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、設備講究可靠性。

計量法規定，測量計量要求準確、可靠。

    誤差范圍是準確度。測量講究準確，就是準確度夠格，也就是誤差范圍滿足要求。

準確性的問題有誤差理論來解決。但是可靠性呢？儀器設備的可靠性，主要講的是故障率的問題。測量計量的產物是物理量的數據，因此，測量計量的可靠性主要講的是數據的可信性。出錯誤的數據，就是計量測量的事故。

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筆者退休前曾長期從事宇航測量設備的檢測與計量工作。上有軍方的檢查，下有研制者的質疑，責任所系，不得不時刻小心謹慎。而最重要的是采取了一些措施，得到信用。其基礎是測量數據的可信性、可靠性。測出數據來，首先要自己能相信。既要自己相信，又要別人相信，就要采取提高可信性的措施。

    先介紹一下當時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。最后再評論不確定度論。

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（一）冗余

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

互聯網上，信息流大而快。老史在網上批評不確定度論，觀點講述有些重復，有人覺得有些啰嗦；但考慮到一個新觀點被接受并不容易，重復些是有必要的。對老史的觀點，開始反對的意見很強烈；講多了，贊同的意見就多起來，也許是反復、重復的功效。啰嗦加大信息量，有些冗(róng)余有好處。

在測量中，重復是必須的。一個計量工作者，要養成習慣，不測三次以上，不出任何數據。重復測量，可避免差錯；取平均值提高數據的精密性，即減小測量的隨機誤差。

在統計測量中，不僅要知道量值，還要知道量值的變化范圍，于是要進行多次測量。為給出西格瑪，至少要測量10次。時頻領域的頻率穩定度測量，就是頻率值隨機變化的測量，規定測100次。采樣時間長的，如日穩定度，規定30次，測量日穩定度要測一個月。（我工作涉及的是1毫秒到1秒，測量次數N都是100。）

測量頻率短穩，得一個西格瑪，要測100個頻率值。這是必要測量。取100個數也還是必要測量。

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    我的作法

測阿侖偏差，儀器自動測量與計算。每輸出一個西格瑪值是一次測量。我的取法是，10個西格瑪為一組，共取3組。由這30個數據，給出一個阿侖偏差值，算完成一回偏差測量

    通常的作法是只測一個西格瑪值，就算完成。沒有冗余。我的作法是取30個西格瑪（取兩位有效數字），冗余量是29。

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（二）西格瑪取最大值

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

怎樣由這30個西格瑪給出測量結果呢？一般的看法是取30個值的平均值。我的作法是取最大的偏差值當做測量結果。

西格瑪取最大值，用戶滿意，認為是制作方對自己產品的嚴要求。我則不這樣看，而是認為，西格瑪取最大值是應該的。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量儀器觀測，信源頻率是隨機變量。既然頻率是隨機變量，由頻率差求得的西格瑪也是隨機變量。阿侖在北京作學術報告時說，西格瑪的變動部分占到1/3，還算正常。我觀測到的情況，變動部分大體占到1/5.

表征頻率變動性的西格瑪，要求有個上限。也就是說要用西格瑪的可能的最大值來表征。

更嚴格的方法是求西格瑪的西格瑪，稱二階西格瑪；西格瑪的平均值加3倍二階西格瑪，是西格瑪的范圍上限，此值為極限西格瑪。-

測30個西格瑪，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，總比取一個西格瑪就認定，好多了。

接 1# 史錦順 文

（三）不剔除異常數據

經典測量學，把異常數據（過去稱粗差）舍掉，是可以的。經典測量學處理的是常量測量，前提是被測量本身不變。測得值有大的跳變，出現異常值，是測量儀器的問題，是認識手段出了錯，屬認識范疇的事。認識出錯該改，因此可以去掉異常數據。

統計測量，前提是測量儀器誤差范圍遠小于被測量本身的變化，觀察到異常數據（又稱離群數據，但此處不能叫粗差），有可能是被測量引起的，是被測量本身的特性，是不能舍棄的。

異常數據一經出現，測量就要停止，而不給出測量結果。要找出異常數據產生的原因。通常做法是：第一，復查測量系統，有無毛病。第二，查有無環境干擾，第三，查找被測量本身的問題，即被測設備是否出了毛病。第一條，最易進行，把標準源當測量對象，若測量數據正常，可排除對測量系統的懷疑。環境影響的考究，需要較大的精力。可先檢查設備本身的問題。

