王少華 卞 昕 周 鑫 劉 科 趙海寧

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

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通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王少華 卞 昕 周 鑫 劉 科 趙海寧

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

測(cè)量不確定度評(píng)定不準(zhǔn)確、不科學(xué)的現(xiàn)象廣泛存在，缺乏規(guī)范一致的評(píng)價(jià)工具。為此設(shè)計(jì)了通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)，包括評(píng)定軟件客戶端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。將經(jīng)過(guò)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)不確定度模型存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，按照不確定度評(píng)定步驟設(shè)計(jì)了操作向?qū)?，使用者只需按照提示依次操作，即可完成不確定度評(píng)定。該平臺(tái)為基層計(jì)量工作者及廣大實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員提供了一個(gè)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的不確定度評(píng)定工具。

不確定度評(píng)定；軟件平臺(tái)；標(biāo)準(zhǔn)化

0 引言

測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，在測(cè)試、校準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可等工作中，測(cè)量不確定度的評(píng)定是必不可少的。如何對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定以及規(guī)范地表示，決定了該測(cè)量結(jié)果的有效性、可靠性以及科學(xué)性。

早在1993年，ISO、IEC等7個(gè)國(guó)際組織就聯(lián)合發(fā)布了《測(cè)量不確定度表示指南》[1](簡(jiǎn)稱GUM)，使不同的國(guó)家和地區(qū)，涉及測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域和部門，可以用統(tǒng)一的準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量結(jié)果及其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定、表示和比較。1999年，我國(guó)發(fā)布了國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059—1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[2]，原則上等同采用了GUM的基本內(nèi)容。這兩個(gè)文件成為我國(guó)評(píng)定測(cè)量不確定度的基礎(chǔ)。2008年，計(jì)量學(xué)指南聯(lián)合委員會(huì)(JCGM)發(fā)布了GUM補(bǔ)充文件—基于蒙特卡羅方法的分布傳播[3]，使測(cè)量不確定度的評(píng)定方法更加全面。國(guó)內(nèi)學(xué)者積極跟進(jìn)研究，依據(jù)GUM補(bǔ)充條款對(duì)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》進(jìn)行了修訂，寫入了蒙特卡羅方法。

測(cè)量不確定度評(píng)定以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，大量的數(shù)學(xué)理論和公式推導(dǎo)使得基層計(jì)量工作者對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的后期處理，特別是不確定度的準(zhǔn)確評(píng)定方面顯得力不從心。目前大部分關(guān)于不確定度評(píng)定方法的規(guī)程和教材都基于傳統(tǒng)的文字表述及大量的公式推導(dǎo)，測(cè)量不確定度評(píng)定水平因人而異，基層計(jì)量工作者缺乏規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用工具。而目前熱門的蒙特卡羅方法基于計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)值仿真理論[4]，對(duì)于一線計(jì)量工作者就顯得更加困難。

雖然使用某些軟件可以進(jìn)行不確定度自動(dòng)評(píng)定[5]，但是，仍缺乏規(guī)范一致的評(píng)定方法。因此，深入研究測(cè)量不確定度評(píng)定方法，為基層計(jì)量工作者及廣大實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員提供規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的不確定度評(píng)定工具，有顯著的社會(huì)意義。

1 通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)

1.1 通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)定義

通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)是依托不確定度評(píng)定軟件客戶端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過(guò)組織專家討論認(rèn)證，建立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定模型庫(kù)，設(shè)計(jì)評(píng)定向?qū)В龑?dǎo)軟件使用者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和系統(tǒng)化評(píng)定的工具。

通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)包括軟件客戶端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?？蛻舳思磫螜C(jī)版不確定度評(píng)定軟件工具包，供個(gè)人使用，使用者可以按照評(píng)定向?qū)нM(jìn)行規(guī)范的不確定度評(píng)定；基于網(wǎng)絡(luò)的評(píng)定服務(wù)，不僅便于使用者使用，而且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)評(píng)定服務(wù)能夠積累大量實(shí)例，便于進(jìn)一步分析和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定模型。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定模型是通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)的核心。其含義是，對(duì)于某個(gè)參數(shù)的不確定度評(píng)定需求，由相應(yīng)的技術(shù)管理部門，如專業(yè)計(jì)量技術(shù)委員會(huì)，組織該領(lǐng)域的技術(shù)專家和不確定度理論專家，對(duì)不確定度評(píng)定模型進(jìn)行評(píng)議，達(dá)成共識(shí)后，確定該不確定度評(píng)定模型，并賦予其唯一的ID，成為“有證標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定模型”。用戶在進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的不確定度評(píng)定時(shí)，可直接引用有證模型，用測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算，其不確定度評(píng)定報(bào)告認(rèn)為是有效的。

