數字校準證書及其應用

肖天雷 王舒卉 趙藝博 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

隨著時代的發展和科學的進步，數字化已經使人們的衣食住行發生了革命性的改變。目前，金融、企業生產、通信、醫療衛生等領域都已經開展了數字化改革。國務院《計量發展規劃( 2021-2035年)》中明確提到要加強量子計量、量值傳遞扁平化和計量數字化轉型技術研究。因而，計量作為現代工業生產中重要的組成部分，其數字化轉型也迫在眉睫。

計量的數字化轉型覆蓋了計量的所有領域，從行政管理到研究，再到日?；?，包括目前在數字化客戶的門戶、電子文件和人工智能計量、研究數據管理和質量基礎設施中的數字證書等[1]。同時，計量數字化是一個持續的進程，要求能夠將物理計量世界全面映射到數字計量世界，利用數字世界溝通、信息共享、診斷、預測、模擬的優勢，與物理世界形成交互和反饋，直接推動計量發展，最終實現數字世界中量值的統一與溯源，以及對數據和算法的信心與信任[2]。

目前，通過LIMS 系統和各大門戶網站的信息化改造，在日常管理、客戶服務等方面已經完成了較完善的數字化改造。然而，計量最直接的產物是包含大量數據的計量證書，其中又以校準證書占比最大。目前，校準證書還沒有完成數字化轉型，僅將原有的紙質證書轉變成電子圖片形式（如pdf 格式），這只能被稱為校準證書的電子化。

1 數字校準證書

1.1 概念和結構

為了實現校準證書的數字化，數字校準證書（DCC）這個概念應運而生。經過不懈的努力，德國聯邦物理技術研究院（PTB）牽頭和一些儀器儀表廠商（如西門子、維薩拉、貝美克斯等）共同研發了一版滿足大部分使用需求的數字校準證書編制規則，并且該規則每年仍然在研究和更新中。

數字校準證書旨在建立一套國際通用的，能覆蓋計量全領域的交換格式。它不僅能夠以數字孿生的形式服務工業數字化、智能化，還可以應用在法制計量的領域[3]。數字校準證書以可擴展標記語言（XML）作為數據交換的格式，結合數字國際單位制（D-SI）[4]和其他計量規則和指南（如VIM、GUM、CODATA、ISO/IEC 17025），最終形成一份機器可讀、準確可靠的數字記錄。

一份數字校準證書必須包含涉及的標準與技術規范以及加密和認可信息[5]，它的基本結構如圖1所示，包括：1）行政管理類數據：該項目為嚴格受控項，主要包括設備基本信息、校準服務提供者信息、校準日期、校準人員、證書標識等；2）校準數據：該項目為部分受控項，主要包括參數描述、測量數值、單位、校準不確定度、擴展因子等；3）注釋信息：該項目為非受控項，主要包括和校準相關的圖表、曲線、視頻等信息；4）文檔：該項目為附加項，主要呈現為該數字校準證書的人類可讀版本。

圖1 數字校準證書結構

1.2 數據基本格式

數字校準證書（DCC）中的校準數據部分是依托D-SI 的規則創建的，主要包括數值和單位，也可以添加標簽和不確定度作為可選元素。圖2 是一個壓力量值的XML 格式表達。

圖2 壓力量值的XML 表達

其中，D-SI 以7 個SI 基本單位為基礎，通過“前綴-單位-指數”的形式，將SI 導出單位和非SI單位進行數字化表達，從而完善了計量單位的數字化表達方式。表1 列舉了常用單位的表達方式。

表1 D-SI 單位表達舉例

2 數字校準證書的應用

數字校準證書除了能更進一步地減少人為因素對校準結果的影響之外，相較于目前pdf 格式的電子證書，其最大的特點是機器的可讀性，且便于融入儀器設備和算法當中。這也使其能夠直接參與生產和質量控制的過程，最終幫助用戶節約成本，提高效率與安全性。

計量技術機構為擁有不同的儀器設備的企業提供服務，并產生大量的校準數據和校準證書，而且不同企業之間的管理平臺也不同，所以，整個網絡就會變得非常復雜，并且需要通過人工的方式進行校準證書數據的交換。例如，雖然pdf 格式的校準證書已經為企業節約了紙張和存放空間，但當管理人員需要對這些證書中的數據進行整理并錄入企業的管理系統時，仍然需要手動進行數據的輸入，完成校準數據從pdf 格式到管理平臺錄入格式的交換。當面對海量的設備或傳感器網絡的校準數據時，這種操作方法就顯得費時費力，還會因為人為因素導致輸入錯誤，進而提高了管理和決策風險。

儀器儀表校準數據的全面數字化和自動化，使得相關企業能夠利用校準數據完善其資產設備的數字模型，生成該設備的數字孿生。通過數字校準證書，系統可以直接讀取設備的校準數據，使得該數字孿生不僅包含設備原本的信息、性能、特征，還能包括溯源和計量數據。利用數字孿生，設備和系統可以在安全的數字測試環境中進行模擬、測試與分析，生產流程也可以進行優化和改進，而不需要產生任何實際的改變。所以，數字孿生技術將是未來企業建設的關鍵技術，而數字校準證書能讓數字孿生模型更加完整，也讓管理系統更加高效。

同時，校準數據變為機器可讀之后，系統可以直接利用這些數據對整個生產流程和所有儀器設備進行監控和分析，有助于實現預防性維護。系統可以通過這些歷史數據進行快速地查找和歸納，以及趨勢分析，從而實現風險管控，保障生產安全。此外，它也為審計工作提供了極大的便利，取代人工翻閱證書查找數據的傳統流程。

3 展望與挑戰

目前數字校準證書的發展還處于起步階段，雖然中國計量科學研究院于2020年完成了數字國際單位制和數字校準證書相關規則的翻譯和引進工作，但到目前為止還是沒有成熟的產業應用，它仍然面臨許多問題和挑戰。

首先，該技術和協議必須得到從企業到計量技術機構各方面的認可，也需要對各方內部管理系統、各廠商生產的儀器儀表進行數字化改造，這對小型企業來說成本較高。但只有這樣，數字校準證書才能發揮最大的功效，實現真正的互通互認、跨平臺傳輸和識別。

其次，網絡安全和數據安全是一個重要的問題。數據的真實性和完整性需要依靠穩定可靠的傳輸方式，而數字文件數據容易被復制的特點也需要采用合適的加密安全措施。對于計量技術機構而言，保障數據安全并非主業，所以可能還需要數據安全專家來為數字校準證書保駕護航。

4 結語

數字校準證書（DCC）主要具有機器可讀性、加密型、統一性、可追溯性等特點。雖然它的推廣與應用目前仍處于起步階段，但校準證書數字化必將是大勢所趨。對于企業而言，數字校準證書可以完善數字工廠的建設，提高智能制造的效率和安全性，幫助企業降本增效，實現真正的智慧工廠。對于計量技術機構而言，數字校準證書可以減少自身的勞動成本、減少人工操作，提高校準質量。

雖然數字校準證書的應用還存在一些問題，但隨著計量數字化的推進和其自身的發展，必然有越來越多的企業參與和使用數字校準證書，它也一定會變得更加安全、準確，幫助工業系統實現全面的數字化。