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5·20数字时代话计量——未来已来,计量数字化转型ING

2481    2022-05-23    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

今年"世界计量日” 的主题为”数字时代的计量 (Metrology in the Digital Era)"。主题指向十分明确,如今数字化的浪潮汹涌澎湃,数字技术应用正在为当今世界带来一场革命,显然也会覆盖作为科技领域"先行者”的计量全行业。此前,国务院于2021年12月31日印发的《计量发展规划( 2021-2035年)》重点介绍了对于计量基础研究、计量应用、计量能力建设与计量监督管理的整体要求,明确提到要加强量子计量、量值传递扁平化和计量数字化转型技术研究,展望到2035年,建成以量子计量为核心、科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。

2022年是《规划》的第二年,我们正站在时代变迁的风口,也正是见证、参与甚至书写计量史的时候。《规划》为计量领域指明了未来发展方向,通读文件,我们细数其中出现频次很高的关键词:“量子”12次,“数字化”12次,“人工智能”9次。一时间看去,这些反复被提及的关键词,尤其是“量子”,似乎与我们的日常工作并不契合,带来一连串疑问——量子计量标准器是什么?有没有校准规范和检定规程?量值传递扁平化怎么做到的?测什么参数?

要想厘清数字技术对当今计量行业的影响与数字化计量的内涵,我们不妨从国际单位制全面迈入量子化时代的起点说起。


回顾:计量单位量子化

这一计量学史上重大里程碑,也许并没有想象中的遥远,仅在3年多前的2018年11月13日至16日,第26届国际计量大会(CGPM)通过了关于“修订国际单位制(SI)”的决议。国际单位制共有7个基本的计量单位:时间单位秒(s)、长度单位米(m)、质量单位千克(kg)、电流单位安培(A)、温度单位开尔文(K)、物质的量单位摩尔(mol)和发光强度单位坎德拉(cd)。大会决议,千克、安培、开尔文、摩尔分别由普朗克常数h,基本电荷常数e,玻尔兹曼常数k和阿伏加德罗常数NA定义。由此,国际单位制的7个计量单位均实现量子化定义,国际测量体系实现全部建立在定义常数之上,实物基准被自然常数取代。

国际单位制图示

在计量发展的初期阶段,7个基本单位的定义都依赖实物基准。以该大会修订的单位千克(kg)为例,起初1791年,它被规定为:1立方分米的纯水在4℃时的质量 ,并以一块保存在国际计量局(地处巴黎)的铂铱合金圆柱体为实物基准,后称“国际千克原器”。各个国家要想保证质量单位的准确性,需得定期到国际计量局将质量基准与国际千克原器做比对和校准。

不难想象,在实物基准比对过程会产生诸多人为影响因素的基础上,实物基准本身也“不靠谱”,实物会随时间推移或环境改变而发生变化。尽管国际千克原器是以当时最顶尖工业技术制成,今天看待一个多世纪以前的工艺自然充满了时代局限性,实物基准所保存的量值会随着原器的物化性质变化而受影响。

因此,人们希望建立一套不依赖实物的计量基准。20世纪以来,随着量子物理的发展,人们对自然界基本物理量或常数的测量准确度提高,基本单位的定义由实物基准过渡到量子基准成为发展趋势。7个基本单位逐步被重新定义,时间基准率于1967年先完成量子化变革,“秒”被铯原子超精细能级跃迁频率重新定义:Cs-133原子的超精细能级辐射9192631770个周期的时间为1秒。随后是1983年长度单位“米”成了第一个用物理常数定义的单位,即l = c t(l 是长度,c 是真空中的光速,t 是时间);有了自然常数“光速”的参与,原来的实物基准“米尺”被取代,“米”的新定义为:光在真空中于1/299792458秒时间间隔内所行进路径的长度。接下来,各个基本单位随着人们量子技术进展逐步被重新定义,实物基准逐步退出历史舞台,直至第26届国际计量大会决议于2019年5月20日“世界计量日”正式生效。

国际单位制变革的核心是“计量单位量子化”和“量值传递扁平化”。“计量单位量子化”,是指通过全面采用量子计量基准。量子计量基准是用量子现象复现量值的计量基准,是量子物理学和计量学相结合的产物,与传统计量基准相比,量子计量基准实现任意时刻、任意地点、任意主体根据定义复现单位量值,大幅提高测量精度、稳定性和可复现性。而“量值传递扁平化”则是指通过量子计量基准与信息技术的结合,实现量值传递溯源链路扁平化,使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳。7个基本单位均量子化保证了其长期稳定性和环宇通用性,也让国际单位制全面迈入量子时代,“量值传递扁平化”成为了《规划》新篇章的基调之一。


转变:校准证书数字化

计量基准在变化,但保持计量的一致性、准确性、溯源性和法制性四大特点始终为要义。计量过程要求对测量结果进行定程度的记录,并具备可提供性。证书和报告是计量技术机构和校准/检测实验室对外提供量值溯源结果的重要技术文件。工业生产中为确保产品质量,需定期直接或间接溯源至国家标准,也就是定期对所使用的测量设备进行校准。故而校准证书在各计量质量管理体系中起着决定性作用。

