德國精密計量的進(jìn)化

計量是一個(gè)國家質(zhì)量基礎設施的基石之一。它是世界權威秩序的確立者，全球用的質(zhì)量、尺寸等測量方式，都有一個(gè)基準老祖宗。例如衡量重量的砝碼，最原始的基準就藏在法國，各個(gè)國家像從雅典娜獲取奧運圣火一樣，定期跟它比對。之后各個(gè)國家的砝碼，也變成祭奉在上的祖宗，可以朝拜，但不可使用。它的任務(wù)就是基準，然后各級計量開(kāi)始向下逐級復制，完成傳遞，最后變成了我們身邊的體重秤。它用一個(gè)一個(gè)現場(chǎng)，一個(gè)一個(gè)實(shí)物，維持了一個(gè)國家，或者整個(gè)世界的秩序、公平和安定。

如果這一切都被數字化之后，那么維持權威的力量，是否還能莊嚴的保存呢？

計量，連同認證、合格評定、標準規范一起，再加上市場(chǎng)監督的力量，組成了一個(gè)復雜的國家質(zhì)量基礎設施(NQI)系統。它們看似在一起，但各自運作方式和機構又迥然不同，政府在其中的力量時(shí)大時(shí)小，企業(yè)對它帶來(lái)的便利和成本則是恨不得又離不得。而數字化轉型是讓這些挑戰倍加凸顯。

作為全球精密測量的締造者，德國計量領(lǐng)域正在全面擁抱數字化，從數字校準證書(shū)和虛擬測量?jì)x器到研究數據管理，以及數字支持的測試和審批流程，包括不受軟件形式干擾數據處理方法。這些都為方興未艾的復雜網(wǎng)絡(luò )系統和人工智能方法工作的演進(jìn)打下了良好的基礎。

數字轉型不可避免地覆蓋了計量的所有領(lǐng)域，從行政管理到研究，再到日?；?dòng)，亦包括目前在數字客戶(hù)的門(mén)戶(hù)、電子文件以及人工智能計量、研究數據管理和質(zhì)量基礎設施中的數字證書(shū)和過(guò)程方面的發(fā)展。計量數字化轉型是一個(gè)持續的過(guò)程，是數字經(jīng)濟時(shí)代無(wú)法舍棄的錨點(diǎn)。任何數字化，都需要一個(gè)出發(fā)基點(diǎn)?，F在這個(gè)基點(diǎn)，也要數字化了。

虛擬的世界，再快一步

作為德國的國家計量機構，德國計量研究院PZB是工業(yè)運行的****官。其核心法律任務(wù)之一是根據《單位與時(shí)間法》確保計量的一致性，計量單位要可溯源不走樣的基礎上進(jìn)行。確保測量真實(shí)、測量穩定和可測試性，支持這些領(lǐng)域的國際協(xié)調，是確保德國機電出口貿易穩居全球第一的一道****長(cháng)城。當人們都在贊譽(yù)德國制造的時(shí)候，我們很難發(fā)現這艘掛滿(mǎn)彩旗的萬(wàn)噸巨輪之下，深潛海底的計量基石。

能源轉型在德國是政治正確的最大事項之一。計量數字化，對能源轉型至關(guān)重要。如果沒(méi)有智能電網(wǎng)，以數字方式支持分布能源供應之間的相互作用，就很難實(shí)現成功的能源轉型。通過(guò)數字基礎設施對電力消耗和電網(wǎng)參數的可靠測量以及優(yōu)化它們之間的通信能夠極大地提升電網(wǎng)智能化和效率。2020年初，德國智能電表網(wǎng)絡(luò )(SMGWs)正式推出，并將計量要求與安全相關(guān)要求和檢定立法要求相結合，并強調了加強跨學(xué)科合作和有效協(xié)調的必要性。德國是全球新能源轉型最可靠的孵化器，沒(méi)有它最早的立法要求，全球的光伏行業(yè)包括中國在內的進(jìn)展速度，恐怕至少要向后延期10年。美國、日本都在光伏技術(shù)上都有很大推動(dòng)，但在立法上都沒(méi)有像德國那樣樹(shù)立標桿。而新能源的入網(wǎng)，將會(huì )以其飄忽不定的頑劣性，多元化的分布式，都會(huì )對既有強健的電網(wǎng)構成了10倍速以上的沖擊。計量，至關(guān)重要?？紤]到很多早期交易投機者，還在利用電網(wǎng)的實(shí)時(shí)交易方式，獲取收益，每一秒每一度電的計量精確度，都是一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的鏖戰。

