中国计量科学研究院　方宏  卞昕  何昭  陶毅

资助项目:中国计量科学研究院博士科研专项启动基金(ATGQDB0808)

第一届《中国计量》中青年优秀科技论文奖一等奖获奖文章

　　高技术国家的全面发展越来越依赖于先进的测量、测试技术以及相关基(标)准乃至技术协议的建立和发展。在20世纪工业社会的建设过程中，传统物理、化学参量的计量发挥了极其重要的作用；而在21世纪的信息社会建设中，对信息技术进行计量以及利用先进的信息技术服务于计量成为我们必须面对的巨大挑战，因此，一门新兴的学科——信息计量学应运而生。

　　人们已经公认，影响21世纪最主要的三大科技是纳米技术、生物技术及信息技术，而计量科学是一切科学发展的基础和重要保障，因此，大力地推动与以上3项技术相关的计量科学势在必行。早在1997年，美国就提出了信息计量的概念，部分欧美发达国家以及日本的国家计量研究机构相继成立了相关研究部门。目前，其研究成果已经在很大程度上推动了这些国家信息技术的高速发展，传统参量的计量技术也从中受益，以美国国家标准与技术研究院(NIST)的信息技术实验室(ITL)成果最为突出。在我国，信息计量尚未得到全面的重视和系统的发展，因此，尽快系统地提出信息计量的概念、研究范畴以及主要方向，推进我国信息计量的全面开展迫在眉睫。

一、信息计量的基本概念及特点

　　传统计量的测量对象通常为经典的物理、化学参量，其分支包括几何量计量、力学计量、化学计量等，然而随着近几十年来信息技术的迅猛发展，影响国家工业、农业乃至整个人类社会发展的因素已远远不止这些经典参量，信息技术在其中的作用越来越明显，甚至逐渐占据主导地位。由此也引发了计量学的巨大变革，信息计量学应运而生。虽然人们已在更早的时期开始了与信息技术有关的计量研究，但正式提出信息计量概念是在1997年NIST发布的内部报告中，该报告概括性地为信息计量划定了3个主要研究方向:一是测量、测试及评估现代信息技术系统的各种属性和特性，即对信息技术进行计量；二是利用先进的信息技术提升传统物理、化学参量的测量和测试的准确性、可靠性、便捷性等，即信息技术辅助传统计量；三是基于先进的信息技术产品，研究计量学中涉及的数学、计算机科学和统计学等基础科学。

　　由于研究对象的不同，信息计量与传统物理、化学参量计量存在较大的区别。首先，信息计量缺乏标准的国际单位制(SI)作为计量单位的基础，目前，信息计量中最常用的单位是比特(bit)，然而现在讨论是否可以将其列为SI中第8个基本单位还为时过早；其次，目前还很难对信息计量进行准确的不确定度评定，虽然目前国际上有一些研究人员已经开始考虑对零一系列的绝对判决结果进行不确定度评定，但由于信息技术的复杂性和灵活多变性，对其进行准确的不确定度评定还有待时日；最后，也是最主要的一个区别在于信息技术发展的高速性，传统物理、化学参量的计量大多以经典理论基础为依据，而信息技术的日新月异，使得人们对信息计量的研究也必须更具时效性。因此，建立一套完善的测量、测试基础架构对信息技术进行准确的计量，给新世纪的计量学带来了巨大的挑战。    

　　二、信息计量的主要研究方向及进展

　　信息计量的研究范畴非常广泛，涉及信息技术的方方面面，有一些研究其实是伴随着相应信息技术的诞生而并行开展的，只是之前尚未将其归纳到信息计量的范畴。而另一些研究则是信息技术发展到一定程度以后，提出了一些计量方面的需求，或者是人们发现可以将这些先进的信息技术应用到相应的计量学测量、测试中而诞生的。以下将基于信息计量3个主要方向的分类，对其主要研究内容以及国外先进计量研究机构近年来的研究状况作一简要介绍。