事實(shí)上，現(xiàn)行的檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范中所附的不確定度評(píng)定內(nèi)容，可以認(rèn)為是經(jīng)過(guò)國(guó)家授權(quán)的有證模型，只不過(guò)沒(méi)有單獨(dú)進(jìn)行管理和授予“正式”身份。通過(guò)組織專家討論和認(rèn)證，可建立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定模型庫(kù)，上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)可以此為依據(jù)，為下級(jí)單位的不確定度評(píng)定提供有效性證書，使其成為“有證不確定度評(píng)定報(bào)告”，作為相應(yīng)的技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，這些標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定模型也可供軟件使用者使用。

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)要求

針對(duì)為用戶提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)，平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：

1)通用性要求：針對(duì)測(cè)試儀器種類多、型號(hào)多、測(cè)試項(xiàng)目多等特點(diǎn)，不確定度評(píng)定平臺(tái)需要滿足不同領(lǐng)域的儀器參數(shù)的測(cè)量不確定度評(píng)定的需求[6]，應(yīng)具有通用性。

2)規(guī)范性要求：數(shù)據(jù)庫(kù)中所給出的測(cè)量不確定度模型應(yīng)該是經(jīng)過(guò)專家討論和認(rèn)可后的標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的模型，可供查詢和使用。

3)指導(dǎo)性要求:平臺(tái)應(yīng)該能夠給用戶提供一個(gè)不確定度評(píng)定向?qū)?，引?dǎo)使用者學(xué)習(xí)不確定度的規(guī)范化評(píng)定。

4)易維護(hù)性和高可靠性要求。

1.3 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

為了滿足以上要求，平臺(tái)基于數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)評(píng)定向?qū)?，引?dǎo)軟件使用者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和系統(tǒng)化的測(cè)量不確定度評(píng)定。

平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要思路是以GUM及JJF1059現(xiàn)行版本為指導(dǎo)，按照不確定度評(píng)定步驟，自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)檢索相關(guān)信息并使用。使用者只需按照向?qū)б来尾僮?，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定模型計(jì)算測(cè)量不確定度并報(bào)告。以標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定模型為核心的不確定度評(píng)定流程如圖1所示。

單機(jī)版不確定度評(píng)定軟件工具包和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都采用圖形化、可視化的編程方式，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將不同領(lǐng)域的不同儀器不同測(cè)試項(xiàng)目的相關(guān)信息都存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行統(tǒng)一管理。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有用戶需要評(píng)定的項(xiàng)目時(shí)，用戶可以提交需求，也可以將自己的不確定度評(píng)定報(bào)告通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交給管理員加工成標(biāo)準(zhǔn)不確定度模型，通過(guò)技術(shù)審核和認(rèn)證后添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣可以積累大量的實(shí)例，進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 不確定度評(píng)定流程圖

2 平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫(kù)用于管理不確定度評(píng)定過(guò)程所用到的全部信息。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，將不同測(cè)試項(xiàng)目的不確定度評(píng)定所需要用到的全部信息關(guān)聯(lián)在一起，即根據(jù)用戶選擇的儀器類型、型號(hào)、測(cè)試項(xiàng)目，就能很方便的檢索出該項(xiàng)目的測(cè)量原理、測(cè)量模型、不確定度分量匯總、合成不確定度計(jì)算公式等信息。需要添加、刪除或者修改有關(guān)項(xiàng)目時(shí)，只需對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改即可，而不必修改程序。方便了平臺(tái)的維護(hù)。

2.2 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)軟件客戶端即測(cè)量不確定度評(píng)定工具包，供個(gè)人使用，適用于測(cè)量方法正確、測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)粗大誤差的情況下，對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定。工具包使用流程如圖2所示。工具包的設(shè)計(jì)流程如圖3所示，將相應(yīng)的評(píng)定步驟做成向?qū)?，包括測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)量原理、測(cè)量模型、輸入數(shù)據(jù)、不確定度分量匯總、合成不確定度和測(cè)量結(jié)果顯示7個(gè)頁(yè)面。

客戶端軟件界面如圖4所示(由于篇幅限制，這里不展示所有頁(yè)面圖片)。向?qū)У牡谝豁?yè)是測(cè)試項(xiàng)目頁(yè)，供用戶選擇測(cè)試儀器類型、儀器型號(hào)和測(cè)試項(xiàng)目(即測(cè)量不確定度評(píng)定項(xiàng)目)?！白远x”按鈕用于修改數(shù)據(jù)庫(kù)，點(diǎn)擊該按鈕，彈出修改數(shù)據(jù)庫(kù)工具包，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改。

圖2 客戶端使用流程圖

圖3 客戶端軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4 客戶端軟件界面

選好測(cè)試項(xiàng)目后點(diǎn)擊“下一步”，向?qū)нM(jìn)入測(cè)量原理頁(yè)，程序從數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)索引該項(xiàng)目的測(cè)量原理和儀器連線圖并顯示，指導(dǎo)用戶按照正確的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。點(diǎn)擊“下一步”向?qū)нM(jìn)入測(cè)量模型頁(yè)，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)搜索不確定度標(biāo)準(zhǔn)模型并顯示。

