Digitální kalibrační list

Vdnešní době, kdy už běžně hovoříme o průmyslu 4.0, umělé inteligenci a strojovém učení, jsou právě kalibrace a hlavně jejich vyhodnocení žhavým kandidátem na jejich automatizaci a digitální zpracování. Jde především o to, že kalibrační postupy a postupy pro stanovení nejistot by měly být standardizované a harmonizované, aby byla zajištěna porovnatelnost výsledků a návaznost měření. O to se dnes snaží akreditační orgány, které posuzují kalibrační laboratoře a vyžadují, aby výsledky kalibrací byly srovnatelné a řádně navázané. Laboratoře se potom porovnávají mezi sebou, aby si tak ověřily správnost a spolehlivost svých výsledků.

Přehled počtů kalibračních listů vydávaných v Německu

DCC a jeho vývoj
Digitalizace kalibračního listu (dále jen DCC digital calibration certificate). Projekt digitálního kalibračního listu si klade za cíl vytvoření takových standardů, které umožní vytváření široké platformy metrologických dat, které budou harmonizované a strojově zpracovatelné.
Lídrem v evropském prostoru v této oblasti je německé PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), které na základě potřeb německého průmyslu a za velké podpory německé vlády rozjelo projekty související s digitalizací metrologie, které v současné době přerostly na světovou úroveň.

PTB a DAkkS (Deutsche Akkreditierungsstelle) vydaly předpisy pro uvádění obecných informací v jednotné regulované formě, jako jsou například data o předmětu kalibrace. Tak vzniká jednotný základ, který může být využíván kalibračními institucemi. Naproti tomu výsledky měření se týkají pouze speciálních profesních skupin. Ty mají často individuální formáty pro výměnu dat, které se na trhu etablovaly, a proto by měly být zachovány. Návrh DCC je v podstatě technickou otázkou, která přechází poprvé do gesce metrologických orgánů.

Základní předpoklady
Cílem bylo vytvořit mezinárodně uznávaný formát DCC. Formát by měl být nastaven v celé oblasti metrologie jako výměnný formát. Poté by měl být platný pro digitální dvojče i v legální metrologii a měl by být poté použit pro digitální certifikáty zkoušky typu.

Metrologické standardy
Stejně jako u jeho analogového protějšku platí pro DCC také následující normy a předpisy:
- Jednotky SI,
- Mezinárodní metrologický slovník (VIM),
- GUM,
- Tabulka CODATA a její recenze,
- ISO/IEC 17025.

Vývoj DCC bere v úvahu vývoj průmyslu 4.0 a vývoj úrovně kalibrací a jejich akreditace, připravovaná verze formátu DCC 4 počítá se zavedením digitálního akreditačního symbolu, který by zajistil vložení akreditační značky do DCC. Uznání DCC v rámci systému akreditace je významné pro jeho praktickou aplikaci v systémech řízení kvality.

XML jako formát pro výměnu dat
DCC je vytvářen ve formátu XML (Extensible Markup Language). Formát XML byl vyvinut konsorciem W3C (World Wide Web Consortium). Mezinárodně se etabloval jako formát pro výměnu dat. Na datové struktury založené na XML lze dobře aplikovat kryptografické metody. V současné době již existují velmi rozvinuté postupy pro výměnu dat při řízení měřidel a testovacích zařízení. (VDI/VDE GUIDELINE, VDI/VDE 2623: Format for data exchange in management of measuring and test equipment, February 2012.)
Velkou výhodou XML je jeho strojová čitelnost. Kromě toho je XML také v podstatě čitelné pro lidi. Zároveň je formát XML vhodný pro dlouhodobé ukládání. To je důležité, protože soubory musí být čitelné i za několik desetiletí.
IEC TS 6270 „Identifikace jednotek měření pro počítačové zpracování“ ukazuje způsoby zacházení s jednotkami SI a odvozenými jednotkami ve formátu XML.

