通用測量不確定度評定平臺設計與實現(xiàn)*

王少華 卞 昕 周 鑫 劉 科 趙海寧

(中國計量科學研究院，北京 100029)

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通用測量不確定度評定平臺設計與實現(xiàn)*

王少華 卞 昕 周 鑫 劉 科 趙海寧

(中國計量科學研究院，北京 100029)

測量不確定度評定不準確、不科學的現(xiàn)象廣泛存在，缺乏規(guī)范一致的評價工具。為此設計了通用測量不確定度評定平臺，包括評定軟件客戶端和網(wǎng)絡服務。將經(jīng)過認可的標準不確定度模型存儲到數(shù)據(jù)庫中，按照不確定度評定步驟設計了操作向導，使用者只需按照提示依次操作，即可完成不確定度評定。該平臺為基層計量工作者及廣大實驗室技術人員提供了一個規(guī)范化、標準化的不確定度評定工具。

不確定度評定；軟件平臺；標準化

0 引言

測量不確定度是對測量結果質量的定量表征，在測試、校準、實驗室認可等工作中，測量不確定度的評定是必不可少的。如何對測量結果進行準確的不確定度評定以及規(guī)范地表示，決定了該測量結果的有效性、可靠性以及科學性。

早在1993年，ISO、IEC等7個國際組織就聯(lián)合發(fā)布了《測量不確定度表示指南》[1](簡稱GUM)，使不同的國家和地區(qū)，涉及測量的技術領域和部門，可以用統(tǒng)一的準則對測量結果及其質量進行評定、表示和比較。1999年，我國發(fā)布了國家計量技術規(guī)范JJF 1059—1999《測量不確定度評定與表示》[2]，原則上等同采用了GUM的基本內容。這兩個文件成為我國評定測量不確定度的基礎。2008年，計量學指南聯(lián)合委員會(JCGM)發(fā)布了GUM補充文件—基于蒙特卡羅方法的分布傳播[3]，使測量不確定度的評定方法更加全面。國內學者積極跟進研究，依據(jù)GUM補充條款對《測量不確定度評定與表示》進行了修訂，寫入了蒙特卡羅方法。

測量不確定度評定以統(tǒng)計學為基礎，大量的數(shù)學理論和公式推導使得基層計量工作者對測量數(shù)據(jù)的后期處理，特別是不確定度的準確評定方面顯得力不從心。目前大部分關于不確定度評定方法的規(guī)程和教材都基于傳統(tǒng)的文字表述及大量的公式推導，測量不確定度評定水平因人而異，基層計量工作者缺乏規(guī)范的、標準的實用工具。而目前熱門的蒙特卡羅方法基于計算機模擬和數(shù)值仿真理論[4]，對于一線計量工作者就顯得更加困難。

雖然使用某些軟件可以進行不確定度自動評定[5]，但是，仍缺乏規(guī)范一致的評定方法。因此，深入研究測量不確定度評定方法，為基層計量工作者及廣大實驗室技術人員提供規(guī)范化、標準化的不確定度評定工具，有顯著的社會意義。

1 通用測量不確定度評定平臺

1.1 通用測量不確定度評定平臺定義

通用測量不確定度評定平臺是依托不確定度評定軟件客戶端和網(wǎng)絡服務，通過組織專家討論認證，建立標準測量不確定度評定模型庫，設計評定向導，引導軟件使用者進行標準化、規(guī)范化和系統(tǒng)化評定的工具。

通用測量不確定度評定平臺包括軟件客戶端和網(wǎng)絡服務。客戶端即單機版不確定度評定軟件工具包，供個人使用，使用者可以按照評定向導進行規(guī)范的不確定度評定；基于網(wǎng)絡的評定服務，不僅便于使用者使用，而且通過網(wǎng)絡評定服務能夠積累大量實例，便于進一步分析和改進標準不確定度評定模型。

標準不確定度評定模型是通用測量不確定度評定平臺的核心。其含義是，對于某個參數(shù)的不確定度評定需求，由相應的技術管理部門，如專業(yè)計量技術委員會，組織該領域的技術專家和不確定度理論專家，對不確定度評定模型進行評議，達成共識后，確定該不確定度評定模型，并賦予其唯一的ID，成為“有證標準不確定度評定模型”。用戶在進行相應參數(shù)的不確定度評定時，可直接引用有證模型，用測量值進行計算，其不確定度評定報告認為是有效的。

