直升機(jī)可計(jì)量性定義為：直升機(jī)及其配套檢測(cè)設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計(jì)量保障的能力；而將直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)定義為：直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中，通過合理設(shè)計(jì)計(jì)量接口，配備專用的軟件、硬件以及信號(hào)輸入、輸出端口（適配器），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)及其配套檢測(cè)設(shè)備性能和參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)量。

基于筆者在直升機(jī)研制過程中與計(jì)量相關(guān)的工作實(shí)踐，目前直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)工作的問題可總結(jié)如下。

1）缺乏可計(jì)量性需求的正向捕獲方法。 直升機(jī)研制初期并未考慮計(jì)量保障的需求，也未分析計(jì)量參數(shù)與整機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備性能的關(guān)系，導(dǎo)致直升機(jī)計(jì)量保障規(guī)劃時(shí)不清楚目標(biāo)，計(jì)量保障實(shí)施時(shí)部分設(shè)備參數(shù)由于缺乏必要的硬件接口、信號(hào)適配器或必要的測(cè)試軟件而無(wú)法檢測(cè)，計(jì)量保障僅覆蓋部分場(chǎng)景；

2）缺乏可計(jì)量性的正向設(shè)計(jì)工具。 可計(jì)量性設(shè)計(jì)與直升機(jī)設(shè)計(jì)難以有效結(jié)合，導(dǎo)致部分設(shè)備的檢測(cè)／校準(zhǔn)方法不規(guī)范，計(jì)量溯源鏈不明晰，計(jì)量資源配置不合理，計(jì)量測(cè)試原位接口規(guī)劃不足、性能指標(biāo)受檢率低，不便于計(jì)量保障的快速實(shí)施，提高了計(jì)量保障的實(shí)施成本；

3）缺乏可計(jì)量性的有效驗(yàn)證途徑。 目前，直升機(jī)研制過程中僅開展了設(shè)備級(jí)的可計(jì)量性驗(yàn)證，可計(jì)量性設(shè)計(jì)的評(píng)估以采用定性評(píng)審方式為主，評(píng)估結(jié)果缺少試驗(yàn)證據(jù)，難以保證可計(jì)量性設(shè)計(jì)的有效性。

3 直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)流程

3.1 直升機(jī)可計(jì)量性模型

針對(duì)直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)在型號(hào)實(shí)踐中的具體問題，我們認(rèn)為直升機(jī)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)工作需要與直升機(jī)的研制過程緊密結(jié)合，覆蓋直升機(jī)的全壽命周期，并與MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）理念相符。 從需求出發(fā)，將可計(jì)量性設(shè)計(jì)工作與總體和各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，以體現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)特性、滿足未來用戶計(jì)量保障的使用要求為原則，構(gòu)建了如圖1 所示的直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)V 模型?？捎?jì)量性設(shè)計(jì)流程主要包括需求分析、方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證評(píng)價(jià)三個(gè)方面，其中需求分析從整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)自上而下開展，正向逐級(jí)捕獲并確認(rèn)可計(jì)量性需求；方案設(shè)計(jì)包括逐級(jí)設(shè)計(jì)可計(jì)量性各核心要素和制定計(jì)量保障方案；驗(yàn)證評(píng)價(jià)則依據(jù)直升機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)度自下而上分別開展設(shè)備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和整機(jī)級(jí)的可計(jì)量性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。

圖1 直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程V 模型圖Fig.1 V model of system engineering for helicopter measurability design

