大數據時代計量校準理論與技術的發展展望

梁志國

(中航工業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)

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大數據時代計量校準理論與技術的發展展望

梁志國

(中航工業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)

摘要：針對當代計量校準的兩種需求進行了詳細討論。針對適合于各種嚴酷人工環境條件下的測量儀器設備與系統的現場計量校準需求，提出了大數據系統的理論技術發展方向，以線性或非線性系統模型進行系統建模，由單一環境條件變化合成多種環境條件變化，最終以系統理論方式解決多種因素嚴酷環境條件下的現場計量與校準問題的預測。針對數字化特征明顯的數據域儀器設備的計量校準，提出了數據域計量校準理論、方法、技術的發展方向，以統計理論、信息理論、系統理論為基礎，以頻域、值域、邏輯域、變換域等理論與技術為手段，以模型參數等作為計量校準目標和結果。

關鍵詞：計量學；計量；校準；發展；理論；現場校準；數據域校準

1問題的提出

計量測試與校準理論和技術發展到今天，極大地拓展了人類認識世界的視野和空間，也給人類改造世界提供了強有力的手段。特別是有關的技術進展方面，由宏觀到微觀，由古典到經典，到現代，到量子化，各種物理現象、物理特征、物理原理與法則，不斷被人們發現并加以利用，奠定了當今計量測試技術的強大基礎。但有關計量測試理論方面，當前以及未來的發展，并無特別清晰的脈絡。這也并不奇怪，計量測試的理論很少作為一個獨立學科自我發展，多數情況下，都是從物理學科、數學學科、工程學科等借鑒和衍化而來。尤其是經典的控制理論、線性系統理論、概率理論等，加上信號的分析與重構理論、變換與逆變換理論、調制與解調理論，以及不確定度理論，等等。

1.1　現場計量校準的初衷及問題

總體而言，計量測試從誕生之日起發展到今天，可以認為大體上經歷了三個階段。

第一階段，計量活動全部發生在自然環境下的人類活動現場；在這里，計量活動承擔著單位統一、量值準確的任務目標，并發揮著實際效力。這一階段，人們對計量活動要求比較簡單粗略，涉及的范圍也比較窄，主要是商業貿易等事務，因而并無特別嚴重的問題需要解決。

第二階段，計量測試活動大部分發生在人工特定環境條件下的校準實驗室內；這主要是因為，隨著人們對于計量范圍逐漸拓寬，商貿以外，介入工業化過程漸多，對計量測試準確度要求也不斷提高，伴隨對客觀事物認識的不斷深化，發現了環境溫度、濕度、大氣壓力等環境條件對于計量測試量值的復現及測量具有明顯的作用和影響。為了降低這些環境條件變化帶來的物理量值的變化，而構建了具有恒定環境條件范圍的校準實驗室，以提高計量測試量值的準確度，同時統一不同時間、地點、人員操作獲得的相同量值的一致性定義，增加其可比性，減小它們的條件差異。目前，絕大多數計量測試儀器設備及傳感器件的計量校準，均是在具有人工特定環境下的校準實驗室完成的。相應地，其各種量值及不確定度也是在這種校準實驗室環境條件下確定的。這一階段計量校準的特點，主要是由于介入了工業化社會分工的需要，計量校準的準確度提高所造成的。雖然量值準確度提高了，但脫離了各種變化多端的現場環境，計量校準工作距離實際生產生活更加遠了些。

第三階段，大規模現代化工業化生產的進一步需求，要求解決各種工業現場計量測試儀器設備的計量校準問題；國防工業和軍事計量中，需要解決復雜惡劣的陸、海、空、天戰場環境，以及電子對抗、信息對抗等惡劣環境下的儀器設備的計量校準；國防工業科研試驗，軍事計量科研試驗中，都有相當一部分測量測試儀器設備與系統是工作在復雜人工環境現場或極端惡劣的多種自然環境條件現場，例如高溫、高壓、強風、強震動、高沖擊、強噪聲、強電磁場、強放射性、超低溫、高粉塵、重鹽霧、高濕度、水下高壓等各種環境條件及其綜合環境條件。在這些復雜嚴酷的人工環境以及惡劣自然環境條件下，所使用的測量測試儀器設備的特性參數，與校準實驗室環境里的計量校準給出的特性與量值被認為是有明顯差異的。但多數情況下，在這些嚴酷條件下進行計量校準操作很難實現且成本高昂。如何解決這類復雜惡劣的人工或天然環境條件下測試測量儀器裝備的現場計量校準問題，或如何將實驗室條件下所復現的特性與量值切實有效地傳遞到這些復雜環境條件下的儀器設備特性與量值之中，一直是計量測試行業里未能徹底解決的問題[1-19]，這也是許多工業現場的測量測試工程師對當前實驗室校準的測試測量儀器設備是否能夠真正解決工業現場的計量校準問題而心存疑慮的原因之一。即使是使用便攜式計量標準開展現場校準，也是因為這類便攜式計量標準本身就是在特定的與實際應用環境完全不同的實驗室環境內進行的計量校準，因此是否在工業現場環境還能按相同的性能工作也是被質疑的。

