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開(kāi)門(mén)篇：葉老師給您解析不一樣的測(cè)量 1. 什么是測(cè)量？ 自然界有許許多多的物理量，這些物理量在人類(lèi)出現(xiàn)之前就已經(jīng)客觀存在。人類(lèi)的科學(xué)文明和工業(yè)文明恰恰就是給這些物理量賦予數(shù)量值開(kāi)始的。給物理量賦予數(shù)值的過(guò)程就是測(cè)量。
譬如：中國(guó)廚師教導(dǎo)徒弟的通常用語(yǔ)是，取適量食材、溫火加熱至七成熟、食鹽若干、味精少許等等，這些“適量”“溫火”“七成”“若干”“少許”等皆為定性描述，不是定量描述，所以每個(gè)徒弟做出的效果通常皆不相同。反觀遍布全球的麥當(dāng)勞和肯德基門(mén)店，因?yàn)樯a(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)都是嚴(yán)格定量掌握，其各個(gè)門(mén)店的味道幾乎一模一樣，其員工的培訓(xùn)也非常簡(jiǎn)單。定量化本身就是測(cè)量。
特別說(shuō)明，測(cè)量這個(gè)過(guò)程是指包括從物理量的定義開(kāi)始、所有儀器制造校準(zhǔn)以及當(dāng)前的測(cè)量操作在內(nèi)的全部過(guò)程，是一個(gè)全局過(guò)程。一個(gè)測(cè)量結(jié)果的形成是眾多測(cè)量科技工作者共同勞動(dòng)的結(jié)果。
人類(lèi)在科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)各種物理量之間存在內(nèi)在聯(lián)系，于是通過(guò)定義把這些量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系固定下來(lái)，譬如：通過(guò)萬(wàn)有引力常數(shù)把質(zhì)量距離和力之間的關(guān)系固定下來(lái)、功率等于電流乘以電壓等。通過(guò)定義各種物理量的單位而使得各種物理量形成完整統(tǒng)一的整體，這就是科學(xué)量制體系。
因?yàn)槲锢砹康亩x已經(jīng)約定，一個(gè)物理量與其定義相一致的數(shù)量值就是真值，即真實(shí)值或?qū)嶋H值。
但真值的數(shù)值是未知的，正因?yàn)樗粗藗儾判枰獪y(cè)量。
3. 什么是觀測(cè)值和測(cè)得值？ 觀測(cè)值是傳感器或測(cè)量?jī)x器的直接輸出值，也叫原始觀測(cè)值；測(cè)得值是通過(guò)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理而給出的用于描述被測(cè)物理量數(shù)量的最終數(shù)值。日常測(cè)量中，因?yàn)闆](méi)有數(shù)據(jù)加工處理過(guò)程，觀測(cè)值和測(cè)得值就是同一個(gè)東西，所以日常測(cè)量不需要對(duì)它們做區(qū)分。但在專(zhuān)業(yè)測(cè)量中，數(shù)據(jù)處理是必不可少的過(guò)程，最終提交的測(cè)得值和原始觀測(cè)值不是同一個(gè)東西，所以這二者需要進(jìn)行概念區(qū)分。
【例】某商販通過(guò)電子秤測(cè)量出某西瓜重量為5kg。這個(gè)5kg既是原始觀測(cè)值，也是最終測(cè)得值。
【例】相位式光電測(cè)距儀中，各個(gè)測(cè)尺的內(nèi)外光路的各個(gè)周期的相位值是原始觀測(cè)值，最終出現(xiàn)在顯示屏上的距離值是最終測(cè)得值。
【例】數(shù)字水準(zhǔn)儀中，標(biāo)尺圖像的各個(gè)像素的灰度值是原始觀測(cè)值，最終出現(xiàn)在儀器屏幕上的高度值、視距值是最終測(cè)得值。
【例】測(cè)繪領(lǐng)域的水準(zhǔn)測(cè)量中，從水準(zhǔn)儀讀取的各個(gè)測(cè)站的高度值、視距值是原始觀測(cè)值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后給出的各個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)高程值是最終測(cè)得值。
觀測(cè)值和測(cè)得值是相對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程而言的，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理的輸入值，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理的輸出值。
