船载观测设备计量检定与海上标校试验的现状和发展建议

黄路 冯旭文 乔正明 杨星晨 邵浩 吴春芳

摘要：计量检定和海上标校试验是目前船载观测设备在室内和室外开展测量精度评价的2种常用手段。为进一步推进我国计量检定和海上试验建设发展，文章系统归纳和总结室内计量检定和海上标校试验的原理、特点和工作现状，分析当前各自存在的问题，并提出具体建议。研究结果表明：军、地对于船载观测设备计量检定和海上标校试验的需求越来越迫切，我国虽已基本建成海洋设备计量技术规范体系，并强化海试全过程的质量控制，但仍存在计量标准、评价体系、维修保障和室外检定手段不足，海上试验环境和比测精度不确定以及缺少标准化海上试验设施和平台等问题；计量检定机构应综合分析计量要素的特点、社会效益和难易程度等，研究并制定行之有效的标准规范和保障措施；还应充分发挥海上试验的综合检验评价功能，研究完善比测校准方法，建设标准化的海上试验设施和平台。

关键词：计量检定；海上标校试验；船载观测设备；测量精度评价；校准方法

中图分类号： P 7 1 5； T B 9 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 8 1-0 6

基金项目：国家重点研发计划项目“海洋技术和装备关键国际标准研究”（ 2 0 1 6 Y F F 0 2 0 2 7 0 4） ；自然資源部项目“自然资源标准化工作基础研究及重要标准制修订”（ 1 2 1 1 6 9 0 0 0 0 0 0 1 9 0 0 0 4）.

C u r r e n t S t a t u sa n dD e v e l o p m e n t S u g g e s t i o n so fM e t r o l o g i c a l V e r i f i c a t i o na n dM a r i n eC a l i b r a t i o nT r i a l f o rO n b o a r d O b s e r v a t i o nE q u i p m e n t

HUAN GL u1， F E N GX u w e n2， Q I AOZ h e n g m i n g1，

YAN GX i n g c h e n1， S HAO H a o3，WUC h u n f a n g2

（ 1 . P r e p a r a t o r yO f f i c eo fZ h a n g z h o uB a s e， NOT C， X i a m e n3 6 1 0 0 7， C h i n a； 2 . S e c o n dI n s t i t u t eo fO c e a n o g r a p h y，MN R， H a n g z h o u3 1 0 0 1 2， C h i n a； 3 .U n i tN o . 9 1 0 3 9o fP L A， B e i j i n g1 0 2 4 0 1， C h i n a）

A b s t r a c t：M e t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l a r et h e2m a i nm e a n so fm e a s u r e -m e n t a c c u r a c ya s s e s s m e n t f o ro n b o a r do b s e r v a t i o ne q u i p m e n t i n d o o r a n do u t d o o r .I no r d e r t o f u r -t h e rp r o m o t e t h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fm e t r o l o g i c a lv e r i f i c a t i o na n dm a r i n et r i a l， t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u mm a r i z e dt h ep r i n c i p l e， c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r ks t a t u so f i n d o o rm e t r o -l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l， a n a l y z e dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s， a n dp u tf o r w a r d s p e c i f i cs u g g e s t i o n s . T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t：t h em i l i t a r ya n d l o c a l d e m a n df o r t h em e -t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o no fs h i pb o r n eo b s e r v a t i o ne q u i p m e n tw a sm o r ea n d m o r eu r g e n t . A l t h o u g hC h i n ah a db a s i c a l l ye s t a b l i s h e d t h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o ns y s t e mo fm a r i n e e q u i p m e n tm e a s u r e m e n t， a n ds t r e n g t h e n e dt h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h ew h o l ep r o c e s so fm a r i n e t r i a l， t h e r ew e r e s t i l l s o m ep r o b l e m s， s u c ha s i n s u f f i c i e n c i e s o f s t a n d a r de q u i p m e n t， e v a l u a t i o ns y s -t e m，m a i n t e n a n c es u p p o r t， o u t d o o rv e r i f i c a t i o n m e a n s， u n c e r t a i n t yo fm a r i n et r i a le n v i r o n m e n t a n dc o m p a r i s o np r e c i s i o n . T h i sp a p e rp u t f o r w a r d t h a tm e t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o n i n s t i t u t i o n s s h o u l d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c s， s o c i a lb e n e f i t sa n dd i f f i c u l t yo fm e a s u r e m e n te l e -m e n t s， s t u d ya n df o r m u l a t ee f f e c t i v es t a n d a r d sa n ds u p p o r t i n gm e a s u r e s . I na d d i t i o n，w es h o u l d g i v e f u l l p l a yt ot h ec o m p r e h e n s i v e i n s p e c t i o na n de v a l u a t i o nf u n c t i o no ft h em a r i n et r i a l， s t u d y a n d i m p r o v e t h e c o m p a r a t i v e t e s t c a l i b r a t i o nm e t h o d s， a n dd e v e l o ps t a n d a r d i z e dm a r i n e t r i a l f a c i l i -t i e sa n dp l a t f o r m s .

