中國計量科學研究院　方宏  卞昕  何昭  陶毅

資助項（xiàng）目:中（zhōng）國計（jì）量科（kē）學研究院博（bó）士（shì）科研專項啟動基金(ATGQDB0808)

第一屆《中國（guó）計量》中青年優秀科（kē）技論文獎（jiǎng）一等獎獲獎文章

　　高技術國家（jiā）的全麵發展越來越依賴（lài）於先進的測量（liàng）、測試技術以及相關基(標)準乃至技術協議的建立（lì）和發展。在20世紀工業社會的建設過（guò）程中，傳統物理、化學參量的計量發揮了極（jí）其重要的作用；而在21世紀的信息社會建設中，對信息技術進行計量以及利用先（xiān）進的信息技術服務於計量成為我們必須麵對的巨大挑戰，因此，一門新興的學科——信息計量學應運而生。

　　人們已經公認，影響21世紀最主要的（de）三（sān）大科技（jì）是納米技術、生物技術及信（xìn）息技術，而計量（liàng）科學（xué）是一切科學發展的基礎和重要保障，因此，大力地推（tuī）動（dòng）與以上3項（xiàng）技術（shù）相關（guān）的計量科學勢在必行。早在1997年，美國就提出（chū）了信息計量的概念，部分歐美發達國家以及日本（běn）的國家計量研究機構相（xiàng）繼成立了相關研究（jiū）部門。目前，其研究成果已經（jīng）在很（hěn）大程（chéng）度上推動了這些國家信（xìn）息技術的高速發展，傳統參量的計量技術也從中受益，以美國國家標準與（yǔ）技術研究院(NIST)的信息技術實驗室(ITL)成果（guǒ）最為突出。在我國，信息計量尚未得到（dào）全麵的（de）重視（shì）和係統的發展，因此，盡快係統地提出信息計量的概念、研究範疇以及主要方向（xiàng），推進我國信息計量的全麵開展迫在眉睫。

一、信息計（jì）量的基本概念及特點

　　傳統計量的測量對象通常為經典的物理、化（huà）學參量，其分支（zhī）包括幾（jǐ）何量計量、力學計量、化學計量等，然（rán）而隨著（zhe）近（jìn）幾（jǐ）十年來（lái）信息技（jì）術的迅猛（měng）發展，影響國家工業、農業（yè）乃至整個（gè）人類社會發展（zhǎn）的因素已遠遠不止這些經典參量，信息技術在其中的作（zuò）用越來越明顯，甚（shèn）至逐漸占據主導（dǎo）地位。由此也（yě）引發了計量學的巨大變革，信（xìn）息計量學應運（yùn）而生。雖然人們（men）已（yǐ）在更早的時期開始了與信息（xī）技術有（yǒu）關的計量研究，但正式提（tí）出信息計量概念是在1997年NIST發布的內部報告中，該報告概（gài）括性地為信息計量劃定了3個主要研究方向:一是測量、測試及評估現代信（xìn）息技術係統的各種屬性和特性，即對信息（xī）技術進（jìn）行計量；二（èr）是利用先進的信息技術提升傳統物理、化學參量的測量和測試的（de）準確性、可靠性、便捷性等，即信息技術輔助傳統計量；三是基於先（xiān）進的信息技術產品，研（yán）究計量學中涉及的數學、計算機科學和統計學等（děng）基礎科（kē）學。

　　由於研究對（duì）象的不同，信息計量與傳統物理、化學參量計量存在較大的區別（bié）。首先，信息計量缺乏標準的國際單位製（zhì）(SI)作為計量單位的基礎，目前，信息計量中最常用的單位是比特(bit)，然而現在討論是否（fǒu）可以將其列（liè）為SI中第8個基本（běn）單位還為時過早；其次，目前還很難（nán）對信息計量進行準確的不確定（dìng）度評定，雖然目前國際上有一些研（yán）究人員已經開（kāi）始考（kǎo）慮對零一係列的絕對判決結果進行不確定度評定，但（dàn）由於信息技術的複雜性和靈活多變性，對其進行準確的不（bú）確定度評定還有待時日；最後，也是最主要的一個區別在於信息技術發展的高速（sù）性，傳統物理（lǐ）、化學參量的計量大多以經典理論基礎為依據，而信息（xī）技術的（de）日新月異，使得人們對信息計量的研究也必須更具（jù）時效性。因此，建立一套完善的測量、測試基礎架構對信息（xī）技術（shù）進行準確的（de）計量，給新世紀的（de）計量學帶來了（le）巨大的挑（tiāo）戰。    