為了能夠在數字化的世界中確保計量的一致性，數字校準證書(shū)(DCC)必不可少。德國“虛擬測量?jì)x器計量”中心(VirtMet)正在研究真實(shí)測量和虛擬測量的可比性，并研究機器學(xué)習和人工智能(AI)的客觀(guān)評估方法。目前，德國數字校準證書(shū)(DCC)已經(jīng)形成了一個(gè)穩定的版本，并成為計量、科研和工業(yè)的國際合作伙伴協(xié)調的基礎。在“虛擬測量?jì)x器計量”方面，德國已經(jīng)啟動(dòng)了幾個(gè)跨領(lǐng)域跨機構的項目，并取得了初步的成功。對于人工智能方法的評估，許多項目已經(jīng)啟動(dòng)，第一批應用程序已經(jīng)發(fā)布。 

四可法則下的數據

數據驅動(dòng)的研究和業(yè)務(wù)，只有在可靠的數據和可持續使用的情況下才能實(shí)施。研究資助機構越來(lái)越多地要求對研究結果進(jìn)行適當的記錄，并長(cháng)期存檔，盡可能向公眾公開(kāi)提供。數據管理的這些需求被縮寫(xiě)為“FAIR data”，即所謂：數據應該是可找到的、可訪(fǎng)問(wèn)的、可互操作的和可重用的。

通過(guò)四可法則，以前評估和發(fā)表的數據就可能作為新的問(wèn)題和研究工作的基礎。這些原則也越來(lái)越多地進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，其中一個(gè)數據基礎設施系統將與歐洲云和數據基礎架構“蓋亞”（GAIA-X）鏈接。蓋亞計劃是歐洲最為野心勃勃的大數據中心的大本營(yíng)。在此之下，國家數字質(zhì)量基礎設施（NQI-Digital）也自然登云入殿，規范整個(gè)過(guò)程的數字化，尋找全新價(jià)值創(chuàng )造。

德國很積極。德國國家研究數據基礎設施(NFDI)和歐洲開(kāi)放科學(xué)云(EOSC)，是科學(xué)研究領(lǐng)域的對應參與方。德國計量研究院主動(dòng)從底層做起，參與了元數據、數據質(zhì)量和數據持久標識符的標準化；而在歐洲開(kāi)放科學(xué)云領(lǐng)域，德國則在歐洲計量組織 (EURAMET)的活動(dòng)框架內參與，確保數據遵守四可法則。 

德國計量研究院正在追求開(kāi)展以數據為基礎的研究和開(kāi)發(fā)，保證質(zhì)量和可重復性的目標。這使得數據管理、軟件質(zhì)量框架的開(kāi)發(fā)、建立電子實(shí)驗室手冊以及在數字環(huán)境中一致使用元數據和詞匯等方面的綜合概念顯得尤為迫切。

2019年，德國計量研究院聯(lián)合工業(yè)界和研究合作伙伴成功商定了基于國際單位制(SI)的智能計量數據通用元數據模型(D-SI)。數據格式要在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和信息物理系統等新的數字環(huán)境中經(jīng)受住考驗，則要必須被機器和人類(lèi)無(wú)誤地理解。如果數據格式不可靠，諸如醫療保健或家用電表等數字應用程序出現問(wèn)題，其后果將是無(wú)法想象的。智能計量數據通用元數據模型(D-SI)目前已經(jīng)被廣泛應用于歐洲旗艦智能通信項目（SmartCom）和數字化轉型校準測量系統項目（GEMIMEG-II）的機器可讀數字校準證書(shū)。

數字空間，設計計量

新的測量工具通常包含分布式的、部分虛擬化的組件，并使用來(lái)自云的服務(wù)。然而，在監管領(lǐng)域，當測量設備包含現代通信和信息技術(shù)時(shí)，在批準和合格評定方面卻并不完美。過(guò)于復雜的測量與合格評定，導致制造商越來(lái)越認為這是創(chuàng )新的阻礙，導致長(cháng)期競爭中的劣勢。因此，在數字化的網(wǎng)絡(luò )經(jīng)濟和工業(yè)中，處理測量數據以及將測量?jì)x器數字化連接的一體化方案是十分必要的，且必須滿(mǎn)足法律和工業(yè)計量的要求。當下，由于受制于不同的法律和組織框架條件，這兩個(gè)領(lǐng)域在計量工作上基本上是分開(kāi)的。然而，在數字化轉型的過(guò)程中，這些嚴格的邊界劃分正變得越來(lái)越模糊，因為使用了類(lèi)似的組件，數據在一定程度上是跨兩個(gè)領(lǐng)域的邊界應用的。

