Введение к работе
з
Актуальность проблемы
На рубеже XX и XXI веков произошли коренные изменения в методах и структуре обеспечения единства измерений в мире, отвечающие общим процессам глобализации и вызванные необходимостью кардинального снижения влияния существующих барьеров, препятствующих развитию международной торговли, охране здоровья, защите окружающей среды, кооперации в промышленности и т.д. Подписание 14 октября 1999 г. директорами национальных метрологических институтов "Договоренности о взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровок и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами" (MRA) явилось качественным скачком в развитии международной системы измерений.
Объективной основой для взаимного признания сертификатов калибровок и измерений являются результаты ключевых сличений национальных эталонов и системы менеджмента качества, реализованные национальными метрологическими институтами (ИМИ). Международные сличения первичных эталонов направлены на решение задачи обеспечения единства измерений и являются традиционным эффективным способом проверки правильности воспроизведения единицы физической величины и оценки точности. Подписание MRA качественно повысило статус этих сличений, выделив ключевые сличения национальных эталонов, в которых устанавливается новая характеристика национальных эталонов - степень их эквивалентности, и подтверждаются калибровочные и измерительные возможности (CMC), заявляемые НМИ.
В ходе ключевых сличений национальных эталонов, проводимых консультативными комитетами Международного Комитета по Мерам и Весам (СГРМ КС), определяется опорное значение ключевых сличений (KCRV), по отношению к которому устанавливается степень эквивалентности эталонов. Степень эквивалентности эталонов НМИ, не участвовавших в сличениях CIPM, устанавливается в региональных ключевых сличениях (RMO КС). При этом прослеживаемость к KCRV обеспечивается через результаты связующих НМИ, которые участвовали в CIPM КС и участвуют в RMO КС.
Практическим выходом ключевых сличений (КС) национальных эталонов является подтверждение калибровочных и измерительных возможностей НМИ, характеризующих уровень развития национальной метрологии и представленных в общедоступной базе данных Международного Бюро по Мерам и Весам (BIPM).
Таким образом, реализация MRA ставит перед отечественной метрологией ряд новых первоочередных задач, среди которых может быть сформулирована проблема исследования и разработки методов оценивания результатов измерений на основе концепции неопределенности измерений для установления степени эквивалентности национальных эталонов в ходе ключевых сличений, оценивания и подтверждения измерительных и калибровочных возможностей НМИ. Решение этой проблемы обеспечит дальнейшее широкое международное сотрудничество, конкурентоспособность отечественной продукции и независимость Российской системы обеспечения единства измерений, в том числе и экономическую.
Исходя из этого, тема диссертационного исследования представляется актуальной. Основные направления и задачи работы
Для решения сформулированной проблемы в диссертации выделены три направления исследований. Во-первых, это разработка и исследование методов оценивания данных ключевых сличений национальных эталонов. Во-вторых, разработка и совершенствование методов оценивания результатов измерений при разработке, аттестации и применении методик калибровки средств измерений и измерительных систем (СИ). В-третьих, разработка подходов к оцениванию точности результатов измерений, получаемых с использованием программного обеспечения (ПО) для обработки экспериментальных данных.
Поэтому в работе решались следующие задачи:
-
Сравнительный анализ целей и задач иерархической системы межлабораторных сличений с целью выявления специфических особенностей ключевых сличений национальных эталонов, существенных для выбора подхода к оцениванию экспериментальных данных.
-
Разработка методов и алгоритмов оценивания данных ключевых сличений национальных эталонов для установления степени эквивалентности, в том числе при ограниченной априорной информации и нарушении стабильности транспортируемого эталона сравнения.
-
Разработка методов оценивания результатов региональных ключевых сличений с целью обеспечения их прослеживаемости к KCRV.
-
Сравнительный анализ подходов к оцениванию погрешности и неопределенности измерения для выражения точности измерений и путей внедрения подхода, основанного на неопределенности измерения, в отечественные нормативные документы.
-
Разработка и совершенствование методов и процедур оценивания результатов измерений при калибровке средств измерений на основе концепции неопределенности измерений и статистических методов планирования эксперимента.
-
Исследование методов учета неопределенности измерений в задачах принятия решений на основе измерительной информации.
-
Исследование методов оценивания и контроля точности результатов измерений при использовании программного обеспечения на основе методологии аттестации алгоритмов обработки данных при измерениях.
Положения, выносимые на защиту
В результате проведенных работ с использованием математического аппарата теории вероятностей и математической статистики получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
-
На основе анализа понятия опорного значения ключевых сличений и эквивалентности национальных эталонов предложены альтернативные подходы к определению степеней их эквивалентности и разработаны способы вычисления опорного значения и степени эквивалентности с использованием смеси распределений вероятностей, а также алгоритмы оценивания данных ключевых сличений эталонов при наличии дрейфа значений эталона сравнения. Разработанные процедуры оценивания данных ключевых сличений национальных эталонов могут быть применимы при ограниченной априорной информации и нарушении условий, обеспечивающих стабильность транспортируемого эталона сравнения.
-
Исследована и решена задача установления связи региональных ключевых сличений со сличениями Международного Комитета по Мерам и Весам с использованием различных
критериев оптимизации. Обоснован общий вид уравнения связи, минимизирующий неопределенность установления степени эквивалентности национальных эталонов.
