梁志國，尹肖，孫浩琳，張大治

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所 計量與校準技術重點實驗室，北京 100095)

0 引言

多數(shù)情況下，計量校準都是在校準試驗室內(nèi)進行，需要對溫度、濕度等環(huán)境因素進行控制和約定。其本質(zhì)是這些環(huán)境條件的變化，會導致校準結果的變化。

伴隨著計量校準從實驗室走向現(xiàn)場，一些環(huán)境條件與校準實驗室有很大不同，甚至不能由主觀意愿來完全控制，校準結果的量值及其含義便打上了相應環(huán)境條件的烙印。人們先是對其進行不同程度的約定，其后，則傾向于以環(huán)境條件的方式對校準結果進行注釋。當變化的環(huán)境條件不止一項時，人們往往很難再具體確切表征其變化特征，便籠統(tǒng)將其稱之為“復雜環(huán)境條件”[1-4]。實際上，“復雜環(huán)境條件”并無明確定義，提法也不確切，屬于含義不清、狀況不明的粗略表述方式，對于工作要求并無指導和借鑒意義。

環(huán)境，新華字典的解釋是“周圍的一切事物”。而現(xiàn)代漢語詞典的解釋為：①周圍的地方；②所處的情況和條件。

計量校準工作中所涉及的環(huán)境含義更傾向于所處的情況和條件。從國家軍用標準中，可以尋找出對各種不同環(huán)境的不同表述法。例如，環(huán)境模擬、野外環(huán)境、工程保障作業(yè)環(huán)境、戰(zhàn)場環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境、自然環(huán)境、特殊環(huán)境等[5-12]。

自然環(huán)境，包括不同地域特征的情況，例如：尋常自然環(huán)境、異常自然環(huán)境、特殊自然環(huán)境、災害自然環(huán)境、生物環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、各種氣象環(huán)境等等。每一種自然環(huán)境又都包括了各種不同的環(huán)境要素，并且由于表述過于粗略，它們往往都具有不確定性。

譬如，沙漠自然環(huán)境、濕熱自然環(huán)境、寒區(qū)自然環(huán)境、自然鹽霧環(huán)境。

其中的因素可能包括：大氣溫度；大氣壓，低氣壓，風壓，風向，風速；大氣濕度，積冰、凍雨、淋雨、降雨量；大氣輻射，日光輻射，太陽輻照度，激光照射，β射線輻射，γ射線輻射，中子輻射，質(zhì)子輻射；流體污染，浸漬，酸性大氣；霉菌，鹽霧；雷擊，雷暴，浪涌，沖擊波超壓，光沖量；沙塵，吹沙，低能見度。

另外，這些環(huán)境也可能按照其某一代表性特征被表述成：高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、溫度沖擊環(huán)境、交變溫度環(huán)境、恒定濕熱環(huán)境、交變濕熱環(huán)境等不同的方式。

以上主要涉及物理環(huán)境，實際工作中也包含一些化學環(huán)境。例如，空氣中的物質(zhì)：二氧化硫、硫化氫、氧化氮、臭氧、鹽酸、氫氟酸、氨、油霧、鹽霧、粉塵、沙暴；霉菌、動物、有害昆蟲等。

自然環(huán)境之外，即屬于人工環(huán)境，包括人工物理環(huán)境、人工化學環(huán)境。例如：振動，顛震，隨機振動，傾斜搖擺，炮擊振動，飛機炮振，加速度；沖擊，艦船沖擊，彈道沖擊，爆炸大氣，爆炸分離沖擊，墜撞，傾跌；噪聲，空氣噪聲，水聲；放射性粒子云。多屬于人造物理環(huán)境條件。

另外，一些特殊的計量測試活動所面臨的環(huán)境，屬于人工環(huán)境。例如，放置于火炮炮膛內(nèi)的測量火炮膛壓的“放入式電子測壓器”；測量引信膛內(nèi)、飛行、終點環(huán)境的“彈載全彈道動態(tài)參數(shù)快速存儲測試裝置”；它們的局部環(huán)境為：高溫2000 °C以上、高壓1 GPa以上、高沖擊加速度20萬g以上，需要測量記錄毫秒、微秒、甚至納秒量級的高機動性的瞬態(tài)過程[13]。

例如，高速撞擊侵徹過程測試：高沖擊加速度20萬-30萬g；爆炸沖擊波及其毀傷參量測試；油井測壓器；彈載記錄儀(黑匣子)測試等等；其面臨的局部環(huán)境均是特殊的人工環(huán)境條件。