由此可見，第三階段的計量測試實際上需要在保持更高準確度的要求下仍然回歸到現場環境條件里的計量校準和現場環境條件下的計量溯源，只不過是這一階段的人工特殊環境現場更加惡劣和更具有挑戰性，也更加難以解決而已。

計量行業內早已注意到該問題，并已經在使用環境控制設備和設施進行環境條件的構建和模擬。如高低溫控溫箱、增壓艙、低壓艙、大氣環境模擬方艙、高溫風洞、燃燒室、高壓水槽、低溫杜瓦、振動臺、三軸振動臺、屏蔽室、消聲室、混響室、電波暗室、橫電磁波小室、溫濕度箱，等等。對于測量儀器設備隨單一環境條件因素變化的規律與極限進行了眾多研究，也取得了一些成效。如通常的溫度系數、抗電磁干擾能力、抗震能力等，即是這些研究的具體體現。但當不止一個環境因素變化，而是多個環境因素均有劇烈變化時，計量測試活動如何確保量值傳遞和有效溯源，給人們提出了巨大挑戰。同時，也給計量測試理論和技術發展提出了明確的待解決的問題要求。僅有一項環境因素變化時，人們尚可以通過構建環境控制系統或設施，將被測對象依環境條件的變化而變化的特征定量描述出來；而當兩個以上環境條件變化時，構建該類設施的復雜程度、工作量、經濟成本等，均隨著環境條件數的增多呈指數規律上升，且在很多種組合情況下極難以實現。

以怎樣的計量測試理論抽象表征這種特征，以怎樣的計量測試方法處理這類問題，以何種計量測試技術實現這類目標，始終都是一個問題。

在很多情況下，“現場校準”被簡單理解為在現場條件下的“校準”，而“綜合校準”則被粗暴地認為是多幾個“主要”參量的簡單羅列而已。并未體會出現場校準的條件是千變萬化的，很難窮盡，因而具有極大的挑戰性的意味。幾個參量的簡單羅列與綜合校準的本意相去甚遠，并未能體現出一種總體性模型化的概念與內涵。有了詳盡而深入的模型化研究后，人們才能系統而綜合地考慮和處理該類問題，就如同有了合適的人體模型后，人們可以通過任何一塊骨頭的特征，推斷出人體其他所有骨頭的基本特征，以及身高、體重、性別、年齡等，而不必將全部骨骼均進行測量和獲取。目前，計量測試研究遠沒有達到這樣的水平，但前景目標和實際需求則一直是明確而具體的。

1.2　數據域計量校準的問題

我們所處的社會是一個信息化社會，以計算機、互聯網、多媒體為特征的社會到處充斥著數字化信息與數字化儀器設備。

人們所處的物理世界則是一個純粹的模擬世界，其典型特征是它無論在時間上還是在空間上，均具有無限的分辨力。經過計量測試活動后，對其物理信號進行幅度量化和時間抽樣，從而變成具有離散化和量化特征的數字化信息和數字化量值。從此，造就了包括互聯網在內的眾多數據域儀器設備的計量校準，成為信息化社會或者說數字化世界呈現給人們的一個難題。諸如邏輯分析儀、碼流發生器、數據發生器、矢量信號分析儀、矢量信號源、通信協議分析儀等，這些數據域儀器設備以及信息數據模型，以哪些指標、參量表征和量值進行溯源，人們將以何種理論、方法、概念構建數據域以及數據域儀器設備的計量校準理論技術體系，對它們進行技術表征、技術評價，這一直是計量測試理論與技術面臨的主要問題之一。

2大數據時代的信息化特征

這樣的大數據背景下，人們若想從中提取出某一主題的有用信息，主要關注的是信息檢索、信息可靠、信息獨立、信息冗余、信息濾波和信息加權融合等問題，以信息理論和技術為基礎，以適合描述多輸入多輸出，或者多輸入單輸出為特征的非線性因果信息傳輸網絡模型來描述這類宏大復雜的信息網絡特性。例如，仿生模型中的神經元網絡模型等非線性系統模型，可用于構建其系統結構模型；仿生算法中的遺傳算法、蟻群算法等，可用于構建其信息傳輸規則；一些實際的輸入輸出采樣樣本，可用于對其進行學習建模，確定模型參量等。最后，在某些特定條件和約束下，可以確定所要獲得的信息特征、信息發展趨勢、其發展變化中的周期性特征等。

