数字计量发展现状及关键技术研究

李 昂，何 巍

（计量与校准技术重点实验室，北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1 引 言

人类社会经历了农业社会和工业社会的发展，目前迈进数字社会，数字技术迅猛发展，计算能力大幅增长，数据存储容量大幅提升，云计算、高速数据传输和5G 连接、传感器网络、物联网等技术突飞猛进，正在打开数字世界的大门，释放出创新的动力。 全球正在加速进入以“万物互联、泛在智能”为特点的数字新时代，人类有望迈入一个以数字化生产力为主要特征的全新历史阶段。 面对数字时代的新时期和新形势，计量作为实现单位统一、保证量值准确的重要活动，需要应对数字化浪潮带来的挑战，在发挥自身作为科学技术和社会发展的基石和支柱作用的同时，也需要制定自身新的发展战略，以实现自身的数字化转型，迎接计量发展的新局面［1］。

2 数字计量发展现状

近年来，国际计量组织和各国国家计量院都开始致力于数字计量的研究和发展，旨在建立一个先进、通用、高效和安全的数字计量新框架。

2.1 国外数字计量相关研究

国际计量委员会（CIPM）为了将传统计量转型为数字计量，成立的专门的工作组TG Digital⁃SI，该工作组发布了名为“Draft of the Grand Vision Transforming the International System of Units for a Digital World”的关于数字国际单位制的草案［2］，指出该工作组的目标是为了在所有参与方之间建立恰当的关系，以便针对基于国际单位制的数据传递、计量信息与实际数据的机器可读、清晰数字表示的元数据格式的权威文档能够迅速达成一致意见。 为了更加具有针对性地推进数字化转型研究工作，CIPM 以工作组TG Digital⁃SI 为依托，确立了建立SI 数字框架的最终目标。 SI 数字框架如图1 所示。 该数字框架有三层，由下至上每一层的含义如下：

图1 CIPM 建立的SI 数字框架图Fig.1 The SI digital framework established by CIPM

1）由CIPM 定义的SI 核心层：元数据模型和包括基于BIPM《SI 手册》［3］的数值、单位和数量的不确定性等基本数据元素的交换格式的实现；

2）由各国国家计量院、BIPM 和相关组织实施的服务：建立在SI 核心表示之上的开放数据格式和软件工具和服务。 此类服务使数据能够为分析做好准备，提高数据质量和可靠性，促进生命周期分析，传达数据适用性，并提高数据透明度；

3）在更广泛的计量学群体和依赖SI 的研究学科中开发和部署的应用程序：工具和服务可用于特定领域的应用程序，包括复杂的分析和人工智能／机器学习的方法，并通过在SI 核心表示上分层，确保可靠性和可追溯性。

在工业互联网背景下，欧洲计量合作组织（EURAMET）为了推动欧洲范围内计量产业的数字化转型从而实现全球物联网中定量数据的可靠评估，其跨学科计量技术委员会（TC⁃IM）成立了计量数字化转型工作组（WG M4D），以开展项目的形式贯彻实施欧盟委员会的数字化战略［4，5］。 其中包括两个TC⁃IM 项目：一是科研数据管理和欧洲开放科学云（TC⁃IM 1449），二是开发数字校准证书（TC⁃IM 1448），这两个项目主要依托德国联邦物理技术研究所（PTB）开展实施。 PTB 在欧洲计量合作组织（EURAMET）中主导了三个方面的计量数字化转型工作：国际单位制数字化（D⁃SI）、数字校准证书（DCC）和欧洲计量云（EMC）。 在D⁃SI 方面，PTB发布了指导性文件《单位的数字化系统》。 该文件对于国际单位制数字化相关的元数据模型、基本指导规则和SI 单位语法进行了详细的阐述和说明；在DCC 方面，在分层式结构、相关规范与标准以及数据交换格式语法的基础上，PTB 定义了数字校准证书的基本结构，这是数字校准证书的概念被首次提出；在EMC 方面，以数字化战略目标为导向，2018年6 月，PTB 与几个欧洲伙伴一起启动了欧洲计量云的项目，旨在提供创新的测量仪器和以技术和数据驱动的法定计量服务，构建欧洲数字质量基础设施。

除了上述组织机构，英国国家物理实验室（NPL）、美洲计量组织（SIM）、美国国家标准与技术研究院（NIST）等也在积极地探索数字计量的实施方案。

2.2 国内数字计量相关研究

中国计量科学研究院（NIM）在计量数字化转型方面工作起步较早，目前主要围绕建设数据中心、制定计量数字化框架、建设中国标准参考数据库、实施NQI 专项—“基于D⁃SI 的数字质量基础设施关键技术研究及体系建立”项目等开展工作。 其中，计量数字化框架对其他计量机构进行数字化转型具有重要的参考价值。 NIM 制定的计量数字化框架如图2 所示。 一方面，NIM 建立D⁃SI，经过国家标准机构和国家认证认可机构的认证后，传送给认证机构、检测机构、检测实验室和校准实验室。另一方面，NIM 制定认可所需的DCC，并依次传递给校准实验室、检测实验室和检测机构。 在此基础之上，D⁃SI 和DCC 将服务于企业，企业对产品进行赋能，并惠及客户和公众。 除此之外，还要向下建立量值数字传递链、向上建立量值数字溯源链，并在数字语言、精准时间、身份认证、精准位置和数字安全时间戳的基础上满足计量技术规范、信息技术规范和数字安全要求。 在计量数字化框架的基础上，NIM 构建了计量数字化转型技术路线图，如图3 所示。