從這些不同的表述上看，環(huán)境條件變化多端，影響因素眾多，其中的排列組合極為復雜，若想簡潔明了而又清晰明確地表述和區(qū)分不同的環(huán)境條件，并不是一件輕而易舉的事。

例如，僅僅針對物理環(huán)境，人們就可以抽象出大氣環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、力學環(huán)境、生物環(huán)境、真空環(huán)境等不同特征的表述方式。

從本質(zhì)上看，任何一種環(huán)境都是各個不同要素共同組合作用的結果，所不同的僅僅是這些要素的條件和取值范圍不同而已。

極限環(huán)境是人們經(jīng)常提及的一個概念，它多指某一項或幾項環(huán)境條件特征呈現(xiàn)出超乎尋常的狀態(tài)，表現(xiàn)為超高、超低、超強、超弱、超軟、超硬、超復雜等。極限環(huán)境超出通常意義上的普通環(huán)境，很多屬于人工環(huán)境。極限環(huán)境下的活動往往呈現(xiàn)艱難化和復雜化，通常意味著增加巨額成本、極易產(chǎn)生傷害與損毀。

極限環(huán)境并不等同于復雜環(huán)境，極限并不一定復雜，而復雜并不一定處于極限狀態(tài)。

惡劣環(huán)境也是一個常見的表述法，但也是一個更加主觀的概念。通常是指對處于環(huán)境中的主體說來，瀕臨或超出其承受能力極限的環(huán)境條件，令其感覺不舒服，或功能、性能呈現(xiàn)下降狀態(tài)的環(huán)境條件。

惡劣環(huán)境之所以是一個主觀概念，是因為沒有絕對的惡劣與否的定義。例如水下生存對于人類來說屬于環(huán)境惡劣，而對于魚類，則恰是尋常環(huán)境，鹽霧下的海水環(huán)境，對于多數(shù)金屬具有腐蝕作用，因此對于很多包含金屬零部件構建的儀器設備屬于惡劣環(huán)境，但對于某些有機高分子材料以及石料等，則沒有傷害，因而不屬于惡劣環(huán)境。

因此，有必要對環(huán)境條件進行分類研究與闡述，并以標準化方式進行表述和構建，以便將其更加明確地應用于計量校準中。

2 環(huán)境條件及其分類

2.1 環(huán)境要素

在討論環(huán)境分類之前，首先應明確的概念是環(huán)境要素，現(xiàn)代漢語詞典稱它們是構成環(huán)境的基本單元。不同的環(huán)境要素在形態(tài)、組成和性質(zhì)上各不相同，彼此獨立。通過物質(zhì)轉換和能量傳遞而相互聯(lián)系，構成環(huán)境的整體。有了環(huán)境要素的概念，人們就比較好描述、分類、歸納和總結環(huán)境條件了。

環(huán)境要素齊全完整的表述被認為是確定、完備的描述方法，但不一定是唯一的描述方式。不完整的要素要求隱含著未知的不確定性。例如，自然環(huán)境要素，包括水、空氣、生物、土壤、巖石、陽光等。缺少其中的任何一項都是不完整的自然環(huán)境描述，而其中的任何一個要素的變化都是自然環(huán)境發(fā)生了變化。

總體而言，可以將計量校準所涉及和關心的環(huán)境要素概括為以下幾類：

①媒介條件:主要指構成周圍環(huán)境的媒介的主體。通常的媒介包括空氣、 淡水、海水、真空、油液、污穢物、毒害氣體、毒害液體、污染物及火焰等。

②場條件:主要指周圍存在的物理場條件。通常包括電磁場、溫度場、濕度場、噪聲場、光輻射場、電離輻射場等。

③力學條件:主要指周圍存在的使環(huán)境中主體感受到力的作用的物理條件。通常包括振動、沖擊、壓力、旋轉、擺動、流動、機動過載、爆炸沖擊波等。

④空間條件:主要指周圍存在的使環(huán)境中主體感受到的可以利用的自由空間條件。通常包括開放空間、封閉空間、半開放(半封閉)空間、狹小空間。

上述四類條件能成為環(huán)境要素，其本質(zhì)原因包括兩個方面，其一是該要素在變化時，會對測量結果產(chǎn)生影響，即它本身是測量的影響量。例如場條件和力學條件多半屬于這類范疇。其二是該要素雖然本身不是測量結果的影響量，但卻會對測量過程的順利實施與否造成影響。例如媒介條件和空間條件多半屬于該類范疇。

