可靠性探索-误差与不确定度辨析(10)

            可靠性探索-误差与不确定度辨析(10)         

                                                           史锦顺     

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仪器、设备讲究可靠性。

计量法规定，测量计量要求准确、可靠。

    误差范围是准确度。测量讲究准确，就是准确度够格，也就是误差范围满足要求。

准确性的问题有误差理论来解决。但是可靠性呢？仪器设备的可靠性，主要讲的是故障率的问题。测量计量的产物是物理量的数据，因此，测量计量的可靠性主要讲的是数据的可信性。出错误的数据，就是计量测量的事故。

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笔者退休前曾长期从事宇航测量设备的检测与计量工作。上有军方的检查，下有研制者的质疑，责任所系，不得不时刻小心谨慎。而最重要的是采取了一些措施，得到信用。其基础是测量数据的可信性、可靠性。测出数据来，首先要自己能相信。既要自己相信，又要别人相信，就要采取提高可信性的措施。

    先介绍一下当时采用的提高可靠性的措施，表明笔者在可靠性方面的探索，供参考。最后再评论不确定度论。

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（一）冗余

写文章要简练。重复就显得啰嗦，让人烦。文章写在纸上，印在书刊上，读者可以反复读。

互联网上，信息流大而快。老史在网上批评不确定度论，观点讲述有些重复，有人觉得有些啰嗦；但考虑到一个新观点被接受并不容易，重复些是有必要的。对老史的观点，开始反对的意见很强烈；讲多了，赞同的意见就多起来，也许是反复、重复的功效。啰嗦加大信息量，有些冗(róng)余有好处。

在测量中，重复是必须的。一个计量工作者，要养成习惯，不测三次以上，不出任何数据。重复测量，可避免差错；取平均值提高数据的精密性，即减小测量的随机误差。

在统计测量中，不仅要知道量值，还要知道量值的变化范围，于是要进行多次测量。为给出西格玛，至少要测量10次。时频领域的频率稳定度测量，就是频率值随机变化的测量，规定测100次。采样时间长的，如日稳定度，规定30次，测量日稳定度要测一个月。（我工作涉及的是1毫秒到1秒，测量次数N都是100。）

测量频率短稳，得一个西格玛，要测100个频率值。这是必要测量。取100个数也还是必要测量。

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    我的作法

测阿仑偏差，仪器自动测量与计算。每输出一个西格玛值是一次测量。我的取法是，10个西格玛为一组，共取3组。由这30个数据，给出一个阿仑偏差值，算完成一回偏差测量

    通常的作法是只测一个西格玛值，就算完成。没有冗余。我的作法是取30个西格玛（取两位有效数字），冗余量是29。

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（二）西格玛取最大值

测量一回频率短稳，测量30个西格玛值，每取得一个西格玛叫做一次测量，共30次测量。（每个西格玛用100个频率差值，由101个频率值，前后相邻二值相减得出。）

怎样由这30个西格玛给出测量结果呢？一般的看法是取30个值的平均值。我的作法是取最大的偏差值当做测量结果。

西格玛取最大值，用户满意，认为是制作方对自己产品的严要求。我则不这样看，而是认为，西格玛取最大值是应该的。下面说明理由。

西格玛是频率偏差的表征量。频率是物理量，西格玛也是物理量。用比信源高一等的测量仪器观测，信源频率是随机变量。既然频率是随机变量，由频率差求得的西格玛也是随机变量。阿仑在北京作学术报告时说，西格玛的变动部分占到1/3，还算正常。我观测到的情况，变动部分大体占到1/5.

表征频率变动性的西格玛，要求有个上限。也就是说要用西格玛的可能的最大值来表征。

更严格的方法是求西格玛的西格玛，称二阶西格玛；西格玛的平均值加3倍二阶西格玛，是西格玛的范围上限，此值为极限西格玛。-

测30个西格玛，取最大值为选定的西格玛，此值比极限西格玛可能略小。这样做，总比取一个西格玛就认定，好多了。

接 1# 史锦顺 文

（三）不剔除异常数据

经典测量学，把异常数据（过去称粗差）舍掉，是可以的。经典测量学处理的是常量测量，前提是被测量本身不变。测得值有大的跳变，出现异常值，是测量仪器的问题，是认识手段出了错，属认识范畴的事。认识出错该改，因此可以去掉异常数据。

统计测量，前提是测量仪器误差范围远小于被测量本身的变化，观察到异常数据（又称离群数据，但此处不能叫粗差），有可能是被测量引起的，是被测量本身的特性，是不能舍弃的。