图2 NIM 计量数字化转型框架图Fig.2 The digital transformation framework of metrology established by NIM

图3 NIM 计量数字化转型技术路线图Fig.3 The technology roadmap of the digital transformation in metrology established by NIM

浙江省计量科学研究院前瞻性布局数字化转型，进行全新探索并取得了积极的成果［6］，主要包括开展智能化计量标准建设、开展计量数据决策系统建设、创新数字化服务模式等内容。

综上所述，国内数字计量实质性工作同样主要围绕传统计量产业的数字化转型方面开展，NIM 在计量数字化转型方面基本达到PTB、NIST、NPL 同等水准，围绕D⁃SI 框架、数字校准证书DCC、基于可信时间戳的数字校准证书系统、计量数据中心等开展了大量卓有成效的工作，部分成果能够成为推进计量产业数字化转型的有力借鉴。

3 数字计量关键技术研究

国际单位制是所有科学计量、法制计量、贸易和工业的基础，基于可发现、可访问、可互操作、可复用（FAIR）的原则，将其用机器可读的数字方式表示，并在此基础上生成DCC，将有利于提高工业流程的效率，但也给质量基础设施带来了挑战。 如今，D⁃SI 和DCC 已经成为全球计量数字化转型的焦点。

3.1 数字国际单位制（D⁃SI）

在现有的和新的应用程序相互通信的数字网络中，SI 的重要性尤为突出。 SI 仅使用7 个基本单位就能描述所有的物理过程，其清晰程度是前所未有的。 在新兴的计量数字化转型过程中，这种清晰度在数据交换过程中至关重要。 对于计量数据的数字交换，最基本的要点是每个数值都至少与一个相应的单位联系在一起，这两条信息使我们能够根据SI 单位制来解释一个量值。 由此可见，国际单位制的数字化，是整个计量产业数字化转型的基础和前提。 数字国际单位制，就是在一定的指导规则之下，实现国际单位制的机器可读，为完成数字测量值的传输与交换提供可行性和保障［7］。

数字计量中要求对数字格式中SI 的标识符及其组合进行唯一定义。 D⁃SI 的语法如图4 所示。

每一个SI 单位术语指定至少一个BIPM 单位，可以是BIPM 的《SI 手册》［3］中任何具有专门符号的单位。 该单位可以通过指定单位的倍数或分数的词头来扩展，还可以通过附加指数来形成单位的幂。 除此之外，几个单位还可以通过乘法进行代数相连。 在实际应用程序中，BIPM 单位、词头、指数、运算符等元素由固定的字符串指定，并按照图4 中的语法相连。 BIPM 单位的标识符示例被分成3组，如表1 所示。

图4 SI 数字化的语法图Fig.4 The figure of the gramma of D⁃SI

表1 BIPM 单位分组和D⁃SI 中标识符的示例Tab.1 Examples of the groups of BIPM units and the corresponding identifiers of D⁃SI

3.2 数字校准证书（DCC）

在当下数字化转型的浪潮中，校准证书仍然依赖于手写签名的打印文件，迫切需要基于数字化处理的校准证书的相关概念以及技术支持。 数字化转型的最终结果是传统的纸质校准证书退出历史舞台，全球的计量机构都能使用数字校准证书（DCC）代替纸质证书，用于证明测量器具的校准和它是如何被校准的。 由于生产和质量监控流程的数字化变得日益重要，数字校准证书的机器可读特性使它们能够更加方便快捷地服务用户。

数字校准证书的结构［8］如图5 所示。 基本信息如下［9］：

图5 数字校准证书的结构图Fig.5 The structure diagram of DCC

1）（规定的）行政管理性数据包括必要信息。对于明确的鉴定，这些数据是必要的，是必不可少的明确标识。 因此，在默认情况下，这些数据区域是被定义的；

2）当出现基于SI 的如下内容时，测量结果部分是规定的：符号、测量值、扩展测量不确定度、包含因子、包含概率、单位和时间（可选的）。 另外，也可以实现除了SI 之外的单位（例如海里、毫米汞柱等）。 总之，SI 单位中对信息的表述总是适用；

3）注解和图表保存在非规定区域，数据可能储存在现有数据交换格式中（或者将要创建的格式中）；

4）DCC 最终会输出一个可读的、类似于传统纸质校准证书的文件。 除上述信息之外，包括数值校准曲线在内的所有显示均能够直接或自动转换为数字流程。 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。

4 结束语

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》［10］第五篇提出“加快数字化发展，建设数字中国”；2022 年政府工作报告中提出加强数字中国建设整体布局，建设数字信息基础设施，促进产业数字化转型。 一系列政策的颁布足以彰显我国全力迎接数字时代、激活数据要素潜能、以数字化转型整体驱动生产方式变革的决心。 计量是实现单位统一、保证量值准确的活动，是科技创新、产业发展、民生保障的重要基础，是构建一体化国家战略体系和能力的重要支撑，2022 年世界计量日主题是“Metrology in the Digital Era（数字时代的计量）”［11］，足以印证计量是数字化技术实践的重要领域。

数字化转型已成为各行各业改造提升传统动能、培育发展新动能的重要手段。 数字化转型的大潮已经到来，充满了机遇、风险与挑战。 计量检测机构数字化转型刚刚拉开序幕，检验检测机构数字化转型的目标、方法、落地思路基本处于无人区，充满了未知与不确定因素，需要长时间多方位的探索，不断地思考、尝试、总结与修正。