李 昂，何 巍

（計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

人類社會經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)社會和工業(yè)社會的發(fā)展，目前邁進(jìn)數(shù)字社會，數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展，計算能力大幅增長，數(shù)據(jù)存儲容量大幅提升，云計算、高速數(shù)據(jù)傳輸和5G 連接、傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)突飛猛進(jìn)，正在打開數(shù)字世界的大門，釋放出創(chuàng)新的動力。 全球正在加速進(jìn)入以“萬物互聯(lián)、泛在智能”為特點的數(shù)字新時代，人類有望邁入一個以數(shù)字化生產(chǎn)力為主要特征的全新歷史階段。 面對數(shù)字時代的新時期和新形勢，計量作為實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保證量值準(zhǔn)確的重要活動，需要應(yīng)對數(shù)字化浪潮帶來的挑戰(zhàn)，在發(fā)揮自身作為科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的基石和支柱作用的同時，也需要制定自身新的發(fā)展戰(zhàn)略，以實現(xiàn)自身的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，迎接計量發(fā)展的新局面［1］。

2 數(shù)字計量發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國際計量組織和各國國家計量院都開始致力于數(shù)字計量的研究和發(fā)展，旨在建立一個先進(jìn)、通用、高效和安全的數(shù)字計量新框架。

2.1 國外數(shù)字計量相關(guān)研究

國際計量委員會（CIPM）為了將傳統(tǒng)計量轉(zhuǎn)型為數(shù)字計量，成立的專門的工作組TG Digital?SI，該工作組發(fā)布了名為“Draft of the Grand Vision Transforming the International System of Units for a Digital World”的關(guān)于數(shù)字國際單位制的草案［2］，指出該工作組的目標(biāo)是為了在所有參與方之間建立恰當(dāng)?shù)年P(guān)系，以便針對基于國際單位制的數(shù)據(jù)傳遞、計量信息與實際數(shù)據(jù)的機(jī)器可讀、清晰數(shù)字表示的元數(shù)據(jù)格式的權(quán)威文檔能夠迅速達(dá)成一致意見。 為了更加具有針對性地推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究工作，CIPM 以工作組TG Digital?SI 為依托，確立了建立SI 數(shù)字框架的最終目標(biāo)。 SI 數(shù)字框架如圖1 所示。 該數(shù)字框架有三層，由下至上每一層的含義如下：

圖1 CIPM 建立的SI 數(shù)字框架圖Fig.1 The SI digital framework established by CIPM

1）由CIPM 定義的SI 核心層：元數(shù)據(jù)模型和包括基于BIPM《SI 手冊》［3］的數(shù)值、單位和數(shù)量的不確定性等基本數(shù)據(jù)元素的交換格式的實現(xiàn)；

2）由各國國家計量院、BIPM 和相關(guān)組織實施的服務(wù)：建立在SI 核心表示之上的開放數(shù)據(jù)格式和軟件工具和服務(wù)。 此類服務(wù)使數(shù)據(jù)能夠為分析做好準(zhǔn)備，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，促進(jìn)生命周期分析，傳達(dá)數(shù)據(jù)適用性，并提高數(shù)據(jù)透明度；

3）在更廣泛的計量學(xué)群體和依賴SI 的研究學(xué)科中開發(fā)和部署的應(yīng)用程序：工具和服務(wù)可用于特定領(lǐng)域的應(yīng)用程序，包括復(fù)雜的分析和人工智能／機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，并通過在SI 核心表示上分層，確?？煽啃院涂勺匪菪?。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)背景下，歐洲計量合作組織（EURAMET）為了推動歐洲范圍內(nèi)計量產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型從而實現(xiàn)全球物聯(lián)網(wǎng)中定量數(shù)據(jù)的可靠評估，其跨學(xué)科計量技術(shù)委員會（TC?IM）成立了計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作組（WG M4D），以開展項目的形式貫徹實施歐盟委員會的數(shù)字化戰(zhàn)略［4，5］。 其中包括兩個TC?IM 項目：一是科研數(shù)據(jù)管理和歐洲開放科學(xué)云（TC?IM 1449），二是開發(fā)數(shù)字校準(zhǔn)證書（TC?IM 1448），這兩個項目主要依托德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB）開展實施。 PTB 在歐洲計量合作組織（EURAMET）中主導(dǎo)了三個方面的計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作：國際單位制數(shù)字化（D?SI）、數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）和歐洲計量云（EMC）。 在D?SI 方面，PTB發(fā)布了指導(dǎo)性文件《單位的數(shù)字化系統(tǒng)》。 該文件對于國際單位制數(shù)字化相關(guān)的元數(shù)據(jù)模型、基本指導(dǎo)規(guī)則和SI 單位語法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和說明；在DCC 方面，在分層式結(jié)構(gòu)、相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)交換格式語法的基礎(chǔ)上，PTB 定義了數(shù)字校準(zhǔn)證書的基本結(jié)構(gòu)，這是數(shù)字校準(zhǔn)證書的概念被首次提出；在EMC 方面，以數(shù)字化戰(zhàn)略目標(biāo)為導(dǎo)向，2018年6 月，PTB 與幾個歐洲伙伴一起啟動了歐洲計量云的項目，旨在提供創(chuàng)新的測量儀器和以技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的法定計量服務(wù)，構(gòu)建歐洲數(shù)字質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施。

