数字校准证书及其应用

肖天雷 王舒卉 赵艺博 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着时代的发展和科学的进步，数字化已经使人们的衣食住行发生了革命性的改变。目前，金融、企业生产、通信、医疗卫生等领域都已经开展了数字化改革。国务院《计量发展规划( 2021-2035年)》中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。因而，计量作为现代工业生产中重要的组成部分，其数字化转型也迫在眉睫。

计量的数字化转型覆盖了计量的所有领域，从行政管理到研究，再到日常互动，包括目前在数字化客户的门户、电子文件和人工智能计量、研究数据管理和质量基础设施中的数字证书等[1]。同时，计量数字化是一个持续的进程，要求能够将物理计量世界全面映射到数字计量世界，利用数字世界沟通、信息共享、诊断、预测、模拟的优势，与物理世界形成交互和反馈，直接推动计量发展，最终实现数字世界中量值的统一与溯源，以及对数据和算法的信心与信任[2]。

目前，通过LIMS 系统和各大门户网站的信息化改造，在日常管理、客户服务等方面已经完成了较完善的数字化改造。然而，计量最直接的产物是包含大量数据的计量证书，其中又以校准证书占比最大。目前，校准证书还没有完成数字化转型，仅将原有的纸质证书转变成电子图片形式（如pdf 格式），这只能被称为校准证书的电子化。

1 数字校准证书

1.1 概念和结构

为了实现校准证书的数字化，数字校准证书（DCC）这个概念应运而生。经过不懈的努力，德国联邦物理技术研究院（PTB）牵头和一些仪器仪表厂商（如西门子、维萨拉、贝美克斯等）共同研发了一版满足大部分使用需求的数字校准证书编制规则，并且该规则每年仍然在研究和更新中。

数字校准证书旨在建立一套国际通用的，能覆盖计量全领域的交换格式。它不仅能够以数字孪生的形式服务工业数字化、智能化，还可以应用在法制计量的领域[3]。数字校准证书以可扩展标记语言（XML）作为数据交换的格式，结合数字国际单位制（D-SI）[4]和其他计量规则和指南（如VIM、GUM、CODATA、ISO/IEC 17025），最终形成一份机器可读、准确可靠的数字记录。

一份数字校准证书必须包含涉及的标准与技术规范以及加密和认可信息[5]，它的基本结构如图1所示，包括：1）行政管理类数据：该项目为严格受控项，主要包括设备基本信息、校准服务提供者信息、校准日期、校准人员、证书标识等；2）校准数据：该项目为部分受控项，主要包括参数描述、测量数值、单位、校准不确定度、扩展因子等；3）注释信息：该项目为非受控项，主要包括和校准相关的图表、曲线、视频等信息；4）文档：该项目为附加项，主要呈现为该数字校准证书的人类可读版本。

图1 数字校准证书结构

1.2 数据基本格式

数字校准证书（DCC）中的校准数据部分是依托D-SI 的规则创建的，主要包括数值和单位，也可以添加标签和不确定度作为可选元素。图2 是一个压力量值的XML 格式表达。

图2 压力量值的XML 表达

其中，D-SI 以7 个SI 基本单位为基础，通过“前缀-单位-指数”的形式，将SI 导出单位和非SI单位进行数字化表达，从而完善了计量单位的数字化表达方式。表1 列举了常用单位的表达方式。

表1 D-SI 单位表达举例

2 数字校准证书的应用

数字校准证书除了能更进一步地减少人为因素对校准结果的影响之外，相较于目前pdf 格式的电子证书，其最大的特点是机器的可读性，且便于融入仪器设备和算法当中。这也使其能够直接参与生产和质量控制的过程，最终帮助用户节约成本，提高效率与安全性。

计量技术机构为拥有不同的仪器设备的企业提供服务，并产生大量的校准数据和校准证书，而且不同企业之间的管理平台也不同，所以，整个网络就会变得非常复杂，并且需要通过人工的方式进行校准证书数据的交换。例如，虽然pdf 格式的校准证书已经为企业节约了纸张和存放空间，但当管理人员需要对这些证书中的数据进行整理并录入企业的管理系统时，仍然需要手动进行数据的输入，完成校准数据从pdf 格式到管理平台录入格式的交换。当面对海量的设备或传感器网络的校准数据时，这种操作方法就显得费时费力，还会因为人为因素导致输入错误，进而提高了管理和决策风险。

仪器仪表校准数据的全面数字化和自动化，使得相关企业能够利用校准数据完善其资产设备的数字模型，生成该设备的数字孪生。通过数字校准证书，系统可以直接读取设备的校准数据，使得该数字孪生不仅包含设备原本的信息、性能、特征，还能包括溯源和计量数据。利用数字孪生，设备和系统可以在安全的数字测试环境中进行模拟、测试与分析，生产流程也可以进行优化和改进，而不需要产生任何实际的改变。所以，数字孪生技术将是未来企业建设的关键技术，而数字校准证书能让数字孪生模型更加完整，也让管理系统更加高效。

同时，校准数据变为机器可读之后，系统可以直接利用这些数据对整个生产流程和所有仪器设备进行监控和分析，有助于实现预防性维护。系统可以通过这些历史数据进行快速地查找和归纳，以及趋势分析，从而实现风险管控，保障生产安全。此外，它也为审计工作提供了极大的便利，取代人工翻阅证书查找数据的传统流程。

3 展望与挑战

目前数字校准证书的发展还处于起步阶段，虽然中国计量科学研究院于2020年完成了数字国际单位制和数字校准证书相关规则的翻译和引进工作，但到目前为止还是没有成熟的产业应用，它仍然面临许多问题和挑战。

首先，该技术和协议必须得到从企业到计量技术机构各方面的认可，也需要对各方内部管理系统、各厂商生产的仪器仪表进行数字化改造，这对小型企业来说成本较高。但只有这样，数字校准证书才能发挥最大的功效，实现真正的互通互认、跨平台传输和识别。

其次，网络安全和数据安全是一个重要的问题。数据的真实性和完整性需要依靠稳定可靠的传输方式，而数字文件数据容易被复制的特点也需要采用合适的加密安全措施。对于计量技术机构而言，保障数据安全并非主业，所以可能还需要数据安全专家来为数字校准证书保驾护航。

4 结语

数字校准证书（DCC）主要具有机器可读性、加密型、统一性、可追溯性等特点。虽然它的推广与应用目前仍处于起步阶段，但校准证书数字化必将是大势所趋。对于企业而言，数字校准证书可以完善数字工厂的建设，提高智能制造的效率和安全性，帮助企业降本增效，实现真正的智慧工厂。对于计量技术机构而言，数字校准证书可以减少自身的劳动成本、减少人工操作，提高校准质量。

虽然数字校准证书的应用还存在一些问题，但随着计量数字化的推进和其自身的发展，必然有越来越多的企业参与和使用数字校准证书，它也一定会变得更加安全、准确，帮助工业系统实现全面的数字化。