船載觀測設備計量檢定與海上標校試驗的現狀和發展建議

黃路 馮旭文 喬正明 楊星晨 邵浩 吳春芳

摘要：計量檢定和海上標校試驗是目前船載觀測設備在室內和室外開展測量精度評價的2種常用手段。為進一步推進我國計量檢定和海上試驗建設發展，文章系統歸納和總結室內計量檢定和海上標校試驗的原理、特點和工作現狀，分析當前各自存在的問題，并提出具體建議。研究結果表明：軍、地對于船載觀測設備計量檢定和海上標校試驗的需求越來越迫切，我國雖已基本建成海洋設備計量技術規范體系，并強化海試全過程的質量控制，但仍存在計量標準、評價體系、維修保障和室外檢定手段不足，海上試驗環境和比測精度不確定以及缺少標準化海上試驗設施和平臺等問題；計量檢定機構應綜合分析計量要素的特點、社會效益和難易程度等，研究并制定行之有效的標準規范和保障措施；還應充分發揮海上試驗的綜合檢驗評價功能，研究完善比測校準方法，建設標準化的海上試驗設施和平臺。

關鍵詞：計量檢定；海上標校試驗；船載觀測設備；測量精度評價；校準方法

中圖分類號： P 7 1 5； T B 9 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 2-0 0 8 1-0 6

基金項目：國家重點研發計劃項目“海洋技術和裝備關鍵國際標準研究”（ 2 0 1 6 Y F F 0 2 0 2 7 0 4） ；自然資源部項目“自然資源標準化工作基礎研究及重要標準制修訂”（ 1 2 1 1 6 9 0 0 0 0 0 0 1 9 0 0 0 4）.

C u r r e n t S t a t u sa n dD e v e l o p m e n t S u g g e s t i o n so fM e t r o l o g i c a l V e r i f i c a t i o na n dM a r i n eC a l i b r a t i o nT r i a l f o rO n b o a r d O b s e r v a t i o nE q u i p m e n t

HUAN GL u1， F E N GX u w e n2， Q I AOZ h e n g m i n g1，

YAN GX i n g c h e n1， S HAO H a o3，WUC h u n f a n g2

（ 1 . P r e p a r a t o r yO f f i c eo fZ h a n g z h o uB a s e， NOT C， X i a m e n3 6 1 0 0 7， C h i n a； 2 . S e c o n dI n s t i t u t eo fO c e a n o g r a p h y，MN R， H a n g z h o u3 1 0 0 1 2， C h i n a； 3 .U n i tN o . 9 1 0 3 9o fP L A， B e i j i n g1 0 2 4 0 1， C h i n a）

A b s t r a c t：M e t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l a r et h e2m a i nm e a n so fm e a s u r e -m e n t a c c u r a c ya s s e s s m e n t f o ro n b o a r do b s e r v a t i o ne q u i p m e n t i n d o o r a n do u t d o o r .I no r d e r t o f u r -t h e rp r o m o t e t h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fm e t r o l o g i c a lv e r i f i c a t i o na n dm a r i n et r i a l， t h i s p a p e rs y s t e m a t i c a l l ys u mm a r i z e dt h ep r i n c i p l e， c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r ks t a t u so f i n d o o rm e t r o -l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l， a n a l y z e dt h ee x i s t i n gp r o b l e m s， a n dp u tf o r w a r d s p e c i f i cs u g g e s t i o n s . T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t：t h em i l i t a r ya n d l o c a l d e m a n df o r t h em e -t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o na n dm a r i n ec a l i b r a t i o no fs h i pb o r n eo b s e r v a t i o ne q u i p m e n tw a sm o r ea n d m o r eu r g e n t . A l t h o u g hC h i n ah a db a s i c a l l ye s t a b l i s h e d t h e t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o ns y s t e mo fm a r i n e e q u i p m e n tm e a s u r e m e n t， a n ds t r e n g t h e n e dt h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h ew h o l ep r o c e s so fm a r i n e t r i a l， t h e r ew e r e s t i l l s o m ep r o b l e m s， s u c ha s i n s u f f i c i e n c i e s o f s t a n d a r de q u i p m e n t， e v a l u a t i o ns y s -t e m，m a i n t e n a n c es u p p o r t， o u t d o o rv e r i f i c a t i o n m e a n s， u n c e r t a i n t yo fm a r i n et r i a le n v i r o n m e n t a n dc o m p a r i s o np r e c i s i o n . T h i sp a p e rp u t f o r w a r d t h a tm e t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o n i n s t i t u t i o n s s h o u l d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c s， s o c i a lb e n e f i t sa n dd i f f i c u l t yo fm e a s u r e m e n te l e -m e n t s， s t u d ya n df o r m u l a t ee f f e c t i v es t a n d a r d sa n ds u p p o r t i n gm e a s u r e s . I na d d i t i o n，w es h o u l d g i v e f u l l p l a yt ot h ec o m p r e h e n s i v e i n s p e c t i o na n de v a l u a t i o nf u n c t i o no ft h em a r i n et r i a l， s t u d y a n d i m p r o v e t h e c o m p a r a t i v e t e s t c a l i b r a t i o nm e t h o d s， a n dd e v e l o ps t a n d a r d i z e dm a r i n e t r i a l f a c i l i -t i e sa n dp l a t f o r m s .