　　二、信息計量的主要研究方向及進展

　　信息計（jì）量的研究範疇非常廣泛，涉及信息技術的方方麵麵，有一些研究其實是（shì）伴隨著相（xiàng）應（yīng）信息技術（shù）的誕生而並行開展的，隻是之前尚（shàng）未（wèi）將其歸納到信息計量的範疇。而另一些研究則是信息技術發展（zhǎn）到一定程（chéng）度以（yǐ）後，提出了（le）一些計量方麵的需求，或者是人們發現可（kě）以將這些先進的（de）信息技術應用到相應的計量學測量、測試中而誕生的。以下將基於信息計量（liàng）3個主要方（fāng）向的分類，對其主要研究（jiū）內容以及國外先進計量研究機（jī）構近年（nián）來的研（yán）究狀況（kuàng）作一簡要（yào）介紹。

　　1.對信息技術的計量（liàng）

　　(1)信息度量與數據挖掘
　　早在20世紀中葉，人們就已經（jīng）意識到隻有給出信息的度量，才能使信息的研究成（chéng）為一門真正的科學。隨（suí）著全麵（miàn）信息化社會的到來，現（xiàn）在的（de）人（rén）們比半個世紀前更加（jiā）迫切地需要準確的信息度量工具和（hé）標（biāo）準。如今的人們每天都可以輕而易舉地通過各種渠道（dào）獲（huò）得海量的數據，然而這些數據並不能稱為（wéi）信息。過量的數據被人們稱為信息爆炸，帶來的挑戰是:一方麵（miàn）規模龐大、紛繁複雜的數據體係讓使用（yòng）者漫無頭緒、無從下手；另一方麵在這些（xiē）大量數據的背後卻隱藏著很多具（jù）有決策（cè）意義的有價值的信息。因此，人（rén）們必須麵對的首要問題就是如何從海量的數據中獲取這些有價值的信息，這就是數據挖掘所希望解決的問題。而信息量的準確度（dù）量就成為數據挖掘成敗與否以（yǐ）及效（xiào）率高低的根本判斷依據。這（zhè）就給現代信息計量提出了一個重要的研究任務，準確地（dì）度量信息量，協助信息發現、信息提取以及信息存儲等。隻有在一（yī）套（tào）公認的信息量度量標準和平台建立的基礎上，信息交易、信息互換以（yǐ）及信息共享才可（kě）能得以實現。

　　國內外部分研究機構對該領（lǐng）域進行了長期的研究，一方麵是對信息（xī）熵（shāng）理論的改進，逐步完善其公理化體係；另一方麵是關於數據挖掘的研究。NIST也成立了相關研究組，目標是建立、完善一套測量體（tǐ）係以提升信息在整個生命周期中的可發現性、可利用性和可共享性，從而實現從海量數據中高效地挖掘所需要的信息。

　　 (2)軟件計量
　　信息係統絕（jué）大部分都是由硬件（jiàn）和軟件兩部（bù）分組成的。相（xiàng）對而言，對硬件的計量要簡單得（dé）多，主要原因在（zài）於硬件方（fāng）麵的計量大多可以基於比較成（chéng）熟的傳統物理參量進行計量，而（ér）軟件計量（liàng）則是一個全新的、富有挑戰的領域。

