中國計量科學研究院　方宏  卞昕  何昭  陶毅

資助項目:中國計量科學研究院博士科研專項啟動基金(ATGQDB0808)

第一屆《中國計量》中青年優秀科技論文獎一等獎獲獎文章

　　高技術國家的全面發展越來越依賴于先進的測量、測試技術以及相關基(標)準乃至技術協議的建立和發展。在20世紀工業社會的建設過程中，傳統物理、化學參量的計量發揮了極其重要的作用；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進的信息技術服務于計量成為我們必須面對的巨大挑戰，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世紀最主要的三大科技是納米技術、生物技術及信息技術，而計量科學是一切科學發展的基礎和重要保障，因此，大力地推動與以上3項技術相關的計量科學勢在必行。早在1997年，美國就提出了信息計量的概念，部分歐美發達國家以及日本的國家計量研究機構相繼成立了相關研究部門。目前，其研究成果已經在很大程度上推動了這些國家信息技術的高速發展，傳統參量的計量技術也從中受益，以美國國家標準與技術研究院(NIST)的信息技術實驗室(ITL)成果最為突出。在我國，信息計量尚未得到全面的重視和系統的發展，因此，盡快系統地提出信息計量的概念、研究范疇以及主要方向，推進我國信息計量的全面開展迫在眉睫。

一、信息計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、化學參量，其分支包括幾何量計量、力學計量、化學計量等，然而隨著近幾十年來信息技術的迅猛發展，影響國家工業、農業乃至整個人類社會發展的因素已遠遠不止這些經典參量，信息技術在其中的作用越來越明顯，甚至逐漸占據主導地位。由此也引發了計量學的巨大變革，信息計量學應運而生。雖然人們已在更早的時期開始了與信息技術有關的計量研究，但正式提出信息計量概念是在1997年NIST發布的內部報告中，該報告概括性地為信息計量劃定了3個主要研究方向:一是測量、測試及評估現代信息技術系統的各種屬性和特性，即對信息技術進行計量；二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準確性、可靠性、便捷性等，即信息技術輔助傳統計量；三是基于先進的信息技術產品，研究計量學中涉及的數學、計算機科學和統計學等基礎科學。

　　由于研究對象的不同，信息計量與傳統物理、化學參量計量存在較大的區別。首先，信息計量缺乏標準的國際單位制(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)，然而現在討論是否可以將其列為SI中第8個基本單位還為時過早；其次，目前還很難對信息計量進行準確的不確定度評定，雖然目前國際上有一些研究人員已經開始考慮對零一系列的絕對判決結果進行不確定度評定，但由于信息技術的復雜性和靈活多變性，對其進行準確的不確定度評定還有待時日；最后，也是最主要的一個區別在于信息技術發展的高速性，傳統物理、化學參量的計量大多以經典理論基礎為依據，而信息技術的日新月異，使得人們對信息計量的研究也必須更具時效性。因此，建立一套完善的測量、測試基礎架構對信息技術進行準確的計量，給新世紀的計量學帶來了巨大的挑戰。    

　　二、信息計量的主要研究方向及進展

　　信息計量的研究范疇非常廣泛，涉及信息技術的方方面面，有一些研究其實是伴隨著相應信息技術的誕生而并行開展的，只是之前尚未將其歸納到信息計量的范疇。而另一些研究則是信息技術發展到一定程度以后，提出了一些計量方面的需求，或者是人們發現可以將這些先進的信息技術應用到相應的計量學測量、測試中而誕生的。以下將基于信息計量3個主要方向的分類，對其主要研究內容以及國外先進計量研究機構近年來的研究狀況作一簡要介紹。

　　1.對信息技術的計量

　　(1)信息度量與數據挖掘
　　早在20世紀中葉，人們就已經意識到只有給出信息的度量，才能使信息的研究成為一門真正的科學。隨著全面信息化社會的到來，現在的人們比半個世紀前更加迫切地需要準確的信息度量工具和標準。如今的人們每天都可以輕而易舉地通過各種渠道獲得海量的數據，然而這些數據并不能稱為信息。過量的數據被人們稱為信息爆炸，帶來的挑戰是:一方面規模龐大、紛繁復雜的數據體系讓使用者漫無頭緒、無從下手；另一方面在這些大量數據的背后卻隱藏著很多具有決策意義的有價值的信息。因此，人們必須面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。而信息量的準確度量就成為數據挖掘成敗與否以及效率高低的根本判斷依據。這就給現代信息計量提出了一個重要的研究任務，準確地度量信息量，協助信息發現、信息提取以及信息存儲等。只有在一套公認的信息量度量標準和平臺建立的基礎上，信息交易、信息互換以及信息共享才可能得以實現。

