德國精密計量的進化

計量是一個國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施的基石之一。它是世界權(quán)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，然后各級計量開始向下逐級復(fù)制，完成傳遞，最后變成了我們身邊的體重秤。它用一個一個現(xiàn)場，一個一個實物，維持了一個國家，或者整個世界的秩序、公平和安定。

如果這一切都被數(shù)字化之后，那么維持權(quán)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(guī)范一起，再加上市場監(jiān)督的力量，組成了一個復(fù)雜的國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施(NQI)系統(tǒng)。它們看似在一起，但各自運作方式和機構(gòu)又迥然不同，政府在其中的力量時大時小，企業(yè)對它帶來的便利和成本則是恨不得又離不得。而數(shù)字化轉(zhuǎn)型是讓這些挑戰(zhàn)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(shù)字化，從數(shù)字校準證書和虛擬測量儀器到研究數(shù)據(jù)管理，以及數(shù)字支持的測試和審批流程，包括不受軟件形式干擾數(shù)據(jù)處理方法。這些都為方興未艾的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和人工智能方法工作的演進打下了良好的基礎(chǔ)。

數(shù)字轉(zhuǎn)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，再到日常互動，亦包括目前在數(shù)字客戶的門戶、電子文件以及人工智能計量、研究數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施中的數(shù)字證書和過程方面的發(fā)展。計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個持續(xù)的過程，是數(shù)字經(jīng)濟時代無法舍棄的錨點。任何數(shù)字化，都需要一個出發(fā)基點?，F(xiàn)在這個基點，也要數(shù)字化了。

虛擬的世界，再快一步

作為德國的國家計量機構(gòu)，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(jù)《單位與時間法》確保計量的一致性，計量單位要可溯源不走樣的基礎(chǔ)上進行。確保測量真實、測量穩(wěn)定和可測試性，支持這些領(lǐng)域的國際協(xié)調(diào)，是確保德國機電出口貿(mào)易穩(wěn)居全球第一的一道****長城。當(dāng)人們都在贊譽德國制造的時候，我們很難發(fā)現(xiàn)這艘掛滿彩旗的萬噸巨輪之下，深潛海底的計量基石。

能源轉(zhuǎn)型在德國是政治正確的最大事項之一。計量數(shù)字化，對能源轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。如果沒有智能電網(wǎng)，以數(shù)字方式支持分布能源供應(yīng)之間的相互作用，就很難實現(xiàn)成功的能源轉(zhuǎn)型。通過數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施對電力消耗和電網(wǎng)參數(shù)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(jié)合，并強調(diào)了加強跨學(xué)科合作和有效協(xié)調(diào)的必要性。德國是全球新能源轉(zhuǎn)型最可靠的孵化器，沒有它最早的立法要求，全球的光伏行業(yè)包括中國在內(nèi)的進展速度，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，但在立法上都沒有像德國那樣樹立標桿。而新能源的入網(wǎng)，將會以其飄忽不定的頑劣性，多元化的分布式，都會對既有強健的電網(wǎng)構(gòu)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)的實時交易方式，獲取收益，每一秒每一度電的計量精確度，都是一場驚心動魄的鏖戰(zhàn)。

為了能夠在數(shù)字化的世界中確保計量的一致性，數(shù)字校準證書(DCC)必不可少。德國“虛擬測量儀器計量”中心(VirtMet)正在研究真實測量和虛擬測量的可比性，并研究機器學(xué)習(xí)和人工智能(AI)的客觀評估方法。目前，德國數(shù)字校準證書(DCC)已經(jīng)形成了一個穩(wěn)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(diào)的基礎(chǔ)。在“虛擬測量儀器計量”方面，德國已經(jīng)啟動了幾個跨領(lǐng)域跨機構(gòu)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，第一批應(yīng)用程序已經(jīng)發(fā)布。 