由于需要處理的信息量非常巨大，網絡結構極為復雜，以往處理小系統和簡單系統時所用的降維、線性化等方法和手段已經不再適用，且可操作性不佳。因而，適應其需求的一些智能算法、仿生算法、學習型算法等應運而生，如支持向量機算法等。一些適合并行運轉且可有效融合的技術，如云計算、云存儲等技術也相應得到了發展。

一位信息產業界人士曾經認為：我們當今的時代是數字化時代，它有別于此前信息化時代的特征之一為大數據技術。信息化時代，人們從海量信息中通過檢索分析提取信息特征來判斷現在，并以其為自身服務；而數字化時代，人們以大數據方式預測和引領未來，為他人服務。由此，可見大數據時代的一些端倪和本質特征。

3大數據時代計量校準理論與技術的發展

對于計量校準理論與技術未來的發展預測，和其他任何預測一樣具有巨大的難度和主觀性。理由是，短時期的順理成章的發展延續無須“預測”便一目了然，而那些稍長期一點的有劃時代革命性特征的發展，很難簡單看出其跡象。其起因和發展、壯大等，尤其具有偶然性。盡管如此，上述第三階段的計量測試發展的客觀需求，以及數字化時代里，數字化和信息化儀器設備的計量發展與校準需求，一直在那里呼喚和引導著計量校準的新興理論、方法與技術的誕生，以期在不遠的未來，人們得以徹底解決任何人工的和自然的特殊惡劣環境條件下，儀器設備的計量校準和量值溯源問題。

3.1　復雜環境的計量校準

實際上，計量測試儀器設備，是以其在各種環境條件下的性能和指標進行定量限定與表征的，在它們被設計、制造、構建和使用時，敏感元件、傳輸部件、耦合部件，以及輸出和顯示呈現部件，多是按照單輸入單輸出、線性時不變因果系統設計研制的，即使加上環境條件的變化因素的影響，也僅僅是增加了溫度、濕度、壓力、震動等少數幾個附加變量，以及在進行多通道多物理量測量時，各個通道信號之間的相互影響。例如泄漏、耦合疊加、竄擾、交叉調制等，這些因素可能是線性的，符合線性疊加原理，也可能是非線性的，無法簡單使用線性疊加原理進行處理，但它們都是疊加在系統的激勵響應的線性主特性之上的微小量部分內容。如此導致計量測試儀器與系統，即使工作在多種嚴酷復雜環境條件之下，整個系統的復雜程度，以及信息與信號的流動耦合與傳輸關系，也遠不如大數據系統復雜和繁瑣。當然，其特點是參數準確度要求要高得多。

對比大數據系統的海量數據特征，人們發現，有關計量測試儀器設備在各種應用環境條件下的量值數據及特征信息顯得過于缺乏。例如，適用于發動機測試或電子對抗的戰場需求，或者宇宙空間環境的航天器要求，人們可能會讓它們在各種復雜嚴酷的人工環境條件與自然環境條件下有效工作，例如高溫、低溫、水下高壓、強噪聲、強電磁干擾等單一環境或幾種環境的復合環境下進行工作，但是這些儀器設備在這些環境下的工作數據卻一直少得可憐，甚至根本沒有。而人們擁有的最多的信息也一直是校準實驗室環境下的量值溯源數據，因此，導致人們在面對多種復雜嚴酷的人工復合環境或惡劣自然環境時，計量校準一直缺乏令人滿意的結果，盡管人們也在一直試圖研制和構建各種嚴酷的人工環境控制系統與設施。

在可以預見的將來，將首先需要實際獲取和積累計量測試儀器設備在每一種環境因素變化情況下的特性變化情況數據，并對于不同因素相互作用(包括線性疊加、非線性疊加、交叉調制、加權耦合等)進行仿真模擬(包括模型仿真、數據仿真、半物理仿真、全物理仿真等)。然后，模仿大數據系統模型進行處理，以獲得在任何環境條件下的計量校準結果。其中，可能包括以下幾方面工作：①確定輸入量、輸出量和環境影響量的個數；②獲取在單一影響量變化時的輸入輸出量變化特性；③確定系統模型性質(線性時不變因果系統，或非線性時不變因果系統)；④針對每一個輸入量，確定各個輸入量以及影響量之間的相互關系(線性疊加、非線性疊加、交叉調制、關聯傳遞等)；⑤統一各個輸入輸出量及環境影響量的時序同步關系；⑥選擇合適的分布式大系統模型，以原有數據進行分析、學習和建模；最終，當各種輸入條件以及環境條件確定后，獲得該條件下的計量校準結果。目前已經出現的一些仿生分布式非線性系統模型，如神經元網絡模型等，可望用于該問題的解決。

