可靠性探索-誤差與不確定度辨析(10)

            可靠性探索-誤差與不確定度辨析(10)         

                                                           史錦順     

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儀器、設(shè)備講究可靠性。

計(jì)量法規(guī)定，測(cè)量計(jì)量要求準(zhǔn)確、可靠。

    誤差范圍是準(zhǔn)確度。測(cè)量講究準(zhǔn)確，就是準(zhǔn)確度夠格，也就是誤差范圍滿足要求。

準(zhǔn)確性的問題有誤差理論來解決。但是可靠性呢？儀器設(shè)備的可靠性，主要講的是故障率的問題。測(cè)量計(jì)量的產(chǎn)物是物理量的數(shù)據(jù)，因此，測(cè)量計(jì)量的可靠性主要講的是數(shù)據(jù)的可信性。出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，就是計(jì)量測(cè)量的事故。

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筆者退休前曾長期從事宇航測(cè)量設(shè)備的檢測(cè)與計(jì)量工作。上有軍方的檢查，下有研制者的質(zhì)疑，責(zé)任所系，不得不時(shí)刻小心謹(jǐn)慎。而最重要的是采取了一些措施，得到信用。其基礎(chǔ)是測(cè)量數(shù)據(jù)的可信性、可靠性。測(cè)出數(shù)據(jù)來，首先要自己能相信。既要自己相信，又要?jiǎng)e人相信，就要采取提高可信性的措施。

    先介紹一下當(dāng)時(shí)采用的提高可靠性的措施，表明筆者在可靠性方面的探索，供參考。最后再評(píng)論不確定度論。

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（一）冗余

寫文章要簡練。重復(fù)就顯得啰嗦，讓人煩。文章寫在紙上，印在書刊上，讀者可以反復(fù)讀。

互聯(lián)網(wǎng)上，信息流大而快。老史在網(wǎng)上批評(píng)不確定度論，觀點(diǎn)講述有些重復(fù)，有人覺得有些啰嗦；但考慮到一個(gè)新觀點(diǎn)被接受并不容易，重復(fù)些是有必要的。對(duì)老史的觀點(diǎn)，開始反對(duì)的意見很強(qiáng)烈；講多了，贊同的意見就多起來，也許是反復(fù)、重復(fù)的功效。啰嗦加大信息量，有些冗(róng)余有好處。

在測(cè)量中，重復(fù)是必須的。一個(gè)計(jì)量工作者，要養(yǎng)成習(xí)慣，不測(cè)三次以上，不出任何數(shù)據(jù)。重復(fù)測(cè)量，可避免差錯(cuò)；取平均值提高數(shù)據(jù)的精密性，即減小測(cè)量的隨機(jī)誤差。

在統(tǒng)計(jì)測(cè)量中，不僅要知道量值，還要知道量值的變化范圍，于是要進(jìn)行多次測(cè)量。為給出西格瑪，至少要測(cè)量10次。時(shí)頻領(lǐng)域的頻率穩(wěn)定度測(cè)量，就是頻率值隨機(jī)變化的測(cè)量，規(guī)定測(cè)100次。采樣時(shí)間長的，如日穩(wěn)定度，規(guī)定30次，測(cè)量日穩(wěn)定度要測(cè)一個(gè)月。（我工作涉及的是1毫秒到1秒，測(cè)量次數(shù)N都是100。）

測(cè)量頻率短穩(wěn)，得一個(gè)西格瑪，要測(cè)100個(gè)頻率值。這是必要測(cè)量。取100個(gè)數(shù)也還是必要測(cè)量。

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    我的作法

測(cè)阿侖偏差，儀器自動(dòng)測(cè)量與計(jì)算。每輸出一個(gè)西格瑪值是一次測(cè)量。我的取法是，10個(gè)西格瑪為一組，共取3組。由這30個(gè)數(shù)據(jù)，給出一個(gè)阿侖偏差值，算完成一回偏差測(cè)量

    通常的作法是只測(cè)一個(gè)西格瑪值，就算完成。沒有冗余。我的作法是取30個(gè)西格瑪（取兩位有效數(shù)字），冗余量是29。

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（二）西格瑪取最大值

測(cè)量一回頻率短穩(wěn)，測(cè)量30個(gè)西格瑪值，每取得一個(gè)西格瑪叫做一次測(cè)量，共30次測(cè)量。（每個(gè)西格瑪用100個(gè)頻率差值，由101個(gè)頻率值，前后相鄰二值相減得出。）

怎樣由這30個(gè)西格瑪給出測(cè)量結(jié)果呢？一般的看法是取30個(gè)值的平均值。我的作法是取最大的偏差值當(dāng)做測(cè)量結(jié)果。

西格瑪取最大值，用戶滿意，認(rèn)為是制作方對(duì)自己產(chǎn)品的嚴(yán)要求。我則不這樣看，而是認(rèn)為，西格瑪取最大值是應(yīng)該的。下面說明理由。

西格瑪是頻率偏差的表征量。頻率是物理量，西格瑪也是物理量。用比信源高一等的測(cè)量儀器觀測(cè)，信源頻率是隨機(jī)變量。既然頻率是隨機(jī)變量，由頻率差求得的西格瑪也是隨機(jī)變量。阿侖在北京作學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)說，西格瑪?shù)淖儎?dòng)部分占到1/3，還算正常。我觀測(cè)到的情況，變動(dòng)部分大體占到1/5.

