中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院　方宏  卞昕  何昭  陶毅

資助項(xiàng)目:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院博士科研專項(xiàng)啟動(dòng)基金(ATGQDB0808)

第一屆《中國(guó)計(jì)量》中青年優(yōu)秀科技論文獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)文章

　　高技術(shù)國(guó)家的全面發(fā)展越來越依賴于先進(jìn)的測(cè)量、測(cè)試技術(shù)以及相關(guān)基(標(biāo))準(zhǔn)乃至技術(shù)協(xié)議的建立和發(fā)展。在20世紀(jì)工業(yè)社會(huì)的建設(shè)過程中，傳統(tǒng)物理、化學(xué)參量的計(jì)量發(fā)揮了極其重要的作用；而在21世紀(jì)的信息社會(huì)建設(shè)中，對(duì)信息技術(shù)進(jìn)行計(jì)量以及利用先進(jìn)的信息技術(shù)服務(wù)于計(jì)量成為我們必須面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)，因此，一門新興的學(xué)科——信息計(jì)量學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

　　人們已經(jīng)公認(rèn)，影響21世紀(jì)最主要的三大科技是納米技術(shù)、生物技術(shù)及信息技術(shù)，而計(jì)量科學(xué)是一切科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要保障，因此，大力地推動(dòng)與以上3項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的計(jì)量科學(xué)勢(shì)在必行。早在1997年，美國(guó)就提出了信息計(jì)量的概念，部分歐美發(fā)達(dá)國(guó)家以及日本的國(guó)家計(jì)量研究機(jī)構(gòu)相繼成立了相關(guān)研究部門。目前，其研究成果已經(jīng)在很大程度上推動(dòng)了這些國(guó)家信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)參量的計(jì)量技術(shù)也從中受益，以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(ITL)成果最為突出。在我國(guó)，信息計(jì)量尚未得到全面的重視和系統(tǒng)的發(fā)展，因此，盡快系統(tǒng)地提出信息計(jì)量的概念、研究范疇以及主要方向，推進(jìn)我國(guó)信息計(jì)量的全面開展迫在眉睫。

一、信息計(jì)量的基本概念及特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)計(jì)量的測(cè)量對(duì)象通常為經(jīng)典的物理、化學(xué)參量，其分支包括幾何量計(jì)量、力學(xué)計(jì)量、化學(xué)計(jì)量等，然而隨著近幾十年來信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，影響國(guó)家工業(yè)、農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展的因素已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些經(jīng)典參量，信息技術(shù)在其中的作用越來越明顯，甚至逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。由此也引發(fā)了計(jì)量學(xué)的巨大變革，信息計(jì)量學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。雖然人們已在更早的時(shí)期開始了與信息技術(shù)有關(guān)的計(jì)量研究，但正式提出信息計(jì)量概念是在1997年NIST發(fā)布的內(nèi)部報(bào)告中，該報(bào)告概括性地為信息計(jì)量劃定了3個(gè)主要研究方向:一是測(cè)量、測(cè)試及評(píng)估現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)的各種屬性和特性，即對(duì)信息技術(shù)進(jìn)行計(jì)量；二是利用先進(jìn)的信息技術(shù)提升傳統(tǒng)物理、化學(xué)參量的測(cè)量和測(cè)試的準(zhǔn)確性、可靠性、便捷性等，即信息技術(shù)輔助傳統(tǒng)計(jì)量；三是基于先進(jìn)的信息技術(shù)產(chǎn)品，研究計(jì)量學(xué)中涉及的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)。

　　由于研究對(duì)象的不同，信息計(jì)量與傳統(tǒng)物理、化學(xué)參量計(jì)量存在較大的區(qū)別。首先，信息計(jì)量缺乏標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際單位制(SI)作為計(jì)量單位的基礎(chǔ)，目前，信息計(jì)量中最常用的單位是比特(bit)，然而現(xiàn)在討論是否可以將其列為SI中第8個(gè)基本單位還為時(shí)過早；其次，目前還很難對(duì)信息計(jì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定，雖然目前國(guó)際上有一些研究人員已經(jīng)開始考慮對(duì)零一系列的絕對(duì)判決結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，但由于信息技術(shù)的復(fù)雜性和靈活多變性，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定還有待時(shí)日；最后，也是最主要的一個(gè)區(qū)別在于信息技術(shù)發(fā)展的高速性，傳統(tǒng)物理、化學(xué)參量的計(jì)量大多以經(jīng)典理論基礎(chǔ)為依據(jù)，而信息技術(shù)的日新月異，使得人們對(duì)信息計(jì)量的研究也必須更具時(shí)效性。因此，建立一套完善的測(cè)量、測(cè)試基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)信息技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，給新世紀(jì)的計(jì)量學(xué)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。    