　　在過去的半個世紀裏，計算機硬件性能提升了近10個數量級，而軟件的發（fā）展速度（dù）卻遠遠沒有跟上這（zhè）個步伐，主要原因之一在於軟件係統缺乏比較通用的、標準化的測試和評價規範，對其性能難以進行準確描述和預測。軟件的瑕疵或漏（lòu）洞往往隻（zhī）有（yǒu）在運行時，甚至是長時間運（yùn）行時（shí）才有可能顯（xiǎn）現出來。軟件計量的任務就在於建立標準（zhǔn）的模型、程序（xù）、測量和評估方法對軟件進行測試和度量，並以一（yī）定規範為基礎對軟件進（jìn）行認證。測試和度量的內容（róng）包括軟件的各種特性，如代碼長度、運行時間、出錯概率、可靠性、安全性、複雜（zá）度（dù）、製作（zuò）成本等。對軟（ruǎn）件產品（pǐn）的認證類似於傳統計量（liàng）中的校（xiào）準，使得所計量的對象具有可溯源性。軟件計量的應用（yòng）目標有眾多方麵:準確地描述軟件產品的（de）各方（fāng）麵性（xìng）能；規範化地給出軟（ruǎn）件產品（pǐn）的實際（jì）價值；評估開發該軟（ruǎn）件所需的人力物力；評估使用新的軟件（jiàn）工程方法和工具給軟件開（kāi）發帶（dài）來的收益等。

　　NIST在軟件計量方麵投入很大，這也（yě）是他們最早開始信息計量領域研究（jiū）的主要方向之一。目前，其研究重點是測量、評價軟件的可信賴性，並通過提出革（gé）命性的技術、模型以及測試方法（fǎ）和工具，達到降（jiàng）低研製和評價（jià）可信賴（lài）軟件所需的成本代價，例如，目前熱點的研究內容——組合測試(Combination Testing)，就大大降低了（le）對（duì）軟件進（jìn）行遍曆測試所需的時間成本。

　　(3)通信協議測試與性能評價
　　通信係（xì）統主要包括硬件設備和通信協議（yì）兩部分，關（guān）於硬件設備的測試和計量大多可以歸結到傳統物理參量的測量中，而（ér）對通信協議的測試和計（jì）量就完全不同於（yú）傳統計量，屬於信息計量中一個非常（cháng）重要的（de）研究內容。隨著通信技術的飛速發展，包括我國在內很多國家的計量研究機構，對通信係統中較低層的一些協議(如物理層協議的計量)近年（nián）來已（yǐ）逐漸開展，例如，對物理層中調製參數、編碼格式等部分協議內容進行測試和計量。然而對於更高層的（de）通信協議，除NIST外其他計量研究機構（gòu）很少涉及。通信協議（yì）測試主要包（bāo）括一致性測試、互操作（zuò）性測試，它們是互為驗證、互為補充的關（guān）係，隻（zhī）有把兩（liǎng）者合理地結合才（cái）能完成完整的協議測試。

　　通（tōng）信係（xì）統的性（xìng）能可以分為有效性和（hé）可（kě）靠（kào）性兩大類（lèi），其中有效性的指標包括（kuò）傳輸速率、吞吐（tǔ）量（liàng）、頻譜利用率等。相對而（ér）言，係統可靠性的評價就顯得更加困難（nán），其主要原因在於（yú）:影響通信係統可（kě）靠性的因素非常多；根據係統使用場合的不同，係統失效（xiào）的主要判（pàn）據並不一致；根據用戶的不同，所關注可靠性的側重點（diǎn）不同（tóng）。目前，對通信係統可靠性方麵的評價還比較混亂，尚未形成一套完善的測度指標體係。然而，這種不健（jiàn）全的評價標準，對於國防通信係統、國家應（yīng）急通信係統以及重大工程項目中的指揮通信係統等（děng）的影（yǐng）響非常顯著，因此，盡快完善（shàn）通信係統可靠（kào）性定量（liàng）評價標準的基礎理論，建立完整的可（kě）靠性測度指標體係，規範（fàn）相應的可靠性實際測（cè）試和計量方法，成了信息（xī）計量亟待開（kāi）展的一個研究方（fāng）向。

　　NIST的先進網絡研究組對各種通信（xìn）係統進行了仿真和（hé）性能評價，近（jìn）年來，其研究項目包括Internet網絡基礎架構（gòu）、3G蜂窩移動通信係統、無線自組織網絡以及量子（zǐ）信息網絡等方麵（miàn）。其關注的係統性能包（bāo）括安全性、可靠性、可升級性（xìng）等。近期，其工作重點之一是開展通信係統安全性的測試、評價（jià）與改（gǎi）進；另一研究重點就是探（tàn）索使用新型的自組織網絡（luò）架構優化社（shè）會公共安全通信網絡，提高國家的綜合應急響應能力。

