Метрология, стандартизация, цифровизация. Вызовы четвертой промышленной революции

Модератор:

Сясько Владимир Александрович, д.т.н., Профессор Санкт-Петербургского Горного Университета, Заместитель председателя ТК 371



На заседании круглого стола была сделана попытка максимально широко взглянуть на современное состояние и тенденции развития приборостроения, метрологии и стандартизации с точки зрения специфики сферы неразрушающего контроля (НК) и мониторинга состояния (МС) в контексте 4-й промышленной революции - глобальной перестройки социально-экономического и производственного уклада мировой экономики.

Во вступительном докладе модератор остановился на основных направлениях 4-й промышленной революции, известной также как «Industrie 4.0», получившей свое название от инициативы 2011 года германских ученых и промышленников о необходимости более широкого применения информационных технологий в производстве, путем превращения предприятий в «умные». При этом одним из ключевых положений является то, что сфера измерительной техники и метрологии, как одна из структурных составляющих всей современной экономики, неизбежно вовлечена в происходящие изменения. С одной стороны, достижения в области технологий генерирования, передачи, обработки и хранения цифровой информации (процессы, который принято называть «цифровизацией») открывают новые возможности для разработчиков измерительной техники и метрологов, а внедрение и развитие «умных (smart) систем» и цифровых моделей требует непосредственного участия приборостроителей и метрологов в создании «интеллектуальных» распределенных датчиков и разработки принципиально новых подходов к обеспечению метрологической надежности приборов и стандартизации методик измерений, в том числе в области НК и МС.

При этом, по мнению участников круглого стола, представляющих приборостроительные предприятия, главной тенденцией развития методов и средств НК, как измерительных технологий, является активный переход от НК к МС на всех уровнях проектирования, производства и эксплуатации изделий, инженерных объектов, технологических процессов и экологических систем. В области метрологии основным направлением является развитие метрологического обеспечения измерительных преобразователей и приборов НК как распределенных средств измерения многопараметрических и многомерных величин.

По мнению экспертов институтов Росстандарта, ключевым будет переход от бумажного к электронному документообороту - фиксация результатов поверок и калибровок в государственных информационных системах (ГИС). Кроме того, метрологическая инфраструктура обеспечения единства измерений будет включать в себя несколько взаимопересекающихся уровней, порождающих большие информационные потоки, требующие систематизации в виде электронных информационных систем. В частности, уже в настоящее время в Российской Федерации в ГИС Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии входят, в том числе, следующие базы данных:

  • государственные первичные эталоны РФ;
  • эталоны единиц величин;
  • утвержденные типы стандартных образцов;
  • утвержденные типы средств измерений;
  • аттестованные методики измерений;
  • сведения о результатах поверки средств измерений.

Само наличие такой информации в электронном виде потенциально позволяет существенно автоматизировать многие процессы. Для решения этой задачи в рамках цифровизации экономики национальный метрологический институт Германии Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) выступил с инициативой разработки единой европейской цифровой инфраструктуры качества для инновационных продуктов и услуг под названием «Европейское метрологическое облако». Перед разработчиками стоят задачи разработки и создания следующих инфраструктурных элементов: метрологической цифровой платформы (the trustworthy metrological core platform), эталонной архитектуры (reference architectures), технологического сервисного обеспечения (technology-driven metrological support services) и информационного сервисного обеспечения (data-driven metrological support services). При этом в РФ не менее важной является информация об организациях, аккредитованных на право выполнения работ и оказания услуг в области обеспечения единства измерений, размещенная в ГИС Федерального службы по аккредитации.

Обсуждение указанных вопросов показало, что главной тенденцией «цифровизации» эксплуатации и метрологической аттестации средств измерений (СИ) в сфере государственного регулирования (подлежащих утверждению типа и поверке) будет снабжение всех СИ уникальными метками, а в дальнейшем оснащение СИ средствами подключения (в том числе беспроводными) к телекоммуникационным сетям для передачи информации в единую информационную базу. Было подтверждено, что все технические решения для этого существуют, необходимо создание соответствующей информационной системы, решение вопросов по стандартизации и внесение соответствующих изменений в законодательство. Рассмотрение проблемы иерархической структуры «интернета СИ», как о новы цифровизации, показало возможность выделения трех уровней:

1) аппаратный (физический) уровень подключения к интернету, который может быть реализован на основе существующих сетей Ethernet, WiFi, а также сетей мобильной связи nG;

2) сетевой протокол Интернета TCP/IP, полностью удовлетворяющий поставленным задачам, т.к. применяется повсеместно, обеспечивающий однозначную идентификацию устройства путем присвоения уникального IP адреса и гарантирующий надежную передачу информации;

3) прикладной (пользовательский) уровень сети, требующий разработки.