　　二、信息計(jì)量的主要研究方向及進(jìn)展

　　信息計(jì)量的研究范疇非常廣泛，涉及信息技術(shù)的方方面面，有一些研究其實(shí)是伴隨著相應(yīng)信息技術(shù)的誕生而并行開展的，只是之前尚未將其歸納到信息計(jì)量的范疇。而另一些研究則是信息技術(shù)發(fā)展到一定程度以后，提出了一些計(jì)量方面的需求，或者是人們發(fā)現(xiàn)可以將這些先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到相應(yīng)的計(jì)量學(xué)測(cè)量、測(cè)試中而誕生的。以下將基于信息計(jì)量3個(gè)主要方向的分類，對(duì)其主要研究?jī)?nèi)容以及國(guó)外先進(jìn)計(jì)量研究機(jī)構(gòu)近年來的研究狀況作一簡(jiǎn)要介紹。

　　1.對(duì)信息技術(shù)的計(jì)量

　　(1)信息度量與數(shù)據(jù)挖掘
　　早在20世紀(jì)中葉，人們就已經(jīng)意識(shí)到只有給出信息的度量，才能使信息的研究成為一門真正的科學(xué)。隨著全面信息化社會(huì)的到來，現(xiàn)在的人們比半個(gè)世紀(jì)前更加迫切地需要準(zhǔn)確的信息度量工具和標(biāo)準(zhǔn)。如今的人們每天都可以輕而易舉地通過各種渠道獲得海量的數(shù)據(jù)，然而這些數(shù)據(jù)并不能稱為信息。過量的數(shù)據(jù)被人們稱為信息爆炸，帶來的挑戰(zhàn)是:一方面規(guī)模龐大、紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)體系讓使用者漫無頭緒、無從下手；另一方面在這些大量數(shù)據(jù)的背后卻隱藏著很多具有決策意義的有價(jià)值的信息。因此，人們必須面對(duì)的首要問題就是如何從海量的數(shù)據(jù)中獲取這些有價(jià)值的信息，這就是數(shù)據(jù)挖掘所希望解決的問題。而信息量的準(zhǔn)確度量就成為數(shù)據(jù)挖掘成敗與否以及效率高低的根本判斷依據(jù)。這就給現(xiàn)代信息計(jì)量提出了一個(gè)重要的研究任務(wù)，準(zhǔn)確地度量信息量，協(xié)助信息發(fā)現(xiàn)、信息提取以及信息存儲(chǔ)等。只有在一套公認(rèn)的信息量度量標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)建立的基礎(chǔ)上，信息交易、信息互換以及信息共享才可能得以實(shí)現(xiàn)。

　　國(guó)內(nèi)外部分研究機(jī)構(gòu)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，一方面是對(duì)信息熵理論的改進(jìn)，逐步完善其公理化體系；另一方面是關(guān)于數(shù)據(jù)挖掘的研究。NIST也成立了相關(guān)研究組，目標(biāo)是建立、完善一套測(cè)量體系以提升信息在整個(gè)生命周期中的可發(fā)現(xiàn)性、可利用性和可共享性，從而實(shí)現(xiàn)從海量數(shù)據(jù)中高效地挖掘所需要的信息。

　　 (2)軟件計(jì)量
　　信息系統(tǒng)絕大部分都是由硬件和軟件兩部分組成的。相對(duì)而言，對(duì)硬件的計(jì)量要簡(jiǎn)單得多，主要原因在于硬件方面的計(jì)量大多可以基于比較成熟的傳統(tǒng)物理參量進(jìn)行計(jì)量，而軟件計(jì)量則是一個(gè)全新的、富有挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。

