劉 智,萬明杰,劉 慧（.防空兵學(xué)院，河南鄭州，45005；.梅州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣東梅州，54000）

?

基于蒙特卡羅法的虛擬儀器測(cè)量不確定度應(yīng)用

劉 智1,萬明杰1,劉 慧2
（1.防空兵學(xué)院，河南鄭州，450052；2.梅州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣東梅州，514000）

摘要：本文把蒙特卡羅法應(yīng)用于虛擬儀器測(cè)量不確定度評(píng)定中，對(duì)今后虛擬儀器精度領(lǐng)域的研究是一個(gè)借鑒。對(duì)虛擬儀器的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定和驗(yàn)證是個(gè)極其重要的問題，采用蒙特卡羅法重要思想就是，確定一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，其數(shù)學(xué)期望正好等于所要求的值，樣本方差等于理論方差的估計(jì)值。

關(guān)鍵詞：蒙特卡羅法；虛擬儀器；測(cè)量不確定度應(yīng)用

虛擬儀器在當(dāng)今社會(huì)越來越被測(cè)試領(lǐng)域所采用，其每一步處理數(shù)據(jù)都可能會(huì)產(chǎn)生誤差，只有各硬件模塊誤差與系統(tǒng)整體誤差在有效范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果才是準(zhǔn)確，使得對(duì)應(yīng)作業(yè)持續(xù)下去。ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在使用測(cè)量設(shè)備時(shí)，應(yīng)確保其測(cè)量不確定度為已知。解決虛擬儀器不確定度問題，有效的確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。保證工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的順利進(jìn)行，并將其順利溯源到最高標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量不確定度是表征測(cè)量結(jié)果可靠性的一個(gè)重要參數(shù)。

但是如何評(píng)定與表示測(cè)量不確定度是個(gè)極其重要的問題。評(píng)價(jià)過大，會(huì)因測(cè)量不能滿足需要而必須予以升級(jí)改造造成浪費(fèi)；評(píng)價(jià)過小產(chǎn)生結(jié)果會(huì)造成危害。測(cè)量不確定度一般來源于隨機(jī)性或模糊性，前者歸因于條件不充分，后者歸因于事物本身概念不明確，因而測(cè)量不確定度一般由許多分量組成，其中一些分量具有統(tǒng)計(jì)性，另一些分量具有非統(tǒng)計(jì)性。所有的不確定度來源，若影響到測(cè)量結(jié)果，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分散性做出貢獻(xiàn)，都必須予以考慮并反映到測(cè)量不確定度的最終結(jié)果中。

1　蒙特卡羅法簡(jiǎn)介

蒙特卡羅法（Monte Carlo Method）又稱為隨機(jī)模擬法，還稱為統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，是以統(tǒng)計(jì)仿真或隨機(jī)模擬來解決問題的技術(shù)方法?！懊商乜_（Monte Carlo）”得名于摩納哥的著名賭城——蒙特卡羅，由Metropolis、Ulam和Von Neumann等人在二戰(zhàn)期間研究核武器時(shí)候提出來的。

蒙特卡羅法的思想是：首先建立概率模型，使它的參數(shù)等于問題的解，隨后對(duì)模型觀察或抽樣試驗(yàn)計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征；最后給出所求解的近似值，而解的精確度可用估計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差來表示。這種數(shù)值計(jì)算方法是以概率統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，通過隨機(jī)抽樣的方法建立一個(gè)與所求解相關(guān)的概率模型，使所求問題的解正好是所建模型的數(shù)學(xué)期望或其他特征量；然后通過多次模擬一個(gè)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出某事件發(fā)生的概率；利用建立的概率模型，求出要估計(jì)的參數(shù)；再次對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，驗(yàn)證系統(tǒng)的某些特性。

采用抽象的概率語言描述蒙特卡羅方法的解題思路如下：

2　虛擬儀器測(cè)量不確定度

目前伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，虛擬儀器開始應(yīng)用于測(cè)試領(lǐng)域。和傳統(tǒng)的儀器測(cè)試相比，虛擬儀器對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)的處理速度都得到了很大提升，虛擬儀器測(cè)試還可以更為方便的存儲(chǔ)、交換測(cè)試數(shù)據(jù)，并且價(jià)格低廉，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

對(duì)于虛擬儀器測(cè)量不確定度，從理論上分析，在虛擬儀器測(cè)試的每個(gè)模塊中，每個(gè)誤差源都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度造成影響。從虛擬儀器測(cè)試誤差的傳遞角度來講，通過集成傳感器與數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生出來的誤差源，一定會(huì)利用計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)虛擬儀器測(cè)量結(jié)果不確定度做出貢獻(xiàn)。虛擬儀器的測(cè)試功能以及面板控件軟件化后，操作者可利用修改虛擬儀器軟件改變功能。同時(shí)，相比傳統(tǒng)的測(cè)試儀器，虛擬儀器的結(jié)構(gòu)中包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理與控制軟件、硬件模塊、軟件算法和浮點(diǎn)運(yùn)算都要產(chǎn)生中間測(cè)量結(jié)果，誤差傳遞及測(cè)量不確定度合成方式更為復(fù)雜。