正因?yàn)檎嬷滴粗覀儾荒艽_保測(cè)得值與真值完全相等，測(cè)得值與真值之差就是誤差。
誤差存在于每一個(gè)測(cè)得值或觀測(cè)值之中，并能在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中再次疊加累積。如果誤差不能有效被管理，用不了多少年，我們的科學(xué)量制體系將崩潰，各種數(shù)據(jù)之間完全沒(méi)有可比性，科學(xué)研究無(wú)法進(jìn)行。所以，誤差的第一個(gè)威脅就是我們的科學(xué)量制體系，維護(hù)科學(xué)量制體系的完整統(tǒng)一是測(cè)量的首要任務(wù)。正因?yàn)槿绱耍祟?lèi)成立了統(tǒng)一管理測(cè)量的國(guó)際性組織——國(guó)際計(jì)量局（BIPM）。
當(dāng)然，對(duì)誤差進(jìn)行有效管理也是我們工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生活領(lǐng)域的必須內(nèi)容，否則各種矛盾也同樣會(huì)層出不窮。
5. 測(cè)量學(xué)理論的任務(wù)是什么？ 測(cè)量面臨的問(wèn)題是真值是未知值，因而誤差也不可知。真值未知有三層含義：
1、物理量的實(shí)際值（絕對(duì)沒(méi)有誤差）是客觀唯一的，主觀無(wú)法得到，主觀給出的實(shí)際都是測(cè)得值。
【例】無(wú)論采用何種儀器或手段（包括數(shù)學(xué)分析等數(shù)據(jù)處理手段），誰(shuí)也測(cè)量不出圓周率的真值。
就是說(shuō)，自然界許許多多物理量的真值甚至可能是人類(lèi)的數(shù)字所不能完整描述的，我們只能接近而不能達(dá)到。
但定義本身除外，如：0值，圓周角360度等。
2、并不排除人類(lèi)的測(cè)得值和某個(gè)物理量的真值有正好碰巧完全絕對(duì)相等的時(shí)候，但這種情形即使出現(xiàn)了我們主觀卻不可能知道。
3、如果真值都已經(jīng)確定知道，那就不需要再去測(cè)量（以尋求真值為目的的測(cè)量）了。
正因?yàn)檎嬷禑o(wú)法獲得，誤差的數(shù)值就是未知數(shù)，所以測(cè)量誤差理論的研究一開(kāi)始就圍繞著二大任務(wù)：
1、測(cè)得值與真值接近程度的評(píng)價(jià)方法——誤差評(píng)價(jià)方法。
2、獲得最佳測(cè)得值的數(shù)據(jù)處理方法。
這里的最佳測(cè)得值當(dāng)然應(yīng)該是與真值最接近的測(cè)得值。但如果連測(cè)得值真實(shí)性評(píng)價(jià)問(wèn)題都沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的評(píng)價(jià)方法，最佳測(cè)得值當(dāng)然是無(wú)從談起的。所以，二大任務(wù)中第一個(gè)任務(wù)才是根本。
6. 誤差評(píng)價(jià)的困境 任何測(cè)量學(xué)科，無(wú)論儀器、計(jì)量還是測(cè)繪等，測(cè)量的目的都是為了追求測(cè)量真實(shí)，即追求測(cè)得值與真值接近。那么如何評(píng)價(jià)測(cè)得值的真實(shí)可靠度呢？如何對(duì)測(cè)得值的誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)呢?
自然，人們首先都會(huì)想到，測(cè)得值誤差小則真實(shí)可靠度高，反之，誤差大則可靠度低。但是，誤差的概念是測(cè)量值與真值的差異量，因?yàn)檎嬷滴粗`差最明顯特質(zhì)是未知性。如果已知真值就沒(méi)有測(cè)量的必要，如果已知誤差誰(shuí)都會(huì)使其改正而獲得真值。可見(jiàn)以誤差的實(shí)際值來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)得值的可靠度是一個(gè)悖論。
可能有人會(huì)說(shuō)，計(jì)量部門(mén)不是有用于儀器檢驗(yàn)的真值嗎？只要計(jì)量部門(mén)對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)確保儀器的可靠性不就行了嗎？
這當(dāng)然是過(guò)去比較普遍的思維認(rèn)識(shí)，但這是片面的。問(wèn)題是，計(jì)量檢測(cè)部門(mén)的任務(wù)是對(duì)儀器誤差進(jìn)行測(cè)量，提交誤差的測(cè)得值，但他們也不知道誤差的真值，也沒(méi)有誰(shuí)給他們提供過(guò)任何其他物理量的真值。
【例】米長(zhǎng)的真值——國(guó)際計(jì)量大會(huì)只是給出了一個(gè)米長(zhǎng)定義而從未給任何國(guó)家提供過(guò)米長(zhǎng)的實(shí)體。