K e y w o r d s：M e t r o l o g i c a lv e r i f i c a t i o n，M a r i n ec a l i b r a t i o nt r i a l，O n b o a r do b s e r v a t i o ne q u i p m e n t， M e a s u r e m e n t a c c u r a c ya s s e s s m e n t， C a l i b r a t i o nm e t h o d s

0 引言

海洋科學是高度依賴觀測的科學，海洋數據是海洋學科發展的戰略資源，而海洋調查是獲取海洋數據的重要手段。為保證調查數據的準確性，船載觀測設備應符合現行的標準規范要求，送經授權的法定計量檢定機構進行檢定或校準；沒有授權機構的，可采用合法化的方法進行自校或互校；無法在室內檢定或校準的設備，應與傳統儀器進行現場比對[ 1-2]。

計量檢定和海上標校試驗是船載觀測設備在室內和室外進行測量精度評價的常用方法。其中：計量檢定主要是利用標準儀器（或標準量值）對被試儀器進行測量而得到標準值，再與被試儀器的測量結果進行比較；海上標校試驗（含比測試驗內容）是被試儀器在完成裝船校正后，與比測儀器在海上開展同步比對試驗[ 3-4]。已有文獻[ 5-8]專題介紹各自計量站建站的基本情況、工作內容和發展計劃；眾多學者分別就各自的學科領域論述計量工作現狀和發展建議[ 9-1 7]，也有學者專門對海洋儀器的海上比測試驗方法提出認識和思考[ 1 8-2 0]。但從總體上看，目前研究多從各自學科領域分析計量檢定情況，較少對上述2種檢定試驗方法進行交叉對比和分析。

船載觀測設備涉及學科眾多且種類各異，本研究梳理軍、地主要海洋調查要素和船載觀測設備，總結開展室內計量檢定和海上標校試驗的原理、方法和工作現狀，并針對各自存在的問題提出解決建議。

1 海洋調查要素和船載觀測設備

單船調查和多船聯合調查是目前開展深遠海調查的常用手段。目前我國已擁有超過6 0艘海洋調查船，全球超過4 0個國家擁有海洋調查船，總數量超過5 0 0艘[ 2 1]。這些調查船使用大量的船載觀測設備，同時匯聚大量的設備檢定和標校需求。

目前軍、地開展海洋環境調查主要集中在海洋測繪、海洋水文、海洋氣象和海洋聲學4個學科，各學科的主要調查要素和船載觀測設備如表1所示。

隨著現代科學技術的不斷進步，各種船載觀測設備向小型化、多參數化、模塊化和智能化[ 2 2]等方向發展，其傳感器測量精度、靈敏性、觀測范圍、環境適應性和工作原理等均有較大改變，相應的檢定試驗技術也隨之發展。因此，應根據設備性能的變化，科學設置檢定試驗指標，建立適應檢定試驗需求的標準化和現代化設施和平臺，并制定規范化的檢定試驗方法、組織和工作流程等。

2 計量檢定現狀、存在的問題和建議

2 . 1 計量檢定機構和計量標準

目前海洋領域獲原國家質檢總局授權的計量標準有3 5項，其中社會公用計量標準有3 4項。在海洋水文和氣象等領域，社會公用計量標準和國家有證標準物質覆蓋超過8 0%的儀器種類[ 1 0-1 1]，國內部分涉海法定計量檢定機構如表2所示[ 5-8]。

在海洋氣象方面，主要包括國家氣象計量站和全國3 2個省級氣象計量機構以及國家海洋計量站等。國家氣象計量站建立并保持大氣壓力、氣象溫度、氣象濕度、空氣流速、降水以及太陽和地球輻射等6個項目的行業最高計量標準。國家海洋計量站針對氣溫、氣壓、空氣濕度、降雨量和風5項參數建立部門最高計量標準，其自主設計的海洋測風儀器檢測裝置是國內海洋領域最大的計量風洞[ 9]；國家海洋計量站及其3個分站目前均被授權開展氣溫、氣壓、空氣濕度和風等氣象要素測量設備的計量檢定工作。