在数字化语境中需在数据可靠和可持续使用的条件下开展数据驱动的研究,这些要求也可被涵盖于数据管理“四可( FAIR)”法则,其由4个维度的15款细则构成,意为数据是可发现的( Findable)、可访问的( Accessible )、可互操作的( Interoperable )和可重用的( Reusable)。

FAIR原则图示

数字校准证书( Digital Calibration Certificate )对计量的一致性与质量管理至关重要。结合“四可"法则,原有经评估或发表的数据就可能作为数字化研究工作的基础。

在这方面,世界知名计量和测试科研机构德国联邦物理技术研究院( PTB)以“用于数字转型的安全、可靠校准测量系统"为主旨,开发出满足国际要求的数字校准证书,确保数字数据、信息和证书的可靠通信。此外,数字校准证书的作用不局限于计量溯源性的证明,由于它是基于国际认可和批准的交换格式XML (可扩展标记语言),具有机器可读性,其所包含的信息可以直接在数字系统中解读并进一步使用,所有显象(包括数值校准曲线)能够自动转化为数字支持流程:同时使用加密签名作为安全程序,确保校准证书的完整性和真实性。


PTB数字校准证书图示

数字校准证书层次结构: 

1.行政管理数据。法定行政管理数据包含关键信息数据,是必不可少的明确标识。

2.测量结果。法定测量结果范围根据国际单位制信息进行评定,含符号、测最值、扩展测量不确定度、覆盖率、单位与时间;此外,国际单位制以外的单位也可以复现。

3.注解。注释和图表等非监管数据以自由格式存储,数据也能储存在现有数据交换格式中。

4.文件。包含基于模拟校准证书的可读文件。

而我国计量行业也正加强量值溯源证书管理,并出台相关政策以支持数字证书的启用和推行,《规划》中第三、(五)条明确指出,”推动计量数字化转型,加强数字国际单位制建设,推行国际公认的数字校准证书。”在实际使用过程中,数字校准证书相比纸质还体现出了制作成本低、便捷性高、流通性好、更好地满足疫情防控需要等诸多优势。证书和报告数字化已成为当今计量领域应用趋势,是目前计量数字化转型中一场必不可少的转变。


展望:测量体系科学化

从专业角度观察,国际单位制的重新定义,改变了国际计量体系和现有计量格局。我国现有国家测量体系核心使命之一是保证庞大的工业测量数据准确可靠。从工业角度来说,国家测量体系可分为国家计量体系和工业测量体系。 国家计量体系包括国家计量法律法规体系、国家计量行政管理体系、国家计量基准和拥有各级计量标准的技术机构所构成的量值溯源体系,管控着工业测量体系计量量值的准确一致,工业测量体系管控制造过程的制造质量。

在国家计量体系层面上,当前还存在两大主要问题:

1.量值传递体系不完整。我国是成体系、全门类地发展装备制造业计量基准/标准,但细分到各计量分支专业,建成的国家计量基准/标准数量相比工业发达国家较少。

2.量值传递能力逐级衰减。计量量值需由国家层面建立并逐级向下传递,地方受限于人力、技术等种种因素,不可能建立起与国家层面相对应的计量基准/标准。传递路径基本需先经历大区级、省级、市级、县级,最后传递到企业、计量机构、实验室等,这意味着量值传递能力逐级衰减。

整体来看,我国计量基础技术和设施还有待持续建设,核心关键技术还未全面突破。但数字化计量时代到来,赶超国际的契机也随之出现。虽然国际单位制新定义目前主要影响的是对测量准确度要求较高的行业、顶尖计量技术机构和校准/检测实验室,对普通日常生活不会造成直接影响,但势必会催生新的测量原理和技术。从理论上讲,基本单位量子化后,标准计量量值传递体系中间环节都不再必要,只要满足定义条件,任何地点、任何时间都可以把基本量复现出来,而不再通过原来逐级传递的体系。工业发达国家也需经历重建或改建测量体系的过程,世界各国在某种程度上又站在了同一起跑线。这对于我们建设世界科技强国和工业强国是一个绝好机遇,利用好量子化变革后量值传递扁平化的优势,尽快构建新的测量体系。《规划》中展望到2035年能建成“国家现代先进测量体系"。国家测量体系是以应用为导向,以先进技术和现代化管理为核心的测量体系,计量全行业正在持续开拓“国家现代先进测量体系”的内涵和外延。

先进的数字化技术重构了传統行业,计量正古老而年轻。未来已然到来,我们见证并参与行业数字化转型,也应让自我头脑与认知转型,有能力拥抱时代、抓住机遇、赢得主动。


参考文献:

[1].国务院关于印发计量发展规划(2021—2035年)的通知[J].中华人民共和国国务院公报,2022(05):52-62.

[2]张云.国际单位制变革与计量法治完善研究——兼论2018年《计量法》(修订稿送审稿)的修改[J].中国计量,2021(06):22-26.DOI:10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2021.06.016.

[3]黄万明, 陆璐, 程飞,等. 数字化转型:计量检测机构发展的"新基建"[J]. 计量与测试技术, 2022, 49(1):4.

[4]Bruns Thomas,Nordholz Jan,Röske Dirk,Schrader Thorsten. A demonstrator for measurement workflows using digital calibration certificates (DCCs)[J]. Measurement: Sensors,2021,18.【译】使用数字校准证书( DCCs )对测量工作流程进行演示


主办单位:四川省市场监督管理局

承办单位:中国测试杂志社



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