　　在過去的半個(gè)世紀(jì)里，計(jì)算機(jī)硬件性能提升了近10個(gè)數(shù)量級(jí)，而軟件的發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有跟上這個(gè)步伐，主要原因之一在于軟件系統(tǒng)缺乏比較通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試和評(píng)價(jià)規(guī)范，對(duì)其性能難以進(jìn)行準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)。軟件的瑕疵或漏洞往往只有在運(yùn)行時(shí)，甚至是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)才有可能顯現(xiàn)出來。軟件計(jì)量的任務(wù)就在于建立標(biāo)準(zhǔn)的模型、程序、測(cè)量和評(píng)估方法對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試和度量，并以一定規(guī)范為基礎(chǔ)對(duì)軟件進(jìn)行認(rèn)證。測(cè)試和度量的內(nèi)容包括軟件的各種特性，如代碼長(zhǎng)度、運(yùn)行時(shí)間、出錯(cuò)概率、可靠性、安全性、復(fù)雜度、制作成本等。對(duì)軟件產(chǎn)品的認(rèn)證類似于傳統(tǒng)計(jì)量中的校準(zhǔn)，使得所計(jì)量的對(duì)象具有可溯源性。軟件計(jì)量的應(yīng)用目標(biāo)有眾多方面:準(zhǔn)確地描述軟件產(chǎn)品的各方面性能；規(guī)范化地給出軟件產(chǎn)品的實(shí)際價(jià)值；評(píng)估開發(fā)該軟件所需的人力物力；評(píng)估使用新的軟件工程方法和工具給軟件開發(fā)帶來的收益等。

　　NIST在軟件計(jì)量方面投入很大，這也是他們最早開始信息計(jì)量領(lǐng)域研究的主要方向之一。目前，其研究重點(diǎn)是測(cè)量、評(píng)價(jià)軟件的可信賴性，并通過提出革命性的技術(shù)、模型以及測(cè)試方法和工具，達(dá)到降低研制和評(píng)價(jià)可信賴軟件所需的成本代價(jià)，例如，目前熱點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容——組合測(cè)試(Combination Testing)，就大大降低了對(duì)軟件進(jìn)行遍歷測(cè)試所需的時(shí)間成本。

　　(3)通信協(xié)議測(cè)試與性能評(píng)價(jià)
　　通信系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)備和通信協(xié)議兩部分，關(guān)于硬件設(shè)備的測(cè)試和計(jì)量大多可以歸結(jié)到傳統(tǒng)物理參量的測(cè)量中，而對(duì)通信協(xié)議的測(cè)試和計(jì)量就完全不同于傳統(tǒng)計(jì)量，屬于信息計(jì)量中一個(gè)非常重要的研究?jī)?nèi)容。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，包括我國(guó)在內(nèi)很多國(guó)家的計(jì)量研究機(jī)構(gòu)，對(duì)通信系統(tǒng)中較低層的一些協(xié)議(如物理層協(xié)議的計(jì)量)近年來已逐漸開展，例如，對(duì)物理層中調(diào)制參數(shù)、編碼格式等部分協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試和計(jì)量。然而對(duì)于更高層的通信協(xié)議，除NIST外其他計(jì)量研究機(jī)構(gòu)很少涉及。通信協(xié)議測(cè)試主要包括一致性測(cè)試、互操作性測(cè)試，它們是互為驗(yàn)證、互為補(bǔ)充的關(guān)系，只有把兩者合理地結(jié)合才能完成完整的協(xié)議測(cè)試。

　　通信系統(tǒng)的性能可以分為有效性和可靠性兩大類，其中有效性的指標(biāo)包括傳輸速率、吞吐量、頻譜利用率等。相對(duì)而言，系統(tǒng)可靠性的評(píng)價(jià)就顯得更加困難，其主要原因在于:影響通信系統(tǒng)可靠性的因素非常多；根據(jù)系統(tǒng)使用場(chǎng)合的不同，系統(tǒng)失效的主要判據(jù)并不一致；根據(jù)用戶的不同，所關(guān)注可靠性的側(cè)重點(diǎn)不同。目前，對(duì)通信系統(tǒng)可靠性方面的評(píng)價(jià)還比較混亂，尚未形成一套完善的測(cè)度指標(biāo)體系。然而，這種不健全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于國(guó)防通信系統(tǒng)、國(guó)家應(yīng)急通信系統(tǒng)以及重大工程項(xiàng)目中的指揮通信系統(tǒng)等的影響非常顯著，因此，盡快完善通信系統(tǒng)可靠性定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)理論，建立完整的可靠性測(cè)度指標(biāo)體系，規(guī)范相應(yīng)的可靠性實(shí)際測(cè)試和計(jì)量方法，成了信息計(jì)量亟待開展的一個(gè)研究方向。