在海洋水文方面，主要包括國家海洋計量站及其下設的青島、上海和廣州3個分站。國家海洋計量站建有海水鹽度測量儀器檢定裝置、海洋測溫儀器檢定裝置、海洋測深儀器檢定裝置、波浪浮標檢定裝置、驗潮儀（水位計）檢定裝置和顛倒溫度表檢定裝置等社會公用計量標準。其中，海水鹽度計量標準具有國內最高水平，驗潮儀（水位計）檢定裝置和波浪浮標檢定裝置是目前國內唯一建標的計量標準裝置[ 6]。

在海洋測繪和聲學方面，主要包括國家水運計量站、國防水聲一級計量站和中國科學院聲學計量測試站。國家水運計量站可對淺水回聲測深儀、聲速剖面儀、地下水位計、浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計、壓力式驗潮儀（岸站式和自容式）和浮子式驗潮儀等海洋觀測設備開展計量檢定，此外還計劃籌建多波束測深儀、流速儀、波高儀和姿態儀等計量標準，目前正在開展多波束測深儀、超短基線水聲定位儀和聲學多普勒流速剖面儀的計量測試研究[ 8， 1 5]。

2 . 2 存在的問題和建議

目前我國已基本建成海洋設備量值溯源體系和計量技術規范體系，在溫鹽深（ C T D）、波浪浮標和驗潮儀計量標準以及中國標準海水制備等方面達到世界先進水平[ 1 1]，但仍存在4個方面的突出問題，亟須盡快解決。

2 . 2 . 1 水聲設備計量標準不足

目前室內水聲設備計量檢定仍是難題，主要受限于特殊的環境條件。例如：開展不同頻率的A D C P室內計量檢定，須對水池的長寬、深度和消音效果提出明確要求。海流、水深、水下地形地貌、水聲傳播和海洋混響等要素觀測設備多屬于聲學類設備，具有使用量大、使用頻次高和經濟效益大的特點，應根據業務需求充分研究和論證檢定所需條件，有針對性地加強水聲計量標準、裝置和技術規程的研究和檢定設施建設。

2 . 2 . 2 綜合檢驗評價體系不完備

目前計量檢定僅能完成設備計量性能檢驗[ 1 2]，而船載觀測設備往往要在復雜和惡劣的海洋環境中長時間工作，如果沒有嚴格的環境測試，就很難保證設備具有良好的耐久性和穩定性。目前國內計量檢定機構開展環境適應性試驗的基礎設施平臺還有待補充和完善。作為設備質量評價的重要環節，計量機構應建立綜合質量檢驗評價體系，積極拓展單位職能編制，加強綜合水池和海上試驗場等專業環境試驗設施建設，完善綜合檢驗評價工作流程；可將室內檢驗和海上試驗有機結合起來，建立包括室內計量檢定-室內環境適應性試驗-室內可控水體環境試驗-海上試驗的完整的綜合檢驗評價工作鏈條，對設備的計量性能、環境適應性、穩定性、可靠性和維修性等多項質量特征進行檢驗。

2 . 2 . 3 維修保障有待完善

計量檢定需求單位不僅希望檢定機構對設備進行計量檢定，而且希望檢定機構在檢測出設備不合格后能對設備進行校準和維修，以節約時間和運輸成本。因此，應根據市場需求和計量項目特點，有針對性地加強設備維修保障能力建設，優化完善體制編制，加強裝備、器材、場地和人員等方面的補充配備，統籌抓好裝備計量檢定和維修保障的協調發展，形成能檢、能修的保障能力，最大限度地發揮計量檢定工作的綜合效益。

2 . 2 . 4 缺少靈活、可靠和快速的室外檢定手段

有些海洋測量設備長期置于水下，測量過程不能間斷；有些儀器須固定安裝，拆卸不便，這些設備很難定期開展室內計量檢定[ 1 9]。此外，設備即使在航前進行精確標校并確定精度穩定可靠，但在實際調查過程中受海上復雜環境的影響，也會偶爾發生系統故障。由于海上調查的成本高和周期長，一旦出現系統偏差，無疑會對數據質量和成本效益影響很大。目前在海上作業過程中開展計量檢定工作仍較少，缺乏機動式和應急式的現場檢定手段。因此，應加強對設備“離岸”檢定的能力建設，發展現場檢定、在線檢定、自動檢定和集成化檢定等技術，如研制小型化和集成化的快速比測裝置、在設備內設置在線檢定模塊以及增加自動檢測報警裝置。

3 海上標校試驗現狀、存在的問題和建議

3 . 1 海上試驗規范和標校試驗方法

為強化海洋設備研制過程中的質量控制以及規范海上試驗操作和結果評價，國家有關部門印發《海洋儀器設備研制質量管理規范》和《規范化海上試驗管理辦法》，編制《海洋儀器海上試驗規范》等8項國家或行業標準，并針對不同類型的海洋設備制定9項質量控制技術規程，逐步實現海試全過程的質量控制[ 1 8]。

