计量软件溯源中的TraCIM软件认证系统

计量软件应用于工业计量、校准和计量研究中，成为测量仪器的重要组成部分，或者独立完成测量任务。软件中的计算取决于有限的精度，即便是没有错误的软件也不会给出理想结果。在计量软件中常被应用的逼近方法、实用简化方法是否正确是个问题。数据传输和转换、计算方法、用户操作，都可能导致计量软件不能给出理想结果。工业计量领域、校准实验室和计量研究机构均需要一致的计算溯源框架来对计量软件进行溯源。

计量软件认证系统（TraCIM）为计量软件溯源提供了途径。TraCIM，即为“Traceability for Computationally-Intensive Metrology”，可译为“计算密集型计量的溯源”。欧洲计量联合研究计划(European Metrology Research Programme，EMRP)曾资助TraCIM项目，德国PTB 是TraCIM研究项目的牵头单位之一。参与该项目研究的计量研究机构还有英国国家物理实验室(NPL)、捷克国家计量院（CMI）、荷兰国家计量院(VSL)、意大利国家计量院(INRiM)；高校有英国哈德斯菲尔德大学和约克大学、斯洛文尼亚的马里布大学；参与应用的企业有海克斯康（Hexagon）、三丰（Mitutoyo）、维德（Werth）和蔡司（Zeiss），共同研究软件溯源。

TraCIM系统中优先实现长度领域相关算法的软件认证。目前可进行长度领域的高斯（Gauss）软件认证、切比雪夫（Chebyshev）软件认证；交叉领域的比对（Comparison）软件认证。TraCIM软件认证系统旨在通过网络向全球用户提供不同领域的计量软件溯源，其最主要用户是为精密仪器提供分析和评定软件的制造商。该软件认证允许通过认证的制造商拥有权威认证了的分析与评定算法，将有利于提升相关产品的市场竞争力。本文主要介绍软件性能评价方法、TraCIM软件认证系统、软件认证流程以及软件认证中的主要原则。

1 软件性能评价

(1)软件中的误差源

通过软件计算获得的实际计算结果相对于其理想计算结果是有误差的。对计算结果产生影响的误差源主要有：参与计算的数据和计算过程中的数据精度有限；非线性问题求解需要迭代技术，用到收敛公差；软件中采用算法解决逼近问题；采用的计算方法可能不一致；软件中的编码错误；软件操作者输入错误数据等。

(2)计算目标

软件性能评价与特定的计算目标相关联。要对软件进行性能评价，需要对计算目标进行清晰和完整地规格描述。计算目标的规格描述是产生标准数据、定义软件性能评价指标等的基础。计算目标的规格描述包括：计算目标的算法名称、关键词、数学领域、输入描述和输出描述、拟解决的数学问题、参考文献等。规格描述中不需要指出如何解决该数学问题。

(3) 标准数据

软件性能评价用到标准数据，标准数据由标准输入数据和标准输出数据组成。单对标准数据，含单组标准输入数据和标准输出数据；多对标准数据，含多组标准输入数据和标准输出数据。标准数据生成，即为对标准输入数据应用标准算法生成标准输出数据。标准数据逆生成，即为对标准输出数据应用计算目标的数学分析方法来生成标准输入数据。

(4) 软件性能评价方法

软件性能评价方法如下：对于单对标准数据，针对单组标准输入数据，应用软件对计算目标进行计算，得到测试输出数据，与标准输出数据相比较，得到软件性能评价结果；对于多对标准数据，分别针对各组标准输入数据，应用软件对计算目标进行计算，得到各组测试输出数据，分别与各组标准输出数据相比较，得到软件性能评价结果。软件性能评价方法见图1。

(a)单对标准数据

(b)多对标准数据

图1 软件性能评价

2 TraCIM软件认证系统

TraCIM软件认证系统见图2。TraCIM系统拟在七大计量领域向认证用户提供特定计算目标的软件认证。计量软件认证的主要使用者包括：工业领域的企业、校准实验室和计量研究机构。TraCIM软件认证通过专用网络平台实现。

目前在德国PTB运行的TraCIM系统，提供全球范围内、长期可用并易于维护的计量软件认证的在线应用。TraCIM架构见图3，由用户在认证系统专用的网络平台上发起认证请求，通过与服务器通讯，索要标准输入数据、用户应用软件计算测试输出数据，反馈给认证系统，由认证系统通过网络给认证用户返回软件性能评价。

图2 TraCIM软件认证系统

图3 TraCIM架构

3 认证流程及主要原则

软件认证通过专用软件认证网站实施“客户-服务器”间的应用来测试计量软件。该软件认证系统实施的认证机制如下：每个软件认证服务的提供者（如国家计量院）均应保证软件认证测试的正确性和可靠性；软件认证服务的提供者可自主定义测试范围、认证流程、数据维护、服务器运行，以及为软件认证客户提供咨询和支持。为此，每个软件认证服务提供者独立运行各自的TraCIM服务网页和服务器；每个服务器均有独立的网址，这样不同的服务范围由该软件认证服务提供者确定。当然，某一软件认证服务的提供者可向负责某项软件认证的计量院提供测试算法成为该项软件认证的分包方，这将有利于增强所提供的软件认证服务。

(1)软件认证流程

图4为通用的TraCIM计量软件认证流程，主要包括索要标准输入数据、提交测试输出数据、获得认证报告。主要认证流程如下：用户在TraCIM网页注册，选择认证算法；用户索要标准输入数据，认证服务器为该用户生成标准输入数据，并将标准输入数据和验证密码发送给用户；用户使用标准输入数据运行计算软件，得到用户测试输出数据；用户将测试输出数据和验证密码提交给服务器；服务器比对用户测试输出数据和标准输出数据；用户获得软件性能评价。

图4 TraCIM计量软件认证流程

(2)软件认证主要原则

软件认证中须遵循TraCIM系统的原则，主要包括：假设标准输入数据及其不确定度是无误差的；软件认证提供者为标准输出数据的正确性负责；认证提供者须提供标准输出数据及其不确定度数据；认证提供者需清晰描述测试流程、待计算的参数以及认证通过准则；软件标准数据对需符合常见实际情况；认证提供者需提供一组公开的标准数据对（标准输入数据和标准输出数据）；用户测试输出数据必须经过三种不同应用软件的测试验证；用户仅需提供一组测试输出数据。

(3)软件认证证书格式

通过软件认证的用户将获得相应算法的软件认证证书（Certificate）。德国蔡司公司（Zeiss）于2014年11月21日实施了软件认证。

(4)软件认证中的XML数据交互

TraCIM软件认证中的数据交互文件，包括标准输入数据文件、用户测试输出数据文件，采用XML(Extensible Markup Language)语言格式。XML是可扩展标记语言，用表示起始和结束的标签，按合适的顺序进行嵌套。XML利于表示结构化数据的传输和存储，可在任何应用程序中读写数据。XSD(XML Schema Definition)是可扩展标记语言架构，描述了可扩展标记语言文档的结构。TraCIM软件认证系统中针对计算目标，为认证用户提供了相应的XSD文件，作为交互文件XML的格式说明。

小结

TraCIM软件认证系统，旨在通过网络向全球用户提供不同领域的计量软件认证服务。目前已推出的软件认证包括：高斯（Gauss）软件认证、切比雪夫（Chebyshev）软件认证和比对（Comparison）软件认证。本文主要介绍软件性能评价方法、TraCIM软件认证系统、软件认证流程以及软件认证中的主要原则。请感兴趣者多查阅相关文献及德国PTB的TraCIM主页。

原载《工具技术》 作者：汤洁

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