Metody kryptografické ochrany
Pro DCC je klíčové, aby byla zajištěna integrita a autenticita kalibračních dat v DCC. Na druhé straně digitální formáty umožňují snadné změny a kopírování dle potřeby. Proto je nutné, aby byla zajištěna dostatečná ochrana DCC pomocí kryptografických metod.
DCC nyní pracuje s certifikovaným digitálním podpisem, kdy laboratoř má vystavený svůj bezpečnostní certifikát. Digitální podpis zajišťuje neměnnost dat a jejich integritu.

Dalším ochranným prvkem bude v budoucnu i digitální akreditační značka pro akreditované laboratoře.

Struktura DCC
Obecná struktura DCC je rozdělena do čtyř oblastí:
- administrativní údaje (regulovaná oblast),
- výsledky měření (částečně regulovaná oblast),
- komentáře (neregulovaná oblast),
- dokument (dodatečná oblast).
XML je poskytován jako datový formát s odpovídajícím schématem souboru.

Administrativní údaje (regulovaná oblast)
Administrativní data obsahují obecné informace a datová pole jsou pevná. Tyto informace jsou obvykle uváděny na první stránce klasického kalibračního listu. Data slouží k jednoznačné identifikaci kalibrační laboratoře, předmětu kalibrace a zákazníka.
Údaje, jako např. „datum kalibrace“, jsou formátovány podle mezinárodních standardů. Písmena jsou povolena ve formě Unicode a číslice jsou psány arabsky. Hlavním jazykem je angličtina, ale informace mohou být uváděny i v jiných jazycích.

Struktura DCC

Výsledky měření (částečně regulovaná oblast)
Reprezentace výsledků měření je jedním z nejnáročnějších úkolů, které je třeba vyřešit. Důvodem je rozmanitost, s jakou jsou výsledky měření prezentovány. Vedle zavedených formátů výměny dat je cílem předložit jednoduchou strukturu pro ty, kteří ještě nemají existující formáty zavedeny. Tuto oblast tedy nelze obecně regulovat.
Co je však přísně regulováno, jsou výsledky měření. Musí být prezentovány kompletně a pouze na základě jednotek SI. Výsledky mohou být reprezentovány jako skalár, vektor, matice nebo tenzor. Kompletní výsledek měření obsahuje následující údaje:
- identifikátor,
- naměřená hodnota,
- rozšířená nejistota měření,
- faktor pokrytí,
- jednotka,
- čas.

Údaje o čase jsou navíc nepovinné. Identifikátory se skládají z písmen Unicode. Čísla a časové formáty jsou definovány podle stávajících norem. Postupy jsou založeny na standardech BIPM.
V DCC lze uvádět i jednotky, které jsou mimo soustavu jednotek SI (např. námořní míle, milimetry rtuti, …), ale bez ohledu na ně jsou údaje v jednotkách SI považovány vždy za platné. Použití individuální datové struktury je možné za předpokladu, že výsledky jsou úplné a berou v úvahu jednotky SI.
V případě jednotlivých datových struktur je třeba vzít v úvahu, že často nejsou k dispozici popisné složky a informace o nejistotách měření. V těchto případech je nutné provést úpravy. Kromě toho musí být poskytnuty nástroje pro vizualizaci obsahu.
Univerzální datová struktura je lineární struktura. Skládá se z bloků textu a bloků s výsledky měření. Textové bloky slouží jako vysvětlení výsledků měření a lze je provádět kromě angličtiny i v jiných jazycích. Výhodou univerzální datové struktury je její jednoduché a univerzální použití. PTB počítá s vývojem nástrojů pro vytváření univerzálních datových struktur a jejich vizualizaci.

Komentáře (neregulovaná oblast)
Sekce komentářů obsahuje jednotlivé informace o procesu měření, které poskytují další informace o výsledcích měření. Tato sekce může být použita volitelně a bez požadavku. Možnými daty jsou například grafiky, grafy, fotografie, zvuk a také jednotlivé řady měření v libovolném formátu.

Dokument (dodatečná oblast)
V této oblasti lze uložit volitelnou verzi kalibračního certifikátu uloženou v PDF-A. Uživatelé DCC tak mohou během přechodu do digitálního světa vidět svůj obvyklý kalibrační list.