　　NIST的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)研究組對(duì)各種通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和性能評(píng)價(jià)，近年來，其研究項(xiàng)目包括Internet網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)、3G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)以及量子信息網(wǎng)絡(luò)等方面。其關(guān)注的系統(tǒng)性能包括安全性、可靠性、可升級(jí)性等。近期，其工作重點(diǎn)之一是開展通信系統(tǒng)安全性的測(cè)試、評(píng)價(jià)與改進(jìn)；另一研究重點(diǎn)就是探索使用新型的自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化社會(huì)公共安全通信網(wǎng)絡(luò)，提高國(guó)家的綜合應(yīng)急響應(yīng)能力。

　　(4)密碼模塊評(píng)測(cè)與認(rèn)證
　　密碼學(xué)是信息系統(tǒng)安全之源，任何安全協(xié)議或系統(tǒng)都是基于密碼而設(shè)計(jì)的，研究高效的密碼算法和實(shí)現(xiàn)機(jī)制是保障信息安全的必經(jīng)之路。早期的密碼評(píng)測(cè)只針對(duì)密碼算法，之后人們發(fā)現(xiàn)這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有綜合測(cè)試整個(gè)密碼模塊，才能對(duì)其進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。所謂密碼模塊指的是包括硬件、軟件(包括算法和密鑰)以及固件在內(nèi)所有的密碼實(shí)現(xiàn)集合。目前，依據(jù)有關(guān)技術(shù)和管理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密碼模塊進(jìn)行評(píng)測(cè)與認(rèn)證，已成為各國(guó)普遍采取的方法。

　　美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)于1982年首先公布了僅適用于數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)的聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS1027。NIST在1988年將FS1027標(biāo)準(zhǔn)重新命名為FIPS140，此后驗(yàn)證工作轉(zhuǎn)由NIST負(fù)責(zé)。NIST于1994年公布了FIPS140-1標(biāo)準(zhǔn)，將加密模塊的安全等級(jí)分成四級(jí)；1995年，NIST和加拿大政府的通信安全組織(CSE)共同建立了密碼模塊驗(yàn)證計(jì)劃(CMVP)，負(fù)責(zé)維護(hù)FIPS140標(biāo)準(zhǔn)，并確保經(jīng)過認(rèn)證的模塊與標(biāo)準(zhǔn)相兼容。此后該組織作為驗(yàn)證者的角色，確保在第三方的授權(quán)實(shí)驗(yàn)室開展的評(píng)測(cè)工作的正確性。1997年，美國(guó)規(guī)定聯(lián)邦政府單位采購(gòu)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，只允許購(gòu)買通過FIPS140-1CMVP測(cè)試的密碼模塊產(chǎn)品。2002年，NIST正式發(fā)布了FIPS140-2標(biāo)準(zhǔn)，提供了密碼模塊評(píng)測(cè)、驗(yàn)證和最終認(rèn)證的基礎(chǔ)，目前已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前，F(xiàn)IPS PUB 140-3草案正在修訂，計(jì)劃于2009年年底正式開始采用。