四可法則下的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究和業(yè)務(wù)，只有在可靠的數(shù)據(jù)和可持續(xù)使用的情況下才能實施。研究資助機構(gòu)越來越多地要求對研究結(jié)果進行適當(dāng)?shù)挠涗?，并長期存檔，盡可能向公眾公開提供。數(shù)據(jù)管理的這些需求被縮寫為“FAIR data”，即所謂：數(shù)據(jù)應(yīng)該是可找到的、可訪問的、可互操作的和可重用的。

通過四可法則，以前評估和發(fā)表的數(shù)據(jù)就可能作為新的問題和研究工作的基礎(chǔ)。這些原則也越來越多地進入工業(yè)領(lǐng)域，其中一個數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)將與歐洲云和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)“蓋亞”（GAIA-X）鏈接。蓋亞計劃是歐洲最為野心勃勃的大數(shù)據(jù)中心的大本營。在此之下，國家數(shù)字質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施（NQI-Digital）也自然登云入殿，規(guī)范整個過程的數(shù)字化，尋找全新價值創(chuàng)造。

德國很積極。德國國家研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NFDI)和歐洲開放科學(xué)云(EOSC)，是科學(xué)研究領(lǐng)域的對應(yīng)參與方。德國計量研究院主動從底層做起，參與了元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)持久標識符的標準化；而在歐洲開放科學(xué)云領(lǐng)域，德國則在歐洲計量組織 (EURAMET)的活動框架內(nèi)參與，確保數(shù)據(jù)遵守四可法則。 

德國計量研究院正在追求開展以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的研究和開發(fā)，保證質(zhì)量和可重復(fù)性的目標。這使得數(shù)據(jù)管理、軟件質(zhì)量框架的開發(fā)、建立電子實驗室手冊以及在數(shù)字環(huán)境中一致使用元數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通用元數(shù)據(jù)模型(D-SI)。數(shù)據(jù)格式要在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和信息物理系統(tǒng)等新的數(shù)字環(huán)境中經(jīng)受住考驗，則要必須被機器和人類無誤地理解。如果數(shù)據(jù)格式不可靠，諸如醫(yī)療保健或家用電表等數(shù)字應(yīng)用程序出現(xiàn)問題，其后果將是無法想象的。智能計量數(shù)據(jù)通用元數(shù)據(jù)模型(D-SI)目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于歐洲旗艦智能通信項目（SmartCom）和數(shù)字化轉(zhuǎn)型校準測量系統(tǒng)項目（GEMIMEG-II）的機器可讀數(shù)字校準證書。

數(shù)字空間，設(shè)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，并使用來自云的服務(wù)。然而，在監(jiān)管領(lǐng)域，當(dāng)測量設(shè)備包含現(xiàn)代通信和信息技術(shù)時，在批準和合格評定方面卻并不完美。過于復(fù)雜的測量與合格評定，導(dǎo)致制造商越來越認為這是創(chuàng)新的阻礙，導(dǎo)致長期競爭中的劣勢。因此，在數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟和工業(yè)中，處理測量數(shù)據(jù)以及將測量儀器數(shù)字化連接的一體化方案是十分必要的，且必須滿足法律和工業(yè)計量的要求。當(dāng)下，由于受制于不同的法律和組織框架條件，這兩個領(lǐng)域在計量工作上基本上是分開的。然而，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，這些嚴格的邊界劃分正變得越來越模糊，因為使用了類似的組件，數(shù)據(jù)在一定程度上是跨兩個領(lǐng)域的邊界應(yīng)用的。

因此，理想情況下，在開發(fā)過程中應(yīng)該已經(jīng)考慮了適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型，用于測量數(shù)據(jù)的通信。例如與“計量云”的連接以及關(guān)于測量裝置的數(shù)字信息的有效使用，即“設(shè)計計量”。在D-SI、計量云、校準和合格評定的數(shù)字證書方面的活動中，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(shè)備制造業(yè)聯(lián)合（VDMA）合作，在開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC-UA）通信標準過程中實現(xiàn)工業(yè)4.0應(yīng)用的智能計量數(shù)據(jù)通用元數(shù)據(jù)模型(D-SI)導(dǎo)入，并在化學(xué)標準中與國際過程工業(yè)自動化用戶協(xié)會（NAMUR）合作。德國計量研究院的其他領(lǐng)域也在有序的展開數(shù)字化轉(zhuǎn)型合作。 