繼續(xù)點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)頁(yè)，如圖5所示，供用戶選擇所使用的標(biāo)準(zhǔn)器并輸入測(cè)量數(shù)據(jù)。程序根據(jù)用戶的選擇，從數(shù)據(jù)庫(kù)搜索所選標(biāo)準(zhǔn)器的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)并顯示。測(cè)量數(shù)據(jù)可以在頁(yè)面中輸入，也可從Excel文件導(dǎo)入。

圖5 輸入數(shù)據(jù)頁(yè)

點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入不確定度分量匯總頁(yè)，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和所選標(biāo)準(zhǔn)器，以及測(cè)量模型，匯總各不確定分量的詳細(xì)信息并顯示。點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入合成不確定度頁(yè)，程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索該項(xiàng)目的合成不確定度公式并計(jì)算出合成不確定度。

繼續(xù)點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入結(jié)果顯示頁(yè)，如圖6所示，程序根據(jù)各不確定度分量的情況判斷被測(cè)量的分布以及包含因子，計(jì)算出擴(kuò)展不確定度，給出測(cè)量結(jié)果的相關(guān)信息。

圖6 測(cè)量結(jié)果頁(yè)

2.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)量不確定度評(píng)定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基于Java進(jìn)行開發(fā)，與客戶端設(shè)計(jì)類似，按照不確定度評(píng)定步驟以向?qū)У姆绞街敢脩暨M(jìn)行不確定度評(píng)定。所不同的是，網(wǎng)絡(luò)評(píng)定完成后點(diǎn)擊“生成報(bào)告”可以生成一份具有唯一編號(hào)的不確定度評(píng)定報(bào)告。該不確定度評(píng)定報(bào)告僅與使用者提交的標(biāo)準(zhǔn)儀器信息、測(cè)量數(shù)據(jù)有關(guān)，在很大程度上避免了不確定度評(píng)定過(guò)程中由于不確定度來(lái)源分析、分布類型判斷過(guò)程中出現(xiàn)失誤帶來(lái)的錯(cuò)誤。

2.4 社會(huì)效益分析

該平臺(tái)可以為基層計(jì)量工作者以及廣大實(shí)驗(yàn)室相關(guān)技術(shù)人員提供便于學(xué)習(xí)、理解以及應(yīng)用不確定度評(píng)定的實(shí)用工具，能夠使相關(guān)計(jì)量工作人員在短時(shí)間內(nèi)充實(shí)不確定度相關(guān)知識(shí)，直接利用評(píng)定實(shí)例，為日常測(cè)量(檢測(cè)、校準(zhǔn))提供技術(shù)服務(wù)，提升檢定人員水平，提高相關(guān)單位的檢測(cè)能力，更有效的為相關(guān)行業(yè)與部門提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

對(duì)于計(jì)量應(yīng)用來(lái)講，某個(gè)參數(shù)檢定或校準(zhǔn)的測(cè)量原理、測(cè)量依據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)器要求都有規(guī)可循，基層工作者只要準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定模型中要求的數(shù)據(jù)，則依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定模型計(jì)算得到的測(cè)量不確定度將只與測(cè)量值有關(guān)，而該測(cè)量值則直接反映了操作者的操作水平，這樣評(píng)定的測(cè)量不確定度將更加客觀。

3 總結(jié)與展望

研制的通用測(cè)量不確定度評(píng)定平臺(tái)包括客戶端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以向?qū)У姆绞揭龑?dǎo)使用者進(jìn)行不確定度評(píng)定。通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)，使不確定度的評(píng)定規(guī)范、統(tǒng)一；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以進(jìn)一步補(bǔ)充和完善數(shù)據(jù)庫(kù)。

本平臺(tái)主要依據(jù)GUM進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定，目前不支持蒙特卡洛法。由于數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了各輸入量的分布估計(jì)，本平臺(tái)經(jīng)過(guò)后續(xù)擴(kuò)展之后可支持蒙特卡洛法。

未來(lái)期望能獲取計(jì)量主管部門的支持，持續(xù)完善、提高工具包和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，推廣到整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)使用。同時(shí)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量不確定度理論的系統(tǒng)研究，有助于培養(yǎng)一支專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，進(jìn)而推進(jìn)測(cè)量不確定度評(píng)定理論和方法系統(tǒng)化研究。

[1] ISO1993(E). Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. ISO/TAG4/WG3. 1993[S]

[2] JJF 1059—1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S]

[3] JCGM 101:2008, Evaluation of measurement data—Supplement 1 to the”Guide to the expression of uncertainty in measurement”-Propagation of distributions using a Monte Carlo method[S]

[4] 胡紅波,于梅.測(cè)量不確定度評(píng)估及基于Monte Carlo法的數(shù)值計(jì)算[J].計(jì)量技術(shù),2012(6):72-76

[5] 徐廷學(xué),王浩偉,王立軍.測(cè)量不確定度自動(dòng)評(píng)定的研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2014,35(2):188-192

[6] 周鑫,卞昕,安瑩.一種智能化通用自動(dòng)測(cè)試軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)量技術(shù),2014(8):24-27

*國(guó)家科技支撐項(xiàng)目：課題號(hào)2014BAK02B05

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.02