　　(5)數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像計(jì)量
　　醫(yī)學(xué)成像設(shè)備所獲得的醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量對(duì)于幫助臨床醫(yī)生進(jìn)行診斷具有重要意義，正確的醫(yī)學(xué)影像應(yīng)具有足夠的空間分辨率，能分辨細(xì)微特征，能夠客觀準(zhǔn)確地反映被測(cè)物的斷面幾何特征，提供足夠的診斷信息。因此，醫(yī)學(xué)影像的評(píng)價(jià)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。然而在醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域，目前還局限于主觀判斷，缺少客觀的計(jì)量學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如CT圖像中的對(duì)比度、分辨率通常都是由有經(jīng)驗(yàn)的觀察者目測(cè)確定。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了醫(yī)學(xué)影像的數(shù)字化，從而使得對(duì)數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行計(jì)量學(xué)評(píng)價(jià)成為可能，為基于圖像處理理論研究定量評(píng)價(jià)方法提供了廣闊空間。在對(duì)醫(yī)學(xué)成像和醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從計(jì)量學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)數(shù)字醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行計(jì)量和客觀地評(píng)價(jià)是信息計(jì)量領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。由于其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要的應(yīng)用前景，該領(lǐng)域的研究在NIST、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)以及我國(guó)國(guó)家計(jì)量院都受到了很大的重視?？梢灶A(yù)見，這將是信息計(jì)量中最早得到實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)之一。

　　(6)其他信息技術(shù)的測(cè)試與性能評(píng)價(jià)
　　目前，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，如識(shí)別系統(tǒng)(包括語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等)、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，對(duì)這些無處不在的信息技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法以及準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)體系也是信息計(jì)量必須面對(duì)的研究課題。NIST在這些領(lǐng)域都有涉及，通常其研究投入直接由該項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的廣泛程度決定。在其他國(guó)家，關(guān)于這些新興信息技術(shù)的計(jì)量工作開展得還非常少，尚未形成評(píng)測(cè)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，使得對(duì)于一些涉及關(guān)鍵應(yīng)用的領(lǐng)域，對(duì)所選用系統(tǒng)的各方面性能只能進(jìn)行定性的、較模糊的評(píng)價(jià)，在一定程度上增加了應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，浪費(fèi)了有效資源。

　　二、信息計(jì)量的主要研究方向及進(jìn)展

　　2.信息技術(shù)輔助傳統(tǒng)計(jì)量

　　信息技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)計(jì)量學(xué)產(chǎn)生了巨大的影響，國(guó)際計(jì)量局(BIPM)分別于2002年、2005年和2007年在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)、日本國(guó)家計(jì)量研究院(NMIJ)和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)陸續(xù)舉辦了三屆以信息技術(shù)對(duì)計(jì)量學(xué)的沖擊為主題的研討會(huì)，主要對(duì)信息技術(shù)輔助計(jì)量的最新研究成果進(jìn)行交流和探討，以下針對(duì)幾個(gè)熱點(diǎn)研究方向作簡(jiǎn)要介紹:

　　 (1)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)
　　隨著信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子商務(wù)等基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新事物在資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、縮短時(shí)空距離等方面發(fā)揮了巨大的作用。傳統(tǒng)的計(jì)量技術(shù)也未能置身其外，結(jié)合先進(jìn)的通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像、視頻技術(shù)的跨地域遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)(或稱為E-trace)正受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋?

　　傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方式存在校準(zhǔn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、溯源鏈過長(zhǎng)、管理難度大、效率低、不利于國(guó)際比對(duì)等缺陷。1999年，國(guó)際測(cè)量和儀器會(huì)議(IMIC)上首次提出了基于Internet的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，不但在很大程度上降低了費(fèi)用、提高了效率，而且在校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性方面均有所改進(jìn)。目前，計(jì)量所需的標(biāo)準(zhǔn)量值可以大致分為兩類:一類是以實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)為載體，通過實(shí)物的測(cè)量來復(fù)現(xiàn)，計(jì)量校準(zhǔn)的主要過程需要與實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較測(cè)量，而信息技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的傳遞，因此，對(duì)這類標(biāo)準(zhǔn)目前還很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)；另一類標(biāo)準(zhǔn)不以實(shí)物為載體，而以規(guī)定的方法或自然常數(shù)為基礎(chǔ)，如在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)的頻率標(biāo)準(zhǔn)，以時(shí)間頻率為基礎(chǔ)的占空比參數(shù)，以相對(duì)關(guān)系為基礎(chǔ)的調(diào)制度參數(shù)、比例參數(shù)、衰減參數(shù)、相位參數(shù)、噪聲參數(shù)等，這些標(biāo)準(zhǔn)理論上都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。因此，目前研究的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)大多是針對(duì)這類參量展開的。

