信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所　謝少鋒　代大山

　　動態(tài)不確定度的觀點使傳統(tǒng)不確定度的評定由靜態(tài)進(jìn)入動態(tài)，充分考慮了測量系統(tǒng)動態(tài)性的特點，是測量不確定度發(fā)展的方向。動態(tài)不確定度的灰色模型評價方法對動態(tài)不確定度的評價進(jìn)行了嘗試，是動態(tài)不確定度評定的有益參考。動態(tài)不確定度在測量系統(tǒng)的均勻設(shè)計、檢定周期的評定以及預(yù)防性維護(hù)計劃與糾正性維護(hù)計劃中的應(yīng)用，為測量系統(tǒng)從最初的開發(fā)設(shè)計到使用中的管理維護(hù)提供了一條科學(xué)、實用和量化的指南。動態(tài)不確定度的研究對計量管理學(xué)具有重要意義，本文為一家之言，歡迎廣大讀者討論。

　　測量結(jié)果是測量系統(tǒng)的輸出，而測量系統(tǒng)在其全壽命周期具有時變性的特點，這一特點必然在測量結(jié)果中體現(xiàn)，因此，表征其測量結(jié)果的質(zhì)量的不確定度也必然具有時變性的特點。然而，現(xiàn)行的測量不確定度的評定還處于靜態(tài)評價，對動態(tài)不確定度的評定才剛剛起步。本文將結(jié)合測量系統(tǒng)動態(tài)性的特點，對動態(tài)不確定度的原理及其在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用展開分析研究。    

　　一、動態(tài)不確定度的原理

　　在實際計量檢定工作中，測量結(jié)果一般按如下給出
　　測量結(jié)果=μ+b±U
　　其中:μ——測量系統(tǒng)的指示值或代表值；b——測量系統(tǒng)通過計量檢定的系統(tǒng)偏差；U——測量不確定度。
　　測量不確定度U主要來自三個方面:所用測量系統(tǒng)引入的不確定度分量、被測量引入的不確定度分量以及由于測量條件因素引入的不確定度分量等。實際測量中，一般以等精度條件下，短時間內(nèi)多次測量的數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或直接以單次測量數(shù)據(jù)為測量結(jié)果。由于是短時間過程，所以，被測量及測量條件引入的不確定度基本保持不變。對于由測量系統(tǒng)引入的不確定度分量，當(dāng)假設(shè)自該測量系統(tǒng)被檢定后，測量系統(tǒng)的量值性能保持不變時，由測量系統(tǒng)引入的不確定度分量則主要由上級計量檢定部門計量檢定該測量系統(tǒng)時給出的不確定度或測量系統(tǒng)使用指標(biāo)參數(shù)(如誤差限)計算得出。然而，測量系統(tǒng)在使用過程中，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷老化、損耗，造成測量系統(tǒng)自身量值特性隨時間不斷變化，具體表現(xiàn)為測量結(jié)果的估計值較測量系統(tǒng)校準(zhǔn)初期發(fā)生漂移，且朝著背離被測量真值的方向，使得測量結(jié)果估計值與被測量真值的差異逐漸增大，即偏差變?yōu)?I>b(t)=b+δ(t)，其中，δ(t)為計量檢定后，t時間測量系統(tǒng)偏差的變化。在整個計量檢定周期內(nèi)，δ(t)是一個隨時間不斷變化的量，因此，測量系統(tǒng)引入的不確定度分量是一個隨時間不斷變化的量u_δ(t)，從而導(dǎo)致總不確定度隨時間變化，即不確定度U=U(t)。

