基于性能效率測試的測量不確定度評定

王航偉 王文斌 魏錚

[摘 要] 在實(shí)驗室的檢測過程中，雖然使用的條件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，但質(zhì)量與運(yùn)行可靠性卻是公共的要求。對于質(zhì)量評價所涉及的測量不確定度評定 ，對于提高性能測試結(jié)果的精準(zhǔn)度具有重要意義。文章以概率論、數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗室的操作流程，設(shè)計出了符合本實(shí)驗室的性能測試不確定度評定體系，解決了性能效率測試在不同的設(shè)備和環(huán)境下檢測結(jié)果的一致性。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)驗室；性能測試；不確定度評定

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 15. 032

[中圖分類號] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）15- 0085- 03

1 目 的

根據(jù)CNAS CL01，5.4.6.2實(shí)驗室管理條例，檢測實(shí)驗室應(yīng)具有并應(yīng)用評定測量不確定度的程序，其中8.1條是要求檢測實(shí)驗室必須建立“測量不確定度評定程序”，即不管檢測實(shí)驗室是什么樣的實(shí)驗室都應(yīng)該有自己的不確定度評定程序，以提高測量結(jié)果的可信度和產(chǎn)品檢驗數(shù)據(jù)的可靠性，并滿足測量設(shè)備檢定和校準(zhǔn)的要求。

2 范 圍

本程序適用于性能效率測試準(zhǔn)確度等級的檢測結(jié)果不確定度的評定。

3 職責(zé)

3.1 技術(shù)負(fù)責(zé)人

（1）根據(jù)檢測項目的特點(diǎn)識別并提出評審要求，組織評定和評定結(jié)果的評審工作；

（2）組織測量不確定度的驗證；

（3）維護(hù)本文件的有效性

實(shí)驗室技術(shù)主管負(fù)責(zé)組織對測量設(shè)備檢定或校準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的采集、匯總和測量不確定度評定，并在檢測報告中對不確定度結(jié)論予以說明。

3.2 質(zhì)量負(fù)責(zé)人

質(zhì)量負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)測量不確定度有關(guān)知識的培訓(xùn)和統(tǒng)一測量不確定度的評定方法，同時根據(jù)各檢測項目的特點(diǎn)識別評定要求；

會同監(jiān)督員對本部門的評定過程進(jìn)行監(jiān)督，同時對結(jié)果和使用進(jìn)行審核。

3.3 測試工程師

學(xué)習(xí)和掌握“測量不確定度的評定”的基礎(chǔ)知識和方法；

編寫本項目測量不確定度的計算過程；

及時發(fā)現(xiàn)和反饋會導(dǎo)致測量不確定度發(fā)生較大變化的信息。

4 工作流程

實(shí)驗室質(zhì)量負(fù)責(zé)人組織有關(guān)人員進(jìn)行關(guān)于測量不確定度的知識培訓(xùn)，使進(jìn)行測量不確定度評定的有關(guān)人員理解有關(guān)測量不確定度評定和計算的知識、具體方法和步驟，從而具備測量不確定度評定和計算的技能。

4.1 測量結(jié)果的不確定度因素分析

從影響測量結(jié)果的因素考慮，測量結(jié)果的不確定度一般來源于被測對象、測量設(shè)備、測量人員、測量環(huán)境這四個方面。

4.1.1 被測對象帶來的不確定度

被測量即受到測量的特定量，深刻全面理解被測量定義是正確測量的前提，如果測量對象說明本身不明確或不完善，則按照這樣的定義所得出的測量值必然和真實(shí)值之間存在一定的偏差，如被測的Web網(wǎng)站，沒有說明軟件適用的瀏覽器類別，使用功能會有所影響，則可能導(dǎo)致測試結(jié)果有所差異。

4.1.2 測量設(shè)備帶來的不確定度

測量設(shè)備的最大允差或測量器具的準(zhǔn)確度等級均是測量不確定度評定必須考慮的因素。如在測試過程中設(shè)備的CPU配置不同或者服務(wù)器部署策略的差異，直接影響系統(tǒng)的處理時間，因此測量設(shè)備是不確定度考慮因素之一。

4.1.3 測量人員帶來的不確定度

人員操作的誤差是在評定不確定度時最容易被忽視的，該項取決于人員的經(jīng)驗、能力、知識及工作態(tài)度等。測試的不可窮盡性可能由于測量人員經(jīng)驗思維等因素的影響也會不同程度影響測量的結(jié)果。

4.1.4 測量環(huán)境帶來的不確定度

由于對相關(guān)環(huán)境條件認(rèn)識不足，致使測量中或分析中忽視了對某些環(huán)境條件的設(shè)定和調(diào)整，造成不確定度。測試過程中溫度就是環(huán)境中的重要因素，溫度的控制會影響測量設(shè)備的精準(zhǔn)度，所有必須保證儀器設(shè)置在可控的溫度范圍內(nèi)，超過一定的溫度界限，停止測試工作以此把環(huán)境帶來的不確定度降至最低。

