为什么需要考虑测量不确定度？

问：为什么需要考虑测量不确定度？

答：当报告物理量的测量结果时，应对测量结果的质量给出定量的说明，以便使用者能评价其可靠程度。 如果没有这样的说明，测量结果之间不能进行比较，测量结果与标准或规范中给定的参考值之间也不能进行比较。所以必须要有一个便于实现、容易理解和公认的方法来表征测量结果的质量，也就是要评定和表示其测量不确定度。

1：什么是测量不确定度？

在ISO 指南 99:2007《国际计量学词汇 基础和通用概念及相 关术语》(缩写 VIM)中，对测量不确定度的定义如下：

利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。

在传统的定义中也可以认为是, 由测量结果给出的被测量的估计值中可能存在的误差的度量; 表征被测量的真值所处的量值范围的估计。

以下与不确定度相关的概念也经常在VDA5中碰到。

标准不确定度：以标准差表示的测量不确定度。

不确定度的A类评定：对在规定测量条件下测得的量值用统计分析的方法进行的测量不确定度分量的评定。

不确定度的B类评定：用不同于测量不确定度 A 类评定的方法对测量不确定度分量进行的评定。

合成标准不确定度：由在一个测量模型中各输入量的标准测量不确定度获得的输出量的标准测量不确定度。

扩展不确定度：合成标准测量不确定度与一个大于 1 的数字因子的乘积。

2:测量不确定度的历史是怎样的？

正如国际单位制(SI)在全世界的普遍使用已经与所有科学和技术测量相结合一样，全世界对测量不确定度的评定和表示方法取得共识，给出易于理解和有恰当释义的规则，将会对科学、工程技术、商 贸、工业中大量的测量结果具有极为重要的意义。在市场全球化的时代，在全世界统一不确定度的评定和表示方法势在必行，以便使不同国家进行的测量可以容易地相互比较。

由于国际上对测量不确定度的表示缺乏一致的意见，国际最高计量权威机构——国际计量委员会 (CIPM)于 1977 年要求国际计量局(BIPM)与各国家标准实验室协调解决这一问题，并制定出一份建 议书。

BIPM 召集了一次会议，其目的是为了对不确定度规定 一个统一的能被大家所接受的评定和表示方法; 会议成 立的不确定度声明工作组起草了一份建议书 INC-1(1980)《实验不确定度的表示》

INC-1(1980)建议书《实验不确定度的表示》

(1) 测量结果的不确定度通常包含若干个分量，根据其数值的评估方法不同分为两类:

A 类:用统计方法评定的分量;

B 类:用其他方法评定的分量。

A 类和 B 类不确定度与以前所用的“随机”和“系统”不确定度之间并不总是存在简单的对应关系。

“系统不确定度”这个术语容易引起误解，应该避免使用。 任何有关不确定度的详细报告应该有一个完整的分量明细表，对每个分量应该说明其数值的获得方法。

(2) A 类分量用估计方差 si2(或估计标准差 si)及自由度v i 表征。适当时，应该给出协方差。

(3) B 类分量应该用 uj2 表征。可以认为 uj2 是假设存在的相应方差的近似。可以像方差那样处理 uj2，并像标准差那样去处理 uj。适当时，也应该以同样方法给出协方差。

(4) 合成不确定度应该采用常用的方差合成方法得到的数值表征。合成不确定度及其分量应该用 “标准差”的形式表示。

(5) 对于特殊应用，有必要用合成不确定度乘以一个因子获得总不确定度，并且必须声明被乘因子。

CIPM 于 1981 年 批准了该建议书，并于 1986 年再次肯定了该建议书 。

CIPM 委托国际标准化组织(ISO)来编制一个详细的指导性文件,因为 ISO 能更好地反映工业和商业各界的广泛 需要; ISO 指定其所属的计量技术顾问组(TAG 4)来承担此项任务, 在 TAG 4 工作组中，还有与 ISO 在这一领域有共同兴趣的 6 个国际组织: 国际电工委员会(IEC)(它是 ISO 在全球标准化方面的合作伙伴)，国际计量委员会(CIPM)，国际法 制计量组织(OIML)，国际理论化学和应用化学联合会(IUPAC)，国际理论物理和应用物理联合会 (IUPAP)，国际临床化学联合会(IFCC)。

BIPM、IEC、IFCC、ISO、IUPAC、IUPAP 和 OIML 1993 发布的GUM:1993 并于 1995 年勘误重印的《测量不确定度表示指南》(GUM:1995)。

GUM 建立了测量不确定度评定和表示的通用规则，适用于广泛的测量领域。GUM 基于 CIPM 的 建议书 CI-1981 和不确定度声明工作组的建议书 INC-1(1980)。该工作组是 BIPM 应 CIPM 的要求成立的。

不同测量领域的实验室目前已形成用于评价测量结果质量的测量不确定度方法，包括建立测量模型，计算A/B两类测量不确定度，计算合成测量不确定度，计算扩展不确定度。但就象GUM中说明的那样，通常只有明确了无穷多的信息，被测量真实值才能被定义出来，故所有的模型都仅仅是基于现有可利用知识建立的模型。

CIPM 建议书是唯一被政府间国际组织采用的关于测量不确定度表示的建议

3:总结

以福特和通用汽车为代表的汽车行业在质量控制领域提出用统计的方法，对测量过程中的变异来源进行分析，最有名的就是目前大家所熟知的GR&R研究，这种研究是基于误差理论，评估测量过程的随机误差，从测量不确定的角度来讲，这只是不确定度A类评定方法的具体实践，在GR&R的研究中，将测量的随机误差与过程变差或公差的百分比计算出来，提出测量过程的能力的概念，强调观测测量值的变差中由于测量过程所导致的变差是否可以忽略不计。

虽然在汽车行业MSA的分析方法应用非常普遍，但仍然有两个重要问题没有解决，一是进行MSA分析时，没有考虑零件特征值内部的变差，另一个是MSA研究时，对环境温度对测量特征值的变差没有精确的评估。

在2010年第二版VDA5中，一方面满足GUM的要求，评估在测量条件下的各种”现实”的测量不确定度分量，同时将MSA分析出来的测量误差做为测量不确定度的分量集成在最终的合成不确定度中，并将扩展测量不确定度与测量要求相关的公差相比较，计算测量系统能力和测量过程能力。在ISO22514-7中，同样参照了VDA5:2010的做法，考虑测量过程中所有已知的不确定度分量。在ISO14253中也提出需要评估测量不确定度，以判断产品合格的公差区域范围。已经有越来越多的汽车主机厂开始重视基于测量不确定度评价的测量过程能力评估方法了。

随着工业大数据时代的来临，对数据质量的评价将会变得越来越重要，测量不确定度的分量分析及评价对于提高数据质量必将有更多的实际意义。