表征頻率變動(dòng)性的西格瑪，要求有個(gè)上限。也就是說要用西格瑪?shù)目赡艿淖畲笾祦肀碚鳌?/font>

更嚴(yán)格的方法是求西格瑪?shù)奈鞲瘳敚Q二階西格瑪；西格瑪?shù)钠骄导?/font>3倍二階西格瑪，是西格瑪?shù)姆秶舷蓿酥禐闃O限西格瑪。-

測(cè)30個(gè)西格瑪，取最大值為選定的西格瑪，此值比極限西格瑪可能略小。這樣做，總比取一個(gè)西格瑪就認(rèn)定，好多了。

接 1# 史錦順 文

（三）不剔除異常數(shù)據(jù)

經(jīng)典測(cè)量學(xué)，把異常數(shù)據(jù)（過去稱粗差）舍掉，是可以的。經(jīng)典測(cè)量學(xué)處理的是常量測(cè)量，前提是被測(cè)量本身不變。測(cè)得值有大的跳變，出現(xiàn)異常值，是測(cè)量儀器的問題，是認(rèn)識(shí)手段出了錯(cuò)，屬認(rèn)識(shí)范疇的事。認(rèn)識(shí)出錯(cuò)該改，因此可以去掉異常數(shù)據(jù)。

統(tǒng)計(jì)測(cè)量，前提是測(cè)量儀器誤差范圍遠(yuǎn)小于被測(cè)量本身的變化，觀察到異常數(shù)據(jù)（又稱離群數(shù)據(jù)，但此處不能叫粗差），有可能是被測(cè)量引起的，是被測(cè)量本身的特性，是不能舍棄的。

異常數(shù)據(jù)一經(jīng)出現(xiàn)，測(cè)量就要停止，而不給出測(cè)量結(jié)果。要找出異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因。通常做法是：第一，復(fù)查測(cè)量系統(tǒng)，有無毛病。第二，查有無環(huán)境干擾，第三，查找被測(cè)量本身的問題，即被測(cè)設(shè)備是否出了毛病。第一條，最易進(jìn)行，把標(biāo)準(zhǔn)源當(dāng)測(cè)量對(duì)象，若測(cè)量數(shù)據(jù)正常，可排除對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的懷疑。環(huán)境影響的考究，需要較大的精力。可先檢查設(shè)備本身的問題。

在測(cè)量設(shè)備的研制過程中，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)是好事，可以及早解決。在驗(yàn)收階段，不得出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，否則判定為不合格。

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（四）溯源

溯源就是將標(biāo)準(zhǔn)按時(shí)送檢。

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（五）旁證

1982年，在引入國外標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就考慮旁證的問題，同時(shí)買了兩臺(tái)銫原子頻標(biāo)。每月乘例行加電抽真空的機(jī)會(huì)，二者比對(duì)，量值一致，偏差在允許范圍內(nèi)。其中5061A（標(biāo)準(zhǔn)管），執(zhí)行工作任務(wù)，使用25年（指標(biāo)壽命3年）后，壽終；而5061A（優(yōu)質(zhì)管），每年送檢。指標(biāo)壽命是14個(gè)月，如今已工作30年，準(zhǔn)確度等性能仍然正常。有些同行稱贊我所在延長原子頻標(biāo)使用壽命上是個(gè)奇跡。我認(rèn)為是正常的物盡其用。優(yōu)質(zhì)管原壽命指標(biāo)14個(gè)月是指連續(xù)開機(jī)，即銫爐可噴射銫束流14個(gè)月。本所用此頻標(biāo)，只是傳遞量值。每年送檢，在計(jì)量院開機(jī)不超過3天。每月加電抽真空及校準(zhǔn)，用時(shí)約4小時(shí)。一年實(shí)際工作約7天，30年210天，才合7個(gè)月。所以我認(rèn)為僅僅是物盡其用。