　　1.对信息技术的计量

　　(1)信息度量与数据挖掘
　　早在20世纪中叶，人们就已经意识到只有给出信息的度量，才能使信息的研究成为一门真正的科学。随着全面信息化社会的到来，现在的人们比半个世纪前更加迫切地需要准确的信息度量工具和标准。如今的人们每天都可以轻而易举地通过各种渠道获得海量的数据，然而这些数据并不能称为信息。过量的数据被人们称为信息爆炸，带来的挑战是:一方面规模庞大、纷繁复杂的数据体系让使用者漫无头绪、无从下手；另一方面在这些大量数据的背后却隐藏着很多具有决策意义的有价值的信息。因此，人们必须面对的首要问题就是如何从海量的数据中获取这些有价值的信息，这就是数据挖掘所希望解决的问题。而信息量的准确度量就成为数据挖掘成败与否以及效率高低的根本判断依据。这就给现代信息计量提出了一个重要的研究任务，准确地度量信息量，协助信息发现、信息提取以及信息存储等。只有在一套公认的信息量度量标准和平台建立的基础上，信息交易、信息互换以及信息共享才可能得以实现。

　　国内外部分研究机构对该领域进行了长期的研究，一方面是对信息熵理论的改进，逐步完善其公理化体系；另一方面是关于数据挖掘的研究。NIST也成立了相关研究组，目标是建立、完善一套测量体系以提升信息在整个生命周期中的可发现性、可利用性和可共享性，从而实现从海量数据中高效地挖掘所需要的信息。

　　 (2)软件计量
　　信息系统绝大部分都是由硬件和软件两部分组成的。相对而言，对硬件的计量要简单得多，主要原因在于硬件方面的计量大多可以基于比较成熟的传统物理参量进行计量，而软件计量则是一个全新的、富有挑战的领域。

　　在过去的半个世纪里，计算机硬件性能提升了近10个数量级，而软件的发展速度却远远没有跟上这个步伐，主要原因之一在于软件系统缺乏比较通用的、标准化的测试和评价规范，对其性能难以进行准确描述和预测。软件的瑕疵或漏洞往往只有在运行时，甚至是长时间运行时才有可能显现出来。软件计量的任务就在于建立标准的模型、程序、测量和评估方法对软件进行测试和度量，并以一定规范为基础对软件进行认证。测试和度量的内容包括软件的各种特性，如代码长度、运行时间、出错概率、可靠性、安全性、复杂度、制作成本等。对软件产品的认证类似于传统计量中的校准，使得所计量的对象具有可溯源性。软件计量的应用目标有众多方面:准确地描述软件产品的各方面性能；规范化地给出软件产品的实际价值；评估开发该软件所需的人力物力；评估使用新的软件工程方法和工具给软件开发带来的收益等。

　　NIST在软件计量方面投入很大，这也是他们最早开始信息计量领域研究的主要方向之一。目前，其研究重点是测量、评价软件的可信赖性，并通过提出革命性的技术、模型以及测试方法和工具，达到降低研制和评价可信赖软件所需的成本代价，例如，目前热点的研究内容——组合测试(Combination Testing)，就大大降低了对软件进行遍历测试所需的时间成本。

　　(3)通信协议测试与性能评价
　　通信系统主要包括硬件设备和通信协议两部分，关于硬件设备的测试和计量大多可以归结到传统物理参量的测量中，而对通信协议的测试和计量就完全不同于传统计量，属于信息计量中一个非常重要的研究内容。随着通信技术的飞速发展，包括我国在内很多国家的计量研究机构，对通信系统中较低层的一些协议(如物理层协议的计量)近年来已逐渐开展，例如，对物理层中调制参数、编码格式等部分协议内容进行测试和计量。然而对于更高层的通信协议，除NIST外其他计量研究机构很少涉及。通信协议测试主要包括一致性测试、互操作性测试，它们是互为验证、互为补充的关系，只有把两者合理地结合才能完成完整的协议测试。