　　國內外部分研究機構對該領域進行了長期的研究，一方面是對信息熵理論的改進，逐步完善其公理化體系；另一方面是關于數據挖掘的研究。NIST也成立了相關研究組，目標是建立、完善一套測量體系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
　　信息系統絕大部分都是由硬件和軟件兩部分組成的。相對而言，對硬件的計量要簡單得多，主要原因在于硬件方面的計量大多可以基于比較成熟的傳統物理參量進行計量，而軟件計量則是一個全新的、富有挑戰的領域。

　　在過去的半個世紀里，計算機硬件性能提升了近10個數量級，而軟件的發展速度卻遠遠沒有跟上這個步伐，主要原因之一在于軟件系統缺乏比較通用的、標準化的測試和評價規范，對其性能難以進行準確描述和預測。軟件的瑕疵或漏洞往往只有在運行時，甚至是長時間運行時才有可能顯現出來。軟件計量的任務就在于建立標準的模型、程序、測量和評估方法對軟件進行測試和度量，并以一定規范為基礎對軟件進行認證。測試和度量的內容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、復雜度、制作成本等。對軟件產品的認證類似于傳統計量中的校準，使得所計量的對象具有可溯源性。軟件計量的應用目標有眾多方面:準確地描述軟件產品的各方面性能；規范化地給出軟件產品的實際價值；評估開發該軟件所需的人力物力；評估使用新的軟件工程方法和工具給軟件開發帶來的收益等。

　　NIST在軟件計量方面投入很大，這也是他們最早開始信息計量領域研究的主要方向之一。目前，其研究重點是測量、評價軟件的可信賴性，并通過提出革命性的技術、模型以及測試方法和工具，達到降低研制和評價可信賴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)，就大大降低了對軟件進行遍歷測試所需的時間成本。

　　(3)通信協議測試與性能評價
　　通信系統主要包括硬件設備和通信協議兩部分，關于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，而對通信協議的測試和計量就完全不同于傳統計量，屬于信息計量中一個非常重要的研究內容。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，對通信系統中較低層的一些協議(如物理層協議的計量)近年來已逐漸開展，例如，對物理層中調制參數、編碼格式等部分協議內容進行測試和計量。然而對于更高層的通信協議，除NIST外其他計量研究機構很少涉及。通信協議測試主要包括一致性測試、互操作性測試，它們是互為驗證、互為補充的關系，只有把兩者合理地結合才能完成完整的協議測試。

　　通信系統的性能可以分為有效性和可靠性兩大類，其中有效性的指標包括傳輸速率、吞吐量、頻譜利用率等。相對而言，系統可靠性的評價就顯得更加困難，其主要原因在于:影響通信系統可靠性的因素非常多；根據系統使用場合的不同，系統失效的主要判據并不一致；根據用戶的不同，所關注可靠性的側重點不同。目前，對通信系統可靠性方面的評價還比較混亂，尚未形成一套完善的測度指標體系。然而，這種不健全的評價標準，對于國防通信系統、國家應急通信系統以及重大工程項目中的指揮通信系統等的影響非常顯著，因此，盡快完善通信系統可靠性定量評價標準的基礎理論，建立完整的可靠性測度指標體系，規范相應的可靠性實際測試和計量方法，成了信息計量亟待開展的一個研究方向。

　　NIST的先進網絡研究組對各種通信系統進行了仿真和性能評價，近年來，其研究項目包括Internet網絡基礎架構、3G蜂窩移動通信系統、無線自組織網絡以及量子信息網絡等方面。其關注的系統性能包括安全性、可靠性、可升級性等。近期，其工作重點之一是開展通信系統安全性的測試、評價與改進；另一研究重點就是探索使用新型的自組織網絡架構優化社會公共安全通信網絡，提高國家的綜合應急響應能力。