3.2 可計(jì)量性需求分析

直升機(jī)可計(jì)量性需求分析主要為了尋找可計(jì)量性設(shè)計(jì)和計(jì)量保障的需求來源，只有全面分析直升機(jī)的性能與計(jì)量參數(shù)的關(guān)系，合理地轉(zhuǎn)化為可計(jì)量性需求，才能更好地展開后續(xù)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖2 所示的直升機(jī)可計(jì)量性正向需求分析流程，主要包括需求準(zhǔn)備、需求捕獲、需求分類、需求確認(rèn)和需求輸出等幾個(gè)部分。需求分析過程遵循正向分析、功能區(qū)分、場(chǎng)景區(qū)分、全壽命周期覆蓋原則，以影響被測(cè)直升機(jī)任務(wù)完成、人身與設(shè)備安全的關(guān)鍵重要參數(shù)為核心，分析其故障模式、影響及危害性、關(guān)鍵功能與性能指標(biāo)，從而識(shí)別出影響直升機(jī)使用效能、人身與設(shè)備安全的主要測(cè)量參數(shù)或項(xiàng)目，形成對(duì)參數(shù)計(jì)量要素的要求，包括參數(shù)名稱、參數(shù)量值、最大允許誤差、測(cè)量條件（環(huán)境要求、測(cè)量時(shí)機(jī)、測(cè)量位置）、溯源要求（原位／離位、在線／離線）等，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類、確認(rèn)后形成可計(jì)量性需求分析輸出，作為后續(xù)可計(jì)量性方案設(shè)計(jì)的輸入。 需求捕獲時(shí)，應(yīng)遵循場(chǎng)景分類的原則，盡量分析全生命周期的計(jì)量保障需求，包括作戰(zhàn)或使用場(chǎng)景、地面保障場(chǎng)景、維修場(chǎng)景、定型試驗(yàn)場(chǎng)景、在役考核場(chǎng)景、性能鑒定場(chǎng)景等，識(shí)別功能利益、性能利益、風(fēng)險(xiǎn)利益、故障識(shí)別利益等不同類型的利益攸關(guān)方，從而實(shí)現(xiàn)需求的全面捕獲。

圖2 直升機(jī)可計(jì)量性需求分析流程圖Fig.2 Analysis process of requirements for helicopter measurability design

3.3 可計(jì)量性方案設(shè)計(jì)

直升機(jī)可計(jì)量性方案設(shè)計(jì)以可計(jì)量性需求分析結(jié)果作為輸入，對(duì)關(guān)鍵、重要參數(shù)及其計(jì)量要素開展可計(jì)量性設(shè)計(jì)，主要包括各個(gè)參數(shù)的可計(jì)量性核心要素設(shè)計(jì)和計(jì)量保障方案規(guī)劃，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖3 所示的直升機(jī)可計(jì)量性正向設(shè)計(jì)流程，包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、核心要素設(shè)計(jì)、計(jì)量保障規(guī)劃、符合性分析和設(shè)計(jì)輸出等幾個(gè)部分。 方案設(shè)計(jì)過程遵循元件通用性、操作簡(jiǎn)便性、經(jīng)濟(jì)合理性、場(chǎng)景適用性原則，以需求分析捕獲的測(cè)量參數(shù)或項(xiàng)目為設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行，覆蓋計(jì)量接口、計(jì)量軟件、檢測(cè)要求、校準(zhǔn)要求、計(jì)量時(shí)機(jī)和周期、不確定度評(píng)定等要素，進(jìn)而確定每個(gè)參數(shù)的檢測(cè)、校準(zhǔn)方法并推薦相應(yīng)的設(shè)備，規(guī)劃適用于各場(chǎng)景的直升機(jī)計(jì)量保障方案，經(jīng)符合性分析并從計(jì)量覆蓋率、計(jì)量效費(fèi)比、扁平化率和國(guó)產(chǎn)化率等角度開展總體評(píng)價(jià)后，最終形成直升機(jī)整機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備各級(jí)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)方案。

圖3 直升機(jī)可計(jì)量性方案設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Design process of scheme for helicopter measurability design

3.4 可計(jì)量性驗(yàn)證

直升機(jī)可計(jì)量性驗(yàn)證以可計(jì)量性需求分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果作為輸入，對(duì)包括各個(gè)參數(shù)的可計(jì)量性核心要素和計(jì)量保障方案展開驗(yàn)證并確認(rèn)可計(jì)量性需求是否逐一得到滿足，為此，在實(shí)踐過程中總結(jié)了如圖4 所示的直升機(jī)可計(jì)量性驗(yàn)證流程，包括驗(yàn)證時(shí)機(jī)、驗(yàn)證方案、局部迭代驗(yàn)證、集成試驗(yàn)確認(rèn)和驗(yàn)證輸出等。 直升機(jī)可計(jì)量性的驗(yàn)證應(yīng)當(dāng)盡可能提前介入設(shè)計(jì)過程，采取包括但不限于仿真或摸底試驗(yàn)的合理方式開展局部驗(yàn)證，為設(shè)備級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、整機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化提供依據(jù)，完整的驗(yàn)證方案涵蓋驗(yàn)證對(duì)象、驗(yàn)證執(zhí)行者、驗(yàn)證方式和驗(yàn)證流程；設(shè)計(jì)完成后，在直升機(jī)制造過程中也需要從設(shè)備、系統(tǒng)、整機(jī)逐級(jí)展開試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計(jì)的有效性并確認(rèn)可計(jì)量性需求是否得到滿足，最終完成直升機(jī)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)工作。

