倪君菲

【摘 要】民用飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，往往需要開(kāi)展大量的模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。本文以民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，在介紹了測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)分析概念的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)其存在對(duì)測(cè)量系統(tǒng)缺乏整體有效評(píng)價(jià)的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行整體有效評(píng)價(jià)的內(nèi)容和步驟，并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用加以說(shuō)明。本文對(duì)民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目中測(cè)量系統(tǒng)分析的開(kāi)展具有一定參考價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)： C81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品能滿足顧客需求，我們需要對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量，同時(shí)在產(chǎn)品成型后還需對(duì)產(chǎn)品本身進(jìn)行各種測(cè)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(cè)量系統(tǒng)來(lái)提供。測(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)每次測(cè)量都應(yīng)該沒(méi)有測(cè)量誤差的存在，而且面對(duì)同一個(gè)被測(cè)對(duì)象每次測(cè)量的結(jié)果都應(yīng)該是相一致的，但事實(shí)上，世界上并不存在這樣的測(cè)量系統(tǒng)，也就是說(shuō)測(cè)量系統(tǒng)總是會(huì)存在測(cè)量誤差[2]，所以我們需要進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析和控制，盡量減小測(cè)量誤差，以保證得到高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 測(cè)量系統(tǒng)分析概述

1.1 測(cè)量系統(tǒng)概念

測(cè)量人員在環(huán)境條件下利用測(cè)量設(shè)備以一定的測(cè)量方法對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量得到測(cè)量數(shù)據(jù)，在這個(gè)測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量人員、測(cè)量設(shè)備和必要的軟件、被測(cè)對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境就構(gòu)成了一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)是用來(lái)對(duì)被測(cè)特性定量測(cè)量或定性評(píng)價(jià)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(cè)量系統(tǒng)分析概念

測(cè)量系統(tǒng)是測(cè)量人員、測(cè)量設(shè)備、被測(cè)對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境所構(gòu)成一個(gè)集合，那么顧名思義測(cè)量系統(tǒng)分析就是對(duì)這個(gè)集合進(jìn)行分析評(píng)估，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)分析測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)波動(dòng)源，以及它們對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，判斷測(cè)量系統(tǒng)是否符合使用要求[4]。

2 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀分析

2.1 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)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(jì)是個(gè)復(fù)雜而又漫長(zhǎng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要開(kāi)展大量的模擬試驗(yàn)來(lái)支持驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，這些試驗(yàn)統(tǒng)稱為民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，它是在模擬真實(shí)條件下完成飛機(jī)各類功能、性能試驗(yàn)，以表明飛機(jī)各系統(tǒng)的功能符合設(shè)計(jì)要求，滿足適航符合性要求。

2.2 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)周期長(zhǎng)、參與人員多，在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多測(cè)量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)人員依據(jù)經(jīng)確認(rèn)的試驗(yàn)方法或測(cè)量方法，使用測(cè)量設(shè)備，在一定試驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展對(duì)被測(cè)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，得到大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，試驗(yàn)人員、試驗(yàn)方法/測(cè)量方法、被測(cè)試驗(yàn)對(duì)象、測(cè)量設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境就構(gòu)成了一個(gè)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。

2.3 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

目前在民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目中，對(duì)試驗(yàn)人員、測(cè)量設(shè)備、試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)環(huán)境都做了不同程度的要求：

1）試驗(yàn)人員。經(jīng)過(guò)相關(guān)培訓(xùn)，持有上崗證；

2）測(cè)量設(shè)備。需經(jīng)計(jì)量符合試驗(yàn)要求且在計(jì)量有效期內(nèi)；

3）試驗(yàn)方法。需經(jīng)過(guò)評(píng)審確認(rèn)；

4）試驗(yàn)環(huán)境。需符合試驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備使用要求。

2.4 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制存在問(wèn)題

民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目中，產(chǎn)生的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量，而試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)是由試驗(yàn)人員、測(cè)量設(shè)備、試驗(yàn)被測(cè)對(duì)象、試驗(yàn)方法/測(cè)量方法、試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)成，其中任何一部分發(fā)生較大波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。同時(shí)這些因素之間可能還會(huì)存在某些兩兩交互作用，需要加以識(shí)別判斷。雖然我們已經(jīng)對(duì)這些組成因素做了不同程度的要求和控制，但始終缺乏對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的整體有效分析評(píng)價(jià)，沒(méi)有對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)做出整體是否符合要求的定量判斷，也就無(wú)法保證試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)能得到高質(zhì)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制改進(jìn)