　　(4)密碼模塊評測與認證
　　密碼學是信息系統安全之源，任何安全協議或系統都是基于密碼而設計的，研究高效的密碼算法和實現機制是保障信息安全的必經之路。早期的密碼評測只針對密碼算法，之后人們發現這遠遠不夠，只有綜合測試整個密碼模塊，才能對其進行整體評價。所謂密碼模塊指的是包括硬件、軟件(包括算法和密鑰)以及固件在內所有的密碼實現集合。目前，依據有關技術和管理標準對密碼模塊進行評測與認證，已成為各國普遍采取的方法。

　　美國國家安全局(NSA)于1982年首先公布了僅適用于數據加密標準(DES)的聯邦標準FS1027。NIST在1988年將FS1027標準重新命名為FIPS140，此后驗證工作轉由NIST負責。NIST于1994年公布了FIPS140-1標準，將加密模塊的安全等級分成四級；1995年，NIST和加拿大政府的通信安全組織(CSE)共同建立了密碼模塊驗證計劃(CMVP)，負責維護FIPS140標準，并確保經過認證的模塊與標準相兼容。此后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，美國規定聯邦政府單位采購相關產品時，只允許購買通過FIPS140-1CMVP測試的密碼模塊產品。2002年，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范。目前，FIPS PUB 140-3草案正在修訂，計劃于2009年年底正式開始采用。

　　(5)數字化醫學影像計量
　　醫學成像設備所獲得的醫學影像質量對于幫助臨床醫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分辨率，能分辨細微特征，能夠客觀準確地反映被測物的斷面幾何特征，提供足夠的診斷信息。因此，醫學影像的評價是一個非常重要的環節。然而在醫學影像質量評價領域，目前還局限于主觀判斷，缺少客觀的計量學評價標準，如CT圖像中的對比度、分辨率通常都是由有經驗的觀察者目測確定。計算機技術的飛速發展推動了醫學影像的數字化，從而使得對數字化醫學影像進行計量學評價成為可能，為基于圖像處理理論研究定量評價方法提供了廣闊空間。在對醫學成像和醫學圖像進行分析的基礎上，從計量學的角度出發，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個重要的研究方向。由于其在醫學領域重要的應用前景，該領域的研究在NIST、德國聯邦物理技術研究院(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的重視?？梢灶A見，這將是信息計量中最早得到實際應用的技術之一。

　　(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人們生活的方方面面，如識別系統(包括語音識別、人臉識別、指紋識別等)、分布式傳感網絡、虛擬現實技術等，對這些無處不在的信息技術提供標準的測試方法以及準確的評價體系也是信息計量必須面對的研究課題。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際應用的廣泛程度決定。在其他國家，關于這些新興信息技術的計量工作開展得還非常少，尚未形成評測和認證標準，使得對于一些涉及關鍵應用的領域，對所選用系統的各方面性能只能進行定性的、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、信息計量的主要研究方向及進展

　　2.信息技術輔助傳統計量

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

　　 (1)遠程校準
　　隨著信息技術特別是計算機網絡技術的迅猛發展，網絡會議、遠程教育、遠程醫療、電子商務等基于網絡技術的新事物在資源共享、優勢互補、縮短時空距離等方面發揮了巨大的作用。傳統的計量技術也未能置身其外，結合先進的通信技術、互聯網技術、圖像、視頻技術的跨地域遠程校準技術(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、不利于國際比對等缺陷。1999年，國際測量和儀器會議(IMIC)上首次提出了基于Internet的遠程校準，不但在很大程度上降低了費用、提高了效率，而且在校準的實時性、可靠性和安全性方面均有所改進。目前，計量所需的標準量值可以大致分為兩類:一類是以實物標準為載體，通過實物的測量來復現，計量校準的主要過程需要與實物標準進行比較測量，而信息技術不能實現對實物的傳遞，因此，對這類標準目前還很難實現遠程校準；另一類標準不以實物為載體，而以規定的方法或自然常數為基礎，如在同一個運動坐標系內的頻率標準，以時間頻率為基礎的占空比參數，以相對關系為基礎的調制度參數、比例參數、衰減參數、相位參數、噪聲參數等，這些標準理論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對這類參量展開的。