圖4 直升機(jī)可計(jì)量性驗(yàn)證流程圖Fig.4 Validation process for helicopter measurability design

4 可計(jì)量性設(shè)計(jì)參考模型

在上述直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)流程分析的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步凝練了如圖5 所示的型號(hào)可計(jì)量性設(shè)計(jì)的一般化參考模型。 該模型與型號(hào)全壽命周期各階段緊密結(jié)合，符合MBSE 的設(shè)計(jì)理念，適應(yīng)現(xiàn)有裝備的設(shè)計(jì)流程，可為其他裝備型號(hào)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)提供借鑒。 該參考模型將可計(jì)量性設(shè)計(jì)融入論證、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工制造等設(shè)計(jì)制造階段，包括需求分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證三大部分：需求分析主要在論證和方案設(shè)計(jì)階段中開展，包含“需求捕獲——需求分類——需求確認(rèn)”組成的內(nèi)部循環(huán)，實(shí)現(xiàn)需求分析的迭代優(yōu)化；可計(jì)量性設(shè)計(jì)主要在初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段中開展，包含“核心要素設(shè)計(jì)——計(jì)量保障規(guī)劃——符合性分析”組成的內(nèi)部循環(huán)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的迭代優(yōu)化；驗(yàn)證則在加工制造階段開始介入，包括設(shè)計(jì)前期局部迭代驗(yàn)證和后期系統(tǒng)集成試驗(yàn)確認(rèn)，為設(shè)計(jì)和需求提供數(shù)據(jù)支撐，并形成設(shè)計(jì)驗(yàn)證和需求驗(yàn)證兩個(gè)驗(yàn)證大循環(huán)，驗(yàn)證可計(jì)量性設(shè)計(jì)是否有效并最終確認(rèn)所捕獲的型號(hào)計(jì)量需求是否得到滿足，從而提高型號(hào)交付使用后的計(jì)量保障效能。

圖5 型號(hào)可計(jì)量性設(shè)計(jì)參考模型Fig.5 Reference model for product measurability design

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了現(xiàn)有直升機(jī)計(jì)量保障中存在的問題，在國(guó)內(nèi)可計(jì)量性及可計(jì)量性設(shè)計(jì)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合直升機(jī)型號(hào)研制中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，明確了直升機(jī)計(jì)量保障中的可計(jì)量性及可計(jì)量性設(shè)計(jì)的定義和內(nèi)涵，將直升機(jī)可計(jì)量性定義為：直升機(jī)及其配套檢測(cè)設(shè)備所具有的確保其能夠被有效計(jì)量保障的能力；而將直升機(jī)可計(jì)量性設(shè)計(jì)定義為：直升機(jī)設(shè)計(jì)過程中，通過合理設(shè)計(jì)計(jì)量接口，配備專用的軟件、硬件以及信號(hào)輸入、輸出端口（適配器），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)及其配套檢測(cè)設(shè)備性能和參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)量。 隨后總結(jié)直升機(jī)多個(gè)型號(hào)中可計(jì)量性工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將可計(jì)量性工作存在的問題概括為缺乏需求捕獲、缺乏正向設(shè)計(jì)和缺乏有效驗(yàn)證三個(gè)方面，針對(duì)性地提出包括需求分析、方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證在內(nèi)的可計(jì)量性設(shè)計(jì)流程用于解決目前直升機(jī)設(shè)計(jì)中的可計(jì)量性問題，并進(jìn)一步提煉形成型號(hào)可計(jì)量性設(shè)計(jì)參考模型，研究結(jié)果可為直升機(jī)及其他裝備的可計(jì)量性設(shè)計(jì)提供借鑒。