目前海上標校主要通過穩定性試驗、標定和海上比測等方式，對船載觀測設備的計量性能、穩定性、環境適應性和可靠性等進行綜合評定，在具體實施上主要包括4個方面。①靜態穩定性試驗，主要對停泊狀態下的部分設備進行工作穩定性測試；②標定試驗，主要對船載測量設備的軸系和零位等誤差數據進行校正，包括換能器的安裝偏差校正以及船體橫向/縱向/航向偏角校正等，或消除船體本身對設備的干擾（如進行磁力校正消除船磁影響） ；③內符合試驗，主要是用同一臺設備在同一區域進行連續測量，并獲取同一組觀測數據進行比較，從而判斷設備海上觀測結果的穩定性；④外符合試驗即比測試驗，主要是比對被試儀器與比測儀器的同步觀測結果，從而得到被試儀器的相對測量精度。

3 . 2 存在的問題和建議

海上標校試驗可對船載觀測設備的技術狀態、穩定性和水密性等綜合性能作出較全面的評價，解決部分設備和船舶相匹配的問題，這是在室內開展計量檢定和環境試驗受限的情況下，繼續開展設備性能檢驗的有效手段。例如：對于A D C P至今尚無開展室內計量檢定的有效手段，只能開展海上比測試驗。該領域目前仍存在4個方面的問題，亟須盡快解決。

3 . 2 . 1 試驗環境不可控

海上環境不同于室內環境，試驗海區的浪、潮、流以及惡劣天氣因素的變化時刻影響海上試驗工作的順利開展。因此，應注重收集和掌握當地水文、氣象和底質等歷史資料，完善應急預案和后勤保障措施，加強事前和事中預報預測，確保萬無一失。

3 . 2 . 2 測量環境難以客觀一致

受海水不斷運動變化的影響，測量參數存在時空異質性。因此，應嚴格按照海上試驗的規范要求，充分分析當地海洋環境和設備性能等條件，制定科學合理的比測試驗方案，使相關設備的比測位置、測量環境、采樣頻次和采樣周期盡可能地保持一致，從而確保測量結果具有可比性。

3 . 2 . 3 比測精度存在不確定性

比測設備精度直接影響比測結果的準確性。目前計量標準未能覆蓋全部測量要素，部分海洋設備的計量標準還存在空白，而只能依據經驗判斷；即使選用獲得普遍認可的國內外海洋調查設備[ 2 0]，其測量精度始終存在一定的不確定性。因此，應加快對重點和常用設備計量標準的研制力度，建立覆蓋全要素的計量標準；加強比測校準方法研究，注重利用可計量檢定的設備去校準尚不可計量檢定的設備，如使用海流計比測校準A D C P以及使用測深儀比測校準多波束/單波束等，拓展量值傳遞范圍，以確保選用的比測設備準確可靠。

3 . 2 . 4 缺少標準化的海上試驗設施和平臺

海上航行試驗是臨時性的，試驗時間往往與成本成正比，因此試驗時間不會太長。然而對部分設備環境適應性和穩定性等的測試須有長期和連續的海洋環境條件，因此建設標準化的海上試驗場可很好地為海洋設備測試和評價提供科學和有效的試驗環境。目前我國的海上試驗場主要是海軍和涉海科研院所等為檢驗某一型或某一類設備而選擇的某一特定試驗海區，與發達國家擁有的綜合海上試驗場存在較大差距[ 2 3]。因此，應建設標準化的深海觀測平臺，支持部分國產海洋設備開展高頻次和系統的海上試驗，通過獲取長期、連續和要素完備的海上試驗數據，提高海洋設備試驗和檢驗的質量，加快我國國產海洋設備的產業化進程。

4 結語

目前不少送檢單位花費大量的人力和物力用于設備檢定，但仍有許多設備未能有效檢定，對于新型海洋調查設備仍缺乏計量檢定手段。計量檢定機構應綜合分析計量要素的特點、社會效益和難易程度等，研究并制定行之有效的標準規范和保障措施，彌補水聲設備計量標準的不足，建立和完善綜合檢驗評價體系，加強設備維修保障能力建設，研究現場保障、機動保障和應急保障等多種量值傳遞保障方法，不斷提高檢定能力和檢定技術水平。此外，充分發揮海上試驗的綜合檢驗評價功能，在開展試驗的過程中完善應急預案和后勤保障措施，制定科學合理的比測試驗方案，研究并完善比測校準方法，建設標準化的海上試驗設施和平臺。

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