3.1 測(cè)量系統(tǒng)分析方法的應(yīng)用

針對(duì)民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制存在的問(wèn)題，我們應(yīng)對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行整體有效分析評(píng)價(jià)，即在目前試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)控制現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運(yùn)用六西格瑪管理中的測(cè)量系統(tǒng)分析方法對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，判斷試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)是否滿足要求。若試驗(yàn)測(cè)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(yàn)測(cè)量系統(tǒng)變差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，保證得到高質(zhì)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)

測(cè)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(cè)量系統(tǒng)分析中評(píng)判測(cè)量系統(tǒng)是否可被接受的指標(biāo)[5]。

1）偏倚：測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于某個(gè)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行多次測(cè)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(cè)量設(shè)備提供；

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

3）穩(wěn)定性：測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某一被測(cè)對(duì)象的測(cè)量結(jié)果隨著時(shí)間變化而發(fā)生改變的程度，即偏倚隨時(shí)間的變化；

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

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

3.3 測(cè)量系統(tǒng)分析的步驟

在開(kāi)展測(cè)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(cè)量設(shè)備和測(cè)量人員

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

2）確定測(cè)量方法

該步驟主要是確定被測(cè)對(duì)象的數(shù)量、測(cè)量數(shù)據(jù)的類型和數(shù)據(jù)的測(cè)量方法。

3）收集測(cè)量數(shù)據(jù)

該步驟主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和收集。在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量人員應(yīng)按要求完成數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)

完成數(shù)據(jù)測(cè)量后，借助Minitab質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷測(cè)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(shí)例應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目中較為常見(jiàn)的專用測(cè)試設(shè)備，其在試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)分析的測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備經(jīng)過(guò)計(jì)量校準(zhǔn)且在計(jì)量有效期內(nèi)，同時(shí)其分辨力也滿足測(cè)量需求1/10的要求。邀請(qǐng)3名試驗(yàn)人員作為測(cè)量人員，分別簡(jiǎn)稱為測(cè)量人員甲、乙、丙，該3名試驗(yàn)人員均從事試驗(yàn)工作多年且均受過(guò)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(cè)量收集

1）穩(wěn)定性數(shù)據(jù)測(cè)量收集

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

2）偏倚和線性數(shù)據(jù)測(cè)量收集

從甲、乙、丙3名試驗(yàn)人員中隨機(jī)選擇一人作為偏倚和線性數(shù)據(jù)的測(cè)量人員，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每次分別對(duì)20A、30A、40A、50A和60A直流電流進(jìn)行測(cè)量，共進(jìn)行12次測(cè)量。按表2方式測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)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(cè)量收集

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

3.4.2 測(cè)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(wú)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，因此可以認(rèn)為測(cè)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(cè)量系統(tǒng)各測(cè)量點(diǎn)偏倚P值均為0<0.05，表明測(cè)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(shí)偏倚隨測(cè)量點(diǎn)的增大而逐漸增大，說(shuō)明測(cè)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(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)

1）分析存在問(wèn)題原因

查看最近幾年數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計(jì)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)用于本次測(cè)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(shí)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(cè)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(huì)較長(zhǎng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道增益系數(shù)來(lái)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(jì)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(cè)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(cè)量點(diǎn)偏倚P值均大于0.05，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)無(wú)顯著偏倚，同時(shí)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(shuō)明通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道增益系數(shù)的調(diào)整對(duì)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生了積極影響，效果明顯。

4 結(jié)論

試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由試驗(yàn)人員、測(cè)量設(shè)備、試驗(yàn)被測(cè)對(duì)象、試驗(yàn)方法（測(cè)量方法）、試驗(yàn)環(huán)境等構(gòu)成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量受到試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)各組成因素影響。在民機(jī)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)項(xiàng)目中，雖然對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行了必要控制，但是測(cè)量系統(tǒng)仍可能存在不符合要求的現(xiàn)象。因此有必要運(yùn)用測(cè)量系統(tǒng)分析方法，對(duì)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，判斷測(cè)量系統(tǒng)是否滿足試驗(yàn)的要求。對(duì)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(cè)量系統(tǒng)變差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]謝建華.質(zhì)量管理體系ISO9001&TS16949;最新應(yīng)用實(shí)務(wù)[M].北京，中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2013.

[2]黃曉斌.測(cè)量系統(tǒng)分析在集成電路測(cè)試中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)，2012.

[3]李耀江，杜世昌.測(cè)量系統(tǒng)分析在品質(zhì)控制中的運(yùn)用[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2010，（3）：54-55.

[4]趙莉，文昌俊.拉伸試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)分析研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（3）：4-6.

[5]李錢(qián).測(cè)量系統(tǒng)分析在機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)站的應(yīng)用[J]. 中國(guó)計(jì)量，2012，（11）：29-31.