事實上，現(xiàn)行的檢定規(guī)程、校準規(guī)范中所附的不確定度評定內容，可以認為是經(jīng)過國家授權的有證模型，只不過沒有單獨進行管理和授予“正式”身份。通過組織專家討論和認證，可建立標準測量不確定度評定模型庫，上級計量技術機構可以此為依據(jù)，為下級單位的不確定度評定提供有效性證書，使其成為“有證不確定度評定報告”，作為相應的技術依據(jù)。同時，這些標準評定模型也可供軟件使用者使用。

1.2 平臺設計要求

針對為用戶提供一個標準化、規(guī)范化的測量不確定度評定平臺，平臺設計應滿足以下要求：

1)通用性要求：針對測試儀器種類多、型號多、測試項目多等特點，不確定度評定平臺需要滿足不同領域的儀器參數(shù)的測量不確定度評定的需求[6]，應具有通用性。

2)規(guī)范性要求：數(shù)據(jù)庫中所給出的測量不確定度模型應該是經(jīng)過專家討論和認可后的標準的、規(guī)范的模型，可供查詢和使用。

3)指導性要求:平臺應該能夠給用戶提供一個不確定度評定向導，引導使用者學習不確定度的規(guī)范化評定。

4)易維護性和高可靠性要求。

1.3 平臺設計方案

為了滿足以上要求，平臺基于數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡技術，采用面向對象程序設計方案，設計評定向導，引導軟件使用者進行標準化、規(guī)范化和系統(tǒng)化的測量不確定度評定。

平臺設計的主要思路是以GUM及JJF1059現(xiàn)行版本為指導，按照不確定度評定步驟，自動從數(shù)據(jù)庫檢索相關信息并使用。使用者只需按照向導依次操作，平臺會自動根據(jù)相應的標準不確定度評定模型計算測量不確定度并報告。以標準不確定度評定模型為核心的不確定度評定流程如圖1所示。

單機版不確定度評定軟件工具包和網(wǎng)絡服務都采用圖形化、可視化的編程方式，結合數(shù)據(jù)庫技術，將不同領域的不同儀器不同測試項目的相關信息都存儲到數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)一管理。當數(shù)據(jù)庫中沒有用戶需要評定的項目時，用戶可以提交需求，也可以將自己的不確定度評定報告通過網(wǎng)絡提交給管理員加工成標準不確定度模型，通過技術審核和認證后添加到數(shù)據(jù)庫中。這樣可以積累大量的實例，進一步完善數(shù)據(jù)庫。

圖1 不確定度評定流程圖

2 平臺軟件的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫用于管理不確定度評定過程所用到的全部信息。數(shù)據(jù)庫設計采用關系型數(shù)據(jù)庫，將不同測試項目的不確定度評定所需要用到的全部信息關聯(lián)在一起，即根據(jù)用戶選擇的儀器類型、型號、測試項目，就能很方便的檢索出該項目的測量原理、測量模型、不確定度分量匯總、合成不確定度計算公式等信息。需要添加、刪除或者修改有關項目時，只需對數(shù)據(jù)庫進行修改即可，而不必修改程序。方便了平臺的維護。

2.2 客戶端的設計與實現(xiàn)

平臺軟件客戶端即測量不確定度評定工具包，供個人使用，適用于測量方法正確、測量數(shù)據(jù)無粗大誤差的情況下，對測量結果的不確定度評定。工具包使用流程如圖2所示。工具包的設計流程如圖3所示，將相應的評定步驟做成向導，包括測試項目、測量原理、測量模型、輸入數(shù)據(jù)、不確定度分量匯總、合成不確定度和測量結果顯示7個頁面。

客戶端軟件界面如圖4所示(由于篇幅限制，這里不展示所有頁面圖片)。向導的第一頁是測試項目頁，供用戶選擇測試儀器類型、儀器型號和測試項目(即測量不確定度評定項目)?！白远x”按鈕用于修改數(shù)據(jù)庫，點擊該按鈕，彈出修改數(shù)據(jù)庫工具包，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的修改。

