通用测量不确定度评定平台设计与实现*

王少华 卞 昕 周 鑫 刘 科 赵海宁

(中国计量科学研究院，北京 100029)



通用测量不确定度评定平台设计与实现*

王少华 卞 昕 周 鑫 刘 科 赵海宁

(中国计量科学研究院，北京 100029)

测量不确定度评定不准确、不科学的现象广泛存在，缺乏规范一致的评价工具。为此设计了通用测量不确定度评定平台，包括评定软件客户端和网络服务。将经过认可的标准不确定度模型存储到数据库中，按照不确定度评定步骤设计了操作向导，使用者只需按照提示依次操作，即可完成不确定度评定。该平台为基层计量工作者及广大实验室技术人员提供了一个规范化、标准化的不确定度评定工具。

不确定度评定；软件平台；标准化

0 引言

测量不确定度是对测量结果质量的定量表征，在测试、校准、实验室认可等工作中，测量不确定度的评定是必不可少的。如何对测量结果进行准确的不确定度评定以及规范地表示，决定了该测量结果的有效性、可靠性以及科学性。

早在1993年，ISO、IEC等7个国际组织就联合发布了《测量不确定度表示指南》[1](简称GUM)，使不同的国家和地区，涉及测量的技术领域和部门，可以用统一的准则对测量结果及其质量进行评定、表示和比较。1999年，我国发布了国家计量技术规范JJF 1059—1999《测量不确定度评定与表示》[2]，原则上等同采用了GUM的基本内容。这两个文件成为我国评定测量不确定度的基础。2008年，计量学指南联合委员会(JCGM)发布了GUM补充文件—基于蒙特卡罗方法的分布传播[3]，使测量不确定度的评定方法更加全面。国内学者积极跟进研究，依据GUM补充条款对《测量不确定度评定与表示》进行了修订，写入了蒙特卡罗方法。

测量不确定度评定以统计学为基础，大量的数学理论和公式推导使得基层计量工作者对测量数据的后期处理，特别是不确定度的准确评定方面显得力不从心。目前大部分关于不确定度评定方法的规程和教材都基于传统的文字表述及大量的公式推导，测量不确定度评定水平因人而异，基层计量工作者缺乏规范的、标准的实用工具。而目前热门的蒙特卡罗方法基于计算机模拟和数值仿真理论[4]，对于一线计量工作者就显得更加困难。

虽然使用某些软件可以进行不确定度自动评定[5]，但是，仍缺乏规范一致的评定方法。因此，深入研究测量不确定度评定方法，为基层计量工作者及广大实验室技术人员提供规范化、标准化的不确定度评定工具，有显著的社会意义。

1 通用测量不确定度评定平台

1.1 通用测量不确定度评定平台定义

通用测量不确定度评定平台是依托不确定度评定软件客户端和网络服务，通过组织专家讨论认证，建立标准测量不确定度评定模型库，设计评定向导，引导软件使用者进行标准化、规范化和系统化评定的工具。

通用测量不确定度评定平台包括软件客户端和网络服务。客户端即单机版不确定度评定软件工具包，供个人使用，使用者可以按照评定向导进行规范的不确定度评定；基于网络的评定服务，不仅便于使用者使用，而且通过网络评定服务能够积累大量实例，便于进一步分析和改进标准不确定度评定模型。

标准不确定度评定模型是通用测量不确定度评定平台的核心。其含义是，对于某个参数的不确定度评定需求，由相应的技术管理部门，如专业计量技术委员会，组织该领域的技术专家和不确定度理论专家，对不确定度评定模型进行评议，达成共识后，确定该不确定度评定模型，并赋予其唯一的ID，成为“有证标准不确定度评定模型”。用户在进行相应参数的不确定度评定时，可直接引用有证模型，用测量值进行计算，其不确定度评定报告认为是有效的。

事实上，现行的检定规程、校准规范中所附的不确定度评定内容，可以认为是经过国家授权的有证模型，只不过没有单独进行管理和授予“正式”身份。通过组织专家讨论和认证，可建立标准测量不确定度评定模型库，上级计量技术机构可以此为依据，为下级单位的不确定度评定提供有效性证书，使其成为“有证不确定度评定报告”，作为相应的技术依据。同时，这些标准评定模型也可供软件使用者使用。

1.2 平台设计要求

针对为用户提供一个标准化、规范化的测量不确定度评定平台，平台设计应满足以下要求：

1)通用性要求：针对测试仪器种类多、型号多、测试项目多等特点，不确定度评定平台需要满足不同领域的仪器参数的测量不确定度评定的需求[6]，应具有通用性。

2)规范性要求：数据库中所给出的测量不确定度模型应该是经过专家讨论和认可后的标准的、规范的模型，可供查询和使用。

3)指导性要求:平台应该能够给用户提供一个不确定度评定向导，引导使用者学习不确定度的规范化评定。

4)易维护性和高可靠性要求。

1.3 平台设计方案

为了满足以上要求，平台基于数据库和网络技术，采用面向对象程序设计方案，设计评定向导，引导软件使用者进行标准化、规范化和系统化的测量不确定度评定。

平台设计的主要思路是以GUM及JJF1059现行版本为指导，按照不确定度评定步骤，自动从数据库检索相关信息并使用。使用者只需按照向导依次操作，平台会自动根据相应的标准不确定度评定模型计算测量不确定度并报告。以标准不确定度评定模型为核心的不确定度评定流程如图1所示。

