准确度事关重大　如何理解和表示测量不确定度

很多决定是要基于准确的测量结果做出的, 比如“血脂或血糖高到什么程度, 是否需要服药?”或者“是否需要对测量仪器或者标准做出调整以满足公差要求?”

如何回答这类问题都要根据测量结果。我们都有对测量准确度进行估测的经验, 不论我们的身份是病人还是科学家, 是普通市民还是政策制定者, 我们可能写了报告, 或者是发了校准证书。我们认为这些测量结果是可信的、正确的, 或者更精确地说:“它们是准确的。”但是, 我们要注意这种准确绝对不代表这些结果分毫不差或者等于真值。

我有个同事常说的一句话是:“唯一的真值是商店里写在标签上的数字。”然而使用测量数字的人通常对他们的测量结果的准确度是坚信不疑的———通常他们不会对结果有任何质疑, 认为这些结果是“板上钉钉的”。

孤立的测量结果是缺乏完整性的, 因为所报告的不确定度未进行过评定和估量。举个例子, 在一个和暖的春日, 根据自己的经验, 人们大概能估计出室外的温度, 有偏差也不过是几摄氏度。但是如果用温度计测量, 我们首先期望温度计报出的温度值是准确的, 其次, 我们会考虑标准的分辨力, 即“温度计的读数单位是每1摄氏度, 还是0.1摄氏度抑或是0.01摄氏度的?”

我们对温度计的测量结果可以信任到什么程度, 取决于温度计可读取的数值 (可读性) , 或者说是标准的分辨力。因此, 我们不能轻易相信计算器或电子数据表格的计算结果, 虽然它们通常有测算出小数点之后15位的计算值, 但是我们知道也许测量时的分辨力或不确定度完全达不到这么多的小数位数。

测量仪器或测量标准的重复性也是一个要考虑的变量。许多人都很自然地重复某些测量活动以确定其结果是否可靠。在日常生活中我们进行一些简单的测量活动, 比如用体重秤来监控体重, 或者查看汽车的里程数据来计算燃油效率。

确定测量结果不确定度是一个需要严格掌握、进行记录并验证的过程, 对这个过程评价的重要性与对测量结果本身的评价几乎同等重要。测量专家通常采用国际通用的程序来取得标准化的测量结果, 同时, 他们也按照《测量不确定度的表示方法指南》的建议来评定和报告与测量结果相联系的不确定性。

测量结果的可读性 (或其分辨力、重复性) 在一定程度上反映出数值是否可信 (或不可信) , 与此有关的还有其测量不确定度情况。取得测量不确定度信息并以此来判断测量结果的质量和准确度是非常可取的做法。不确定度数据为测量结果提供了可信度, 即根据它可以量化判定测量结果与真值数据是否一致的边界或限度。

必须将准确的测量结果及其相联系的不确定度表示出来, 可以表示在报纸、学术论文或校准证书上。这也意味着我们的用词准确度和测量结果是严谨的。

一些指南文件有助于人们进行标准化的表示。《国际计量学词汇》 (VIM) 提供了测量和校准结果方面术语的指南。当测量专业人员使用诸如“准确度”“溯源性”“不确定度”和“参考标准”等术语时, 对其固有的内涵, 使用者应人人知晓。

例如, VIM中对“准确度”的定义, 与测量结果相关时, 被定义为“被测量的测得值与其真值间的一致程度”。根据VIM, “被测量的”指的是“拟被测量的量值”。这个关于准确度的定义同时包括了三条解释性注释:

1.概念“测量准确度”不是一个量, 它给出的不是有数字的量值。当测量提供较小误差时, 我们认为该测量是较准确的。

2.术语“测量准确度”不应与“测量正确度”“测量精确度”相混淆, 尽管它与这两个概念有关。

3.测量准确度有时被理解为赋予被测量的测得值之间的一致程度。

如果将不同实验室的测量结果进行比对, 相关人员必须确保探讨的是同一个对象。标准的定义至关重要的原因之一就是, 它们能够防止在对测量结果表示过程中发生混乱。

表示测量结果时必须用对数量、单位和符号。许多国家采用国际单位制 (SI) 作为测量结果的参考基础。目前也有阐明测量单位、符号和结果的参考文件。

美国国家标准和技术研究院 (NIST) 的计量室近年开展了一些项目, 以促进贸易和商务活动中米制计量单位的使用。计量室提供了指导和技术支持, 帮助联邦机构、各州以及当地政府、商业机构、贸易协会、标准机构、教育和社会公众使用米制单位, 并完成相关计量单位的转换。

NIST的特别出版物SP330和SP811提供了美国米制单位使用的法律解读和操作指南。这些出版物提供了标准化的指南, 详细说明测量单位和测量结果的正确书写方式。

我们有的时候会问:“计量专家在测量结果的说明方面出现的错误, 应由谁来发现?”的确, 在我们日常检查测量结果和不确定度报告时, 或者检查实验室文件的过程中, 经常会发现不少问题或错误, 如果这些问题没有及时被纠正, 当然会造成用户解读报告时的问题。

通常发现的错误有以下几种:

●未包括测量不确定度, 或测量不确定度信息不完整、不正确或未正确修约;

●使用的术语错误;

●打印错误未修改;

●单位转换错误;

●使用了错误的单位和符号, 或单位使用不一致。

我们把这些错误比喻成“黑点”。对于顾客来说, 一张干净的纸上若有个黑点是非常明显的。如果存在这种“黑点”, 尽管我们报告中的其他信息都是正确无误的, 顾客也一定会记住这个瑕疵。报告中的错误信息将给顾客造成混乱或者引发错误的决定, 通常都会带来严重后果。所以, “黑点”会损坏实验室的信誉。

我们在日常生活中和新闻报道中也能了解到很多有关“黑点”的事件, 以下是两起较大的事故:

●1998年, 由于未能正确地表达要求并完成两种测量系统间的单位转换, 美国国家宇航局的一颗火星气候轨道探测卫星与控制系统失联。

●2003年, 东京迪士尼游乐园发生过一起太空过山车事故, 经调查发现是由于过山车轴和轴承指标的米制单位转换以及人为失误导致的一个严重问题。当时该游乐园过山车用的是米制单位的轴和轴承, 但运行一段时间之后按例行检修要求更换轴承时, 替换的却不是按SI单位设计尺寸的轴承, 而是之前按非米制单位尺寸设计的产品, 相关人员没有察觉。在随后的运行中, 由于轴与轴承之间存在过大的缝隙, 造成的额外震动和压力使轴发生断裂, 过山车发生脱轨。所幸当时没有造成游客伤亡。

文件控制、版本控制和存档记录是确保相关人员了解整个阶段相关变更的重要工具。实验室文件控制不符合要求, 比如校准证书模板出现问题, 通常可能是造成发给顾客的校准证书出现“黑点”的根本原因。

避免在证书中出现“黑点”是确保正确表示测量数据的根本。在检查证书时及时纠正打印错误、语法错误、术语错误和完整性问题, 确保使用正确的计量单位和符号, 这些都是至关重要的。