-
Разработан новый метод оценивания систематических смещений результатов измерений лабораторий - участников межлабораторных сличений на основе Байесовского анализа. Получены оценки смещений как в общем виде, так и в виде конкретных формул для нормального закона распределения.
-
Предложена поэтапно структурированная процедура оценивания результатов измерений при разработке и применении методик калибровки средств измерений, основанная на концепции неопределенности и статистических методах планирования измерительного эксперимента.
-
Решена задача оценивания точности результатов измерений, получаемых с применением программного обеспечения обработки экспериментальных данных. Обоснована ключевая роль методологии аттестации алгоритмов обработки данных при тестировании программного обеспечения по принципу «полупрозрачного ящика». Получены оценки точностных характеристик группы алгоритмов оценивания информативных параметров сигналов аналитических приборов в области физико-химических измерений.
Теоретическая и практическая значимость
В результате проведенных работ, кроме положений, выносимых на защиту, получены следующие новые научные результаты, представляющие теоретическую ценность:
на основе сравнительного анализа целей и задач иерархической системы межлабораторных сличений показаны специфические особенности ключевых сличений национальных эталонов, существенные для обоснованного выбора подхода к оцениванию экспериментальных данных;
проведена классификация задач принятия решений на основе использования результатов измерений, исследованы возможности применения нецентральных распределений вероятностей при оценке критериев проверки гипотез, используемых при принятии решений
проанализированы различные подходы к формированию правила принятия решения при контроле параметра по результатам его измерения. Предложена функция потерь общего вида. Получены явные выражения для условных рисков принятия ошибочных решений, даны рекомендации по формированию зоны допустимых результатов измерений контролируемого параметра;
на основе сравнительного анализа подходов, основанных на концепциях погрешности и неопределенности, предложены пути внедрения концепции неопределенности измерений в отечественную систему нормативных документов, в том числе при определении метрологических характеристик средств измерений.
Полученные соискателем научные результаты использованы при разработке десяти нормативных документов, которые внедрены и активно используются в метрологической практике Российской Федерации и стран Евро-азиатского сотрудничества государственных метрологических учреждений (КООМЕТ):
-
МИ 2174-91 ГСП. Аттестация алгоритмов и программ обработки данных при измерениях. Основные положения.
-
МИ 2503-98 ГСИ. Меры содержания компонентов в газовых смесях эталонные. Методы планирования измерений и обработки результатов измерений при проведении межлабораторных сличений.
-
МИ 2552-99 ГСИ. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений».
-
РМГ 43-2001 Рекомендация. ГСИ. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений».
-
Р 50.2.028-03 ГСИ. Алгоритмы построения градуировочных характеристик средств измерения состава веществ и материалов и оценивания их погрешностей (неопределенностей). Оценивание погрешности (неопределенности) линейных градуировочных характеристик при использовании метода наименьших квадратов.
-
Р 50.2.050-05 ГСИ. Средства поверки одинакового уровня точности. Проверка качества поверочных и калибровочных работ посредством межлабораторных измерений.
-
СООМЕТ R/GM/14:2006 Руководство по оцениванию данных ключевых сличений КООМЕТ.
-
СООМЕТ R/GM/19:2008 Руководство по оцениванию данных дополнительных сличений КООМЕТ.
-
СК 02-30-07. Программное обеспечение обработки данных при измерениях. Общие положения и порядок проведения метрологической аттестации. Нормативный документ системы менеджмента качества ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"
-
СК 02-31-09 Калибровка средств измерений. Алгоритмы обработки результатов измерений и оценивания неопределенности. Нормативный документ системы менеджмента качества ФГУП "ВНИИМ им. Д.И. Менделеева".
Апробация работы
Основные материалы диссертации достаточно полно отражены в трех монографиях (одна написана без соавторов), тридцати четырех статьях и докладах (двадцать пять из них входят в список журналов, рекомендуемых ВАК), семнадцати материалах всероссийских и международных конференций.
По результатам работы были представлены, обсуждены и одобрены доклады на следующих международных и всероссийских конференциях: Международной школе «Современные фундаментальные проблемы и прикладные задачи теории точности и качества машин, приборов, систем» (СПб, 1998, 2002, 2003), Euro Conference on Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology (Berlin 1996, London 1999, Lisbon 2000, Torino 2003, Paris 2008); Workshop "Data Analysis of Interlaboratory Comparisons" (PTB, Berlin, Germany, 2002); XVIIIMEKO World Congress (Dubrovnik, Croatia, 2003); X IMEKO TC7 International symposium on advances of measurement science (2004, St. Petersburg); BIPM Workshop "The impact of information technology in metrology" (2005 AIST, Japan; 2007, PTB, Germany); Workshop "Trends in Uncertainty Evaluation and Interlaboratory Comparison Analysis" (2007, PTB, Berlin); Научном симпозиуме «Метрология и метрологично осигуряване» (Созопол, България, 2008, 2009); Международном научно-техническом семинаре "Математическая, статистическая и компьютерная поддержка качества измерений" (СПб, 2000, 2002, 2004, 2006, 2009).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и четырех приложений. Она изложена на 209 страницах, в том числе содержит 8 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 157 наименований на 12 стр.