安全價更高，開源更可靠

數(shù)據(jù)隱私、信息安全開發(fā)和使用數(shù)字技術(shù)的工作流程和高質(zhì)量的基礎(chǔ)設(shè)施流程中“安全性”和“設(shè)計私密性”的方案對于確保各個參與方的互信是不可或缺的。這意味著在軟硬件的開發(fā)過程中，一方面從一開始就考慮數(shù)據(jù)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(shù)字轉(zhuǎn)型的各個組成部分在中長期將以特定方式組合在一起，從而形成一個統(tǒng)一的整體構(gòu)架。德國計量研究院有意依賴免費開源軟件，來擴展用于通信和協(xié)作的數(shù)字工具，以便這些工具以后可以與其他工具無縫融合。新工具將通過一個涉及用戶和數(shù)據(jù)隱私、信息安全和數(shù)字化方面的專家的聯(lián)合進行評估。

在德國計量研究院的數(shù)字工具箱中，最重要的構(gòu)建模塊之一是電子文件。它是一個中央電子文件管理系統(tǒng)，所有的德國計量研究院文件都可以在該系統(tǒng)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(xù)被納入電子文件系統(tǒng)。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(xùn)和電子文件系統(tǒng)方案。為了能夠在新冠疫情下繼續(xù)這一進程，這些方案越來越多地被虛擬化、線上化，并特別增加了視頻說明。

另一個數(shù)字構(gòu)件是客戶門戶網(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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并與德國計量研究院的電子文件系統(tǒng)緊密相連接?？蛻糸T戶將成為合格評定和校準領(lǐng)域的客戶的中央數(shù)字聯(lián)絡(luò)點，并將確保信息的輕松上傳和訂單的管理?！坝嬃糠?wù)數(shù)字工作流”的目標是將這些構(gòu)件模塊與其他數(shù)字開發(fā)和工具集成。

傳感器，挑戰(zhàn)計量極限

計量數(shù)字化轉(zhuǎn)型給計量領(lǐng)域帶來了諸多挑戰(zhàn)，這是計量研究和開發(fā)工作必須面對的。在這方面的案例包括使用數(shù)字孿生作為虛擬測量儀器，復(fù)雜通信系統(tǒng)，使用復(fù)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(shù)字轉(zhuǎn)型領(lǐng)域研發(fā)項目的重要特點是學(xué)科交叉程度很高。它包括基于最多樣化的測量程序的復(fù)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?？煽俊Ｈ欢?，類似自動駕駛和異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來的巨大的數(shù)據(jù)、通訊問題，使得傳統(tǒng)的計量方法正日益達到其極限。多樣化的測量原理與復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，令人生畏。

和統(tǒng)計方法甚至與人工智能相結(jié)合。從長遠來看，只有轉(zhuǎn)變計量的整體思維和工作方式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢w”或“系統(tǒng)”計量，才能應(yīng)對所有這些挑戰(zhàn)。

人工智能日益發(fā)揮著催化劑的作用，極大地加快了數(shù)字產(chǎn)品和服務(wù)的發(fā)展。如何用明確的規(guī)則來描述質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施（NQI），推動數(shù)字化NQI的落地，這是人工智能應(yīng)用反向倒逼的一個結(jié)果。德國聯(lián)邦政府調(diào)查委員會將人工智能視為數(shù)字化推動技術(shù)進步的未來。與經(jīng)典算法相反，人工智能方法的算法是在數(shù)據(jù)的幫助下訓(xùn)練出新的智能模式識別。另一個因素是人工智能方法的高度適應(yīng)性。

