梁志國

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京 100095)

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大數(shù)據(jù)時代計量校準理論與技術(shù)的發(fā)展展望

梁志國

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京 100095)

摘要：針對當代計量校準的兩種需求進行了詳細討論。針對適合于各種嚴酷人工環(huán)境條件下的測量儀器設(shè)備與系統(tǒng)的現(xiàn)場計量校準需求，提出了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的理論技術(shù)發(fā)展方向，以線性或非線性系統(tǒng)模型進行系統(tǒng)建模，由單一環(huán)境條件變化合成多種環(huán)境條件變化，最終以系統(tǒng)理論方式解決多種因素嚴酷環(huán)境條件下的現(xiàn)場計量與校準問題的預測。針對數(shù)字化特征明顯的數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量校準，提出了數(shù)據(jù)域計量校準理論、方法、技術(shù)的發(fā)展方向，以統(tǒng)計理論、信息理論、系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，以頻域、值域、邏輯域、變換域等理論與技術(shù)為手段，以模型參數(shù)等作為計量校準目標和結(jié)果。

關(guān)鍵詞：計量學；計量；校準；發(fā)展；理論；現(xiàn)場校準；數(shù)據(jù)域校準

1問題的提出

計量測試與校準理論和技術(shù)發(fā)展到今天，極大地拓展了人類認識世界的視野和空間，也給人類改造世界提供了強有力的手段。特別是有關(guān)的技術(shù)進展方面，由宏觀到微觀，由古典到經(jīng)典，到現(xiàn)代，到量子化，各種物理現(xiàn)象、物理特征、物理原理與法則，不斷被人們發(fā)現(xiàn)并加以利用，奠定了當今計量測試技術(shù)的強大基礎(chǔ)。但有關(guān)計量測試理論方面，當前以及未來的發(fā)展，并無特別清晰的脈絡(luò)。這也并不奇怪，計量測試的理論很少作為一個獨立學科自我發(fā)展，多數(shù)情況下，都是從物理學科、數(shù)學學科、工程學科等借鑒和衍化而來。尤其是經(jīng)典的控制理論、線性系統(tǒng)理論、概率理論等，加上信號的分析與重構(gòu)理論、變換與逆變換理論、調(diào)制與解調(diào)理論，以及不確定度理論，等等。

1.1　現(xiàn)場計量校準的初衷及問題

總體而言，計量測試從誕生之日起發(fā)展到今天，可以認為大體上經(jīng)歷了三個階段。

第一階段，計量活動全部發(fā)生在自然環(huán)境下的人類活動現(xiàn)場；在這里，計量活動承擔著單位統(tǒng)一、量值準確的任務目標，并發(fā)揮著實際效力。這一階段，人們對計量活動要求比較簡單粗略，涉及的范圍也比較窄，主要是商業(yè)貿(mào)易等事務，因而并無特別嚴重的問題需要解決。

第二階段，計量測試活動大部分發(fā)生在人工特定環(huán)境條件下的校準實驗室內(nèi)；這主要是因為，隨著人們對于計量范圍逐漸拓寬，商貿(mào)以外，介入工業(yè)化過程漸多，對計量測試準確度要求也不斷提高，伴隨對客觀事物認識的不斷深化，發(fā)現(xiàn)了環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等環(huán)境條件對于計量測試量值的復現(xiàn)及測量具有明顯的作用和影響。為了降低這些環(huán)境條件變化帶來的物理量值的變化，而構(gòu)建了具有恒定環(huán)境條件范圍的校準實驗室，以提高計量測試量值的準確度，同時統(tǒng)一不同時間、地點、人員操作獲得的相同量值的一致性定義，增加其可比性，減小它們的條件差異。目前，絕大多數(shù)計量測試儀器設(shè)備及傳感器件的計量校準，均是在具有人工特定環(huán)境下的校準實驗室完成的。相應地，其各種量值及不確定度也是在這種校準實驗室環(huán)境條件下確定的。這一階段計量校準的特點，主要是由于介入了工業(yè)化社會分工的需要，計量校準的準確度提高所造成的。雖然量值準確度提高了，但脫離了各種變化多端的現(xiàn)場環(huán)境，計量校準工作距離實際生產(chǎn)生活更加遠了些。