除了上述組織機(jī)構(gòu)，英國國家物理實驗室（NPL）、美洲計量組織（SIM）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）等也在積極地探索數(shù)字計量的實施方案。

2.2 國內(nèi)數(shù)字計量相關(guān)研究

中國計量科學(xué)研究院（NIM）在計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面工作起步較早，目前主要圍繞建設(shè)數(shù)據(jù)中心、制定計量數(shù)字化框架、建設(shè)中國標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)庫、實施NQI 專項—“基于D?SI 的數(shù)字質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究及體系建立”項目等開展工作。 其中，計量數(shù)字化框架對其他計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的參考價值。 NIM 制定的計量數(shù)字化框架如圖2 所示。 一方面，NIM 建立D?SI，經(jīng)過國家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和國家認(rèn)證認(rèn)可機(jī)構(gòu)的認(rèn)證后，傳送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、檢測實驗室和校準(zhǔn)實驗室。另一方面，NIM 制定認(rèn)可所需的DCC，并依次傳遞給校準(zhǔn)實驗室、檢測實驗室和檢測機(jī)構(gòu)。 在此基礎(chǔ)之上，D?SI 和DCC 將服務(wù)于企業(yè)，企業(yè)對產(chǎn)品進(jìn)行賦能，并惠及客戶和公眾。 除此之外，還要向下建立量值數(shù)字傳遞鏈、向上建立量值數(shù)字溯源鏈，并在數(shù)字語言、精準(zhǔn)時間、身份認(rèn)證、精準(zhǔn)位置和數(shù)字安全時間戳的基礎(chǔ)上滿足計量技術(shù)規(guī)范、信息技術(shù)規(guī)范和數(shù)字安全要求。 在計量數(shù)字化框架的基礎(chǔ)上，NIM 構(gòu)建了計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖，如圖3 所示。

圖2 NIM 計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架圖Fig.2 The digital transformation framework of metrology established by NIM

圖3 NIM 計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)路線圖Fig.3 The technology roadmap of the digital transformation in metrology established by NIM

浙江省計量科學(xué)研究院前瞻性布局?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型，進(jìn)行全新探索并取得了積極的成果［6］，主要包括開展智能化計量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、開展計量數(shù)據(jù)決策系統(tǒng)建設(shè)、創(chuàng)新數(shù)字化服務(wù)模式等內(nèi)容。

綜上所述，國內(nèi)數(shù)字計量實質(zhì)性工作同樣主要圍繞傳統(tǒng)計量產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面開展，NIM 在計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面基本達(dá)到PTB、NIST、NPL 同等水準(zhǔn)，圍繞D?SI 框架、數(shù)字校準(zhǔn)證書DCC、基于可信時間戳的數(shù)字校準(zhǔn)證書系統(tǒng)、計量數(shù)據(jù)中心等開展了大量卓有成效的工作，部分成果能夠成為推進(jìn)計量產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有力借鑒。

3 數(shù)字計量關(guān)鍵技術(shù)研究

國際單位制是所有科學(xué)計量、法制計量、貿(mào)易和工業(yè)的基礎(chǔ)，基于可發(fā)現(xiàn)、可訪問、可互操作、可復(fù)用（FAIR）的原則，將其用機(jī)器可讀的數(shù)字方式表示，并在此基礎(chǔ)上生成DCC，將有利于提高工業(yè)流程的效率，但也給質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施帶來了挑戰(zhàn)。 如今，D?SI 和DCC 已經(jīng)成為全球計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型的焦點。

3.1 數(shù)字國際單位制（D?SI）

在現(xiàn)有的和新的應(yīng)用程序相互通信的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中，SI 的重要性尤為突出。 SI 僅使用7 個基本單位就能描述所有的物理過程，其清晰程度是前所未有的。 在新興的計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，這種清晰度在數(shù)據(jù)交換過程中至關(guān)重要。 對于計量數(shù)據(jù)的數(shù)字交換，最基本的要點是每個數(shù)值都至少與一個相應(yīng)的單位聯(lián)系在一起，這兩條信息使我們能夠根據(jù)SI 單位制來解釋一個量值。 由此可見，國際單位制的數(shù)字化，是整個計量產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)和前提。 數(shù)字國際單位制，就是在一定的指導(dǎo)規(guī)則之下，實現(xiàn)國際單位制的機(jī)器可讀，為完成數(shù)字測量值的傳輸與交換提供可行性和保障［7］。