　　(4)密碼模塊評測與認（rèn）證
　　密碼學是信息係統安全之源，任何安全協議或係統（tǒng）都是基於密碼而設計的，研究高效的密（mì）碼算法和實現機製是保障信息安（ān）全的必經之路。早期的密碼評測隻針（zhēn）對密碼算法，之後人們發現這遠遠不夠，隻有綜合測試整個密碼模塊，才能對其進行整體評價。所謂密碼模（mó）塊指的是包括硬（yìng）件、軟件(包括算法和密鑰)以及固件在內所有的密碼（mǎ）實現集合。目（mù）前，依據有關技（jì）術和（hé）管理標準對密碼模塊進行評測與認證（zhèng），已成為各（gè）國普遍采取的方法。

　　美國國家安全局(NSA)於1982年首先公布了僅適用於數據加密標準(DES)的（de）聯邦標準FS1027。NIST在（zài）1988年將FS1027標準重（chóng）新命名為FIPS140，此後驗（yàn）證工作轉由（yóu）NIST負責。NIST於1994年公（gōng）布了FIPS140-1標（biāo）準，將加密模塊的安全等級分成四級；1995年，NIST和（hé）加（jiā）拿大政府（fǔ）的通信安全組織(CSE)共同建立了密碼模塊驗證計劃(CMVP)，負責維護（hù）FIPS140標準（zhǔn），並確保經過認證的模塊與標準相兼容。此後該組織作為驗證者的角色，確保在第三方的授權實驗室開展的評測工作的正確性。1997年，美（měi）國規定聯邦（bāng）政府單位采購相關產品時，隻允許購買通過FIPS140-1CMVP測試的密碼模塊產品。2002年（nián），NIST正式發布了FIPS140-2標準，提供了密碼模塊評測、驗證和最終認證的基礎，目前已成為國際標準規範（fàn）。目前，FIPS PUB 140-3草案正在修訂，計（jì）劃於（yú）2009年（nián）年底正式開始采用。

　　(5)數字化醫學影像計量
　　醫學成像（xiàng）設備所獲得的醫（yī）學影像（xiàng）質量（liàng）對於幫助臨床醫（yī）生進行診斷具有重要意義，正確的醫學影像應具有足夠的空間（jiān）分辨率，能（néng）分辨細微特征，能夠（gòu）客觀準確地反映被測物的斷麵幾何特（tè）征，提供足夠的（de）診斷信息。因此，醫學影像的評價是一個非（fēi）常重要（yào）的環節（jiē）。然（rán）而在（zài）醫學影像質量評價領域，目前還（hái）局（jú）限於主觀判斷，缺少客觀（guān）的計（jì）量學（xué）評價標準，如CT圖像中的對比度、分辨率通（tōng）常都是由有經驗的觀察者目測確定（dìng）。計算機技術的飛速發展推動了醫學影（yǐng）像的數字化，從而使得對數字化醫學影像進行計量學評價成為可能，為基於圖像處理理（lǐ）論研究定量評價方法提供了廣闊空間。在對（duì）醫學成像（xiàng）和醫學圖像進行分析的（de）基礎上，從（cóng）計量學的角度出（chū）發，對數字醫學影像進行計量和客觀地評價是信息計量領域一（yī）個重要的研究方向。由於其（qí）在醫學（xué）領（lǐng）域重要的應用（yòng）前（qián）景，該領域的研究（jiū）在NIST、德國聯（lián）邦（bāng）物理技術研究院(PTB)、英國國家物理實驗室(NPL)以及我國國家計量院都受到了很大（dà）的重視（shì）。可以預見，這將是信息（xī）計量（liàng）中最早得到實際應用（yòng）的技術之一。