然而，這也可能導(dǎo)致未識別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)特征在算法中無意中被使用。與其他傳統(tǒng)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(zé)都有著密切關(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(yī)學(xué)領(lǐng)域，德國計量研究院已經(jīng)將醫(yī)學(xué)知識、數(shù)學(xué)專業(yè)知識和與專家的網(wǎng)絡(luò)完美結(jié)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(wěn)健性和人工智能結(jié)果的質(zhì)量。此外，他們還發(fā)布了“PTB- XL”數(shù)據(jù)集等初始參考數(shù)據(jù)，并通過在柏林工業(yè)大學(xué)任命教授職位，以加強“不確定性和機器學(xué)習(xí)”的專題研究。在此基礎(chǔ)上，一個內(nèi)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，該中心將在專業(yè)知識、方法開發(fā)和“最佳實踐”方面向遠遠超出醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進展。

自動駕駛是一個需要迫切回答的挑戰(zhàn)。在汽車零部件產(chǎn)品批準的過程中，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行的。它既不是在車輛的實際裝配情況下，也不是在實際傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中進行的。然而在汽車大量安裝感知傳感器的情況下，它與環(huán)境的相互作用，對自動駕駛的功能非常重要。這就是為什么在未來有必要測試整個高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)組件網(wǎng)絡(luò)，除了已經(jīng)成為標準的組件驗證之外，還包括在其實際操作狀態(tài)下應(yīng)用的人工智能方法。

目前，還不清楚如何實現(xiàn)具有高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)功能的整車的整體一致性評估。這是德國計量院正在與時間賽跑的一個難題。根據(jù)ADAS的戰(zhàn)略“意義-計劃-法案”，德國計量界正在建立其現(xiàn)有的能力，以期在感知傳感器領(lǐng)域有所貢獻。傳感器系統(tǒng)的表征和校準將在未來的一個測試中心實現(xiàn)。這個中心是為每種類型的傳感器提供適當(dāng)?shù)臈l件,這意味著在高頻范圍(雷達)和光學(xué)光譜范圍(激光雷達和攝像機)，以適當(dāng)?shù)姆绞酵瑫r測試驅(qū)動參數(shù)，以便能夠模擬車輛的交通情況。此外，車輛的天氣、氣候和其他環(huán)境條件應(yīng)該是可量化定義的，以便以可重復(fù)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(chǔ)設(shè)施過程中成功并合法地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、信息和證書的安全可靠通信的整體挑戰(zhàn)。其目的是實現(xiàn)校準信息和數(shù)據(jù)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(nèi)，德國計量研究院承擔(dān)數(shù)字校準證書(DCC)的產(chǎn)生、發(fā)放和應(yīng)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(shù)據(jù)處理中的標準化和自動化。歐盟資助的“未來工廠的計量”項目(Met4FoF)，就需要從計量學(xué)的角度，研究測量數(shù)據(jù)的融合、確定工廠條件、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、過程優(yōu)化潛力等。在測量數(shù)據(jù)的自動評估方面，機器可解釋的描述是必不可少的。特別是，在“安全穩(wěn)健的數(shù)字轉(zhuǎn)換校準測量系統(tǒng)”(GEMIMEG-II)項目中，正在開發(fā)具有計量意義的時間序列和數(shù)據(jù)質(zhì)量模型的語義概念，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(shù)字孿生，我們是用孿生基準，測量孿生數(shù)據(jù)，最后給出實體的確切值嗎？這些還要等待回答。

小記：塑造計量賽道

計量進化，受到數(shù)字化的沖擊而加速。幾乎所有國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施（NQI）的構(gòu)成要素和參與方，都受到經(jīng)濟和社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。德國則繼續(xù)加速奔跑，將質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢，搶先引領(lǐng)到數(shù)字化時代，構(gòu)建德國的數(shù)字化國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施。制造優(yōu)勢不可破，計量領(lǐng)先不容挑戰(zhàn)，這也是以制造立國的德國不可讓的陣地。