2.2 環(huán)境條件分類

有了上述四類環(huán)境要素的抽象后，環(huán)境條件的分類即可容易進行。首先以一類要素為主進行區(qū)分劃類，然后再按照重要程度或關注程度依次確定其它類別要素的條件即可完成分類。

例如，按照媒介要素分類，可以有真空環(huán)境、空氣環(huán)境、瓦斯氣體環(huán)境、天然氣體環(huán)境、淡水水下環(huán)境、海水水下環(huán)境、石油液體環(huán)境、SO2氣體環(huán)境、甲烷氣體環(huán)境、污水水下環(huán)境等。

若確定為空氣媒介環(huán)境，則對其中的場條件特性，包括電磁場、溫度場、濕度場、噪聲場、光輻射場技電離輻射場均應有明確具體的要求；對其中的力學條件特性，包括振動、沖擊、壓力、旋轉、擺動、流動、機動過載及爆炸沖擊波也應有明確具體的要求；對其中的空間條件特性，包括開放空間、封閉空間、半開放(半封閉)空間及狹小空間應給出具體說明與闡述。

若確定為真空環(huán)境，則其場要素中的溫度場、濕度場、噪聲場，其力學條件要素中的爆炸沖擊波等均應不存在，但其它各個要素應予以明確。

若確定為海水水下環(huán)境，則其場要素中的電磁場、溫度場、濕度場、噪聲場、光輻射場等等均應不存在或影響可以忽略，而其它各個要素應予以明確。

環(huán)境條件的分類與完整表述實際上是非常復雜繁瑣的，為了簡化表述，人們往往將多數(shù)環(huán)境條件的影響予以忽略，只列出最容易引起結果變化的環(huán)境影響量予以明確，并將其稱之為標準環(huán)境或參考環(huán)境。例如，給出正常大氣條件，溫度為15～35 °C，45%RH～75%RH，86～106 kPa。認為多數(shù)在空氣環(huán)境下的實驗室均可以達到該條件。人們給出判定大氣條件，溫度為251 °C，48 %RH～52 %RH，86～106 kPa。以比正常大氣條件嚴格一些的約定，用來判定儀器系統(tǒng)的技術參數(shù)是否符合要求，并比較不同儀器設備的性能優(yōu)劣。

顯然，這里僅僅列出溫度、濕度和壓力三個環(huán)境要素，其它環(huán)境要素的影響被忽略了。

3 環(huán)境條件的規(guī)范性表述

環(huán)境條件的表述，可以分為恒定環(huán)境與非恒定環(huán)境兩類。恒定環(huán)境是全部環(huán)境要素恒定不變的理想情況，非恒定環(huán)境則復雜得多，可以是僅有一個環(huán)境要素在變化的單變量環(huán)境系統(tǒng)，這也是各類環(huán)境試驗所采用的常見環(huán)境系統(tǒng)。此時若該環(huán)境要素的變化規(guī)律是平穩(wěn)隨機過程式變化，或在某一個范圍內(nèi)呈周期性變化，則將其稱之為單變量穩(wěn)態(tài)變化環(huán)境。若該環(huán)境要素呈瞬變規(guī)律急速變化，例如沖擊、階躍等規(guī)律，則可以將其稱之為單變量瞬態(tài)變化環(huán)境。

非恒定環(huán)境中，最常見的情況是不止有一種環(huán)境要素在變化，稱為多變量變化環(huán)境。這些變量既可以是同時在變化(稱之為環(huán)境綜合變化)，也可以是順序變化(稱之為環(huán)境組合變化)、間歇變化等，變化的組合狀況和規(guī)律均可能非常復雜。這種情況下，環(huán)境條件的完整表述應該是每一種環(huán)境要素及其變化規(guī)律的完整表述。

實際上，每一個環(huán)境都是多維的，其維數(shù)就是其環(huán)境要素的個數(shù)。在實際的計量校準中提及環(huán)境條件時，通常很少提環(huán)境要素，而是直接提環(huán)境變量。從表面上看，人們可以將環(huán)境要素的變化直接等同于環(huán)境變量的變化。其深層次的原因不僅如此，它隱含著另外一種觀念，即對于某一個具體的測量原理下的測量過程而言，并非每一個環(huán)境要素的變化都能對測量結果造成顯著影響。通常只將那些能對測量結果造成顯著影響的環(huán)境要素列為環(huán)境變量，而眾多對測量結果沒有影響或影響可以忽略的環(huán)境要素，通常不被列為環(huán)境變量。

