數(shù)字校準(zhǔn)證書及其應(yīng)用

肖天雷 王舒卉 趙藝博 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，數(shù)字化已經(jīng)使人們的衣食住行發(fā)生了革命性的改變。目前，金融、企業(yè)生產(chǎn)、通信、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都已經(jīng)開展了數(shù)字化改革。國(guó)務(wù)院《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃( 2021-2035年)》中明確提到要加強(qiáng)量子計(jì)量、量值傳遞扁平化和計(jì)量數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)研究。因而，計(jì)量作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中重要的組成部分，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型也迫在眉睫。

計(jì)量的數(shù)字化轉(zhuǎn)型覆蓋了計(jì)量的所有領(lǐng)域，從行政管理到研究，再到日?；?dòng)，包括目前在數(shù)字化客戶的門戶、電子文件和人工智能計(jì)量、研究數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)字證書等[1]。同時(shí)，計(jì)量數(shù)字化是一個(gè)持續(xù)的進(jìn)程，要求能夠?qū)⑽锢碛?jì)量世界全面映射到數(shù)字計(jì)量世界，利用數(shù)字世界溝通、信息共享、診斷、預(yù)測(cè)、模擬的優(yōu)勢(shì)，與物理世界形成交互和反饋，直接推動(dòng)計(jì)量發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界中量值的統(tǒng)一與溯源，以及對(duì)數(shù)據(jù)和算法的信心與信任[2]。

目前，通過LIMS 系統(tǒng)和各大門戶網(wǎng)站的信息化改造，在日常管理、客戶服務(wù)等方面已經(jīng)完成了較完善的數(shù)字化改造。然而，計(jì)量最直接的產(chǎn)物是包含大量數(shù)據(jù)的計(jì)量證書，其中又以校準(zhǔn)證書占比最大。目前，校準(zhǔn)證書還沒有完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，僅將原有的紙質(zhì)證書轉(zhuǎn)變成電子圖片形式（如pdf 格式），這只能被稱為校準(zhǔn)證書的電子化。

1 數(shù)字校準(zhǔn)證書

1.1 概念和結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)證書的數(shù)字化，數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）這個(gè)概念應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過不懈的努力，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）牽頭和一些儀器儀表廠商（如西門子、維薩拉、貝美克斯等）共同研發(fā)了一版滿足大部分使用需求的數(shù)字校準(zhǔn)證書編制規(guī)則，并且該規(guī)則每年仍然在研究和更新中。

數(shù)字校準(zhǔn)證書旨在建立一套國(guó)際通用的，能覆蓋計(jì)量全領(lǐng)域的交換格式。它不僅能夠以數(shù)字孿生的形式服務(wù)工業(yè)數(shù)字化、智能化，還可以應(yīng)用在法制計(jì)量的領(lǐng)域[3]。數(shù)字校準(zhǔn)證書以可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）作為數(shù)據(jù)交換的格式，結(jié)合數(shù)字國(guó)際單位制（D-SI）[4]和其他計(jì)量規(guī)則和指南（如VIM、GUM、CODATA、ISO/IEC 17025），最終形成一份機(jī)器可讀、準(zhǔn)確可靠的數(shù)字記錄。

一份數(shù)字校準(zhǔn)證書必須包含涉及的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范以及加密和認(rèn)可信息[5]，它的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：1）行政管理類數(shù)據(jù)：該項(xiàng)目為嚴(yán)格受控項(xiàng)，主要包括設(shè)備基本信息、校準(zhǔn)服務(wù)提供者信息、校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)人員、證書標(biāo)識(shí)等；2）校準(zhǔn)數(shù)據(jù)：該項(xiàng)目為部分受控項(xiàng)，主要包括參數(shù)描述、測(cè)量數(shù)值、單位、校準(zhǔn)不確定度、擴(kuò)展因子等；3）注釋信息：該項(xiàng)目為非受控項(xiàng)，主要包括和校準(zhǔn)相關(guān)的圖表、曲線、視頻等信息；4）文檔：該項(xiàng)目為附加項(xiàng)，主要呈現(xiàn)為該數(shù)字校準(zhǔn)證書的人類可讀版本。

圖1 數(shù)字校準(zhǔn)證書結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)基本格式

數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)部分是依托D-SI 的規(guī)則創(chuàng)建的，主要包括數(shù)值和單位，也可以添加標(biāo)簽和不確定度作為可選元素。圖2 是一個(gè)壓力量值的XML 格式表達(dá)。

圖2 壓力量值的XML 表達(dá)

其中，D-SI 以7 個(gè)SI 基本單位為基礎(chǔ)，通過“前綴-單位-指數(shù)”的形式，將SI 導(dǎo)出單位和非SI單位進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，從而完善了計(jì)量單位的數(shù)字化表達(dá)方式。表1 列舉了常用單位的表達(dá)方式。