　　(6)其他信息技術的測試與性能評價
　　目前，信息技術已經滲透到（dào）人們生活的方方麵麵，如識別係統(包括語音識別（bié）、人臉（liǎn）識別（bié）、指紋識（shí）別等)、分布（bù）式傳感網絡、虛（xū）擬現實技術等，對這些無處不在的信息技術（shù）提供標準的測（cè）試方法以（yǐ）及準確的評價體係也是信息計量必須麵對的研究課題。NIST在這些領域都有涉及，通常其研究投入直接由該項技術實（shí）際應用的廣泛程度決定。在其他國家，關於這（zhè）些（xiē）新興（xìng）信息技術的計量工作開展得還非（fēi）常少，尚未形成評測和認證標準，使得對（duì）於一些涉（shè）及關鍵應用的領域，對所選用係統的各方麵性能隻能進行定性的、較模糊的評價，在一定程度上增加了應用風險，浪費了有效資源。

　　二、信息（xī）計量的主要研究方向及進展

　　2.信息技術輔助（zhù）傳統（tǒng）計量

　　信息技術的飛速發展對傳統計量學產生了巨大的（de）影響，國際計量局（jú）(BIPM)分別於2002年、2005年和2007年在英國國（guó）家物理（lǐ）實驗室(NPL)、日（rì）本國家計量研究院(NMIJ)和德國聯邦物理技術研（yán）究院(PTB)陸續舉辦了三屆以信息技術對計量學的（de）衝擊為（wéi）主題（tí）的研討會，主要對信息技術輔助計量的最新研究成果進行交流（liú）和探討（tǎo），以下針對幾個熱點研究方向作簡要介紹:

　　 (1)遠程校準
　　隨著信息技術特（tè）別是計（jì）算機網絡技（jì）術的迅猛發展，網（wǎng）絡會議、遠程教育、遠程醫療、電子商務等基於網絡技術的新事物在資源共享（xiǎng）、優勢互補、縮短時空距離等方麵發揮了巨大的作用。傳統的（de）計量技術也（yě）未能置身其外，結合先進（jìn）的通信技術、互聯網技（jì）術、圖像、視頻技術的跨（kuà）地域遠程校準技術(或稱為E-trace)正受到人們越來越多的重視。

　　傳統的校準方式存在校準周期長、費用高、溯源鏈過長、管理難度大、效率低、不利於國際比對（duì）等缺陷。1999年，國際測量和儀器會議（yì）(IMIC)上首次提出了基於Internet的遠程校準，不但在很大程度上降低了費用、提高了效率，而且在校準（zhǔn）的實時性、可靠性和安全性方麵均有所改進（jìn）。目前（qián），計量所（suǒ）需的標準量值可以（yǐ）大致分為兩類:一類是以實物標準為載體，通過實物的測量來複現（xiàn），計量校準的主要過程需要與實物（wù）標準進行比較測量，而信息技術不能（néng）實現對實物的傳（chuán）遞（dì），因此，對這類標準目前還很難（nán）實現遠程校準；另（lìng）一類（lèi）標準不以實物為載體，而以規定的方法或自然常（cháng）數（shù）為基（jī）礎，如在同一個運動坐（zuò）標係內的頻率標準，以時間頻率為基礎的占空比參數，以相對關係為基礎的調製度參數、比例參數、衰減參數、相位參數、噪聲參數等，這些標準（zhǔn）理論（lùn）上都可以實現遠程校準。因此，目前研究的遠程校準技術大多是針（zhēn）對這類參量展開的。

　　近年來，歐美發達國家的計（jì）量研究機構紛紛開展了（le）遠程（chéng）校準（zhǔn）方麵的（de）研究，其中有一些較為成熟的研究成果已經投入到（dào）實際應用（yòng）之中。例如，NIST開展的項（xiàng）目有大流量氣體流量計校準、電量多（duō）功能校準儀校準以及大尺寸離（lí）子輻射源校準。NPL開展了對標準電阻與電（diàn）壓的遠程校準以（yǐ）及網絡分析（xī）儀的遠（yuǎn）程溯（sù）源。PTB開展了偏振中子衍射計的遠程（chéng）校準。在亞（yà）洲，NMIJ從2001年到2008年（nián）分兩期對遠程（chéng）校準展開了重（chóng）點研究，目前，在時間頻率、光學頻率、約瑟夫森電壓、放（fàng）射學等方麵的遠（yuǎn）程（chéng）校準取得了較（jiào）好的成果。遠程校準服務在我國是一個全新（xīn）的技（jì）術領域，它不僅是技術問題，還涉及相應檢測/校準規範（fàn）的健全與完善。近（jìn）年（nián）來，我國政府也充分認識到了發（fā）展遠程校準技（jì）術、開（kāi）展係統研究對提高我國下一代計量（liàng）校準技術的重要性，因此，目前以時間頻率為主要突破口的全麵的遠程校準技術已逐漸開展，多次組團參加BIPM的相關研討會，跟蹤學習國外的先進技術，並提議(2009年)將在中國召（zhào）開的中日韓計量研（yán）討會上設立“遠程校準E-trace技術及發展展望”專項技術講座（zuò），詳細探討各國最新研究（jiū）進展。