例如，溫度、濕度在很多情況下都對測量結果有顯著影響，故它們在多數(shù)情況下都被列為需要特別控制和管理的環(huán)境變量。

對于電子測量儀器設備而言，強電磁場和電磁波一直是比較主要的影響因素，因而常被列為環(huán)境變量，而對于具有良好接地屏蔽的系統(tǒng)而言，電磁場和電磁波造成的影響可以忽略，此時，可以不將其當作環(huán)境變量來處理。另外，對于激光測量而言，再強的電磁場都很難對其光學系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，因而，此時也可以不將電磁場作為環(huán)境變量處理。

環(huán)境要素是否被當作環(huán)境變量還與測量準確度要求密切相關，對于較低準確度的測量而言，一些環(huán)境要素的影響不占主流，可以忽略不計，因此不被當作環(huán)境變量處理。而當對測量準確度要求提高到一定程度以后，不能再忽略其對測量產(chǎn)生的影響時，自然就成了環(huán)境變量。例如在激光干涉測距離時，空氣折射率的影響就屬于這種情況。

4 計量校準中的環(huán)境應對之策

在確立了環(huán)境條件的完整表述原則以后，考慮到環(huán)境影響量的作用因素，可以將那些對測量結果沒有影響或影響可以忽略的要素，不在環(huán)境條件中特別考慮。則計量校準所能采取的環(huán)境應對之策隨之確定。總結起來，主要有以下幾種：

①選擇或研制適應環(huán)境的計量校準系統(tǒng)。使其在所涉及的變化環(huán)境或極限環(huán)境下，仍然能夠有優(yōu)良的適應性以及測量準確度。該策略對測量系統(tǒng)以及計量校準裝置要求極高，所采取的措施包括校準原理、校準技術、校準軟件和方法等各個方面，難度最大。

②局部環(huán)境控制策略。該策略不改變校準系統(tǒng)本身，僅僅通過將其封閉到一個局部狹小空間環(huán)境內(nèi)，在此局部環(huán)境內(nèi)進行環(huán)境條件控制，使其工作在良好性能狀態(tài)，以提高整個計量校準過程的環(huán)境適應性。例如，可以在北方嚴冬的-40 °C的野外環(huán)境下，靠計量校準方艙，使得艙內(nèi)的環(huán)境溫度控制在20 °C左右，以適合計量校準系統(tǒng)工作，順利完成計量校準任務。又比如，在電磁環(huán)境極為復雜的通訊對抗環(huán)境中，采用流動屏蔽室方式，將計量校準儀器設備置于其中，使其不受影響，也是局部環(huán)境控制策略之一。該策略是目前大多數(shù)現(xiàn)場校準應對環(huán)境因素的方式，應用廣泛，效果良好。

③影響因素的降維策略。為了適應嚴酷的環(huán)境影響，使用對其中一種或幾種影響量不敏感的技術或原理執(zhí)行計量校準，以達到減少影響量、降低影響因素維數(shù)的效果。例如，采用光纖傳感器進行應變、溫度、壓力等量值的測量，以替代應變片、熱電偶、壓電式傳感器，由于光波對于電磁干擾因素不敏感，使得電磁場與電磁波的影響因素降到可以忽略，達到降低影響因素維數(shù)的效果。該策略是目前大多數(shù)現(xiàn)場校準研究應對環(huán)境因素的主要方法之一，技術在持續(xù)發(fā)展，前景廣闊。

5 討論

從上面的討論可見，在計量校準中，環(huán)境問題非常重要且復雜，因其對測量帶來的影響的復雜性和多樣性，量值傳遞與溯源的大多數(shù)活動都規(guī)定了一個標準環(huán)境，以便使得所討論的量值結果在不同的實驗室之間具有含義一致性和可比性。所允許的標準環(huán)境參數(shù)的波動范圍也是在其對測量結果造成的影響可以忽略或有效修正的前提下設定的。伴隨著計量校準活動從實驗室的標準環(huán)境走向工業(yè)現(xiàn)場，走向軍事戰(zhàn)場，走向海洋，走向深空，環(huán)境帶來的影響已經(jīng)遠不能忽略。在這種情況下，尋求各種可以適應不同環(huán)境條件的高準確度計量校準技術和方法成為計量校準的一個發(fā)展方向。首先，對環(huán)境條件進行分類并確切描述是最為重要的。否則，僅僅使用“復雜環(huán)境”這樣的表述，人們依然很難體會其復雜在何處，更無法在不同的專題中達成共識。