因此，理想情況下，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應該已經(jīng)考慮了適當的數據模型，用于測量數據的通信。例如與“計量云”的連接以及關(guān)于測量裝置的數字信息的有效使用，即“設計計量”。在D-SI、計量云、校準和合格評定的數字證書(shū)方面的活動(dòng)中，德國計量研究院已經(jīng)積極支持這一原則的發(fā)展。德國計量研究院還與德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合（VDMA）合作，在開(kāi)放平臺通信統一架構（OPC-UA）通信標準過(guò)程中實(shí)現工業(yè)4.0應用的智能計量數據通用元數據模型(D-SI)導入，并在化學(xué)標準中與國際過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化用戶(hù)協(xié)會(huì )（NAMUR）合作。德國計量研究院的其他領(lǐng)域也在有序的展開(kāi)數字化轉型合作。 

安全價(jià)更高，開(kāi)源更可靠

數據隱私、信息安全開(kāi)發(fā)和使用數字技術(shù)的工作流程和高質(zhì)量的基礎設施流程中“安全性”和“設計私密性”的方案對于確保各個(gè)參與方的互信是不可或缺的。這意味著(zhù)在軟硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一方面從一開(kāi)始就考慮數據保護，另一方面又盡可能地減少漏洞，減少對攻擊的敏感性。德國數字轉型的各個(gè)組成部分在中長(cháng)期將以特定方式組合在一起，從而形成一個(gè)統一的整體構架。德國計量研究院有意依賴(lài)免費開(kāi)源軟件，來(lái)擴展用于通信和協(xié)作的數字工具，以便這些工具以后可以與其他工具無(wú)縫融合。新工具將通過(guò)一個(gè)涉及用戶(hù)和數據隱私、信息安全和數字化方面的專(zhuān)家的聯(lián)合進(jìn)行評估。

在德國計量研究院的數字工具箱中，最重要的構建模塊之一是電子文件。它是一個(gè)中央電子文件管理系統，所有的德國計量研究院文件都可以在該系統中方便地存儲和檢索，并支持空間靈活的聯(lián)合工作。德國計量研究院不同領(lǐng)域的資源陸續被納入電子文件系統。為了確保高效和有效地使用，德國計量研究院提供全面的培訓和電子文件系統方案。為了能夠在新冠疫情下繼續這一進(jìn)程，這些方案越來(lái)越多地被虛擬化、線(xiàn)上化，并特別增加了視頻說(shuō)明。

另一個(gè)數字構件是客戶(hù)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站E-services。有了這項服務(wù)，德國將建立基于網(wǎng)絡(luò )的訂單數據處理系統，并與德國計量研究院的電子文件系統緊密相連接?？蛻?hù)門(mén)戶(hù)將成為合格評定和校準領(lǐng)域的客戶(hù)的中央數字聯(lián)絡(luò )點(diǎn)，并將確保信息的輕松上傳和訂單的管理?！坝嬃糠?wù)數字工作流”的目標是將這些構件模塊與其他數字開(kāi)發(fā)和工具集成。

傳感器，挑戰計量極限

計量數字化轉型給計量領(lǐng)域帶來(lái)了諸多挑戰，這是計量研究和開(kāi)發(fā)工作必須面對的。在這方面的案例包括使用數字孿生作為虛擬測量?jì)x器，復雜通信系統，使用復雜傳感器網(wǎng)絡(luò )工作和人工智能(AI)方法的使用增加。

計量數字轉型領(lǐng)域研發(fā)項目的重要特點(diǎn)是學(xué)科交叉程度很高。它包括基于最多樣化的測量程序的復雜性和網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)，這些測量程序必須具有計量特征，以確?？煽?。然而，類(lèi)似自動(dòng)駕駛和異構傳感器網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的巨大的數據、通訊問(wèn)題，使得傳統的計量方法正日益達到其極限。多樣化的測量原理與復雜的數學(xué)模型，令人生畏。

和統計方法甚至與人工智能相結合。從長(cháng)遠來(lái)看，只有轉變計量的整體思維和工作方式，轉變?yōu)椤罢w”或“系統”計量，才能應對所有這些挑戰。

人工智能日益發(fā)揮著(zhù)催化劑的作用，極大地加快了數字產(chǎn)品和服務(wù)的發(fā)展。如何用明確的規則來(lái)描述質(zhì)量基礎設施（NQI），推動(dòng)數字化NQI的落地，這是人工智能應用反向倒逼的一個(gè)結果。德國聯(lián)邦政府調查委員會(huì )將人工智能視為數字化推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的未來(lái)。與經(jīng)典算法相反，人工智能方法的算法是在數據的幫助下訓練出新的智能模式識別。另一個(gè)因素是人工智能方法的高度適應性。

然而，這也可能導致未識別的訓練數據特征在算法中無(wú)意中被使用。與其他傳統軟件不同的是，僅基于源代碼檢查人工智能算法幾乎是不可行的。它跟科學(xué)產(chǎn)品、儀器和法律職責都有著(zhù)密切關(guān)系，道德倫理也在其中。德國計量界正在建立相關(guān)能力。特別是在醫學(xué)領(lǐng)域，德國計量研究院已經(jīng)將醫學(xué)知識、數學(xué)專(zhuān)業(yè)知識和與專(zhuān)家的網(wǎng)絡(luò )完美結合。