　　(2)可重構測試（shì）係統
　　長期以來，人們認為（wéi）測試係統可以分為軟件實現和硬（yìng）件實（shí）現兩大類。軟件實現（xiàn）方法（fǎ），主要特征是在由微處理器、內存和部分（fèn）簡單的外（wài）設組成的電子係統裏，通過軟件程序實現大部分的（de）邏（luó）輯處理和運算功能，而外設隻起輔助作用；硬件實現（xiàn）的方法，主要特征（zhēng）是（shì）由（yóu）特定的運算或處理（lǐ）單元完成係統主要的計算工作，微（wēi）處理器或者（zhě）被（bèi）省略，或者隻起協調各部件工作的作用。這兩種方法各有優（yōu）缺（quē）點，軟件方（fāng）法開發簡單（dān）、靈活可變、易（yì）升級，但通常運行速度慢、效率低（dī），很難實現（xiàn）實時測試的要求；硬件（jiàn）實現方法可為（wéi）目標任務特別定製，運行效率高、速（sù）度快，可（kě）實現高速實時測試，但硬件（jiàn）開（kāi）發周期長、一次性（xìng）投入大、缺乏靈活性、難以升級，很難（nán）適應被測對象特別是電（diàn）子類產品飛速地發展和較強的多（duō）樣性。為了綜合軟硬件各自的優（yōu）勢，近年來人們提出了可重構測試係統的思想，改變了以往由儀器廠（chǎng）家定義儀器功能、用戶（hù）隻能使用的（de）局麵，進而提供用戶可（kě）自定義儀器功能（néng）、可（kě）根據不同測試需求對儀器進行重構的能力。該（gāi）結構的核心思想是在一個（gè）最小集合的、低成本的（de）通用硬件平台基礎上，由用戶通過軟（ruǎn）件的控製來實（shí）現不（bú）同的儀器功能，本質上是（shì）利用（yòng）可編程器（qì）件可多次重複配置邏輯狀態的特性（xìng），在（zài）運行時根據需要（yào）動態改變係統的電路結構，從而使係統兼具靈活、簡（jiǎn）捷、硬件（jiàn）資源可複用、易於升級等多種優良性能。

　　可重構測試係統一個典型（xíng）的例子就是軟件無線電測試係統，目前，無論是在學術界還是工業（yè）界，這項技術已經成為一個炙手可（kě）熱的（de）研究課題。各國的計量研究機構（gòu）對此也投入了很大的研究力度，美國、德國、日本在該領域（yù）處於比較領先的水平，部分產品（pǐn）已商業化。近年來，我國對軟件無（wú）線（xiàn）電也（yě）給予了較大的重視和投入。