单机版不确定度评定软件工具包和网络服务都采用图形化、可视化的编程方式，结合数据库技术，将不同领域的不同仪器不同测试项目的相关信息都存储到数据库中进行统一管理。当数据库中没有用户需要评定的项目时，用户可以提交需求，也可以将自己的不确定度评定报告通过网络提交给管理员加工成标准不确定度模型，通过技术审核和认证后添加到数据库中。这样可以积累大量的实例，进一步完善数据库。

图1 不确定度评定流程图

2 平台软件的实现

2.1 数据库的设计与实现

数据库用于管理不确定度评定过程所用到的全部信息。数据库设计采用关系型数据库，将不同测试项目的不确定度评定所需要用到的全部信息关联在一起，即根据用户选择的仪器类型、型号、测试项目，就能很方便的检索出该项目的测量原理、测量模型、不确定度分量汇总、合成不确定度计算公式等信息。需要添加、删除或者修改有关项目时，只需对数据库进行修改即可，而不必修改程序。方便了平台的维护。

2.2 客户端的设计与实现

平台软件客户端即测量不确定度评定工具包，供个人使用，适用于测量方法正确、测量数据无粗大误差的情况下，对测量结果的不确定度评定。工具包使用流程如图2所示。工具包的设计流程如图3所示，将相应的评定步骤做成向导，包括测试项目、测量原理、测量模型、输入数据、不确定度分量汇总、合成不确定度和测量结果显示7个页面。

客户端软件界面如图4所示(由于篇幅限制，这里不展示所有页面图片)。向导的第一页是测试项目页，供用户选择测试仪器类型、仪器型号和测试项目(即测量不确定度评定项目)。“自定义”按钮用于修改数据库，点击该按钮，弹出修改数据库工具包，可实现对数据库的修改。

图2 客户端使用流程图

图3 客户端软件设计流程图

图4 客户端软件界面

选好测试项目后点击“下一步”，向导进入测量原理页，程序从数据库自动索引该项目的测量原理和仪器连线图并显示，指导用户按照正确的测试方法进行测试。点击“下一步”向导进入测量模型页，系统从数据库搜索不确定度标准模型并显示。

继续点击“下一步”进入输入数据页，如图5所示，供用户选择所使用的标准器并输入测量数据。程序根据用户的选择，从数据库搜索所选标准器的相关技术指标并显示。测量数据可以在页面中输入，也可从Excel文件导入。

图5 输入数据页

点击“下一步”进入不确定度分量汇总页，根据输入的数据和所选标准器，以及测量模型，汇总各不确定分量的详细信息并显示。点击“下一步”进入合成不确定度页，程序从数据库中搜索该项目的合成不确定度公式并计算出合成不确定度。

继续点击“下一步”进入结果显示页，如图6所示，程序根据各不确定度分量的情况判断被测量的分布以及包含因子，计算出扩展不确定度，给出测量结果的相关信息。

图6 测量结果页

2.3 网络服务的设计与实现

测量不确定度评定网络服务基于Java进行开发，与客户端设计类似，按照不确定度评定步骤以向导的方式指引用户进行不确定度评定。所不同的是，网络评定完成后点击“生成报告”可以生成一份具有唯一编号的不确定度评定报告。该不确定度评定报告仅与使用者提交的标准仪器信息、测量数据有关，在很大程度上避免了不确定度评定过程中由于不确定度来源分析、分布类型判断过程中出现失误带来的错误。

2.4 社会效益分析

该平台可以为基层计量工作者以及广大实验室相关技术人员提供便于学习、理解以及应用不确定度评定的实用工具，能够使相关计量工作人员在短时间内充实不确定度相关知识，直接利用评定实例，为日常测量(检测、校准)提供技术服务，提升检定人员水平，提高相关单位的检测能力，更有效的为相关行业与部门提供优质服务。

对于计量应用来讲，某个参数检定或校准的测量原理、测量依据、标准器要求都有规可循，基层工作者只要准备标准评定模型中要求的数据，则依据标准评定模型计算得到的测量不确定度将只与测量值有关，而该测量值则直接反映了操作者的操作水平，这样评定的测量不确定度将更加客观。

3 总结与展望

研制的通用测量不确定度评定平台包括客户端和网络服务，以向导的方式引导使用者进行不确定度评定。通过建立标准模型库，使不确定度的评定规范、统一；通过网络服务，可以进一步补充和完善数据库。

本平台主要依据GUM进行测量不确定度的评定，目前不支持蒙特卡洛法。由于数据库中存储了各输入量的分布估计，本平台经过后续扩展之后可支持蒙特卡洛法。

未来期望能获取计量主管部门的支持，持续完善、提高工具包和网络服务，推广到整个计量系统使用。同时，通过对现代先进测量不确定度理论的系统研究，有助于培养一支专业性很强的技术支持团队，进而推进测量不确定度评定理论和方法系统化研究。

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

[2] JJF 1059—1999测量不确定度评定与表示[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] 胡红波,于梅.测量不确定度评估及基于Monte Carlo法的数值计算[J].计量技术,2012(6):72-76

[5] 徐廷学,王浩伟,王立军.测量不确定度自动评定的研究[J].计量学报,2014,35(2):188-192

[6] 周鑫,卞昕,安莹.一种智能化通用自动测试软件平台的设计与实现[J].计量技术,2014(8):24-27

*国家科技支撑项目：课题号2014BAK02B05

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.02