經過上述過程及逐漸完善，可望以大數據系統方式解決復雜環境條件下的計量測試儀器設備的計量校準問題，或者至少將其向完全解決方向推進了一步。

3.2　數據域計量校準

針對數據域儀器設備的計量校準，人們一直存在著較大困惑，到底需要如何計量校準它們？需要計量溯源哪些參數量值？如何確保它們的功能和性能？例如邏輯分析儀、碼流發生器、數據發生器、通信協議分析儀、矢量信號分析儀、誤碼率分析儀等，這些儀器設備常引起計量人員困惑的根本原因，在于它們與以往的模擬量計量測試設備不同，它們產生和處理的主要是數字量和數字化信息。對于模擬量，人們擁有著一整套完善的理論、方法、指標體系和處理方式，以模擬量值獲取、誤差傳遞、不確定度合成等，最終給出計量校準結果。而對于數字量和數字化信息，特別是數據域以及邏輯域有關的數字量和數字化信息，以何種理論、方法、指標體系和處理方式，去表述、定量評價、給出誤差和不確定度因素特征，對于計量測試行業來說，仍然是一個挑戰。目前眾多數據域儀器設備的計量校準仍舊停留在功能檢查的通過與不通過的邏輯判斷上，較少涉及定量參數指標的計量校準。這本身就很難讓人理解為已經有效溯源了。

實際上，模擬量計量校準多數涉及的是信號分析及其變換處理理論與技術，而數據域儀器設備除此以外，更多涉及的是信息分析及其變換處理理論與技術，需要用到統計無線電理論與技術、信息理論與技術、系統辨識理論與技術、模型辨識理論與技術，等等。

其中，會涉及到時間統一、相關分析、時序分析、邏輯分析、特征分析、統計分析等，涉及到碼流速率、誤碼率、信息熵、數學模型、物理模型、模型特性參數準確度、時間同步誤差、模型特征值分析與測量等。不僅僅在時域進行分析，還需要用到頻域、值域、邏輯域、變換域等理論與技術手段，以及開展廣泛而深入細致的研究工作，構建數據域、信息域計量校準理論技術體系，研究出相應的量值體系和指標體系，提出量值溯源和校準方法，完善其量值溯源及傳遞工作。

由于我們的社會是信息社會，我們所處的時代是具有大數據特征的數字化時代，因而，各種數據域儀器設備眾多，量大面廣，已經滲透到人們生產生活的各個方面。因此，有關數據域計量測試與校準，或稱其為數字化儀器設備的計量與校準，前景廣闊，影響深遠，其不斷完善和進步，將對以互聯網、全球通信網在內的信息產業及運行產生深遠影響。

4結束語

綜上所述可見，有關計量校準理論與技術的發展方向，包括惡劣自然環境和人工特殊嚴酷環境的復雜環境下儀器設備和裝備的計量校準將是未來的重點發

展方向之一，但是，有關的計量校準，其本意包括如何確定和復現該環境條件下的標準量值及其溯源性，以及如何確定該環境下的被計量量值的溯源性。并不是簡單地將儀器設備和標準放到該環境下直接進行計量校準，那樣將導致計量難度、成本、復雜性過大而無法實現。這需要的是理論、方法、理念、流程的全面更新和系統研究。其中，首先也包括各種單一環境條件變化情況下的儀器特性研究，以及復合環境變化的仿真研究。

關于數據域計量校準的理論、方法和技術研究將是計量測試理論與技術的另外一個重要發展方向。一定需要尋找到定量評價和定量溯源的物理量與物理參數，而不僅僅是通過與否地計量評價數據域儀器設備。僅僅用通過與否來表征數據域儀器設備的計量結果不足以展現其溯源性和量值傳遞結果，也無法評定其不確定度。

本文所述內容，僅為一家之言，不一定完全合適，僅希望對同行具有參考和借鑒作用。

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The View of Development of Both Theory and Technology About Measurement and Calibration in Big Data Time

LIANG Zhiguo

(National Key Laboratory of Science and Technology on Metrology & Calibration，Changcheng

Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：Two requirements of calibration are discussed in detail.To the calibration of both instrument and equipment in some asperity environment，the theory and technology development direction by using big data is put forward.Through linear or non-linear system model，many individual environment vectors are combined into one complex environment，and the calibration in multi-factor environment will be solved.To the calibration of the digital instrument，the theory and technology direction of data domain calibration is put forward，by using all of the statistic theory，the information theory and the system theory，in frequency domain，value domain，logic domain and transformation domain，and the model parameters will be the calibration results of the data domain instrumentation.

Key words：metrology；measurement；calibration；development；theory；on-line calibration；data domain calibration

作者簡介：梁志國(1962-)，男，黑龍江巴彥人，工學博士，研究員，主要研究方向為數字化測量與校準、模式識別、動態校準和精確測量。

收稿日期：2015-08-19

中圖分類號：TB9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0006-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.02