圖2 客戶端使用流程圖

圖3 客戶端軟件設計流程圖

圖4 客戶端軟件界面

選好測試項目后點擊“下一步”，向導進入測量原理頁，程序從數(shù)據(jù)庫自動索引該項目的測量原理和儀器連線圖并顯示，指導用戶按照正確的測試方法進行測試。點擊“下一步”向導進入測量模型頁，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫搜索不確定度標準模型并顯示。

繼續(xù)點擊“下一步”進入輸入數(shù)據(jù)頁，如圖5所示，供用戶選擇所使用的標準器并輸入測量數(shù)據(jù)。程序根據(jù)用戶的選擇，從數(shù)據(jù)庫搜索所選標準器的相關技術指標并顯示。測量數(shù)據(jù)可以在頁面中輸入，也可從Excel文件導入。

圖5 輸入數(shù)據(jù)頁

點擊“下一步”進入不確定度分量匯總頁，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和所選標準器，以及測量模型，匯總各不確定分量的詳細信息并顯示。點擊“下一步”進入合成不確定度頁，程序從數(shù)據(jù)庫中搜索該項目的合成不確定度公式并計算出合成不確定度。

繼續(xù)點擊“下一步”進入結果顯示頁，如圖6所示，程序根據(jù)各不確定度分量的情況判斷被測量的分布以及包含因子，計算出擴展不確定度，給出測量結果的相關信息。

圖6 測量結果頁

2.3 網(wǎng)絡服務的設計與實現(xiàn)

測量不確定度評定網(wǎng)絡服務基于Java進行開發(fā)，與客戶端設計類似，按照不確定度評定步驟以向導的方式指引用戶進行不確定度評定。所不同的是，網(wǎng)絡評定完成后點擊“生成報告”可以生成一份具有唯一編號的不確定度評定報告。該不確定度評定報告僅與使用者提交的標準儀器信息、測量數(shù)據(jù)有關，在很大程度上避免了不確定度評定過程中由于不確定度來源分析、分布類型判斷過程中出現(xiàn)失誤帶來的錯誤。

2.4 社會效益分析

該平臺可以為基層計量工作者以及廣大實驗室相關技術人員提供便于學習、理解以及應用不確定度評定的實用工具，能夠使相關計量工作人員在短時間內充實不確定度相關知識，直接利用評定實例，為日常測量(檢測、校準)提供技術服務，提升檢定人員水平，提高相關單位的檢測能力，更有效的為相關行業(yè)與部門提供優(yōu)質服務。

對于計量應用來講，某個參數(shù)檢定或校準的測量原理、測量依據(jù)、標準器要求都有規(guī)可循，基層工作者只要準備標準評定模型中要求的數(shù)據(jù)，則依據(jù)標準評定模型計算得到的測量不確定度將只與測量值有關，而該測量值則直接反映了操作者的操作水平，這樣評定的測量不確定度將更加客觀。

3 總結與展望

研制的通用測量不確定度評定平臺包括客戶端和網(wǎng)絡服務，以向導的方式引導使用者進行不確定度評定。通過建立標準模型庫，使不確定度的評定規(guī)范、統(tǒng)一；通過網(wǎng)絡服務，可以進一步補充和完善數(shù)據(jù)庫。

本平臺主要依據(jù)GUM進行測量不確定度的評定，目前不支持蒙特卡洛法。由于數(shù)據(jù)庫中存儲了各輸入量的分布估計，本平臺經(jīng)過后續(xù)擴展之后可支持蒙特卡洛法。

未來期望能獲取計量主管部門的支持，持續(xù)完善、提高工具包和網(wǎng)絡服務，推廣到整個計量系統(tǒng)使用。同時，通過對現(xiàn)代先進測量不確定度理論的系統(tǒng)研究，有助于培養(yǎng)一支專業(yè)性很強的技術支持團隊，進而推進測量不確定度評定理論和方法系統(tǒng)化研究。

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

[2] JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示[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.測量不確定度評估及基于Monte Carlo法的數(shù)值計算[J].計量技術,2012(6):72-76

[5] 徐廷學,王浩偉,王立軍.測量不確定度自動評定的研究[J].計量學報,2014,35(2):188-192

[6] 周鑫,卞昕,安瑩.一種智能化通用自動測試軟件平臺的設計與實現(xiàn)[J].計量技術,2014(8):24-27

*國家科技支撐項目：課題號2014BAK02B05

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.02