其實(shí)和所有測(cè)量學(xué)科一樣，計(jì)量部門(mén)的真值仍然是通過(guò)測(cè)量而得到的，目前計(jì)量界用于檢驗(yàn)誤差的許多所謂真值或基準(zhǔn)實(shí)際都是具有誤差的測(cè)得值或儀器。
【例】我國(guó)計(jì)量部門(mén)用于給光電測(cè)距儀做計(jì)量檢驗(yàn)的長(zhǎng)度基線場(chǎng)基本都是由我國(guó)的測(cè)繪部門(mén)——國(guó)測(cè)一大隊(duì)實(shí)施丈量的，這些基線的所謂真值實(shí)際是測(cè)繪部門(mén)的測(cè)得值；而丈量基線所使用的銦鋼尺又是由儀器廠商制造、通過(guò)計(jì)量部門(mén)檢定了的，而計(jì)量部門(mén)用于檢驗(yàn)銦鋼尺的標(biāo)準(zhǔn)儀器還是由儀器廠商制造……。
就是說(shuō)，計(jì)量部門(mén)以某些所謂的真值或儀器為基準(zhǔn)對(duì)被檢儀器的誤差進(jìn)行檢測(cè)和其他測(cè)量領(lǐng)域用儀器為基準(zhǔn)對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量是同一回事。如果認(rèn)為計(jì)量檢測(cè)部門(mén)的真值或標(biāo)準(zhǔn)儀器的誤差可以忽略，那么其他測(cè)量部門(mén)也同樣可以說(shuō)其所使用的儀器的誤差可以忽略，關(guān)鍵是這種“可以忽略”說(shuō)法的憑據(jù)是什么？——最終還是落腳在未知誤差的大小程度的評(píng)價(jià)問(wèn)題上來(lái)了。
事實(shí)也是如此，無(wú)論在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的建立上，還是在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制上，包括測(cè)繪學(xué)、儀器學(xué)在內(nèi)的其他所有測(cè)量學(xué)科，事實(shí)上都已經(jīng)扮演了重要的角色，本來(lái)就都是計(jì)量活動(dòng)的直接參與者，一個(gè)完全獨(dú)立于測(cè)繪、儀器等學(xué)科之外的孤立的有真值的計(jì)量學(xué)科根本就不存在。這就提示我們，在我們討論測(cè)量理論的時(shí)候，應(yīng)該建立一個(gè)廣闊的視角，把所有的測(cè)量學(xué)科看成一個(gè)整體。
既然計(jì)量部門(mén)的所謂真值也是由測(cè)量而得來(lái)，他們的所謂的真值原來(lái)也是一個(gè)測(cè)得值，是一個(gè)可靠度更高的測(cè)得值而已。那么，如何在沒(méi)有絕對(duì)真值的情況下評(píng)價(jià)測(cè)得值的真實(shí)可靠度呢？“可靠度更高的測(cè)得值”的判斷是依據(jù)什么指標(biāo)得出來(lái)的呢？如何評(píng)價(jià)測(cè)繪部門(mén)提供的長(zhǎng)度基線的可靠度呢？為什么要用基線場(chǎng)檢驗(yàn)測(cè)距儀而不能用測(cè)距儀檢驗(yàn)基線場(chǎng)呢？各種各樣的不同可靠性等級(jí)的真值的排序依據(jù)又是什么呢？究竟應(yīng)該以什么指標(biāo)作為衡量測(cè)量可靠性的依據(jù)呢？
正因?yàn)槿绱耍瑴y(cè)量誤差評(píng)價(jià)才成為測(cè)量學(xué)的一個(gè)基本理論問(wèn)題，而且顯然應(yīng)該是一個(gè)統(tǒng)一的理論體系。
目前，在《國(guó)際通用計(jì)量學(xué)基本術(shù)語(yǔ)（VIM）》中，涉及測(cè)量誤差評(píng)價(jià)的概念有很多，有精度（精密度）、準(zhǔn)確度（正確度）、精確度（準(zhǔn)確度）、不確定度、限差、最大允許誤差（MPE）等。如此繁多混雜的概念幾乎讓人暈頭轉(zhuǎn)向，以至于人們常常各說(shuō)各話，爭(zhēng)執(zhí)不休。
7. 測(cè)量理論的現(xiàn)狀 因?yàn)檎嬷岛驼`差都是未知數(shù)，人們將概率論應(yīng)用到測(cè)量理論的解釋中，寄希望用概率的方法對(duì)誤差做出評(píng)價(jià)。但因?yàn)槿藗冇肿⒁獾街貜?fù)測(cè)量（試驗(yàn)）中測(cè)得值是隨機(jī)變化的而真值是恒定的，所以人們把測(cè)得值看作是隨機(jī)變量而把真值看作是常數(shù)，于是誕生了誤差分類(lèi)學(xué)說(shuō)，所謂有精度、準(zhǔn)確度、精確度等就是這一理論體系的核心概念。一直以來(lái)，基本沒(méi)有人懷疑過(guò)這一概念邏輯體系的數(shù)學(xué)嚴(yán)密性。