對于計量校準中環(huán)境因素的影響量的確定與評估，涉及到如何構建環(huán)境實驗室的校準能力，對于環(huán)境的分類表述具有更加重大的意義和價值。此時，使用媒介環(huán)境、場環(huán)境、力學環(huán)境、空間環(huán)境的分類要素來規(guī)劃與構建，并形成明確的環(huán)境變化譜，將使得全部環(huán)境因素清晰明了，并易于系統(tǒng)展現(xiàn)。

除了在大氣中所作的各類校準試驗所需的常規(guī)的與特殊的環(huán)境條件以外，在面向宇宙航天的各項任務中，構建模擬宇宙空間的真空環(huán)境、零重力環(huán)境、宇宙射線輻射環(huán)境、電離層環(huán)境、浮離地環(huán)境等均是必須考慮的環(huán)境條件。

在面向海洋的各項任務中，海水水下環(huán)境、深海高壓環(huán)境、高濕度鹽霧環(huán)境、艦船上的復雜電磁環(huán)境、潛水艇內(nèi)的封閉空間環(huán)境、高壓水聲環(huán)境等需要著重考慮。

在與環(huán)境保護、環(huán)境污染有關的計量校準方面，各種氣體、液體、流體、化學污染物、污水、廢渣、廢液等，是需要重點考慮的環(huán)境條件。且它們并非單一存在，往往是多種污染物混合出現(xiàn)，且可能產(chǎn)生各種生化反應，形成新型污染物。它們對傳感器、測量分析儀器的綜合作用效果，均需要已知環(huán)境條件的計量校準技術予以解決。

6 結束語

計量校準中環(huán)境因素的影響是復雜而多方面的。本文通過介紹環(huán)境要素分類的方式，對其進行系統(tǒng)性和標準化表述、構建、分析。主要從環(huán)境媒介、環(huán)境場、環(huán)境力學條件、環(huán)境空間等幾個方面去展開，避免“復雜環(huán)境”一類不確定的表述，給人以清晰明了的認知與共識，促進計量校準中環(huán)境因素的研究與應用。

[1] 何昭，郭曉濤，張亦弛.“復雜環(huán)境下通信和測量設備的計量溯源關鍵技術研究”項目獲“國家質(zhì)量基礎的共性技術研究與應用”重點專項支持[J].中國計量，2017(12):64-66.

[2] 嚴守道，袁海文，陸家榆,等.復雜環(huán)境下地面合成電場測量系統(tǒng)的研究[J].電網(wǎng)技術，2013，37(1):183-189.

[3] 郭萬林.復雜環(huán)境下的三維疲勞斷裂[J].航空學報，2002，23(3)：215-220.

[4] 舒立春，白困利，胡琴，等.基于支持向量機的復雜環(huán)境條件下絕緣子閃絡電壓的預測[J].中國電機工程學報，2006，26(17)：127-131.

[5] 中央軍委裝備發(fā)展部.GJB 8848-2016系統(tǒng)電磁環(huán)境效應試驗方法[S].2016.

[6] 中國人民解放軍總裝備部.GJB 8649.8-2015水下槍械性能試驗方法 第8部分：環(huán)境模擬[S].2015.

[7] 中國人民解放軍總裝備部.GJB 8848-2015榴彈發(fā)射器試驗方法 第6部分：環(huán)境模擬試驗[S].2015.

[8] 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 8192-2015艦船電子設備環(huán)境試驗總則[S].1983.

[9] 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 150.1-1986軍用設備環(huán)境試驗方法 總則[S].1986.

[10] 中國人民解放軍總裝備部.GJB 150.1A-2009軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第1部分：通用要求[S].2015.

[11] 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 367.2-1987軍用通信設備通用技術條件環(huán)境試驗方法[S].1987.

[12] 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 403.4-1987艦載雷達通用技術條件環(huán)境要求[S].1987.

[13] 祖靜，馬鐵華，裴東興，等.新概念動態(tài)測試[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016，9(1)：9-18.