K e y w o r d s：M e t r o l o g i c a lv e r i f i c a t i o n，M a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l，O n b o a r do b s e r v a t i o ne q u i p m e n t， M e a s u r e m e n t a c c u r a c ya s s e s s m e n t， C a l i b r a t i o nm e t h o d s

0 引言

海洋科学是高度依赖观测的科学，海洋数据是海洋学科发展的战略资源，而海洋调查是获取海洋数据的重要手段。为保证调查数据的准确性，船载观测设备应符合现行的标准规范要求，送经授权的法定计量检定机构进行检定或校准；没有授权机构的，可采用合法化的方法进行自校或互校；无法在室内检定或校准的设备，应与传统仪器进行现场比对[ 1-2]。

计量检定和海上标校试验是船载观测设备在室内和室外进行测量精度评价的常用方法。其中：计量检定主要是利用标准仪器（或标准量值）对被试仪器进行测量而得到标准值，再与被试仪器的测量结果进行比较；海上标校试验（含比测试验内容）是被试仪器在完成装船校正后，与比测仪器在海上开展同步比对试验[ 3-4]。已有文献[ 5-8]专题介绍各自计量站建站的基本情况、工作内容和发展计划；众多学者分别就各自的学科领域论述计量工作现状和发展建议[ 9-1 7]，也有学者专门对海洋仪器的海上比测试验方法提出认识和思考[ 1 8-2 0]。但从总体上看，目前研究多从各自学科领域分析计量检定情况，较少对上述2种检定试验方法进行交叉对比和分析。

船载观测设备涉及学科众多且种类各异，本研究梳理军、地主要海洋调查要素和船载观测设备，总结开展室内计量检定和海上标校试验的原理、方法和工作现状，并针对各自存在的问题提出解决建议。

1 海洋调查要素和船载观测设备

单船调查和多船联合调查是目前开展深远海调查的常用手段。目前我国已拥有超过6 0艘海洋调查船，全球超过4 0个国家拥有海洋调查船，总数量超过5 0 0艘[ 2 1]。这些调查船使用大量的船载观测设备，同时汇聚大量的设备检定和标校需求。

目前军、地开展海洋环境调查主要集中在海洋测绘、海洋水文、海洋气象和海洋声学4个学科，各学科的主要调查要素和船载观测设备如表1所示。

随着现代科学技术的不断进步，各种船载观测设备向小型化、多参数化、模块化和智能化[ 2 2]等方向发展，其传感器测量精度、灵敏性、观测范围、环境适应性和工作原理等均有较大改变，相应的检定试验技术也随之发展。因此，应根据设备性能的变化，科学设置检定试验指标，建立适应检定试验需求的标准化和现代化设施和平台，并制定规范化的检定试验方法、组织和工作流程等。

2 计量检定现状、存在的问题和建议

2 . 1 计量检定机构和计量标准

目前海洋领域获原国家质检总局授权的计量标准有3 5项，其中社会公用计量标准有3 4项。在海洋水文和气象等领域，社会公用计量标准和国家有证标准物质覆盖超过8 0%的仪器种类[ 1 0-1 1]，国内部分涉海法定计量检定机构如表2所示[ 5-8]。

在海洋气象方面，主要包括国家气象计量站和全国3 2个省级气象计量机构以及国家海洋计量站等。国家气象计量站建立并保持大气压力、气象温度、气象湿度、空气流速、降水以及太阳和地球辐射等6个项目的行业最高计量标准。国家海洋计量站针对气温、气压、空气湿度、降雨量和风5项参数建立部门最高计量标准，其自主设计的海洋测风仪器检测装置是国内海洋领域最大的计量风洞[ 9]；国家海洋计量站及其3个分站目前均被授权开展气温、气压、空气湿度和风等气象要素测量设备的计量检定工作。