第三階段，大規(guī)?，F(xiàn)代化工業(yè)化生產(chǎn)的進一步需求，要求解決各種工業(yè)現(xiàn)場計量測試儀器設(shè)備的計量校準問題；國防工業(yè)和軍事計量中，需要解決復雜惡劣的陸、海、空、天戰(zhàn)場環(huán)境，以及電子對抗、信息對抗等惡劣環(huán)境下的儀器設(shè)備的計量校準；國防工業(yè)科研試驗，軍事計量科研試驗中，都有相當一部分測量測試儀器設(shè)備與系統(tǒng)是工作在復雜人工環(huán)境現(xiàn)場或極端惡劣的多種自然環(huán)境條件現(xiàn)場，例如高溫、高壓、強風、強震動、高沖擊、強噪聲、強電磁場、強放射性、超低溫、高粉塵、重鹽霧、高濕度、水下高壓等各種環(huán)境條件及其綜合環(huán)境條件。在這些復雜嚴酷的人工環(huán)境以及惡劣自然環(huán)境條件下，所使用的測量測試儀器設(shè)備的特性參數(shù)，與校準實驗室環(huán)境里的計量校準給出的特性與量值被認為是有明顯差異的。但多數(shù)情況下，在這些嚴酷條件下進行計量校準操作很難實現(xiàn)且成本高昂。如何解決這類復雜惡劣的人工或天然環(huán)境條件下測試測量儀器裝備的現(xiàn)場計量校準問題，或如何將實驗室條件下所復現(xiàn)的特性與量值切實有效地傳遞到這些復雜環(huán)境條件下的儀器設(shè)備特性與量值之中，一直是計量測試行業(yè)里未能徹底解決的問題[1-19]，這也是許多工業(yè)現(xiàn)場的測量測試工程師對當前實驗室校準的測試測量儀器設(shè)備是否能夠真正解決工業(yè)現(xiàn)場的計量校準問題而心存疑慮的原因之一。即使是使用便攜式計量標準開展現(xiàn)場校準，也是因為這類便攜式計量標準本身就是在特定的與實際應用環(huán)境完全不同的實驗室環(huán)境內(nèi)進行的計量校準，因此是否在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境還能按相同的性能工作也是被質(zhì)疑的。

由此可見，第三階段的計量測試實際上需要在保持更高準確度的要求下仍然回歸到現(xiàn)場環(huán)境條件里的計量校準和現(xiàn)場環(huán)境條件下的計量溯源，只不過是這一階段的人工特殊環(huán)境現(xiàn)場更加惡劣和更具有挑戰(zhàn)性，也更加難以解決而已。

計量行業(yè)內(nèi)早已注意到該問題，并已經(jīng)在使用環(huán)境控制設(shè)備和設(shè)施進行環(huán)境條件的構(gòu)建和模擬。如高低溫控溫箱、增壓艙、低壓艙、大氣環(huán)境模擬方艙、高溫風洞、燃燒室、高壓水槽、低溫杜瓦、振動臺、三軸振動臺、屏蔽室、消聲室、混響室、電波暗室、橫電磁波小室、溫濕度箱，等等。對于測量儀器設(shè)備隨單一環(huán)境條件因素變化的規(guī)律與極限進行了眾多研究，也取得了一些成效。如通常的溫度系數(shù)、抗電磁干擾能力、抗震能力等，即是這些研究的具體體現(xiàn)。但當不止一個環(huán)境因素變化，而是多個環(huán)境因素均有劇烈變化時，計量測試活動如何確保量值傳遞和有效溯源，給人們提出了巨大挑戰(zhàn)。同時，也給計量測試理論和技術(shù)發(fā)展提出了明確的待解決的問題要求。僅有一項環(huán)境因素變化時，人們尚可以通過構(gòu)建環(huán)境控制系統(tǒng)或設(shè)施，將被測對象依環(huán)境條件的變化而變化的特征定量描述出來；而當兩個以上環(huán)境條件變化時，構(gòu)建該類設(shè)施的復雜程度、工作量、經(jīng)濟成本等，均隨著環(huán)境條件數(shù)的增多呈指數(shù)規(guī)律上升，且在很多種組合情況下極難以實現(xiàn)。