　　近年來，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的計(jì)量研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方面的研究，其中有一些較為成熟的研究成果已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用之中。例如，NIST開展的項(xiàng)目有大流量氣體流量計(jì)校準(zhǔn)、電量多功能校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)以及大尺寸離子輻射源校準(zhǔn)。NPL開展了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻與電壓的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程溯源。PTB開展了偏振中子衍射計(jì)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。在亞洲，NMIJ從2001年到2008年分兩期對(duì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)展開了重點(diǎn)研究，目前，在時(shí)間頻率、光學(xué)頻率、約瑟夫森電壓、放射學(xué)等方面的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)取得了較好的成果。遠(yuǎn)程校準(zhǔn)服務(wù)在我國(guó)是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，它不僅是技術(shù)問題，還涉及相應(yīng)檢測(cè)/校準(zhǔn)規(guī)范的健全與完善。近年來，我國(guó)政府也充分認(rèn)識(shí)到了發(fā)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)、開展系統(tǒng)研究對(duì)提高我國(guó)下一代計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)的重要性，因此，目前以時(shí)間頻率為主要突破口的全面的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)已逐漸開展，多次組團(tuán)參加BIPM的相關(guān)研討會(huì)，跟蹤學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并提議(2009年)將在中國(guó)召開的中日韓計(jì)量研討會(huì)上設(shè)立“遠(yuǎn)程校準(zhǔn)E-trace技術(shù)及發(fā)展展望”專項(xiàng)技術(shù)講座，詳細(xì)探討各國(guó)最新研究進(jìn)展。

　　(2)可重構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)
　　長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)可以分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩大類。軟件實(shí)現(xiàn)方法，主要特征是在由微處理器、內(nèi)存和部分簡(jiǎn)單的外設(shè)組成的電子系統(tǒng)里，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)大部分的邏輯處理和運(yùn)算功能，而外設(shè)只起輔助作用；硬件實(shí)現(xiàn)的方法，主要特征是由特定的運(yùn)算或處理單元完成系統(tǒng)主要的計(jì)算工作，微處理器或者被省略，或者只起協(xié)調(diào)各部件工作的作用。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，軟件方法開發(fā)簡(jiǎn)單、靈活可變、易升級(jí)，但通常運(yùn)行速度慢、效率低，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)試的要求；硬件實(shí)現(xiàn)方法可為目標(biāo)任務(wù)特別定制，運(yùn)行效率高、速度快，可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)測(cè)試，但硬件開發(fā)周期長(zhǎng)、一次性投入大、缺乏靈活性、難以升級(jí)，很難適應(yīng)被測(cè)對(duì)象特別是電子類產(chǎn)品飛速地發(fā)展和較強(qiáng)的多樣性。為了綜合軟硬件各自的優(yōu)勢(shì)，近年來人們提出了可重構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)的思想，改變了以往由儀器廠家定義儀器功能、用戶只能使用的局面，進(jìn)而提供用戶可自定義儀器功能、可根據(jù)不同測(cè)試需求對(duì)儀器進(jìn)行重構(gòu)的能力。該結(jié)構(gòu)的核心思想是在一個(gè)最小集合的、低成本的通用硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，由用戶通過軟件的控制來實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能，本質(zhì)上是利用可編程器件可多次重復(fù)配置邏輯狀態(tài)的特性，在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)改變系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，從而使系統(tǒng)兼具靈活、簡(jiǎn)捷、硬件資源可復(fù)用、易于升級(jí)等多種優(yōu)良性能。

　　可重構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)一個(gè)典型的例子就是軟件無線電測(cè)試系統(tǒng)，目前，無論是在學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)炙手可熱的研究課題。各國(guó)的計(jì)量研究機(jī)構(gòu)對(duì)此也投入了很大的研究力度，美國(guó)、德國(guó)、日本在該領(lǐng)域處于比較領(lǐng)先的水平，部分產(chǎn)品已商業(yè)化。近年來，我國(guó)對(duì)軟件無線電也給予了較大的重視和投入。