4.2 性能效率測試不確定度測量

在實(shí)際檢驗檢測過程中，摒除硬件差異的影響，對測量結(jié)果的不確定性主要源于性能效率測試，從影響程度可以分為單點(diǎn)效率測試和并發(fā)用戶效率測試，其中單點(diǎn)效率測試易受網(wǎng)絡(luò)等 方面的因素影響，導(dǎo)致事務(wù)響應(yīng)時間數(shù)據(jù)有不同程度的差異，甚至出現(xiàn)預(yù)期之外的結(jié)果。

4.2.1 單點(diǎn)效率測試不確定度測量

為了保證從單點(diǎn)效率測試中得到更有效的數(shù)據(jù)，可以借鑒數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計規(guī)律使檢驗檢測結(jié)果具有更高的可靠性。具體步驟如下：

確定被測量X，建立數(shù)學(xué)模型，如在同一條件下進(jìn)行n次獨(dú)立重復(fù)測量，觀測值為xi（i=1，2，…，n）

由下式得出樣本算術(shù)平均值

重復(fù)測量次數(shù)最佳為2～5次。

為被測量X的估計值，即n次測量結(jié)果的算術(shù)平均值，也是n次測量結(jié)果的最佳估計值。

評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由下式得出單值實(shí)驗標(biāo)準(zhǔn)偏差

S=（2）

上式表示對同一被測量做n次測量，表示測量結(jié)果分散性的量s。

S可以作為評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度的依據(jù)，不確定度導(dǎo)致數(shù)據(jù)是否可用的判定標(biāo)準(zhǔn)為：

t=S/≤0.2（3）

上述t表示不確定度系數(shù)，小于等于0.2說明測試記錄數(shù)量可靠，否則必須重新測試。

4.2.2 并發(fā)用戶效率測試不確定度測量

并發(fā)用戶效率測試中可以直接依據(jù)性能測試工具Loadrunner自帶的標(biāo)準(zhǔn)偏差Std.Deviation（標(biāo)準(zhǔn)偏差，簡稱STD）數(shù)值確定，STD越小，說明系統(tǒng)測試時的原始數(shù)據(jù)分布比較集中，基本接近平均值，即受網(wǎng)絡(luò)或其他外界不確定因素很小，以此證明數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。并發(fā)用戶效率測試結(jié)果如圖1所示。

其中，Average為公式3中的，Std.Deviation為公式2中的S，計算所得偏差系數(shù)t為判定數(shù)據(jù)是否可用的閾值依然為[0，0.2]。

4.3 評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度

報告測試結(jié)果及其不確定度時，應(yīng)避免使用過多的有效數(shù)字位數(shù)。多數(shù)情況下，表示不確定度無須超過兩位有效數(shù)字。不確定度的評定可以依據(jù)上述的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)確定，根據(jù)判定不確定度系數(shù)判定數(shù)據(jù)是否可用的值域為[0，0.2]。若根據(jù)樣本數(shù)據(jù)計算的結(jié)果小于等于0.2，則可以聲明符合規(guī)范要求。反之大于規(guī)定限值的上限，則可以聲明不符合規(guī)范要求。

4.4 測量不確定度記錄

實(shí)驗室遇下述情況之一時，應(yīng)在檢測報告中提供測試不確定度的信息：

（1）當(dāng)不確定度與檢測結(jié)果的有效性或應(yīng)用有關(guān)時；

（2）當(dāng)客戶指令中有要求時；

（3）當(dāng)不確定度影響到對規(guī)范限度的符合性時，即測試結(jié)果處于臨界值附近時，不確定度區(qū)間寬度對判斷符合性有重要影響。

測試結(jié)果及其不確定度的報告內(nèi)容應(yīng)根據(jù)客戶的要求、規(guī)范及結(jié)果的用途而確定。測試記錄中應(yīng)說明計算結(jié)果及其不確定度的方法且檢測報告中對不確定度的結(jié)果予以說明。其中包括：

（1）測試步驟和數(shù)據(jù)分析中的計算應(yīng)當(dāng)形成充分的文件，以確保必要時可重復(fù)計算；

（2）有充分的文件說明不確定度的計算過程。

5 總 結(jié)

綜上所述，實(shí)驗室在檢測樣品前選定了測量方案時，對測量過程確認(rèn)有效前需要進(jìn)行不確定度的評定。用不確定度結(jié)果證明設(shè)計的測量過程滿足被測對象的測量要求。 因此，在性能檢測過程中使用的測量計算機(jī)不同，測量環(huán)境條件不同，或測量方法有所改變等，就必須要做不確定度評定，這樣才能讓檢測結(jié)果更客觀、更精確。

主要參考文獻(xiàn)

[1]方開泰.數(shù)理統(tǒng)計與標(biāo)準(zhǔn)化[M].北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1981.

[2]于振凡.抽樣檢驗[M].北京：中國計量出版社，1998.

[3]李慶忠，李宇紅.計量不確定度評估要點(diǎn)[J].計量技術(shù)，2003（1）.

[4]Grade M. Estimation of Measurement Uncertainty-An Alternative to the ISO Guide[J]. Metrologia，2001，38（2）：97-106.