表1 D-SI 單位表達(dá)舉例

2 數(shù)字校準(zhǔn)證書的應(yīng)用

數(shù)字校準(zhǔn)證書除了能更進(jìn)一步地減少人為因素對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響之外，相較于目前pdf 格式的電子證書，其最大的特點(diǎn)是機(jī)器的可讀性，且便于融入儀器設(shè)備和算法當(dāng)中。這也使其能夠直接參與生產(chǎn)和質(zhì)量控制的過程，最終幫助用戶節(jié)約成本，提高效率與安全性。

計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)為擁有不同的儀器設(shè)備的企業(yè)提供服務(wù)，并產(chǎn)生大量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)證書，而且不同企業(yè)之間的管理平臺(tái)也不同，所以，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)變得非常復(fù)雜，并且需要通過人工的方式進(jìn)行校準(zhǔn)證書數(shù)據(jù)的交換。例如，雖然pdf 格式的校準(zhǔn)證書已經(jīng)為企業(yè)節(jié)約了紙張和存放空間，但當(dāng)管理人員需要對(duì)這些證書中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并錄入企業(yè)的管理系統(tǒng)時(shí)，仍然需要手動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，完成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從pdf 格式到管理平臺(tái)錄入格式的交換。當(dāng)面對(duì)海量的設(shè)備或傳感器網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)，這種操作方法就顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致輸入錯(cuò)誤，進(jìn)而提高了管理和決策風(fēng)險(xiǎn)。

儀器儀表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的全面數(shù)字化和自動(dòng)化，使得相關(guān)企業(yè)能夠利用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)完善其資產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字模型，生成該設(shè)備的數(shù)字孿生。通過數(shù)字校準(zhǔn)證書，系統(tǒng)可以直接讀取設(shè)備的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使得該數(shù)字孿生不僅包含設(shè)備原本的信息、性能、特征，還能包括溯源和計(jì)量數(shù)據(jù)。利用數(shù)字孿生，設(shè)備和系統(tǒng)可以在安全的數(shù)字測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行模擬、測(cè)試與分析，生產(chǎn)流程也可以進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，而不需要產(chǎn)生任何實(shí)際的改變。所以，數(shù)字孿生技術(shù)將是未來企業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)字校準(zhǔn)證書能讓數(shù)字孿生模型更加完整，也讓管理系統(tǒng)更加高效。

同時(shí)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)變?yōu)闄C(jī)器可讀之后，系統(tǒng)可以直接利用這些數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程和所有儀器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和分析，有助于實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。系統(tǒng)可以通過這些歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速地查找和歸納，以及趨勢(shì)分析，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管控，保障生產(chǎn)安全。此外，它也為審計(jì)工作提供了極大的便利，取代人工翻閱證書查找數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)流程。

3 展望與挑戰(zhàn)

目前數(shù)字校準(zhǔn)證書的發(fā)展還處于起步階段，雖然中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院于2020年完成了數(shù)字國(guó)際單位制和數(shù)字校準(zhǔn)證書相關(guān)規(guī)則的翻譯和引進(jìn)工作，但到目前為止還是沒有成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，它仍然面臨許多問題和挑戰(zhàn)。

首先，該技術(shù)和協(xié)議必須得到從企業(yè)到計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)各方面的認(rèn)可，也需要對(duì)各方內(nèi)部管理系統(tǒng)、各廠商生產(chǎn)的儀器儀表進(jìn)行數(shù)字化改造，這對(duì)小型企業(yè)來說成本較高。但只有這樣，數(shù)字校準(zhǔn)證書才能發(fā)揮最大的功效，實(shí)現(xiàn)真正的互通互認(rèn)、跨平臺(tái)傳輸和識(shí)別。

其次，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全是一個(gè)重要的問題。數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性需要依靠穩(wěn)定可靠的傳輸方式，而數(shù)字文件數(shù)據(jù)容易被復(fù)制的特點(diǎn)也需要采用合適的加密安全措施。對(duì)于計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)而言，保障數(shù)據(jù)安全并非主業(yè)，所以可能還需要數(shù)據(jù)安全專家來為數(shù)字校準(zhǔn)證書保駕護(hù)航。

4 結(jié)語

數(shù)字校準(zhǔn)證書（DCC）主要具有機(jī)器可讀性、加密型、統(tǒng)一性、可追溯性等特點(diǎn)。雖然它的推廣與應(yīng)用目前仍處于起步階段，但校準(zhǔn)證書數(shù)字化必將是大勢(shì)所趨。對(duì)于企業(yè)而言，數(shù)字校準(zhǔn)證書可以完善數(shù)字工廠的建設(shè)，提高智能制造的效率和安全性，幫助企業(yè)降本增效，實(shí)現(xiàn)真正的智慧工廠。對(duì)于計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)而言，數(shù)字校準(zhǔn)證書可以減少自身的勞動(dòng)成本、減少人工操作，提高校準(zhǔn)質(zhì)量。

雖然數(shù)字校準(zhǔn)證書的應(yīng)用還存在一些問題，但隨著計(jì)量數(shù)字化的推進(jìn)和其自身的發(fā)展，必然有越來越多的企業(yè)參與和使用數(shù)字校準(zhǔn)證書，它也一定會(huì)變得更加安全、準(zhǔn)確，幫助工業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化。