德國計量研究院已經(jīng)為此制定出了一系列措施，例如：用于評估人工智能的穩健性和人工智能結果的質(zhì)量。此外，他們還發(fā)布了“PTB- XL”數據集等初始參考數據，并通過(guò)在柏林工業(yè)大學(xué)任命教授職位，以加強“不確定性和機器學(xué)習”的專(zhuān)題研究。在此基礎上，一個(gè)內部的“人工智能信任度計量”(“Metrology für Vertrauen in KI”)能力中心正在建立之中，該中心將在專(zhuān)業(yè)知識、方法開(kāi)發(fā)和“最佳實(shí)踐”方面向遠遠超出醫學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展。

自動(dòng)駕駛是一個(gè)需要迫切回答的挑戰。在汽車(chē)零部件產(chǎn)品批準的過(guò)程中，目前測試程序 (如機械和電氣測試、氣候測試)大部分是在部件級別上獨立進(jìn)行的。它既不是在車(chē)輛的實(shí)際裝配情況下，也不是在實(shí)際傳感器系統網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行的。然而在汽車(chē)大量安裝感知傳感器的情況下，它與環(huán)境的相互作用，對自動(dòng)駕駛的功能非常重要。這就是為什么在未來(lái)有必要測試整個(gè)高級駕駛輔助系統 (ADAS)組件網(wǎng)絡(luò )，除了已經(jīng)成為標準的組件驗證之外，還包括在其實(shí)際操作狀態(tài)下應用的人工智能方法。

目前，還不清楚如何實(shí)現具有高級駕駛輔助系統 (ADAS)功能的整車(chē)的整體一致性評估。這是德國計量院正在與時(shí)間賽跑的一個(gè)難題。根據ADAS的戰略“意義-計劃-法案”，德國計量界正在建立其現有的能力，以期在感知傳感器領(lǐng)域有所貢獻。傳感器系統的表征和校準將在未來(lái)的一個(gè)測試中心實(shí)現。這個(gè)中心是為每種類(lèi)型的傳感器提供適當的條件,這意味著(zhù)在高頻范圍(雷達)和光學(xué)光譜范圍(激光雷達和攝像機)，以適當的方式同時(shí)測試驅動(dòng)參數，以便能夠模擬車(chē)輛的交通情況。此外，車(chē)輛的天氣、氣候和其他環(huán)境條件應該是可量化定義的，以便以可重復和可量化的計量方式測量這些因素的影響。

寶馬的GEMIMEG-II旗艦項目解決了在高質(zhì)量基礎設施過(guò)程中成功并合法地轉換數據、信息和證書(shū)的安全可靠通信的整體挑戰。其目的是實(shí)現校準信息和數據質(zhì)量的安全、不間斷和合法的端到端可用性。在項目范圍內，德國計量研究院承擔數字校準證書(shū)(DCC)的產(chǎn)生、發(fā)放和應用等子項目管理工作。

而在工業(yè)環(huán)境中，計量也需要考慮傳感器數據處理中的標準化和自動(dòng)化。歐盟資助的“未來(lái)工廠(chǎng)的計量”項目(Met4FoF)，就需要從計量學(xué)的角度，研究測量數據的融合、確定工廠(chǎng)條件、關(guān)鍵數據、過(guò)程優(yōu)化潛力等。在測量數據的自動(dòng)評估方面，機器可解釋的描述是必不可少的。特別是，在“安全穩健的數字轉換校準測量系統”(GEMIMEG-II)項目中，正在開(kāi)發(fā)具有計量意義的時(shí)間序列和數據質(zhì)量模型的語(yǔ)義概念，這些模型超越了純粹的測量不確定度。很多研究，都指向了將傳感器網(wǎng)絡(luò )中的冗余信息，用于新的校準程序。那么虛擬測量，究竟在測量什么？如果計量標準也是數字孿生，我們是用孿生基準，測量孿生數據，最后給出實(shí)體的確切值嗎？這些還要等待回答。

小記：塑造計量賽道

計量進(jìn)化，受到數字化的沖擊而加速。幾乎所有國家質(zhì)量基礎設施（NQI）的構成要素和參與方，都受到經(jīng)濟和社會(huì )數字化轉型的挑戰。德國則繼續加速奔跑，將質(zhì)量基礎設施的優(yōu)勢，搶先引領(lǐng)到數字化時(shí)代，構建德國的數字化國家質(zhì)量基礎設施。制造優(yōu)勢不可破，計量領(lǐng)先不容挑戰，這也是以制造立國的德國不可讓的陣地。