　　通信系统的性能可以分为有效性和可靠性两大类，其中有效性的指标包括传输速率、吞吐量、频谱利用率等。相对而言，系统可靠性的评价就显得更加困难，其主要原因在于:影响通信系统可靠性的因素非常多；根据系统使用场合的不同，系统失效的主要判据并不一致；根据用户的不同，所关注可靠性的侧重点不同。目前，对通信系统可靠性方面的评价还比较混乱，尚未形成一套完善的测度指标体系。然而，这种不健全的评价标准，对于国防通信系统、国家应急通信系统以及重大工程项目中的指挥通信系统等的影响非常显著，因此，尽快完善通信系统可靠性定量评价标准的基础理论，建立完整的可靠性测度指标体系，规范相应的可靠性实际测试和计量方法，成了信息计量亟待开展的一个研究方向。

　　NIST的先进网络研究组对各种通信系统进行了仿真和性能评价，近年来，其研究项目包括Internet网络基础架构、3G蜂窝移动通信系统、无线自组织网络以及量子信息网络等方面。其关注的系统性能包括安全性、可靠性、可升级性等。近期，其工作重点之一是开展通信系统安全性的测试、评价与改进；另一研究重点就是探索使用新型的自组织网络架构优化社会公共安全通信网络，提高国家的综合应急响应能力。

　　(4)密码模块评测与认证
　　密码学是信息系统安全之源，任何安全协议或系统都是基于密码而设计的，研究高效的密码算法和实现机制是保障信息安全的必经之路。早期的密码评测只针对密码算法，之后人们发现这远远不够，只有综合测试整个密码模块，才能对其进行整体评价。所谓密码模块指的是包括硬件、软件(包括算法和密钥)以及固件在内所有的密码实现集合。目前，依据有关技术和管理标准对密码模块进行评测与认证，已成为各国普遍采取的方法。

　　美国国家安全局(NSA)于1982年首先公布了仅适用于数据加密标准(DES)的联邦标准FS1027。NIST在1988年将FS1027标准重新命名为FIPS140，此后验证工作转由NIST负责。NIST于1994年公布了FIPS140-1标准，将加密模块的安全等级分成四级；1995年，NIST和加拿大政府的通信安全组织(CSE)共同建立了密码模块验证计划(CMVP)，负责维护FIPS140标准，并确保经过认证的模块与标准相兼容。此后该组织作为验证者的角色，确保在第三方的授权实验室开展的评测工作的正确性。1997年，美国规定联邦政府单位采购相关产品时，只允许购买通过FIPS140-1CMVP测试的密码模块产品。2002年，NIST正式发布了FIPS140-2标准，提供了密码模块评测、验证和最终认证的基础，目前已成为国际标准规范。目前，FIPS PUB 140-3草案正在修订，计划于2009年年底正式开始采用。

　　(5)数字化医学影像计量
　　医学成像设备所获得的医学影像质量对于帮助临床医生进行诊断具有重要意义，正确的医学影像应具有足够的空间分辨率，能分辨细微特征，能够客观准确地反映被测物的断面几何特征，提供足够的诊断信息。因此，医学影像的评价是一个非常重要的环节。然而在医学影像质量评价领域，目前还局限于主观判断，缺少客观的计量学评价标准，如CT图像中的对比度、分辨率通常都是由有经验的观察者目测确定。计算机技术的飞速发展推动了医学影像的数字化，从而使得对数字化医学影像进行计量学评价成为可能，为基于图像处理理论研究定量评价方法提供了广阔空间。在对医学成像和医学图像进行分析的基础上，从计量学的角度出发，对数字医学影像进行计量和客观地评价是信息计量领域一个重要的研究方向。由于其在医学领域重要的应用前景，该领域的研究在NIST、德国联邦物理技术研究院(PTB)、英国国家物理实验室(NPL)以及我国国家计量院都受到了很大的重视。可以预见，这将是信息计量中最早得到实际应用的技术之一。