　　(3)自動測試係統
　　隨著（zhe）科技水（shuǐ）平（píng）的飛（fēi）速發展，各領域的高技術產（chǎn）品（pǐn）的複雜程度日益提高，測試參量種類、測試難度以及測（cè）試實時（shí）性（xìng）要求迅（xùn）速增加（jiā），傳統的人工檢測手段已經顯得非常低效，甚至無法滿足日常檢測、校準以及保障設備可（kě）靠運行的基本需求，自（zì）動測試係統正逐步體現出其巨（jù）大的優越性。早在（zài）20世紀中後（hòu）期，美國等發達國家就（jiù）開始了自動測試係統的研究（jiū），但由於技術複雜、造價高昂等（děng）原因，自動測試係統僅應用於軍事領域。近年來，隨著計算機軟硬件技術以及高速總線控製技術的飛速發展，自動測試（shì）係統在更（gèng）加廣泛的領域得到了應用。其主要優勢在於:可實現大批量產品生產過程中的自動檢測；完成人員不易靠近的環境中的檢（jiǎn）測任務；加大掃描測量點（diǎn）分布密度，提高測量準確度；減少測量過程中人為因素導致（zhì）的係（xì）統誤（wù）差和隨機誤差；降低了對測試人員的技術水平要（yào）求（qiú）；減少人員（yuán）勞（láo）動量。自動測試係（xì）統必將（jiāng）成為新世紀測量、測試領域的主要發展方向之一，其發展水平將成為評價（jià）國家計量技術水平的（de）一個關鍵（jiàn）因素。

　　3.計量學中涉及的基礎信息科學

　　(1)基於計算機仿真的測量不確定度評估（gū）
　　測量不確定度的評定和表示（shì）方法是計量學中非常重要的一項內容，如何對測量(檢（jiǎn）測、校準（zhǔn）)結果進行準確的不確定度評定以及規範（fàn）的表示，決（jué）定了該測（cè）量（liàng）(檢測、校準)結果的有效性、可靠性以及科學性。早在1993年，ISO、IEC等7個（gè）國（guó）際組織（zhī）就聯合發布了《測量不確定度表示指南》(GUM)，使涉及測量技術的領域和部門，可以用統一的準則對測量（liàng）結果及其（qí）質量進行評定（dìng）、表示和（hé）比較。然而，傳統的GUM評估方法在解決非線（xiàn）性模型、不易求導的模（mó）型等一些複雜問題（tí）時，存在（zài）明顯的（de）局（jú）限性，而且使用該評估方法需要具備一定的數學基礎和對（duì）評估對象豐富的測（cè）量經驗，該方法（fǎ）不（bú）易進行（háng）程（chéng）序化、規範化，因此,使得測量不（bú）確定度評定成為一項比較複雜且難以掌握的技（jì）術。隨著近年來計算（suàn）機仿真技術的飛速發展，一些更高效、更（gèng）具適應性的評估方法也不斷被提出，最近JCGM發布了GUM的（de）補充條（tiáo）款，GUM Supplement1——基於蒙特卡羅方法的分布傳播（bō）法，使用該方法不但可以更快、更準確（què）地計算測量（liàng）不確定度，而且可以應用到以往評估方法難以解決（jué）的一些複雜（zá）問題中。該方法的核心（xīn）思（sī）想是，采用計算機（jī）仿真方（fāng）法，通過大量的隨機事件實現影響測量（liàng）結果的（de）各獨立因素的分布，並對（duì）這些隨機事件進行隨機的組合，通過計算（suàn）得出最終測量結（jié）果的隨機分布，從而（ér）評定其測量不（bú）確（què）定度（dù）。該方法的實現是建立在現代高計算能力、高（gāo）存儲（chǔ）能力計算機技術的基（jī）礎上的，其主要優（yōu）勢在於計算效率高、適應性強、可形成標準（zhǔn）的計算模塊等。基於蒙特（tè）卡羅方法（fǎ）的測量不確定度評定方（fāng）法還屬於一項新興的技術，近年來，不但在（zài）各國的計量研究機構中得到了重點的關注，在國外一些高（gāo）校的（de）數學或計算機等（děng）基礎信息（xī）科學研究部門也進行了大（dà）量的研（yán）究。可以預見，基於計算機仿真的方（fāng）法必（bì）將成為（wéi）測量（liàng）不確（què）定度評估的主要發展趨勢。