Problémy s DCC a jejich řešení
Problémy s kopírováním a stahováním kalibračních listů.
DCC musí být možné také stáhnout z oběhu. Digitálně je však možné kdykoli vytvořit kopie DCC, které jsou identické s originálem. Dosavadní předpisy pro digitální podpis ovšem jednoduše tyto postupy neřeší. Byly zkoumány různé metody, ale zatím to vypadá, že se neobejdeme bez nové důvěryhodné autority, která by umožňovala ověření platnosti vydaného, digitálně podepsaného, kalibračního listu.
V současné době je možné zablokovat kvalifikovaný digitální podpis QeS prostřednictvím záznamu v registru.
V tomto registru je také zaznamenána doba platnosti QeS. Obě informace si může uživatel vyžádat tzv. kontrolou platnosti QeS. Toto se provádí dotazem na certifikační autority (CA) podle online protokolu o stavu certifikátu. Analogicky k tomu by bylo možné použít autoritu k ověření platnosti DCC.

Stažení kalibračního listu

Platnost DCC v Německu, EU a ve světě
Právní pohled na platnost a právní závaznost DCC v Německu lze odhadovat na základě narůstajícího počtu digitálních dokumentů opatřených kvalifikovaným digitálním podpisem.
V současné době probíhají na metrologické i právní úrovni jednání mezi státy a metrologickými institucemi o možnostech zavedení DCC. DAkks spolu s PTB a německou vládou pracuje na projektu digitální transformace v metrologii a uznání DCC jako standardní výstup akreditované kalibrace.

Digitální dvojče – Projekt Gemimeg
V budoucnu se zákazník PTB nebo kalibrační laboratoř rozhodne, zda mu bude stačit jednorázový digitální kalibrační list nebo s ohledem na budoucí vývoj a simulaci procesů bude požadovat tzv. digitální dvojče (Digital Twins). Digitální dvojče by vznikalo na základě souboru dat o výsledcích měření reálného měřidla, DCC, z charakteristik poskytnutých výrobcem, výzkumu chování měřené veličiny apod. Toto by umožnilo reálnou simulaci chování měřidla v daných nebo dokonce vytvářených procesech měření. Při tom, jak se dnes často mění požadavky na výrobu a dodávky nových verzí výrobků, by toto mělo za následek zvýšení rychlosti a účinnosti zavádění nových procesů v praxi.

Digitální dvojče

Závěr
Počinem z poslední doby byla již 3. konference o DCC, která proběhla v únoru 2023 digitálně a zúčastnilo se jí téměř tisíc lidí z celého světa. Záznam přednášek lze získat na: www.dcc-conference-2023.ptb.de. V současné době probíhá uživatelské fórum na týdenní bázi, kde je možné řešit svoje otázky v této oblasti. V létě PTB plánuje otevřít letní školu DCC.
Vzhledem k tomu, že digitální výměna dat začíná být požadována lídry světového průmyslu, lze očekávat, že nejen DCC, ale i jiné dnes papírově vydávané protokoly o měření, certifikáty a podobné dokumenty se stanou součástí digitální transformace. Kromě úspory tisíců tun papírů, které se každoročně zakládají v rámci systémů řízení kvality, přinese tato změna i nové možnosti v návaznosti měřidel, analýze jejich výkonu a predikci chování výrobků a strojů. Projekt digitálního dvojčete umožní simulovat reakce výrobku na změnu podmínek okolí nebo na poruchové stavy. Zároveň lze očekávat poměrně velkou standardizaci a transparentnost v kalibračních postupech. Na druhé straně je nutné se v souvislosti s touto problematikou zabývat pečlivě i bezpečností a riziky vyplývajícími ze zpracování chybných nebo úmyslně poškozených dat.
Otázkou zůstává, jak bude probíhat tato digitální transformace v České republice a jak se k ní postaví naše metrologické instituce.

TEXT/FOTO Ing. Daniel Šťastný, PROMETROLOGY 5.0, s. r. o.

Příspěvek odzněl na 30. ročníku mezinárodní konference Měřicí technika pro kontrolu jakosti.