　　(6)其他信息技术的测试与性能评价
　　目前，信息技术已经渗透到人们生活的方方面面，如识别系统(包括语音识别、人脸识别、指纹识别等)、分布式传感网络、虚拟现实技术等，对这些无处不在的信息技术提供标准的测试方法以及准确的评价体系也是信息计量必须面对的研究课题。NIST在这些领域都有涉及，通常其研究投入直接由该项技术实际应用的广泛程度决定。在其他国家，关于这些新兴信息技术的计量工作开展得还非常少，尚未形成评测和认证标准，使得对于一些涉及关键应用的领域，对所选用系统的各方面性能只能进行定性的、较模糊的评价，在一定程度上增加了应用风险，浪费了有效资源。

　　二、信息计量的主要研究方向及进展

　　2.信息技术辅助传统计量

　　信息技术的飞速发展对传统计量学产生了巨大的影响，国际计量局(BIPM)分别于2002年、2005年和2007年在英国国家物理实验室(NPL)、日本国家计量研究院(NMIJ)和德国联邦物理技术研究院(PTB)陆续举办了三届以信息技术对计量学的冲击为主题的研讨会，主要对信息技术辅助计量的最新研究成果进行交流和探讨，以下针对几个热点研究方向作简要介绍:

　　 (1)远程校准
　　随着信息技术特别是计算机网络技术的迅猛发展，网络会议、远程教育、远程医疗、电子商务等基于网络技术的新事物在资源共享、优势互补、缩短时空距离等方面发挥了巨大的作用。传统的计量技术也未能置身其外，结合先进的通信技术、互联网技术、图像、视频技术的跨地域远程校准技术(或称为E-trace)正受到人们越来越多的重视。

　　传统的校准方式存在校准周期长、费用高、溯源链过长、管理难度大、效率低、不利于国际比对等缺陷。1999年，国际测量和仪器会议(IMIC)上首次提出了基于Internet的远程校准，不但在很大程度上降低了费用、提高了效率，而且在校准的实时性、可靠性和安全性方面均有所改进。目前，计量所需的标准量值可以大致分为两类:一类是以实物标准为载体，通过实物的测量来复现，计量校准的主要过程需要与实物标准进行比较测量，而信息技术不能实现对实物的传递，因此，对这类标准目前还很难实现远程校准；另一类标准不以实物为载体，而以规定的方法或自然常数为基础，如在同一个运动坐标系内的频率标准，以时间频率为基础的占空比参数，以相对关系为基础的调制度参数、比例参数、衰减参数、相位参数、噪声参数等，这些标准理论上都可以实现远程校准。因此，目前研究的远程校准技术大多是针对这类参量展开的。

　　近年来，欧美发达国家的计量研究机构纷纷开展了远程校准方面的研究，其中有一些较为成熟的研究成果已经投入到实际应用之中。例如，NIST开展的项目有大流量气体流量计校准、电量多功能校准仪校准以及大尺寸离子辐射源校准。NPL开展了对标准电阻与电压的远程校准以及网络分析仪的远程溯源。PTB开展了偏振中子衍射计的远程校准。在亚洲，NMIJ从2001年到2008年分两期对远程校准展开了重点研究，目前，在时间频率、光学频率、约瑟夫森电压、放射学等方面的远程校准取得了较好的成果。远程校准服务在我国是一个全新的技术领域，它不仅是技术问题，还涉及相应检测/校准规范的健全与完善。近年来，我国政府也充分认识到了发展远程校准技术、开展系统研究对提高我国下一代计量校准技术的重要性，因此，目前以时间频率为主要突破口的全面的远程校准技术已逐渐开展，多次组团参加BIPM的相关研讨会，跟踪学习国外的先进技术，并提议(2009年)将在中国召开的中日韩计量研讨会上设立“远程校准E-trace技术及发展展望”专项技术讲座，详细探讨各国最新研究进展。