　　(2)有限元法仿真分析
　　有限元法是一（yī）種（zhǒng）數值求解（jiě）方法，20世紀（jì）50年代初被提出時，其首先應用於連（lián）續（xù）體力學領域，用（yòng）以（yǐ）求解結構的變（biàn）形、應力、固有（yǒu）頻率以及振型。其主要思想是把一個大的結構劃分為（wéi）有限個稱（chēng）為單元（yuán）的小（xiǎo）區域，在每一個小區域裏，假定（dìng）結構的變形（xíng）和應力都是簡單的，小區域內的變形和（hé）應力都容易求解出來，進而可以獲得整個結構的變形和應力（lì）。該方法的計算準確度直接取決於所分小（xiǎo）單元的個數，由於當時計算機（jī）運算速度和存儲容（róng）量的限製，很難進行大容量的計算，因此該方法實際上很（hěn）難應用。然而，隨著近10年來計（jì）算機性能以超摩爾效應的速度迅速提高，有限元法再次得到重視，目前其應用領域已經非（fēi）常廣泛，包括絕（jué）大部分需要（yào）求解微分方程的領域(如流體力學（xué）、熱學、電磁學（xué）、聲學（xué）等)。因此，有限元法對於這（zhè）些傳（chuán）統物理參量的測量、基(標)準的建立以及量值傳遞也具有廣泛的應用前景。近（jìn）年來（lái），NIST數學與計算科學研究組在有（yǒu）限元領域進行（háng）了大量的研究，為各專業計量分支提供了專用有限元法計算模塊，在部分方向已取得了很好的效果，如微結構材料分析領域。    

　　三、總結與討論

　　以上列出（chū）的研究（jiū）內容隻是信息計量學中的一部分，隨著全球信息化的不（bú）斷推進，信息技術日（rì）新月異飛（fēi）速發展，計量的任務一方麵（miàn）是提供可靠、準確的測量（liàng）、測試平台和方法；另（lìng）一方麵是對係統的特性給出合理（lǐ）的測度指標，進行定量的評價（jià）以及標準的認證。對於先進的信息技術而言，這兩（liǎng）項（xiàng）任務是相（xiàng）輔相成的。然而，隨著一項技術的誕生、發展（zhǎn）到成熟（shú），人們往往將大部分的研究精力都放（fàng）在對這項技術的測（cè）量、測試方麵，而對其各方麵性能的評價相對較少，且（qiě）往往停留在定性的層麵（miàn）。隨著這些信（xìn）息技術在民用和軍用領域的深入應用，定性地評價已遠遠（yuǎn）不夠（gòu），如何實現對這些（xiē）新興技術各方麵性能量值準確、單位統一的定量評價就成了現代計（jì）量研（yán）究必（bì）須解決的一個問題。另一方麵（miàn），信息技（jì）術的（de）飛速發展對傳統計量技術也必將產生深遠的影響，如何充分地利（lì）用（yòng）先（xiān）進（jìn）的（de）信息（xī）技術（shù）來改善（shàn）和提高對傳統參量（liàng）的計量技術（shù），將直接決（jué）定計量水平能否跟上全球信息化的浪潮而迅速提高。

　　在（zài）信息計量方麵，NIST已經開展了多年的研究，取得的成果直接服務（wù）於產業和國防，獲得了很好的經濟和社會效益。隨後，NPL、PTB以及NMIJ也（yě）相繼開展了信息計量的探索，其研究（jiū）深度和廣度正在逐年加大。我國對該領域的研究尚處起步階段，僅（jǐn）在個別方（fāng）向開展了探索（suǒ）性的研究，如數字圖像質量的評價和計量方法，以及（jí）現代通信係統可靠性定（dìng）量評價和計量方法等。

　　要展望接下來10年信息計量需要研究的內容以及其發展狀況其實是非常困難的，因為信（xìn）息技（jì）術（shù）本身的發展是難以預測的。然而，可以預見的是（shì），隨著計算機能力的不斷提高、通信速（sù）度的不斷（duàn）加（jiā）快、多媒體內容的不斷增多，信息係統（tǒng）將變得越來越複雜，這其中軟件複雜性和重要性的提（tí）升速度將遠遠大於硬件，因此可以肯定，對軟件係統的計量將逐漸占據信息計量的主導地位。因此，大力發展我國在信息技術軟件領域的計量可能是盡快趕上世界領先水平（píng）的最佳途徑。

　　資（zī）助項目:中國計量科學（xué）研究（jiū）院（yuàn）博士科研（yán）專項啟動基金(ATGQDB0808)
　　致謝:感謝高小珣研究員對作者在信息（xī）計量研（yán）究領域的關鍵性指導，以及具體研究過（guò）程中的大力支持。