以怎樣的計量測試理論抽象表征這種特征，以怎樣的計量測試方法處理這類問題，以何種計量測試技術(shù)實現(xiàn)這類目標，始終都是一個問題。

在很多情況下，“現(xiàn)場校準”被簡單理解為在現(xiàn)場條件下的“校準”，而“綜合校準”則被粗暴地認為是多幾個“主要”參量的簡單羅列而已。并未體會出現(xiàn)場校準的條件是千變?nèi)f化的，很難窮盡，因而具有極大的挑戰(zhàn)性的意味。幾個參量的簡單羅列與綜合校準的本意相去甚遠，并未能體現(xiàn)出一種總體性模型化的概念與內(nèi)涵。有了詳盡而深入的模型化研究后，人們才能系統(tǒng)而綜合地考慮和處理該類問題，就如同有了合適的人體模型后，人們可以通過任何一塊骨頭的特征，推斷出人體其他所有骨頭的基本特征，以及身高、體重、性別、年齡等，而不必將全部骨骼均進行測量和獲取。目前，計量測試研究遠沒有達到這樣的水平，但前景目標和實際需求則一直是明確而具體的。

1.2　數(shù)據(jù)域計量校準的問題

我們所處的社會是一個信息化社會，以計算機、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體為特征的社會到處充斥著數(shù)字化信息與數(shù)字化儀器設(shè)備。

人們所處的物理世界則是一個純粹的模擬世界，其典型特征是它無論在時間上還是在空間上，均具有無限的分辨力。經(jīng)過計量測試活動后，對其物理信號進行幅度量化和時間抽樣，從而變成具有離散化和量化特征的數(shù)字化信息和數(shù)字化量值。從此，造就了包括互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的眾多數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量校準，成為信息化社會或者說數(shù)字化世界呈現(xiàn)給人們的一個難題。諸如邏輯分析儀、碼流發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)生器、矢量信號分析儀、矢量信號源、通信協(xié)議分析儀等，這些數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備以及信息數(shù)據(jù)模型，以哪些指標、參量表征和量值進行溯源，人們將以何種理論、方法、概念構(gòu)建數(shù)據(jù)域以及數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量校準理論技術(shù)體系，對它們進行技術(shù)表征、技術(shù)評價，這一直是計量測試理論與技術(shù)面臨的主要問題之一。

2大數(shù)據(jù)時代的信息化特征

這樣的大數(shù)據(jù)背景下，人們?nèi)粝霃闹刑崛〕瞿骋恢黝}的有用信息，主要關(guān)注的是信息檢索、信息可靠、信息獨立、信息冗余、信息濾波和信息加權(quán)融合等問題，以信息理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，以適合描述多輸入多輸出，或者多輸入單輸出為特征的非線性因果信息傳輸網(wǎng)絡(luò)模型來描述這類宏大復雜的信息網(wǎng)絡(luò)特性。例如，仿生模型中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型等非線性系統(tǒng)模型，可用于構(gòu)建其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；仿生算法中的遺傳算法、蟻群算法等，可用于構(gòu)建其信息傳輸規(guī)則；一些實際的輸入輸出采樣樣本，可用于對其進行學習建模，確定模型參量等。最后，在某些特定條件和約束下，可以確定所要獲得的信息特征、信息發(fā)展趨勢、其發(fā)展變化中的周期性特征等。