　　(2)可重构测试系统
　　长期以来，人们认为测试系统可以分为软件实现和硬件实现两大类。软件实现方法，主要特征是在由微处理器、内存和部分简单的外设组成的电子系统里，通过软件程序实现大部分的逻辑处理和运算功能，而外设只起辅助作用；硬件实现的方法，主要特征是由特定的运算或处理单元完成系统主要的计算工作，微处理器或者被省略，或者只起协调各部件工作的作用。这两种方法各有优缺点，软件方法开发简单、灵活可变、易升级，但通常运行速度慢、效率低，很难实现实时测试的要求；硬件实现方法可为目标任务特别定制，运行效率高、速度快，可实现高速实时测试，但硬件开发周期长、一次性投入大、缺乏灵活性、难以升级，很难适应被测对象特别是电子类产品飞速地发展和较强的多样性。为了综合软硬件各自的优势，近年来人们提出了可重构测试系统的思想，改变了以往由仪器厂家定义仪器功能、用户只能使用的局面，进而提供用户可自定义仪器功能、可根据不同测试需求对仪器进行重构的能力。该结构的核心思想是在一个最小集合的、低成本的通用硬件平台基础上，由用户通过软件的控制来实现不同的仪器功能，本质上是利用可编程器件可多次重复配置逻辑状态的特性，在运行时根据需要动态改变系统的电路结构，从而使系统兼具灵活、简捷、硬件资源可复用、易于升级等多种优良性能。

　　可重构测试系统一个典型的例子就是软件无线电测试系统，目前，无论是在学术界还是工业界，这项技术已经成为一个炙手可热的研究课题。各国的计量研究机构对此也投入了很大的研究力度，美国、德国、日本在该领域处于比较领先的水平，部分产品已商业化。近年来，我国对软件无线电也给予了较大的重视和投入。

　　(3)自动测试系统
　　随着科技水平的飞速发展，各领域的高技术产品的复杂程度日益提高，测试参量种类、测试难度以及测试实时性要求迅速增加，传统的人工检测手段已经显得非常低效，甚至无法满足日常检测、校准以及保障设备可靠运行的基本需求，自动测试系统正逐步体现出其巨大的优越性。早在20世纪中后期，美国等发达国家就开始了自动测试系统的研究，但由于技术复杂、造价高昂等原因，自动测试系统仅应用于军事领域。近年来，随着计算机软硬件技术以及高速总线控制技术的飞速发展，自动测试系统在更加广泛的领域得到了应用。其主要优势在于:可实现大批量产品生产过程中的自动检测；完成人员不易靠近的环境中的检测任务；加大扫描测量点分布密度，提高测量准确度；减少测量过程中人为因素导致的系统误差和随机误差；降低了对测试人员的技术水平要求；减少人员劳动量。自动测试系统必将成为新世纪测量、测试领域的主要发展方向之一，其发展水平将成为评价国家计量技术水平的一个关键因素。

　　3.计量学中涉及的基础信息科学

　　(1)基于计算机仿真的测量不确定度评估
　　测量不确定度的评定和表示方法是计量学中非常重要的一项内容，如何对测量(检测、校准)结果进行准确的不确定度评定以及规范的表示，决定了该测量(检测、校准)结果的有效性、可靠性以及科学性。早在1993年，ISO、IEC等7个国际组织就联合发布了《测量不确定度表示指南》(GUM)，使涉及测量技术的领域和部门，可以用统一的准则对测量结果及其质量进行评定、表示和比较。然而，传统的GUM评估方法在解决非线性模型、不易求导的模型等一些复杂问题时，存在明显的局限性，而且使用该评估方法需要具备一定的数学基础和对评估对象丰富的测量经验，该方法不易进行程序化、规范化，因此,使得测量不确定度评定成为一项比较复杂且难以掌握的技术。随着近年来计算机仿真技术的飞速发展，一些更高效、更具适应性的评估方法也不断被提出，最近JCGM发布了GUM的补充条款，GUM Supplement1——基于蒙特卡罗方法的分布传播法，使用该方法不但可以更快、更准确地计算测量不确定度，而且可以应用到以往评估方法难以解决的一些复杂问题中。该方法的核心思想是，采用计算机仿真方法，通过大量的随机事件实现影响测量结果的各独立因素的分布，并对这些随机事件进行随机的组合，通过计算得出最终测量结果的随机分布，从而评定其测量不确定度。该方法的实现是建立在现代高计算能力、高存储能力计算机技术的基础上的，其主要优势在于计算效率高、适应性强、可形成标准的计算模块等。基于蒙特卡罗方法的测量不确定度评定方法还属于一项新兴的技术，近年来，不但在各国的计量研究机构中得到了重点的关注，在国外一些高校的数学或计算机等基础信息科学研究部门也进行了大量的研究。可以预见，基于计算机仿真的方法必将成为测量不确定度评估的主要发展趋势。