　　要實現(xiàn)對動態(tài)不確定度U(t)的評價，主要是要實現(xiàn)對u_δ(t)的動態(tài)評價。引起u_δ(t)變化的因素較多，有些是已知的，有些則是未知的，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。但這正好符合灰色模型的特點，因此，可采用灰色理論的數(shù)學(xué)手段對一組動態(tài)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行建模，求得u_δ(t)的灰色數(shù)學(xué)模型。將u_δ(t)與其他不確定度分量進(jìn)行合成，即可獲得標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)不確定度，按一定的置信區(qū)間進(jìn)行擴(kuò)展即可得到動態(tài)不確定度U(t)。筆者及其所在的信息產(chǎn)業(yè)部電子五所在完成信息產(chǎn)業(yè)部下達(dá)的“測量系統(tǒng)分析及動態(tài)不確定度研究”(J122001A15)項目中對動態(tài)不確定度的灰色模型評價方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用灰色模型進(jìn)行動態(tài)不確定度的評價是可行的。    

　　二、動態(tài)不確定度在測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　測量結(jié)果是測量系統(tǒng)對輸入被測量的響應(yīng)，是測量系統(tǒng)“生產(chǎn)”的“產(chǎn)品”。因此測量結(jié)果的特性常常被用作測量系統(tǒng)特性的評價指標(biāo)。動態(tài)不確定度是對測量結(jié)果的質(zhì)量的動態(tài)評價，因此，將動態(tài)不確定度應(yīng)用到測量系統(tǒng)中具有重要意義。測量系統(tǒng)的功能是量值傳遞，測量系統(tǒng)進(jìn)行量值傳遞的質(zhì)量是由測量偏差b的絕對值|b|與測量不確定度U(t)之和，以及與測量系統(tǒng)極限誤差L_e的相對關(guān)系決定的。通常，按如下不等式判定測量系統(tǒng)合格或超差:

　　合格:U(t)+|b|≤L_e    (1)
　　超差:U(t)+|b|>L_e    (2)
　　根據(jù)以上兩個不等式，可知，測量系統(tǒng)從合格到超差的臨界點為:
　　U(t)+|b|=L_e    (3)
　　根據(jù)式(3)，動態(tài)不確定度可在測量系統(tǒng)中得到多方面的應(yīng)用。

　　1.動態(tài)不確定度在測量系統(tǒng)均勻設(shè)計中的應(yīng)用
　　測量系統(tǒng)在其全壽命周期內(nèi)，隨著時間的推移，不確定度U(t)不斷增加，到一定時間T，測量系統(tǒng)的系統(tǒng)測量偏差b的絕對值|b|與不確定度U(t)之和達(dá)到測量系統(tǒng)的極限誤差L_e，如式(3)所示，然后，測量系統(tǒng)超差(如圖1所示)。

    圖1  測量系統(tǒng)從初始合格到超差的原理圖

　　測量系統(tǒng)是由多個功能模塊按照一定結(jié)構(gòu)組成的整體，各個功能模塊又由不同組件構(gòu)成。在測量系統(tǒng)的使用過程中，由于其內(nèi)部各組成部分的結(jié)構(gòu)、元器件質(zhì)量參數(shù)及工作條件的不同，各組成部分達(dá)到超差的時間也不一樣，有的快，有的慢。而測量系統(tǒng)的失效大多并非因為系統(tǒng)各組成部分全部失效，而是由于某個或某幾個最先失效的組成單元引起的。所以，理想的測量系統(tǒng)，是使得測量系統(tǒng)各個組成部分達(dá)到超差的時間相等，這也是測量系統(tǒng)均勻失效設(shè)計的基本思想。

　　要實現(xiàn)這一點，需要兩個層面的考慮:1.對于具有多項目測量功能的測量系統(tǒng)，必須保證實現(xiàn)各個項目功能的功能模塊從正常工作到超差所經(jīng)歷的時間T_i相同；2.對組成第i個功能模塊的各組件n_i，其各個組件之間失效速率從正常工作到超差所經(jīng)歷的時間T_im也應(yīng)相同。
　　從正常工作到超差所經(jīng)歷的時間T可由式(3)進(jìn)行計算
　　T=U^-1(L_e-|b|)    (4)
　　在功能模塊層面
　　要實現(xiàn)測量系統(tǒng)功能模塊層面的均勻失效，即要保證
　　T_i=T_ji=1～n；j=1～n，i≠j
　　即
    