　　近年來，歐美發達國家的計量研究機構紛紛開展了遠程校準方面的研究，其中有一些較為成熟的研究成果已經投入到實際應用之中。例如，NIST開展的項目有大流量氣體流量計校準、電量多功能校準儀校準以及大尺寸離子輻射源校準。NPL開展了對標準電阻與電壓的遠程校準以及網絡分析儀的遠程溯源。PTB開展了偏振中子衍射計的遠程校準。在亞洲，NMIJ從2001年到2008年分兩期對遠程校準展開了重點研究，目前，在時間頻率、光學頻率、約瑟夫森電壓、放射學等方面的遠程校準取得了較好的成果。遠程校準服務在我國是一個全新的技術領域，它不僅是技術問題，還涉及相應檢測/校準規范的健全與完善。近年來，我國政府也充分認識到了發展遠程校準技術、開展系統研究對提高我國下一代計量校準技術的重要性，因此，目前以時間頻率為主要突破口的全面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，并提議(2009年)將在中國召開的中日韓計量研討會上設立“遠程校準E-trace技術及發展展望”專項技術講座，詳細探討各國最新研究進展。

　　(2)可重構測試系統
　　長期以來，人們認為測試系統可以分為軟件實現和硬件實現兩大類。軟件實現方法，主要特征是在由微處理器、內存和部分簡單的外設組成的電子系統里，通過軟件程序實現大部分的邏輯處理和運算功能，而外設只起輔助作用；硬件實現的方法，主要特征是由特定的運算或處理單元完成系統主要的計算工作，微處理器或者被省略，或者只起協調各部件工作的作用。這兩種方法各有優缺點，軟件方法開發簡單、靈活可變、易升級，但通常運行速度慢、效率低，很難實現實時測試的要求；硬件實現方法可為目標任務特別定制，運行效率高、速度快，可實現高速實時測試，但硬件開發周期長、一次性投入大、缺乏靈活性、難以升級，很難適應被測對象特別是電子類產品飛速地發展和較強的多樣性。為了綜合軟硬件各自的優勢，近年來人們提出了可重構測試系統的思想，改變了以往由儀器廠家定義儀器功能、用戶只能使用的局面，進而提供用戶可自定義儀器功能、可根據不同測試需求對儀器進行重構的能力。該結構的核心思想是在一個最小集合的、低成本的通用硬件平臺基礎上，由用戶通過軟件的控制來實現不同的儀器功能，本質上是利用可編程器件可多次重復配置邏輯狀態的特性，在運行時根據需要動態改變系統的電路結構，從而使系統兼具靈活、簡捷、硬件資源可復用、易于升級等多種優良性能。

　　可重構測試系統一個典型的例子就是軟件無線電測試系統，目前，無論是在學術界還是工業界，這項技術已經成為一個炙手可熱的研究課題。各國的計量研究機構對此也投入了很大的研究力度，美國、德國、日本在該領域處于比較領先的水平，部分產品已商業化。近年來，我國對軟件無線電也給予了較大的重視和投入。

　　(3)自動測試系統
　　隨著科技水平的飛速發展，各領域的高技術產品的復雜程度日益提高，測試參量種類、測試難度以及測試實時性要求迅速增加，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靠運行的基本需求，自動測試系統正逐步體現出其巨大的優越性。早在20世紀中后期，美國等發達國家就開始了自動測試系統的研究，但由于技術復雜、造價高昂等原因，自動測試系統僅應用于軍事領域。近年來，隨著計算機軟硬件技術以及高速總線控制技術的飛速發展，自動測試系統在更加廣泛的領域得到了應用。其主要優勢在于: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測任務；加大掃描測量點分布密度，提高測量準確度；減少測量過程中人為因素導致的系統誤差和隨機誤差；降低了對測試人員的技術水平要求；減少人員勞動量。自動測試系統必將成為新世紀測量、測試領域的主要發展方向之一，其發展水平將成為評價國家計量技術水平的一個關鍵因素。