　　(2)有限元法仿真分析
　　有限元法是一种数值求解方法，20世纪50年代初被提出时，其首先应用于连续体力学领域，用以求解结构的变形、应力、固有频率以及振型。其主要思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。该方法的计算准确度直接取决于所分小单元的个数，由于当时计算机运算速度和存储容量的限制，很难进行大容量的计算，因此该方法实际上很难应用。然而，随着近10年来计算机性能以超摩尔效应的速度迅速提高，有限元法再次得到重视，目前其应用领域已经非常广泛，包括绝大部分需要求解微分方程的领域(如流体力学、热学、电磁学、声学等)。因此，有限元法对于这些传统物理参量的测量、基(标)准的建立以及量值传递也具有广泛的应用前景。近年来，NIST数学与计算科学研究组在有限元领域进行了大量的研究，为各专业计量分支提供了专用有限元法计算模块，在部分方向已取得了很好的效果，如微结构材料分析领域。    

　　三、总结与讨论

　　以上列出的研究内容只是信息计量学中的一部分，随着全球信息化的不断推进，信息技术日新月异飞速发展，计量的任务一方面是提供可靠、准确的测量、测试平台和方法；另一方面是对系统的特性给出合理的测度指标，进行定量的评价以及标准的认证。对于先进的信息技术而言，这两项任务是相辅相成的。然而，随着一项技术的诞生、发展到成熟，人们往往将大部分的研究精力都放在对这项技术的测量、测试方面，而对其各方面性能的评价相对较少，且往往停留在定性的层面。随着这些信息技术在民用和军用领域的深入应用，定性地评价已远远不够，如何实现对这些新兴技术各方面性能量值准确、单位统一的定量评价就成了现代计量研究必须解决的一个问题。另一方面，信息技术的飞速发展对传统计量技术也必将产生深远的影响，如何充分地利用先进的信息技术来改善和提高对传统参量的计量技术，将直接决定计量水平能否跟上全球信息化的浪潮而迅速提高。

　　在信息计量方面，NIST已经开展了多年的研究，取得的成果直接服务于产业和国防，获得了很好的经济和社会效益。随后，NPL、PTB以及NMIJ也相继开展了信息计量的探索，其研究深度和广度正在逐年加大。我国对该领域的研究尚处起步阶段，仅在个别方向开展了探索性的研究，如数字图像质量的评价和计量方法，以及现代通信系统可靠性定量评价和计量方法等。

　　要展望接下来10年信息计量需要研究的内容以及其发展状况其实是非常困难的，因为信息技术本身的发展是难以预测的。然而，可以预见的是，随着计算机能力的不断提高、通信速度的不断加快、多媒体内容的不断增多，信息系统将变得越来越复杂，这其中软件复杂性和重要性的提升速度将远远大于硬件，因此可以肯定，对软件系统的计量将逐渐占据信息计量的主导地位。因此，大力发展我国在信息技术软件领域的计量可能是尽快赶上世界领先水平的最佳途径。

　　资助项目:中国计量科学研究院博士科研专项启动基金(ATGQDB0808)
　　致谢:感谢高小珣研究员对作者在信息计量研究领域的关键性指导，以及具体研究过程中的大力支持。