　　在組件層面
　　測量系統(tǒng)的每個功能模塊都是為了實現(xiàn)對某一參數(shù)的測量，典型的模塊一般要經(jīng)過多個組件進(jìn)行量值傳遞，如信號采集、信號轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D與D/A、存儲與顯示等。如圖2所示即為功能模塊量值傳遞示意框圖。
    

    圖2  功能模塊量值傳遞示意框圖

　　要想各個組件之間達(dá)到均勻失效，即要各個組件之間從正常工作到超差的時間T相等。也即
    
　　式(5)和式(6)即為實現(xiàn)測量系統(tǒng)均勻設(shè)計的指導(dǎo)原則。
　　然而均勻失效的理想狀態(tài)往往是很難做到的，所以系統(tǒng)的失效速率往往由失效最快的單元決定，系統(tǒng)失效速率最快的單元也就是系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。但作為一個系統(tǒng)，至少要求相對地平衡，“局部精良”沒有意義，因此，需要綜合權(quán)衡。比較實際的是根據(jù)均勻設(shè)計的理論，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，即失效速率最快的單元，通過優(yōu)化或替換以盡可能地降低其失效速率。這對提高測量系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。

　　2.動態(tài)不確定度在測量系統(tǒng)檢定周期的評定中的應(yīng)用
　　測量系統(tǒng)的檢定周期，受其使用性能、使用環(huán)境、使用頻繁程度、準(zhǔn)確度要求以及保養(yǎng)、存放情況等因素的綜合影響，所以，評定合理的檢定周期是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。檢定周期的評定往往不盡合理，存在著檢定周期內(nèi)使用的測量系統(tǒng)不一定合格，而超周期使用的測量系統(tǒng)不一定就不合格的現(xiàn)象，這就說明了檢定周期的評定中還有許多需要改進(jìn)的地方。根據(jù)JJF1024-1991《計量器具的可靠性分析原則》，檢定周期的評定原則為在可靠性達(dá)到要求的前提下，年檢定耗費最少?；谶@一原則，當(dāng)測量系統(tǒng)的檢定周期為測量系統(tǒng)由合格轉(zhuǎn)入超差的臨界點時間T時，則一方面可杜絕在檢定周期內(nèi)使用的測量系統(tǒng)不一定合格，而超周期使用的測量系統(tǒng)不一定就不合格的問題，同時也能滿足年檢定費用最少的要求。當(dāng)已知動態(tài)不確定度U(t)的表達(dá)式時，由式(4)可知，測量系統(tǒng)的檢定周期T為
　　T=U-1(L_e-|b|)    (7)

　　3.動態(tài)不確定度在預(yù)防性維護(hù)與糾正性維護(hù)計劃的制定中的應(yīng)用
　　為了提高測量系統(tǒng)的可靠性，使測量系統(tǒng)始終處于最優(yōu)狀態(tài)，同時經(jīng)濟(jì)地延長測量系統(tǒng)的壽命，對測量系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)與糾正性維護(hù)十分重要。所謂預(yù)防性維護(hù)與糾正性維護(hù)，即要在測量系統(tǒng)達(dá)到一定狀態(tài)時預(yù)先進(jìn)行維護(hù)。由測量系統(tǒng)檢定時判定是否合格的公式(1)、(2)知，可采用初始測量偏差b的絕對值|b|與不確定度U(t)之和與測量系統(tǒng)的極限誤差L_e的比值作為預(yù)防性維護(hù)與糾正性維護(hù)的評價指標(biāo)P。
    
　　例如，假定當(dāng)P達(dá)到50%時為預(yù)防性維護(hù)時間，而當(dāng)P達(dá)到80%時為糾正性維護(hù)時間，則有
　　預(yù)防性維護(hù)時間t
　　t=U^-1(L_e×50%-|b|)    (9)
　　糾正性維護(hù)時間t′
　　t′=U^-1(L_e×80%-|b|)    (10)