在海洋水文方面，主要包括国家海洋计量站及其下设的青岛、上海和广州3个分站。国家海洋计量站建有海水盐度测量仪器检定装置、海洋测温仪器检定装置、海洋测深仪器检定装置、波浪浮标检定装置、验潮仪（水位计）检定装置和颠倒温度表检定装置等社会公用计量标准。其中，海水盐度计量标准具有国内最高水平，验潮仪（水位计）检定装置和波浪浮标检定装置是目前国内唯一建标的计量标准装置[ 6]。

在海洋測绘和声学方面，主要包括国家水运计量站、国防水声一级计量站和中国科学院声学计量测试站。国家水运计量站可对浅水回声测深仪、声速剖面仪、地下水位计、浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计、压力式验潮仪（岸站式和自容式）和浮子式验潮仪等海洋观测设备开展计量检定，此外还计划筹建多波束测深仪、流速仪、波高仪和姿态仪等计量标准，目前正在开展多波束测深仪、超短基线水声定位仪和声学多普勒流速剖面仪的计量测试研究[ 8， 1 5]。

2 . 2 存在的问题和建议

目前我国已基本建成海洋设备量值溯源体系和计量技术规范体系，在温盐深（ C T D）、波浪浮标和验潮仪计量标准以及中国标准海水制备等方面达到世界先进水平[ 1 1]，但仍存在4个方面的突出问题，亟须尽快解决。

2 . 2 . 1 水声设备计量标准不足

目前室内水声设备计量检定仍是难题，主要受限于特殊的环境条件。例如：开展不同频率的A D C P室内计量检定，须对水池的长宽、深度和消音效果提出明确要求。海流、水深、水下地形地貌、水声传播和海洋混响等要素观测设备多属于声学类设备，具有使用量大、使用频次高和经济效益大的特点，应根据业务需求充分研究和论证检定所需条件，有针对性地加强水声计量标准、装置和技术规程的研究和检定设施建设。

2 . 2 . 2 综合检验评价体系不完备

目前计量检定仅能完成设备计量性能检验[ 1 2]，而船载观测设备往往要在复杂和恶劣的海洋环境中长时间工作，如果没有严格的环境测试，就很难保证设备具有良好的耐久性和稳定性。目前国内计量检定机构开展环境适应性试验的基础设施平台还有待补充和完善。作为设备质量评价的重要环节，计量机构应建立综合质量检验评价体系，积极拓展单位职能编制，加强综合水池和海上试验场等专业环境试验设施建设，完善综合检验评价工作流程；可将室内检验和海上试验有机结合起来，建立包括室内计量检定-室内环境适应性试验-室内可控水体环境试验-海上试验的完整的综合检验评价工作链条，对设备的计量性能、环境适应性、稳定性、可靠性和维修性等多项质量特征进行检验。

2 . 2 . 3 维修保障有待完善

计量检定需求单位不仅希望检定机构对设备进行计量检定，而且希望检定机构在检测出设备不合格后能对设备进行校准和维修，以节约时间和运输成本。因此，应根据市场需求和计量项目特点，有针对性地加强设备维修保障能力建设，优化完善体制编制，加强装备、器材、场地和人员等方面的补充配备，统筹抓好装备计量检定和维修保障的协调发展，形成能检、能修的保障能力，最大限度地发挥计量检定工作的综合效益。

2 . 2 . 4 缺少灵活、可靠和快速的室外检定手段

有些海洋测量设备长期置于水下，测量过程不能间断；有些仪器须固定安装，拆卸不便，这些设备很难定期开展室内计量检定[ 1 9]。此外，设备即使在航前进行精确标校并确定精度稳定可靠，但在实际调查过程中受海上复杂环境的影响，也会偶尔发生系统故障。由于海上调查的成本高和周期长，一旦出现系统偏差，无疑会对数据质量和成本效益影响很大。目前在海上作业过程中开展计量检定工作仍较少，缺乏机动式和应急式的现场检定手段。因此，应加强对设备“离岸”检定的能力建设，发展现场检定、在线检定、自动检定和集成化检定等技术，如研制小型化和集成化的快速比测装置、在设备内设置在线检定模块以及增加自动检测报警装置。

3 海上标校试验现状、存在的问题和建议

3 . 1 海上试验规范和标校试验方法

为强化海洋设备研制过程中的质量控制以及规范海上试验操作和结果评价，国家有关部门印发《海洋仪器设备研制质量管理规范》和《规范化海上试验管理办法》，编制《海洋仪器海上试验规范》等8项国家或行业标准，并针对不同类型的海洋设备制定9项质量控制技术规程，逐步实现海试全过程的质量控制[ 1 8]。