　　(3)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)
　　隨著科技水平的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域的高技術(shù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度日益提高，測(cè)試參量種類、測(cè)試難度以及測(cè)試實(shí)時(shí)性要求迅速增加，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)手段已經(jīng)顯得非常低效，甚至無法滿足日常檢測(cè)、校準(zhǔn)以及保障設(shè)備可靠運(yùn)行的基本需求，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)正逐步體現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性。早在20世紀(jì)中后期，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就開始了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究，但由于技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)高昂等原因，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及高速總線控制技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在更加廣泛的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。其主要優(yōu)勢(shì)在于:可實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的自動(dòng)檢測(cè)；完成人員不易靠近的環(huán)境中的檢測(cè)任務(wù)；加大掃描測(cè)量點(diǎn)分布密度，提高測(cè)量準(zhǔn)確度；減少測(cè)量過程中人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差；降低了對(duì)測(cè)試人員的技術(shù)水平要求；減少人員勞動(dòng)量。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)必將成為新世紀(jì)測(cè)量、測(cè)試領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一，其發(fā)展水平將成為評(píng)價(jià)國(guó)家計(jì)量技術(shù)水平的一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　3.計(jì)量學(xué)中涉及的基礎(chǔ)信息科學(xué)

　　(1)基于計(jì)算機(jī)仿真的測(cè)量不確定度評(píng)估
　　測(cè)量不確定度的評(píng)定和表示方法是計(jì)量學(xué)中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，如何對(duì)測(cè)量(檢測(cè)、校準(zhǔn))結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的不確定度評(píng)定以及規(guī)范的表示，決定了該測(cè)量(檢測(cè)、校準(zhǔn))結(jié)果的有效性、可靠性以及科學(xué)性。早在1993年，ISO、IEC等7個(gè)國(guó)際組織就聯(lián)合發(fā)布了《測(cè)量不確定度表示指南》(GUM)，使涉及測(cè)量技術(shù)的領(lǐng)域和部門，可以用統(tǒng)一的準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量結(jié)果及其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定、表示和比較。然而，傳統(tǒng)的GUM評(píng)估方法在解決非線性模型、不易求導(dǎo)的模型等一些復(fù)雜問題時(shí)，存在明顯的局限性，而且使用該評(píng)估方法需要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和對(duì)評(píng)估對(duì)象豐富的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，該方法不易進(jìn)行程序化、規(guī)范化，因此,使得測(cè)量不確定度評(píng)定成為一項(xiàng)比較復(fù)雜且難以掌握的技術(shù)。隨著近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，一些更高效、更具適應(yīng)性的評(píng)估方法也不斷被提出，最近JCGM發(fā)布了GUM的補(bǔ)充條款，GUM Supplement1——基于蒙特卡羅方法的分布傳播法，使用該方法不但可以更快、更準(zhǔn)確地計(jì)算測(cè)量不確定度，而且可以應(yīng)用到以往評(píng)估方法難以解決的一些復(fù)雜問題中。該方法的核心思想是，采用計(jì)算機(jī)仿真方法，通過大量的隨機(jī)事件實(shí)現(xiàn)影響測(cè)量結(jié)果的各獨(dú)立因素的分布，并對(duì)這些隨機(jī)事件進(jìn)行隨機(jī)的組合，通過計(jì)算得出最終測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)分布，從而評(píng)定其測(cè)量不確定度。該方法的實(shí)現(xiàn)是建立在現(xiàn)代高計(jì)算能力、高存儲(chǔ)能力計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上的，其主要優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可形成標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模塊等?；诿商乜_方法的測(cè)量不確定度評(píng)定方法還屬于一項(xiàng)新興的技術(shù)，近年來，不但在各國(guó)的計(jì)量研究機(jī)構(gòu)中得到了重點(diǎn)的關(guān)注，在國(guó)外一些高校的數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)信息科學(xué)研究部門也進(jìn)行了大量的研究。可以預(yù)見，基于計(jì)算機(jī)仿真的方法必將成為測(cè)量不確定度評(píng)估的主要發(fā)展趨勢(shì)。