在實(shí)際中運(yùn)用虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，因?yàn)樵O(shè)備本身所固有的原因不夠精確及其他存在一些環(huán)境因素的影響，都有可能導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏離測(cè)量真值，存在測(cè)量誤差無法避免。從理論角度來講，在虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)里，由于各模塊均有不確定度源，都會(huì)對(duì)虛擬儀器測(cè)量結(jié)果的不確定度造成影響。從不確定度傳遞看，不確定度源是集成傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)生的，就一定要通過計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理工作，將數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，不確定度源最主要是依靠數(shù)據(jù)采集卡。

3　蒙特卡羅法在虛擬儀器測(cè)量不確定度“四步法”應(yīng)用

測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量后取得的結(jié)果存在無法肯定的程度，反映出對(duì)被測(cè)的真值存在認(rèn)識(shí)全面的問題，在進(jìn)行檢驗(yàn)以及測(cè)量設(shè)備使用的時(shí)候，必須確保測(cè)量不確定度是已知的，并且和要求測(cè)量能力達(dá)到一致。蒙特卡羅方法能夠很好的解決在虛擬儀器測(cè)量中出現(xiàn)的各種問題。當(dāng)已知誤差傳遞系數(shù)的時(shí)候，其不確定度的分量誤差傳遞系數(shù)，往往能夠利用求導(dǎo)的數(shù)學(xué)方法求得。

利用蒙特卡羅法對(duì)虛擬儀器測(cè)量不確定度的評(píng)估過程當(dāng)中，按照基于蒙特卡羅法評(píng)估虛擬儀器測(cè)量不確定度原理，簡(jiǎn)單的介紹一下隨機(jī)誤差模塊的使用方法，如下：

第1步，首先編譯好儀器測(cè)量的程序；

第2步，對(duì)被測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，依照數(shù)據(jù)采集的方式，累計(jì)仿真模塊所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差并將誤差相加，從而得到了偽測(cè)量數(shù)據(jù)；

第3步，把累計(jì)相加后所得到的偽測(cè)量數(shù)據(jù)，輸入到虛擬儀器軟件平臺(tái)里，對(duì)主程序的數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行測(cè)量，獲得虛擬儀器的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，

第4步，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行循環(huán)并且統(tǒng)計(jì)出來數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得虛擬儀器測(cè)量不確定度。

4　結(jié)束語

蒙特卡羅方法應(yīng)用于虛擬儀器測(cè)量不確定度有一個(gè)最大的特點(diǎn)，就是只需要利用一組測(cè)量數(shù)據(jù)就可以得到測(cè)量的評(píng)定結(jié)果，同時(shí)使用蒙特卡羅方法，不用深入考慮那些不確定度分量是如何由誤差傳遞系數(shù)對(duì)虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)儀器測(cè)量結(jié)果造成的影響，直接利用仿真方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果評(píng)定。還有效的避免了受直接測(cè)量量相關(guān)性限制，計(jì)算過程中存在著一些近似，給不確定度合成帶來不便的問題。但實(shí)際試驗(yàn)中蒙特卡羅方法評(píng)定時(shí)候也存在收斂速度較慢以及仿真結(jié)果不穩(wěn)定等不足之處?？傊?，對(duì)虛擬儀器測(cè)量不確定度的研究，蒙特卡羅法使不確定度評(píng)定簡(jiǎn)單化。

參考文獻(xiàn)

[1]陳曉懷，薄曉靜，王宏濤．基于蒙特卡羅方法的測(cè)量不確定度合成．儀器儀表學(xué)報(bào)[J].2005(8)增刊：759-761.

[2]孫秀桂，張洪斌，幺明．不確定度理論在虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用．電子測(cè)試[J].2009（12）：31-34，56.

[3]李笠．軍用自動(dòng)系統(tǒng)及其不確定度評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．湖南長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

劉智（1987—）男，漢族，籍貫：山西省聞喜縣，現(xiàn)供職單位全稱：防空兵學(xué)院，在讀碩士研究生，研究方向：兵器科學(xué)與技術(shù)。

萬明杰，防空兵學(xué)院導(dǎo)彈系地空導(dǎo)彈測(cè)量與維護(hù)教研室教授，博士后，碩士研究生導(dǎo)師。

劉慧（1991—）男，漢族，籍貫：山西省聞喜縣，現(xiàn)供職單位全稱：梅州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，職稱：助理工程師，學(xué)位；本科。

Application of virtual instrument measurement uncertainty based on Monte Carlo method

Liu Zhi1，Wan Mingjie1，Liu Hui2
（1.Air Defence Forces Academy, Zhengzhou Henan，450052；2.Meizhou special equipment inspection institute Meizhou City，Meizhou Guangdong，514000）

Abstract：In this paper,the Monte Carlo method and its application in virtual instrument measurement uncertainty evaluation of and for the future research in the field of virtual instrument accuracy is a reference.The virtual instrument measurement uncertainty degree evaluation and verification is a very important problem,using Monte Carlo method important thought is, determine a statistic,the mathematical expectation is exactly equal to the required value,the sample variance equal to estimates of variance theory value.

Keywords：Monte Carlo method;virtual instrument;Application of measurement uncertainty

作者簡(jiǎn)介