8. 測(cè)量理論的最新進(jìn)展 20年前的2000年，葉老師發(fā)現(xiàn)了一種日本產(chǎn)全站儀都存在一種特別規(guī)律的非原理性誤差，屬于人為誤差，經(jīng)研究判定這是機(jī)載軟件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤所導(dǎo)致，存在于軸系補(bǔ)償功能模塊之中，于是匯報(bào)于國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局。但國(guó)家質(zhì)監(jiān)局所委托的鑒定機(jī)構(gòu)最終給出的結(jié)論是，該誤差屬于有規(guī)律的系統(tǒng)誤差，儀器仍然屬于高精度合格儀器。這是當(dāng)年轟動(dòng)一時(shí)的國(guó)際新聞?。
葉老師意識(shí)到這一調(diào)查結(jié)論來(lái)自于傳統(tǒng)測(cè)量理論中系統(tǒng)誤差不影響精度的概念教條。?但是，葉老師又很清楚地知道，這一誤差實(shí)際上是影響導(dǎo)線網(wǎng)的測(cè)量精度的，這個(gè)概念教條與實(shí)踐不符。于是，這就開(kāi)啟了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)20年的對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量理論概念邏輯問(wèn)題的追根溯源和對(duì)新概念測(cè)量理論解釋方法的探索歷程。
現(xiàn)在，已經(jīng)查明，問(wèn)題的真正根源就在于，傳統(tǒng)測(cè)量理論對(duì)常數(shù)和隨機(jī)變量的解釋跟概率論概念不一致，以致于傳統(tǒng)測(cè)量理論的整個(gè)誤差分類(lèi)概念邏輯體系存在系統(tǒng)性的問(wèn)題。
與傳統(tǒng)測(cè)量理論完全不同，新概念測(cè)量理論認(rèn)為，測(cè)得值和觀測(cè)值都是數(shù)值，屬于概率論中的常數(shù)，而誤差和真值才是需要用概率范圍描述的隨機(jī)變量。于是，新概念測(cè)量理論基于誤差無(wú)類(lèi)別的認(rèn)識(shí)而展開(kāi)，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、精度、準(zhǔn)確度、精確度等誤差分類(lèi)概念就被完全廢棄了。
現(xiàn)在，這些學(xué)術(shù)批判和新概念理論解釋已經(jīng)發(fā)表于7個(gè)國(guó)際國(guó)內(nèi)的知名期刊中，其中4篇SCI論文（英文）、1篇EI論文（英文）和2篇中文核心期刊論文。因?yàn)樯婕暗綄?duì)傳統(tǒng)測(cè)量概念的批判，這些論文的發(fā)表自然比較艱難，耗時(shí)巨大。
和科學(xué)史上任何一次理論變革一樣，基于認(rèn)知能力、情感、自身利益等多方面的因素，新的理論思想總是要不同程度受到傳統(tǒng)勢(shì)力的阻擾，新概念測(cè)量理論當(dāng)然也遭受到了同樣的待遇。目前，個(gè)別當(dāng)權(quán)者不惜違背教育倫理、以濫用職權(quán)的手段來(lái)阻止這一新的理論思想向?qū)W生傳播，并拒絕討論教學(xué)內(nèi)容的更新問(wèn)題，其私心不言自明。
所以，葉老師有責(zé)任盡最大努力把新的測(cè)量理論思想傳播出去，讓學(xué)生盡早知道自己是在被灌輸錯(cuò)誤的數(shù)學(xué)概念，讓學(xué)生盡早接受正確的理論思想。否則，以訛傳訛，以錯(cuò)教錯(cuò)，代代相傳，那將永遠(yuǎn)沒(méi)完沒(méi)了。——這也就是開(kāi)立這一微信公眾號(hào)的初衷，葉老師將在這里完整解析新概念測(cè)量理論的概念邏輯與應(yīng)用。也所以，無(wú)論您是否從事測(cè)量行業(yè)，葉老師也拜請(qǐng)您關(guān)注和宣傳本公眾號(hào)，我們每個(gè)人的綿薄之力也能形成維護(hù)學(xué)術(shù)公德的強(qiáng)大力量，善舉終還福報(bào)。
20213 20于武漢大學(xué) 歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)《測(cè)量理論研究》
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補(bǔ)充內(nèi)容 (2021-3-23 10:47):
視頻號(hào)和公眾號(hào)正在逐級(jí)發(fā)布整個(gè)理論體系的視頻解析。 | 
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