就我所知，銫頻標(biāo)在一些單位僅工作幾年，主要是沒能一次不漏地準(zhǔn)時(shí)加電抽真空。（加電時(shí)間間隔不應(yīng)超過1個(gè)月。說明書沒有指出這一點(diǎn)。）當(dāng)然，這里講的都是當(dāng)做頻率標(biāo)準(zhǔn)而斷續(xù)工作的模式；如果是守時(shí)授時(shí)的用場，那只能是連續(xù)開機(jī)，壽命只能是說明書給出的期限。

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（六）自檢

短穩(wěn)測(cè)量系統(tǒng)，可以進(jìn)行自檢。自檢是系統(tǒng)自身內(nèi)部的邏輯檢查。如

（1）計(jì)數(shù)式頻率計(jì)測(cè)自己的晶振應(yīng)是標(biāo)稱頻率。

（2）比對(duì)器標(biāo)準(zhǔn)端與被測(cè)端互換，輸出頻差應(yīng)該是同模值而反號(hào)，即符合“A減B得C，B減A得-C”的邏輯。

（3）選一優(yōu)良信源，進(jìn)行測(cè)量。此刻測(cè)量結(jié)果應(yīng)與以往測(cè)量結(jié)果一致。

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（七）始末檢查

早晨開始工作，首先進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)自檢；一天測(cè)量工作完成，還要進(jìn)行一遍自檢。自檢工作無誤，才能正式給出數(shù)據(jù)。

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（八）陪伴

小時(shí)知道，對(duì)死刑犯執(zhí)行死刑時(shí)，有犯人陪綁，以震懾罪犯。這是從前的事，現(xiàn)在已無此說。

進(jìn)行較大型的測(cè)量，或量多，或時(shí)間長（例如測(cè)量漂移率是7天），或任務(wù)十分重要，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)的問題，要設(shè)置陪伴。就是選一臺(tái)與被測(cè)對(duì)象指標(biāo)相近的標(biāo)準(zhǔn)儀器，陪同被測(cè)設(shè)備一起被測(cè)量。工作時(shí)，我稱其為“陪綁”，實(shí)際是陪伴。

接 2# 史錦順 文

以上這些，表明我在提高可靠性方面的探索。對(duì)測(cè)量來說，可靠性就是給出數(shù)據(jù)的可信性。不敢說是經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槿蝿?wù)性質(zhì)、設(shè)備條件各不相同，我能用，別人不一定能用，也不一定必要。還要考慮成本、代價(jià)、得失關(guān)系等。這里談的，有些是必然的，如按時(shí)送檢；有些則很新穎，如不得舍棄異常數(shù)據(jù)。見仁見智，僅供參考。

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某工號(hào)任務(wù)，研制負(fù)責(zé)人問我關(guān)于給出數(shù)據(jù)的可靠性問題，并邀我給全體工作人員講了一次，大致上邊這些。此后一旦有異常數(shù)據(jù)，他們就去查設(shè)備，改進(jìn)，不再懷疑我冤枉他們。軍方代表測(cè)通所丁國禎教授，在設(shè)備出所鑒定會(huì)上，高度評(píng)價(jià)了我的作法。此設(shè)備在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)后獲科委獎(jiǎng)勵(lì)。

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本文用實(shí)例表明什么是可靠性，怎樣提高可靠性，但寫作意圖是表達(dá)一種看法，那就是：不確定度論講的可信性，似乎是可靠性，其實(shí)不確定度既不是可信性，更不是可靠性。

不確定度論認(rèn)為“真值不可知，誤差不可求”。于是，拋開誤差理論，而就可觀察的量來表達(dá)測(cè)量的質(zhì)量與水平。實(shí)際上，離開真值、誤差這些概念，是表達(dá)不了準(zhǔn)確性這個(gè)測(cè)量計(jì)量的根本要點(diǎn)的。不確定度論拋開準(zhǔn)確性，聲稱講可信性，其實(shí)不確定度根本不是可信性。筆者在實(shí)踐中摸索的上述8條，不確定度論沒涉及過一條。

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不確定度是測(cè)量儀器的誤差作用與被測(cè)對(duì)象的變化，攪在一起的混沌體，在物理常數(shù)測(cè)量中可能有用，但在除物理常數(shù)以外的通常的測(cè)量中不能用，在計(jì)量中更不能用。誰用誰出錯(cuò)，不信請(qǐng)看看那些不確定度評(píng)定的樣板。搞過不確定度評(píng)定的人，可以總結(jié)一下，除了應(yīng)付檢查以外，不確定度起到過哪些作用？解決過哪一個(gè)誤差理論解決不了的問題？

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不確定度論口口聲聲說自己講究可信性，其實(shí)，它和可信性根本就不沾邊。不確定度論的真實(shí)意圖是取消誤差理論，由它取而代之。事實(shí)證明，它沒有那個(gè)本領(lǐng)。