基于蒙特卡罗法的虚拟仪器测量不确定度应用

刘 智,万明杰,刘 慧（.防空兵学院，河南郑州，45005；.梅州市特种设备检验所，广东梅州，54000）



基于蒙特卡罗法的虚拟仪器测量不确定度应用

刘 智1,万明杰1,刘 慧2
（1.防空兵学院，河南郑州，450052；2.梅州市特种设备检验所，广东梅州，514000）

摘要：本文把蒙特卡罗法应用于虚拟仪器测量不确定度评定中，对今后虚拟仪器精度领域的研究是一个借鉴。对虚拟仪器的测量不确定度进行评定和验证是个极其重要的问题，采用蒙特卡罗法重要思想就是，确定一个统计量，其数学期望正好等于所要求的值，样本方差等于理论方差的估计值。

关键词：蒙特卡罗法；虚拟仪器；测量不确定度应用

虚拟仪器在当今社会越来越被测试领域所采用，其每一步处理数据都可能会产生误差，只有各硬件模块误差与系统整体误差在有效范围内，测量结果才是准确，使得对应作业持续下去。ISO9000系列标准规定：在使用测量设备时，应确保其测量不确定度为已知。解决虚拟仪器不确定度问题，有效的确保测量的准确性。保证工业生产和科学研究的顺利进行，并将其顺利溯源到最高标准。测量不确定度是表征测量结果可靠性的一个重要参数。

但是如何评定与表示测量不确定度是个极其重要的问题。评价过大，会因测量不能满足需要而必须予以升级改造造成浪费；评价过小产生结果会造成危害。测量不确定度一般来源于随机性或模糊性，前者归因于条件不充分，后者归因于事物本身概念不明确，因而测量不确定度一般由许多分量组成，其中一些分量具有统计性，另一些分量具有非统计性。所有的不确定度来源，若影响到测量结果，都会对测量结果的分散性做出贡献，都必须予以考虑并反映到测量不确定度的最终结果中。

1　蒙特卡罗法简介

蒙特卡罗法（Monte Carlo Method）又称为随机模拟法，还称为统计试验法，是以统计仿真或随机模拟来解决问题的技术方法。“蒙特卡罗（Monte Carlo）”得名于摩纳哥的著名赌城——蒙特卡罗，由Metropolis、Ulam和Von Neumann等人在二战期间研究核武器时候提出来的。

蒙特卡罗法的思想是：首先建立概率模型，使它的参数等于问题的解，随后对模型观察或抽样试验计算所求参数的统计特征；最后给出所求解的近似值，而解的精确度可用估计值标准差来表示。这种数值计算方法是以概率统计为理论基础，通过随机抽样的方法建立一个与所求解相关的概率模型，使所求问题的解正好是所建模型的数学期望或其他特征量；然后通过多次模拟一个统计试验，统计出某事件发生的概率；利用建立的概率模型，求出要估计的参数；再次对模拟结果进行分析总结，验证系统的某些特性。

采用抽象的概率语言描述蒙特卡罗方法的解题思路如下：

2　虚拟仪器测量不确定度

目前伴随着科学技术的不断创新，虚拟仪器开始应用于测试领域。和传统的仪器测试相比，虚拟仪器对被测数据的处理速度都得到了很大提升，虚拟仪器测试还可以更为方便的存储、交换测试数据，并且价格低廉，可扩展性强。

对于虚拟仪器测量不确定度，从理论上分析，在虚拟仪器测试的每个模块中，每个误差源都会对测量结果的不确定度造成影响。从虚拟仪器测试误差的传递角度来讲，通过集成传感器与数据采集卡产生出来的误差源，一定会利用计算机软件的数据处理模块，对虚拟仪器测量结果不确定度做出贡献。虚拟仪器的测试功能以及面板控件软件化后，操作者可利用修改虚拟仪器软件改变功能。同时，相比传统的测试仪器，虚拟仪器的结构中包括传感器、数据采集卡、计算机、数据处理与控制软件、硬件模块、软件算法和浮点运算都要产生中间测量结果，误差传递及测量不确定度合成方式更为复杂。

在实际中运用虚拟仪器测试系统进行作业时，因为设备本身所固有的原因不够精确及其他存在一些环境因素的影响，都有可能导致测试结果偏离测量真值，存在测量误差无法避免。从理论角度来讲，在虚拟仪器测试系统里，由于各模块均有不确定度源，都会对虚拟仪器测量结果的不确定度造成影响。从不确定度传递看，不确定度源是集成传感器与数据采集模块产生的，就一定要通过计算机软件来实现数据采集和处理工作，将数据采集模块实现模拟量到数字量的转换，不确定度源最主要是依靠数据采集卡。

3　蒙特卡罗法在虚拟仪器测量不确定度“四步法”应用

测量不确定度是对测量后取得的结果存在无法肯定的程度，反映出对被测的真值存在认识全面的问题，在进行检验以及测量设备使用的时候，必须确保测量不确定度是已知的，并且和要求测量能力达到一致。蒙特卡罗方法能够很好的解决在虚拟仪器测量中出现的各种问题。当已知误差传递系数的时候，其不确定度的分量误差传递系数，往往能够利用求导的数学方法求得。

利用蒙特卡罗法对虚拟仪器测量不确定度的评估过程当中，按照基于蒙特卡罗法评估虚拟仪器测量不确定度原理，简单的介绍一下随机误差模块的使用方法，如下：

第1步，首先编译好仪器测量的程序；

第2步，对被测量的数据进行采集，依照数据采集的方式，累计仿真模块所产生的随机误差并将误差相加，从而得到了伪测量数据；

第3步，把累计相加后所得到的伪测量数据，输入到虚拟仪器软件平台里，对主程序的数据处理部分进行测量，获得虚拟仪器的测量结果数据，

第4步，将测量结果进行循环并且统计出来数值的标准差，从而获得虚拟仪器测量不确定度。

4　结束语

蒙特卡罗方法应用于虚拟仪器测量不确定度有一个最大的特点，就是只需要利用一组测量数据就可以得到测量的评定结果，同时使用蒙特卡罗方法，不用深入考虑那些不确定度分量是如何由误差传递系数对虚拟仪器测试系统仪器测量结果造成的影响，直接利用仿真方法实现测量结果评定。还有效的避免了受直接测量量相关性限制，计算过程中存在着一些近似，给不确定度合成带来不便的问题。但实际试验中蒙特卡罗方法评定时候也存在收敛速度较慢以及仿真结果不稳定等不足之处。总之，对虚拟仪器测量不确定度的研究，蒙特卡罗法使不确定度评定简单化。

参考文献

[1]陈晓怀，薄晓静，王宏涛．基于蒙特卡罗方法的测量不确定度合成．仪器仪表学报[J].2005(8)增刊：759-761.

[2]孙秀桂，张洪斌，幺明．不确定度理论在虚拟仪器测量系统中的应用．电子测试[J].2009（12）：31-34，56.

[3]李笠．军用自动系统及其不确定度评定关键技术研究[D]．湖南长沙：国防科学技术大学，2007.

刘智（1987—）男，汉族，籍贯：山西省闻喜县，现供职单位全称：防空兵学院，在读硕士研究生，研究方向：兵器科学与技术。

万明杰，防空兵学院导弹系地空导弹测量与维护教研室教授，博士后，硕士研究生导师。

刘慧（1991—）男，汉族，籍贯：山西省闻喜县，现供职单位全称：梅州市特种设备检验所，职称：助理工程师，学位；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

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