目前海上标校主要通过稳定性试验、标定和海上比测等方式，对船载观测设备的计量性能、稳定性、环境适应性和可靠性等进行综合评定，在具体实施上主要包括4个方面。①静态稳定性试验，主要对停泊状态下的部分设备进行工作稳定性测试；②标定试验，主要对船载测量设备的轴系和零位等误差数据进行校正，包括换能器的安装偏差校正以及船体横向/纵向/航向偏角校正等，或消除船体本身对设备的干扰（如进行磁力校正消除船磁影响） ；③内符合试验，主要是用同一台设备在同一区域进行连续测量，并获取同一组观测数据进行比较，从而判断设备海上观测结果的稳定性；④外符合试验即比测试验，主要是比对被试仪器与比测仪器的同步观测结果，从而得到被试仪器的相对测量精度。

3 . 2 存在的问题和建议

海上标校试验可对船载观测设备的技术状态、稳定性和水密性等综合性能作出较全面的评价，解决部分设备和船舶相匹配的问题，这是在室内开展计量检定和环境试验受限的情况下，继续开展设备性能检验的有效手段。例如：对于A D C P至今尚无开展室内计量检定的有效手段，只能开展海上比测试验。该领域目前仍存在4个方面的问题，亟须尽快解决。

3 . 2 . 1 试验环境不可控

海上环境不同于室内环境，试验海区的浪、潮、流以及恶劣天气因素的变化时刻影响海上试验工作的顺利开展。因此，应注重收集和掌握当地水文、气象和底质等历史资料，完善应急预案和后勤保障措施，加强事前和事中预报预测，确保万无一失。

3 . 2 . 2 测量环境难以客观一致

受海水不断运动变化的影响，测量参数存在时空异质性。因此，应严格按照海上试验的规范要求，充分分析当地海洋环境和设备性能等条件，制定科学合理的比测试验方案，使相关设备的比测位置、测量环境、采样频次和采样周期尽可能地保持一致，从而确保测量结果具有可比性。

3 . 2 . 3 比测精度存在不确定性

比测设备精度直接影響比测结果的准确性。目前计量标准未能覆盖全部测量要素，部分海洋设备的计量标准还存在空白，而只能依据经验判断；即使选用获得普遍认可的国内外海洋调查设备[ 2 0]，其测量精度始终存在一定的不确定性。因此，应加快对重点和常用设备计量标准的研制力度，建立覆盖全要素的计量标准；加强比测校准方法研究，注重利用可计量检定的设备去校准尚不可计量检定的设备，如使用海流计比测校准A D C P以及使用测深仪比测校准多波束/单波束等，拓展量值传递范围，以确保选用的比测设备准确可靠。

3 . 2 . 4 缺少标准化的海上试验设施和平台

海上航行试验是临时性的，试验时间往往与成本成正比，因此试验时间不会太长。然而对部分设备环境适应性和稳定性等的测试须有长期和连续的海洋环境条件，因此建设标准化的海上试验场可很好地为海洋设备测试和评价提供科学和有效的试验环境。目前我国的海上试验场主要是海军和涉海科研院所等为检验某一型或某一类设备而选择的某一特定试验海区，与发达国家拥有的综合海上试验场存在较大差距[ 2 3]。因此，应建设标准化的深海观测平台，支持部分国产海洋设备开展高频次和系统的海上试验，通过获取长期、连续和要素完备的海上试验数据，提高海洋设备试验和检验的质量，加快我国国产海洋设备的产业化进程。

4 结语

目前不少送检单位花费大量的人力和物力用于设备检定，但仍有许多设备未能有效检定，对于新型海洋调查设备仍缺乏计量检定手段。计量检定机构应综合分析计量要素的特点、社会效益和难易程度等，研究并制定行之有效的标准规范和保障措施，弥补水声设备计量标准的不足，建立和完善综合检验评价体系，加强设备维修保障能力建设，研究现场保障、机动保障和应急保障等多种量值传递保障方法，不断提高检定能力和检定技术水平。此外，充分发挥海上试验的综合检验评价功能，在开展试验的过程中完善应急预案和后勤保障措施，制定科学合理的比测试验方案，研究并完善比测校准方法，建设标准化的海上试验设施和平台。

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