由于需要處理的信息量非常巨大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極為復雜，以往處理小系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)時所用的降維、線性化等方法和手段已經(jīng)不再適用，且可操作性不佳。因而，適應其需求的一些智能算法、仿生算法、學習型算法等應運而生，如支持向量機算法等。一些適合并行運轉(zhuǎn)且可有效融合的技術(shù)，如云計算、云存儲等技術(shù)也相應得到了發(fā)展。

一位信息產(chǎn)業(yè)界人士曾經(jīng)認為：我們當今的時代是數(shù)字化時代，它有別于此前信息化時代的特征之一為大數(shù)據(jù)技術(shù)。信息化時代，人們從海量信息中通過檢索分析提取信息特征來判斷現(xiàn)在，并以其為自身服務；而數(shù)字化時代，人們以大數(shù)據(jù)方式預測和引領(lǐng)未來，為他人服務。由此，可見大數(shù)據(jù)時代的一些端倪和本質(zhì)特征。

3大數(shù)據(jù)時代計量校準理論與技術(shù)的發(fā)展

對于計量校準理論與技術(shù)未來的發(fā)展預測，和其他任何預測一樣具有巨大的難度和主觀性。理由是，短時期的順理成章的發(fā)展延續(xù)無須“預測”便一目了然，而那些稍長期一點的有劃時代革命性特征的發(fā)展，很難簡單看出其跡象。其起因和發(fā)展、壯大等，尤其具有偶然性。盡管如此，上述第三階段的計量測試發(fā)展的客觀需求，以及數(shù)字化時代里，數(shù)字化和信息化儀器設(shè)備的計量發(fā)展與校準需求，一直在那里呼喚和引導著計量校準的新興理論、方法與技術(shù)的誕生，以期在不遠的未來，人們得以徹底解決任何人工的和自然的特殊惡劣環(huán)境條件下，儀器設(shè)備的計量校準和量值溯源問題。

3.1　復雜環(huán)境的計量校準

實際上，計量測試儀器設(shè)備，是以其在各種環(huán)境條件下的性能和指標進行定量限定與表征的，在它們被設(shè)計、制造、構(gòu)建和使用時，敏感元件、傳輸部件、耦合部件，以及輸出和顯示呈現(xiàn)部件，多是按照單輸入單輸出、線性時不變因果系統(tǒng)設(shè)計研制的，即使加上環(huán)境條件的變化因素的影響，也僅僅是增加了溫度、濕度、壓力、震動等少數(shù)幾個附加變量，以及在進行多通道多物理量測量時，各個通道信號之間的相互影響。例如泄漏、耦合疊加、竄擾、交叉調(diào)制等，這些因素可能是線性的，符合線性疊加原理，也可能是非線性的，無法簡單使用線性疊加原理進行處理，但它們都是疊加在系統(tǒng)的激勵響應的線性主特性之上的微小量部分內(nèi)容。如此導致計量測試儀器與系統(tǒng)，即使工作在多種嚴酷復雜環(huán)境條件之下，整個系統(tǒng)的復雜程度，以及信息與信號的流動耦合與傳輸關(guān)系，也遠不如大數(shù)據(jù)系統(tǒng)復雜和繁瑣。當然，其特點是參數(shù)準確度要求要高得多。

對比大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)特征，人們發(fā)現(xiàn)，有關(guān)計量測試儀器設(shè)備在各種應用環(huán)境條件下的量值數(shù)據(jù)及特征信息顯得過于缺乏。例如，適用于發(fā)動機測試或電子對抗的戰(zhàn)場需求，或者宇宙空間環(huán)境的航天器要求，人們可能會讓它們在各種復雜嚴酷的人工環(huán)境條件與自然環(huán)境條件下有效工作，例如高溫、低溫、水下高壓、強噪聲、強電磁干擾等單一環(huán)境或幾種環(huán)境的復合環(huán)境下進行工作，但是這些儀器設(shè)備在這些環(huán)境下的工作數(shù)據(jù)卻一直少得可憐，甚至根本沒有。而人們擁有的最多的信息也一直是校準實驗室環(huán)境下的量值溯源數(shù)據(jù)，因此，導致人們在面對多種復雜嚴酷的人工復合環(huán)境或惡劣自然環(huán)境時，計量校準一直缺乏令人滿意的結(jié)果，盡管人們也在一直試圖研制和構(gòu)建各種嚴酷的人工環(huán)境控制系統(tǒng)與設(shè)施。