　　(2)有限元法仿真分析
　　有限元法是一種數(shù)值求解方法，20世紀(jì)50年代初被提出時(shí)，其首先應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域，用以求解結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、固有頻率以及振型。其主要思想是把一個(gè)大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)稱為單元的小區(qū)域，在每一個(gè)小區(qū)域里，假定結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都是簡(jiǎn)單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易求解出來，進(jìn)而可以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。該方法的計(jì)算準(zhǔn)確度直接取決于所分小單元的個(gè)數(shù)，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量的限制，很難進(jìn)行大容量的計(jì)算，因此該方法實(shí)際上很難應(yīng)用。然而，隨著近10年來計(jì)算機(jī)性能以超摩爾效應(yīng)的速度迅速提高，有限元法再次得到重視，目前其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛，包括絕大部分需要求解微分方程的領(lǐng)域(如流體力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等)。因此，有限元法對(duì)于這些傳統(tǒng)物理參量的測(cè)量、基(標(biāo))準(zhǔn)的建立以及量值傳遞也具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，NIST數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)研究組在有限元領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，為各專業(yè)計(jì)量分支提供了專用有限元法計(jì)算模塊，在部分方向已取得了很好的效果，如微結(jié)構(gòu)材料分析領(lǐng)域。    

　　三、總結(jié)與討論

　　以上列出的研究?jī)?nèi)容只是信息計(jì)量學(xué)中的一部分，隨著全球信息化的不斷推進(jìn)，信息技術(shù)日新月異飛速發(fā)展，計(jì)量的任務(wù)一方面是提供可靠、準(zhǔn)確的測(cè)量、測(cè)試平臺(tái)和方法；另一方面是對(duì)系統(tǒng)的特性給出合理的測(cè)度指標(biāo)，進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)以及標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。對(duì)于先進(jìn)的信息技術(shù)而言，這兩項(xiàng)任務(wù)是相輔相成的。然而，隨著一項(xiàng)技術(shù)的誕生、發(fā)展到成熟，人們往往將大部分的研究精力都放在對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的測(cè)量、測(cè)試方面，而對(duì)其各方面性能的評(píng)價(jià)相對(duì)較少，且往往停留在定性的層面。隨著這些信息技術(shù)在民用和軍用領(lǐng)域的深入應(yīng)用，定性地評(píng)價(jià)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些新興技術(shù)各方面性能量值準(zhǔn)確、單位統(tǒng)一的定量評(píng)價(jià)就成了現(xiàn)代計(jì)量研究必須解決的一個(gè)問題。另一方面，信息技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)計(jì)量技術(shù)也必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，如何充分地利用先進(jìn)的信息技術(shù)來改善和提高對(duì)傳統(tǒng)參量的計(jì)量技術(shù)，將直接決定計(jì)量水平能否跟上全球信息化的浪潮而迅速提高。

　　在信息計(jì)量方面，NIST已經(jīng)開展了多年的研究，取得的成果直接服務(wù)于產(chǎn)業(yè)和國(guó)防，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨后，NPL、PTB以及NMIJ也相繼開展了信息計(jì)量的探索，其研究深度和廣度正在逐年加大。我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究尚處起步階段，僅在個(gè)別方向開展了探索性的研究，如數(shù)字圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)和計(jì)量方法，以及現(xiàn)代通信系統(tǒng)可靠性定量評(píng)價(jià)和計(jì)量方法等。

　　要展望接下來10年信息計(jì)量需要研究的內(nèi)容以及其發(fā)展?fàn)顩r其實(shí)是非常困難的，因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)本身的發(fā)展是難以預(yù)測(cè)的。然而，可以預(yù)見的是，隨著計(jì)算機(jī)能力的不斷提高、通信速度的不斷加快、多媒體內(nèi)容的不斷增多，信息系統(tǒng)將變得越來越復(fù)雜，這其中軟件復(fù)雜性和重要性的提升速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硬件，因此可以肯定，對(duì)軟件系統(tǒng)的計(jì)量將逐漸占據(jù)信息計(jì)量的主導(dǎo)地位。因此，大力發(fā)展我國(guó)在信息技術(shù)軟件領(lǐng)域的計(jì)量可能是盡快趕上世界領(lǐng)先水平的最佳途徑。

　　資助項(xiàng)目:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院博士科研專項(xiàng)啟動(dòng)基金(ATGQDB0808)
　　致謝:感謝高小珣研究員對(duì)作者在信息計(jì)量研究領(lǐng)域的關(guān)鍵性指導(dǎo)，以及具體研究過程中的大力支持。