异常数据一经出现，测量就要停止，而不给出测量结果。要找出异常数据产生的原因。通常做法是：第一，复查测量系统，有无毛病。第二，查有无环境干扰，第三，查找被测量本身的问题，即被测设备是否出了毛病。第一条，最易进行，把标准源当测量对象，若测量数据正常，可排除对测量系统的怀疑。环境影响的考究，需要较大的精力。可先检查设备本身的问题。

在测量设备的研制过程中，出现异常数据是好事，可以及早解决。在验收阶段，不得出现异常数据，否则判定为不合格。

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（四）溯源

溯源就是将标准按时送检。

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（五）旁证

1982年，在引入国外标准时，就考虑旁证的问题，同时买了两台铯原子频标。每月乘例行加电抽真空的机会，二者比对，量值一致，偏差在允许范围内。其中5061A（标准管），执行工作任务，使用25年（指标寿命3年）后，寿终；而5061A（优质管），每年送检。指标寿命是14个月，如今已工作30年，准确度等性能仍然正常。有些同行称赞我所在延长原子频标使用寿命上是个奇迹。我认为是正常的物尽其用。优质管原寿命指标14个月是指连续开机，即铯炉可喷射铯束流14个月。本所用此频标，只是传递量值。每年送检，在计量院开机不超过3天。每月加电抽真空及校准，用时约4小时。一年实际工作约7天，30年210天，才合7个月。所以我认为仅仅是物尽其用。

就我所知，铯频标在一些单位仅工作几年，主要是没能一次不漏地准时加电抽真空。（加电时间间隔不应超过1个月。说明书没有指出这一点。）当然，这里讲的都是当做频率标准而断续工作的模式；如果是守时授时的用场，那只能是连续开机，寿命只能是说明书给出的期限。

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（六）自检

短稳测量系统，可以进行自检。自检是系统自身内部的逻辑检查。如

（1）计数式频率计测自己的晶振应是标称频率。

（2）比对器标准端与被测端互换，输出频差应该是同模值而反号，即符合“A减B得C，B减A得-C”的逻辑。

（3）选一优良信源，进行测量。此刻测量结果应与以往测量结果一致。

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（七）始末检查

早晨开始工作，首先进行测量系统自检；一天测量工作完成，还要进行一遍自检。自检工作无误，才能正式给出数据。

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（八）陪伴

小时知道，对死刑犯执行死刑时，有犯人陪绑，以震慑罪犯。这是从前的事，现在已无此说。

进行较大型的测量，或量多，或时间长（例如测量漂移率是7天），或任务十分重要，为了及时发现可能出现的测量系统的问题，要设置陪伴。就是选一台与被测对象指标相近的标准仪器，陪同被测设备一起被测量。工作时，我称其为“陪绑”，实际是陪伴。

接 2# 史锦顺 文

以上这些，表明我在提高可靠性方面的探索。对测量来说，可靠性就是给出数据的可信性。不敢说是经验，因为任务性质、设备条件各不相同，我能用，别人不一定能用，也不一定必要。还要考虑成本、代价、得失关系等。这里谈的，有些是必然的，如按时送检；有些则很新颖，如不得舍弃异常数据。见仁见智，仅供参考。

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某工号任务，研制负责人问我关于给出数据的可靠性问题，并邀我给全体工作人员讲了一次，大致上边这些。此后一旦有异常数据，他们就去查设备，改进，不再怀疑我冤枉他们。军方代表测通所丁国祯教授，在设备出所鉴定会上，高度评价了我的作法。此设备在执行发射任务后获科委奖励。

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本文用实例表明什么是可靠性，怎样提高可靠性，但写作意图是表达一种看法，那就是：不确定度论讲的可信性，似乎是可靠性，其实不确定度既不是可信性，更不是可靠性。

不确定度论认为“真值不可知，误差不可求”。于是，抛开误差理论，而就可观察的量来表达测量的质量与水平。实际上，离开真值、误差这些概念，是表达不了准确性这个测量计量的根本要点的。不确定度论抛开准确性，声称讲可信性，其实不确定度根本不是可信性。笔者在实践中摸索的上述8条，不确定度论没涉及过一条。

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不确定度是测量仪器的误差作用与被测对象的变化，搅在一起的混沌体，在物理常数测量中可能有用，但在除物理常数以外的通常的测量中不能用，在计量中更不能用。谁用谁出错，不信请看看那些不确定度评定的样板。搞过不确定度评定的人，可以总结一下，除了应付检查以外，不确定度起到过哪些作用？解决过哪一个误差理论解决不了的问题？

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不确定度论口口声声说自己讲究可信性，其实，它和可信性根本就不沾边。不确定度论的真实意图是取消误差理论，由它取而代之。事实证明，它没有那个本领。