在可以預見的將來，將首先需要實際獲取和積累計量測試儀器設(shè)備在每一種環(huán)境因素變化情況下的特性變化情況數(shù)據(jù)，并對于不同因素相互作用(包括線性疊加、非線性疊加、交叉調(diào)制、加權(quán)耦合等)進行仿真模擬(包括模型仿真、數(shù)據(jù)仿真、半物理仿真、全物理仿真等)。然后，模仿大數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型進行處理，以獲得在任何環(huán)境條件下的計量校準結(jié)果。其中，可能包括以下幾方面工作：①確定輸入量、輸出量和環(huán)境影響量的個數(shù)；②獲取在單一影響量變化時的輸入輸出量變化特性；③確定系統(tǒng)模型性質(zhì)(線性時不變因果系統(tǒng)，或非線性時不變因果系統(tǒng))；④針對每一個輸入量，確定各個輸入量以及影響量之間的相互關(guān)系(線性疊加、非線性疊加、交叉調(diào)制、關(guān)聯(lián)傳遞等)；⑤統(tǒng)一各個輸入輸出量及環(huán)境影響量的時序同步關(guān)系；⑥選擇合適的分布式大系統(tǒng)模型，以原有數(shù)據(jù)進行分析、學習和建模；最終，當各種輸入條件以及環(huán)境條件確定后，獲得該條件下的計量校準結(jié)果。目前已經(jīng)出現(xiàn)的一些仿生分布式非線性系統(tǒng)模型，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型等，可望用于該問題的解決。

經(jīng)過上述過程及逐漸完善，可望以大數(shù)據(jù)系統(tǒng)方式解決復雜環(huán)境條件下的計量測試儀器設(shè)備的計量校準問題，或者至少將其向完全解決方向推進了一步。

3.2　數(shù)據(jù)域計量校準

針對數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量校準，人們一直存在著較大困惑，到底需要如何計量校準它們？需要計量溯源哪些參數(shù)量值？如何確保它們的功能和性能？例如邏輯分析儀、碼流發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)生器、通信協(xié)議分析儀、矢量信號分析儀、誤碼率分析儀等，這些儀器設(shè)備常引起計量人員困惑的根本原因，在于它們與以往的模擬量計量測試設(shè)備不同，它們產(chǎn)生和處理的主要是數(shù)字量和數(shù)字化信息。對于模擬量，人們擁有著一整套完善的理論、方法、指標體系和處理方式，以模擬量值獲取、誤差傳遞、不確定度合成等，最終給出計量校準結(jié)果。而對于數(shù)字量和數(shù)字化信息，特別是數(shù)據(jù)域以及邏輯域有關(guān)的數(shù)字量和數(shù)字化信息，以何種理論、方法、指標體系和處理方式，去表述、定量評價、給出誤差和不確定度因素特征，對于計量測試行業(yè)來說，仍然是一個挑戰(zhàn)。目前眾多數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量校準仍舊停留在功能檢查的通過與不通過的邏輯判斷上，較少涉及定量參數(shù)指標的計量校準。這本身就很難讓人理解為已經(jīng)有效溯源了。

實際上，模擬量計量校準多數(shù)涉及的是信號分析及其變換處理理論與技術(shù)，而數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備除此以外，更多涉及的是信息分析及其變換處理理論與技術(shù)，需要用到統(tǒng)計無線電理論與技術(shù)、信息理論與技術(shù)、系統(tǒng)辨識理論與技術(shù)、模型辨識理論與技術(shù)，等等。