　　3.計量學中涉及的基礎信息科學

　　(1)基于計算機仿真的測量不確定度評估
　　測量不確定度的評定和表示方法是計量學中非常重要的一項內容，如何對測量(檢測、校準)結果進行準確的不確定度評定以及規范的表示，決定了該測量(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個國際組織就聯合發布了《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結果及其質量進行評定、表示和比較。然而，傳統的GUM評估方法在解決非線性模型、不易求導的模型等一些復雜問題時，存在明顯的局限性，而且使用該評估方法需要具備一定的數學基礎和對評估對象豐富的測量經驗，該方法不易進行程序化、規范化，因此,使得測量不確定度評定成為一項比較復雜且難以掌握的技術。隨著近年來計算機仿真技術的飛速發展，一些更高效、更具適應性的評估方法也不斷被提出，最近JCGM發布了GUM的補充條款，GUM Supplement1——基于蒙特卡羅方法的分布傳播法，使用該方法不但可以更快、更準確地計算測量不確定度，而且可以應用到以往評估方法難以解決的一些復雜問題中。該方法的核心思想是，采用計算機仿真方法，通過大量的隨機事件實現影響測量結果的各獨立因素的分布，并對這些隨機事件進行隨機的組合，通過計算得出最終測量結果的隨機分布，從而評定其測量不確定度。該方法的實現是建立在現代高計算能力、高存儲能力計算機技術的基礎上的，其主要優勢在于計算效率高、適應性強、可形成標準的計算模塊等?；诿商乜_方法的測量不確定度評定方法還屬于一項新興的技術，近年來，不但在各國的計量研究機構中得到了重點的關注，在國外一些高校的數學或計算機等基礎信息科學研究部門也進行了大量的研究?？梢灶A見，基于計算機仿真的方法必將成為測量不確定度評估的主要發展趨勢。

　　(2)有限元法仿真分析
　　有限元法是一種數值求解方法，20世紀50年代初被提出時，其首先應用于連續體力學領域，用以求解結構的變形、應力、固有頻率以及振型。其主要思想是把一個大的結構劃分為有限個稱為單元的小區域，在每一個小區域里，假定結構的變形和應力都是簡單的，小區域內的變形和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。該方法的計算準確度直接取決于所分小單元的個數，由于當時計算機運算速度和存儲容量的限制，很難進行大容量的計算，因此該方法實際上很難應用。然而，隨著近10年來計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常廣泛，包括絕大部分需要求解微分方程的領域(如流體力學、熱學、電磁學、聲學等)。因此，有限元法對于這些傳統物理參量的測量、基(標)準的建立以及量值傳遞也具有廣泛的應用前景。近年來，NIST數學與計算科學研究組在有限元領域進行了大量的研究，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

　　以上列出的研究內容只是信息計量學中的一部分，隨著全球信息化的不斷推進，信息技術日新月異飛速發展，計量的任務一方面是提供可靠、準確的測量、測試平臺和方法；另一方面是對系統的特性給出合理的測度指標，進行定量的評價以及標準的認證。對于先進的信息技術而言，這兩項任務是相輔相成的。然而，隨著一項技術的誕生、發展到成熟，人們往往將大部分的研究精力都放在對這項技術的測量、測試方面，而對其各方面性能的評價相對較少，且往往停留在定性的層面。隨著這些信息技術在民用和軍用領域的深入應用，定性地評價已遠遠不夠，如何實現對這些新興技術各方面性能量值準確、單位統一的定量評價就成了現代計量研究必須解決的一個問題。另一方面，信息技術的飛速發展對傳統計量技術也必將產生深遠的影響，如何充分地利用先進的信息技術來改善和提高對傳統參量的計量技術，將直接決定計量水平能否跟上全球信息化的浪潮而迅速提高。

　　在信息計量方面，NIST已經開展了多年的研究，取得的成果直接服務于產業和國防，獲得了很好的經濟和社會效益。隨后，NPL、PTB以及NMIJ也相繼開展了信息計量的探索，其研究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，僅在個別方向開展了探索性的研究，如數字圖像質量的評價和計量方法，以及現代通信系統可靠性定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，因為信息技術本身的發展是難以預測的。然而，可以預見的是，隨著計算機能力的不斷提高、通信速度的不斷加快、多媒體內容的不斷增多，信息系統將變得越來越復雜，這其中軟件復雜性和重要性的提升速度將遠遠大于硬件，因此可以肯定，對軟件系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的最佳途徑。

　　資助項目:中國計量科學研究院博士科研專項啟動基金(ATGQDB0808)
　　致謝:感謝高小珣研究員對作者在信息計量研究領域的關鍵性指導，以及具體研究過程中的大力支持。