在測量設備的研制過程中，出現異常數據是好事，可以及早解決。在驗收階段，不得出現異常數據，否則判定為不合格。

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（四）溯源

溯源就是將標準按時送檢。

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（五）旁證

1982年，在引入國外標準時，就考慮旁證的問題，同時買了兩臺銫原子頻標。每月乘例行加電抽真空的機會，二者比對，量值一致，偏差在允許范圍內。其中5061A（標準管），執行工作任務，使用25年（指標壽命3年）后，壽終；而5061A（優質管），每年送檢。指標壽命是14個月，如今已工作30年，準確度等性能仍然正常。有些同行稱贊我所在延長原子頻標使用壽命上是個奇跡。我認為是正常的物盡其用。優質管原壽命指標14個月是指連續開機，即銫爐可噴射銫束流14個月。本所用此頻標，只是傳遞量值。每年送檢，在計量院開機不超過3天。每月加電抽真空及校準，用時約4小時。一年實際工作約7天，30年210天，才合7個月。所以我認為僅僅是物盡其用。

就我所知，銫頻標在一些單位僅工作幾年，主要是沒能一次不漏地準時加電抽真空。（加電時間間隔不應超過1個月。說明書沒有指出這一點。）當然，這里講的都是當做頻率標準而斷續工作的模式；如果是守時授時的用場，那只能是連續開機，壽命只能是說明書給出的期限。

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（六）自檢

短穩測量系統，可以進行自檢。自檢是系統自身內部的邏輯檢查。如

（1）計數式頻率計測自己的晶振應是標稱頻率。

（2）比對器標準端與被測端互換，輸出頻差應該是同模值而反號，即符合“A減B得C，B減A得-C”的邏輯。

（3）選一優良信源，進行測量。此刻測量結果應與以往測量結果一致。

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（七）始末檢查

早晨開始工作，首先進行測量系統自檢；一天測量工作完成，還要進行一遍自檢。自檢工作無誤，才能正式給出數據。

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（八）陪伴

小時知道，對死刑犯執行死刑時，有犯人陪綁，以震懾罪犯。這是從前的事，現在已無此說。

進行較大型的測量，或量多，或時間長（例如測量漂移率是7天），或任務十分重要，為了及時發現可能出現的測量系統的問題，要設置陪伴。就是選一臺與被測對象指標相近的標準儀器，陪同被測設備一起被測量。工作時，我稱其為“陪綁”，實際是陪伴。

接 2# 史錦順 文

以上這些，表明我在提高可靠性方面的探索。對測量來說，可靠性就是給出數據的可信性。不敢說是經驗，因為任務性質、設備條件各不相同，我能用，別人不一定能用，也不一定必要。還要考慮成本、代價、得失關系等。這里談的，有些是必然的，如按時送檢；有些則很新穎，如不得舍棄異常數據。見仁見智，僅供參考。

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某工號任務，研制負責人問我關于給出數據的可靠性問題，并邀我給全體工作人員講了一次，大致上邊這些。此后一旦有異常數據，他們就去查設備，改進，不再懷疑我冤枉他們。軍方代表測通所丁國禎教授，在設備出所鑒定會上，高度評價了我的作法。此設備在執行發射任務后獲科委獎勵。

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本文用實例表明什么是可靠性，怎樣提高可靠性，但寫作意圖是表達一種看法，那就是：不確定度論講的可信性，似乎是可靠性，其實不確定度既不是可信性，更不是可靠性。

不確定度論認為“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測量的質量與水平。實際上，離開真值、誤差這些概念，是表達不了準確性這個測量計量的根本要點的。不確定度論拋開準確性，聲稱講可信性，其實不確定度根本不是可信性。筆者在實踐中摸索的上述8條，不確定度論沒涉及過一條。

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不確定度是測量儀器的誤差作用與被測對象的變化，攪在一起的混沌體，在物理常數測量中可能有用，但在除物理常數以外的通常的測量中不能用，在計量中更不能用。誰用誰出錯，不信請看看那些不確定度評定的樣板。搞過不確定度評定的人，可以總結一下，除了應付檢查以外，不確定度起到過哪些作用？解決過哪一個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，它和可信性根本就不沾邊。不確定度論的真實意圖是取消誤差理論，由它取而代之。事實證明，它沒有那個本領。