其中，會涉及到時間統(tǒng)一、相關(guān)分析、時序分析、邏輯分析、特征分析、統(tǒng)計分析等，涉及到碼流速率、誤碼率、信息熵、數(shù)學模型、物理模型、模型特性參數(shù)準確度、時間同步誤差、模型特征值分析與測量等。不僅僅在時域進行分析，還需要用到頻域、值域、邏輯域、變換域等理論與技術(shù)手段，以及開展廣泛而深入細致的研究工作，構(gòu)建數(shù)據(jù)域、信息域計量校準理論技術(shù)體系，研究出相應的量值體系和指標體系，提出量值溯源和校準方法，完善其量值溯源及傳遞工作。

由于我們的社會是信息社會，我們所處的時代是具有大數(shù)據(jù)特征的數(shù)字化時代，因而，各種數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備眾多，量大面廣，已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)生活的各個方面。因此，有關(guān)數(shù)據(jù)域計量測試與校準，或稱其為數(shù)字化儀器設(shè)備的計量與校準，前景廣闊，影響深遠，其不斷完善和進步，將對以互聯(lián)網(wǎng)、全球通信網(wǎng)在內(nèi)的信息產(chǎn)業(yè)及運行產(chǎn)生深遠影響。

4結(jié)束語

綜上所述可見，有關(guān)計量校準理論與技術(shù)的發(fā)展方向，包括惡劣自然環(huán)境和人工特殊嚴酷環(huán)境的復雜環(huán)境下儀器設(shè)備和裝備的計量校準將是未來的重點發(fā)

展方向之一，但是，有關(guān)的計量校準，其本意包括如何確定和復現(xiàn)該環(huán)境條件下的標準量值及其溯源性，以及如何確定該環(huán)境下的被計量量值的溯源性。并不是簡單地將儀器設(shè)備和標準放到該環(huán)境下直接進行計量校準，那樣將導致計量難度、成本、復雜性過大而無法實現(xiàn)。這需要的是理論、方法、理念、流程的全面更新和系統(tǒng)研究。其中，首先也包括各種單一環(huán)境條件變化情況下的儀器特性研究，以及復合環(huán)境變化的仿真研究。

關(guān)于數(shù)據(jù)域計量校準的理論、方法和技術(shù)研究將是計量測試理論與技術(shù)的另外一個重要發(fā)展方向。一定需要尋找到定量評價和定量溯源的物理量與物理參數(shù)，而不僅僅是通過與否地計量評價數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備。僅僅用通過與否來表征數(shù)據(jù)域儀器設(shè)備的計量結(jié)果不足以展現(xiàn)其溯源性和量值傳遞結(jié)果，也無法評定其不確定度。

本文所述內(nèi)容，僅為一家之言，不一定完全合適，僅希望對同行具有參考和借鑒作用。

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The View of Development of Both Theory and Technology About Measurement and Calibration in Big Data Time

LIANG Zhiguo

(National Key Laboratory of Science and Technology on Metrology & Calibration，Changcheng

Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：Two requirements of calibration are discussed in detail.To the calibration of both instrument and equipment in some asperity environment，the theory and technology development direction by using big data is put forward.Through linear or non-linear system model，many individual environment vectors are combined into one complex environment，and the calibration in multi-factor environment will be solved.To the calibration of the digital instrument，the theory and technology direction of data domain calibration is put forward，by using all of the statistic theory，the information theory and the system theory，in frequency domain，value domain，logic domain and transformation domain，and the model parameters will be the calibration results of the data domain instrumentation.

Key words：metrology；measurement；calibration；development；theory；on-line calibration；data domain calibration

作者簡介：梁志國(1962-)，男，黑龍江巴彥人，工學博士，研究員，主要研究方向為數(shù)字化測量與校準、模式識別、動態(tài)校準和精確測量。

收稿日期：2015-08-19

中圖分類號：TB9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0006-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.02