降低可靠性—— 十三论不确定度论

  史锦顺 ·  2011-05-23 06:58  ·  12387 次点击
**降低可靠性——十三论不确定度论**
史锦顺
“测量不确定度表示导则”(GUM)2008版说:
E.1.1ThisGuidepresentsawidelyapplicablemethodforevaluatingandexpressinguncertaintyinmeasurement.Itprovidesarealisticratherthana“safe”valueofuncertaintybasedontheconceptthatthereisnoinherentdifferencebetweenanuncertaintycomponentarisingfromarandomeffectandonearisingfromacorrectionforasystematiceffect.Themethodstands,therefore,incontrasttocertainoldermethodsthathavethefollowingtwoideasincommon.
本导则提出了评定和表示测量不确定度的一种广泛应用的方法。它提供了一个现实的而不是“保险”的不确定度值,根据的概念为:由随机影响引起的不确定度分量与对系统误差修正引起的不确定度分量没有内在的差别。所以这种方法是与老的方法大不相同的,通常老方法具有以下两个观念
E.1.2Thefirstideaisthattheuncertaintyreportedshouldbe“safe”or“conservative”,meaningthatitmustnevererronthesideofbeingtoosmall.Infact,becausetheevaluationoftheuncertaintyofameasurementresultisproblematic,itwasoftenmadedeliberatelylarge.
第一个观念是报告的不确定度(指误差范围-史注)应该是“保险”的或“保守”的,意思是必须在极严格的意义下不出错。事实上,因为测量结果的不确定度评定(指误差范围计算-史注)有问题,它通常是过于慎重而偏大。
E.1.3Thesecondideaisthattheinfluencesthatgiverisetouncertaintywerealwaysrecognizableaseither“random”or“systematic”withthetwobeingofdifferentnatures;theuncertaintiesassociatedwitheachweretobecombinedintheirownwayandweretobereportedseparately(orwhenasinglenumberwasrequired,combinedinsomespecifiedway).Infact,themethodofcombininguncertaintieswasoftendesignedtosatisfythesafetyrequirement.
第二个观念是引起不确定度的影响量,通常认为不是“随机的”就是“系统的”两种不同的本性;每种本性不同的不确定度各自按自己的方法合成并分别报告(或当需要单个数时,按某种规定的方法合成)。事实上,合成不确定度的方法通常是按满足保险的要求来设计的。
【史评】以上三条的表述,是事实,说明误差论是严格的。
不确定度论批评误差论“保险”“慎重”“保守”“偏大”,我认为保险慎重是对的,计量的宗旨是准确可靠,保险慎重才可靠,不保险不慎重就谈不上可靠。至于“保守”,却不一定,我认为k取3是恰当的;稍偏大一些,换取到的是较高的可靠性,值得。而不确定度论通常(提倡)k取2,是不妥的,失误率大。我们就此作些分析。
我的计量知识,是六十年代打的底,那时只讲计量要准确一致,并不知可靠性一说。80年代普及工程设计可靠性知识,学了个皮毛。但如何联系实际,就是在计量中如何体现可靠性,除知道仪器、标准是不是正常工作是可靠性问题外,并不知道在计量数据方面如何体现和表达可靠性。有网友认为误差理论讲数据的准确性,而不确定度理论讲的是数据的可信性。且很执著地反复强调。这引发我对置信、可靠问题的思考。找了些材料,且看:
1报载:长征二号F火箭的可靠性提高到0.97,使航天员的安全性达到0.997(有逃逸装置),成功率为100%,长征二号F火箭的可靠性、安全性和成功率均已达到国际先进水平。
2可信度可以信赖的程度。根据经验对一个事物或一件事情为真的相信程度.
3置信度的给法是1-α,并表成百分数。例如测量计量的数据偏差分析中,置信系数k取2,对正态分布(通常情况)则置信度为95.45%,其反面不可信度为α,等于4.55%。
4GUM讲置信系数、置信概率、置信区间;VIM对同一问题的讲法是包含系数、包含概率、包含区间。
5JJF1024-2006《测量仪器可靠性分析》:
可靠性测量仪器在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。(3.1)
任务可靠性测量仪器在规定剖面内完成规定功能的能力。(3.3)
可靠度测量仪器在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率(3.4)
失效测量仪器喪失规定的功能,表现其不确定度超过允许值或功能失常。(3.5)
6故障率的合成
串联式模型。一个元件故障,则整体故障。整体故障率等于各原件故障率之和。比如,一个元件的可靠度是99%,5个此元件串联,可靠度为95%.
对数据处理来数,我认为叫正常率和失误率比较好。可信、包含、可靠,都属于正常的范畴;而不可信、不可靠、失效、故障,都属于失误的范畴。
失误率表为α,则正常率为1-α。
以最常见、最通用的正态分布为例,查表并计算如下
k=31-α=99.73%α=0.27%
k=21-α=95.45%α=4.55%
k=11-α=68.27%α=31.73%
k=0.51-α=38.29%α=61.71%
k=0.31-α=23.58%α=76.42%
k=0.21-α=15.85%α=84.15%
一对常量测量的随机误差
A误差论:
k=3,正常率1-α=99.73%:失误率α=0.27%
B不确定度论
k=2,正常率1-α=95.45%:失误率α=4.55%
二对常量测量的系统误差
A误差论:系统误差范围取代数和。由于确定误差时的实验误差,约为10%。查表,正常率99.3%,失误率0.7%;如按误差方程计算,即将误差范围实验值除以(1-q)(见第5论),则新误差范围(大了些),失误率理论值近为零。
B不确定度论:由于对系统误差按统计办法,算出的区间半宽度(即扩展不确定度U)比极限误差绝对值约小30%以上,失误率大致5%以上。
三对变量测量
GUM的测量温度的例子,样板评定的测量温度的例子,实质都是对变量的测量。真的都实行不确定度论,大量的时频、电子、电学、热学、光学、放射性的大量的随机变量测量,就不得不用不确定度,这里预告其惊人的失误率。
统计测量(变量测量)中,测量仪器误差可略。测得数据,代入贝塞尔公式计算西格玛。
按统计理论,取3倍西格玛,为极限偏差;而按不确定度论,西格玛要除以根号N(由GUM,除以根号N才叫不确定度),再取k=2。
A按原统计理论,西格玛是统计量的分散性,取3倍西格玛为区间半宽度,
k=3,正常率1-α=99.73%:失误率α=0.27%
B按不确定度论
甲测量10次,k=2,西格玛除以根号10,再乘2,有效k值0.6
正常率1-α=2(0.725747-0.5)=0.45514≈46%
失误率α≈54%
乙测量100次(测频常取),k=2,西格玛除以根号100,有效k值0.2
正常率1-α=2(0.057926-0.5)=0.15852≈16%
失误率α≈84%
不算不知道,一算吓一跳。
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火箭总体可靠性97%,失误率3%;如按不确定度办事,一项测量失误率达5%,那是绝对不行的。
科学发展了,技术进步了,大方向应该是提高可靠性;不确定度论反其道而行之,降低可靠性,是方向性错误。

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