數(shù)字計量中要求對數(shù)字格式中SI 的標(biāo)識符及其組合進(jìn)行唯一定義。 D?SI 的語法如圖4 所示。

每一個SI 單位術(shù)語指定至少一個BIPM 單位，可以是BIPM 的《SI 手冊》［3］中任何具有專門符號的單位。 該單位可以通過指定單位的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)的詞頭來擴(kuò)展，還可以通過附加指數(shù)來形成單位的冪。 除此之外，幾個單位還可以通過乘法進(jìn)行代數(shù)相連。 在實際應(yīng)用程序中，BIPM 單位、詞頭、指數(shù)、運算符等元素由固定的字符串指定，并按照圖4 中的語法相連。 BIPM 單位的標(biāo)識符示例被分成3組，如表1 所示。

圖4 SI 數(shù)字化的語法圖Fig.4 The figure of the gramma of D?SI

表1 BIPM 單位分組和D?SI 中標(biāo)識符的示例Tab.1 Examples of the groups of BIPM units and the corresponding identifiers of D?SI

3.2 數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）

在當(dāng)下數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，校準(zhǔn)證書仍然依賴于手寫簽名的打印文件，迫切需要基于數(shù)字化處理的校準(zhǔn)證書的相關(guān)概念以及技術(shù)支持。 數(shù)字化轉(zhuǎn)型的最終結(jié)果是傳統(tǒng)的紙質(zhì)校準(zhǔn)證書退出歷史舞臺，全球的計量機(jī)構(gòu)都能使用數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）代替紙質(zhì)證書，用于證明測量器具的校準(zhǔn)和它是如何被校準(zhǔn)的。 由于生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控流程的數(shù)字化變得日益重要，數(shù)字校準(zhǔn)證書的機(jī)器可讀特性使它們能夠更加方便快捷地服務(wù)用戶。

數(shù)字校準(zhǔn)證書的結(jié)構(gòu)［8］如圖5 所示。 基本信息如下［9］：

圖5 數(shù)字校準(zhǔn)證書的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of DCC

1）（規(guī)定的）行政管理性數(shù)據(jù)包括必要信息。對于明確的鑒定，這些數(shù)據(jù)是必要的，是必不可少的明確標(biāo)識。 因此，在默認(rèn)情況下，這些數(shù)據(jù)區(qū)域是被定義的；

2）當(dāng)出現(xiàn)基于SI 的如下內(nèi)容時，測量結(jié)果部分是規(guī)定的：符號、測量值、擴(kuò)展測量不確定度、包含因子、包含概率、單位和時間（可選的）。 另外，也可以實現(xiàn)除了SI 之外的單位（例如海里、毫米汞柱等）。 總之，SI 單位中對信息的表述總是適用；

3）注解和圖表保存在非規(guī)定區(qū)域，數(shù)據(jù)可能儲存在現(xiàn)有數(shù)據(jù)交換格式中（或者將要創(chuàng)建的格式中）；

4）DCC 最終會輸出一個可讀的、類似于傳統(tǒng)紙質(zhì)校準(zhǔn)證書的文件。 除上述信息之外，包括數(shù)值校準(zhǔn)曲線在內(nèi)的所有顯示均能夠直接或自動轉(zhuǎn)換為數(shù)字流程。 同時，使用加密簽名作為安全程序，確保校準(zhǔn)證書的完整性和真實性。

4 結(jié)束語

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》［10］第五篇提出“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”；2022 年政府工作報告中提出加強(qiáng)數(shù)字中國建設(shè)整體布局，建設(shè)數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。 一系列政策的頒布足以彰顯我國全力迎接數(shù)字時代、激活數(shù)據(jù)要素潛能、以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式變革的決心。 計量是實現(xiàn)單位統(tǒng)一、保證量值準(zhǔn)確的活動，是科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、民生保障的重要基礎(chǔ)，是構(gòu)建一體化國家戰(zhàn)略體系和能力的重要支撐，2022 年世界計量日主題是“Metrology in the Digital Era（數(shù)字時代的計量）”［11］，足以印證計量是數(shù)字化技術(shù)實踐的重要領(lǐng)域。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為各行各業(yè)改造提升傳統(tǒng)動能、培育發(fā)展新動能的重要手段。 數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大潮已經(jīng)到來，充滿了機(jī)遇、風(fēng)險與挑戰(zhàn)。 計量檢測機(jī)構(gòu)數(shù)字化轉(zhuǎn)型剛剛拉開序幕，檢驗檢測機(jī)構(gòu)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)、方法、落地思路基本處于無人區(qū)，充滿了未知與不確定因素，需要長時間多方位的探索，不斷地思考、嘗試、總結(jié)與修正。