При организации данной иерархической системы необходимо решить, как минимум, следующие задачи:

  • разработка и утверждение единого универсального формата представления данных о СИ (тип, заводской номер, метрологические характеристики и т.д.);
  • разработка и утверждение формата представления измерительной информации (это может быть, кроме самих измеренных данных, время, GPS координаты, параметры окружающей среды и т.д.);
  • создание программной платформы для обмена данными, а также сбора и обработки информации от подключенных к интернету СИ.

Частично эти задачи должны быть решены путем разработки и утверждения международных стандартов, определяющих общие характеристики измерительных преобразователей с интерфейсными модулями, функции интерфейсных модулей, формат данных преобразователя, набор команд для настройки и управления интерфейсных модулей, а также чтения и записи данных. Было подтверждено, что уже ведутся разработки стандартов для создания сетей измерительных преобразователей, в частности для «умных сетей». Специалисты ВНИИМ им. Д.И. Менделеева сделали краткое сообщение о том, что существующие наработки в области создания интеллектуальных датчиков позволили разработать и утвердить 2 стандарта РФ, в которых дано следующее основополагающее определение интеллектуального датчика: интеллектуальный датчик, это адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля, имеющий цифровой выход и обеспечивающий передачу первичной измерительной информации и информации о метрологической исправности через интерфейс. При этом, обладая вычислительными возможностями, интеллектуальный датчик должен осуществлять:

  • автоматическую коррекцию погрешности, появившейся в результате воздействия влияющих величин и/или старения компонентов;
  • самовосстановление при возникновении единичного дефекта в датчике;
  • самообучение.

При этом под самовосстановлением, как ключевой функцией, следует понимать автоматическую процедуру устранения метрологических последствий возникновения отказа, т.е. процедуру обеспечения отказоустойчивости, при которой сохраняются метрологические характеристики в допускаемых пределах при возникновении единичного дефекта оборудования. Под самообучением понимается способность к автоматической оптимизации параметров и алгоритмов работы (измерения). Также считается, что наиболее перспективен метрологический диагностический самоконтроль (МДСК), который отслеживает отклонения диагностического параметра, характеризующего критическую (склонную к быстрому росту) составляющую погрешности, от опорного значения этого параметра, установленного при калибровке. МДСК должны строится на основе результатов специального метрологического анализа источников погрешности, характерных для процесса эксплуатации. К ним относятся, например, "старение" материалов, дефекты, вызванные нарушениями технологии изготовления СИ, которые проявляются лишь с течением времени, и т.д.

Не остались без внимания вопросы метрологического обеспечения цифровых моделей. Было подтверждено, что одним из главных положений, лежащих в основе разработки новых СИ (построение которых будет осуществляться на изложенных выше принципах) является необходимость учета того, что перспективные программы, которые позволят создавать цифровые модели распределенных СИ и объектов контроля и производить по ним расчет контролируемых параметров и параметров надежности объектов, а также сами цифровые модели, имеют ряд ограничений, связанных, в том числе, со следующими факторами:

  • адекватность и полнота используемых физических моделей;
  • применимость используемых математических методов;
  • точность задания параметров моделируемых объектов и граничных условий их применения.

Обсуждение показало, что для широкого внедрения цифровых моделей в областях, связанных с технической и энергетической безопасностью, и в других сферах государственного регулирования, возможно, потребуется создать государственную систему, обеспечивающую:

  • испытание цифровых моделей;
  • ведение реестра цифровых моделей;
  • аттестацию персонала и аккредитацию организаций на право использования цифровых моделей для прогнозирования и управления реальными объектами и процессами.

В заключении участники достаточно кратко рассмотрели вопросы разработки, стандартизации и законодательного утверждения новых принципов метрологического обеспечения распределенных сетей интеллектуальных датчиков, предполагающих обеспечение прослеживаемой калибровки (поверки) для виртуальных измерений и расчет неопределенностей измерений при моделировании, обеспечиваемых в структуре схем прослеживаемости.

В качестве заключения. Круглый стол показал, что 4-я промышленная революция – не абстрактное будущее, а объективный процесс, происходящий непосредственно сейчас и затрагивающий все сферы человеческой жизни, в том числе метрологию и стандартизацию НК и МС. Мы можем пользоваться плодами и одновременно должны принимать в процессах преобразований самое действенное участие. Коммерческий успех приборостроительных компаний и востребованность услуг метрологических организаций напрямую зависит от того, насколько их работа будет соответствать новым требованиям. Наиболее емко об этом сказал один из основоположников современной теории менеджмента Эдвардc Деминг (Edwards Deming): «Вы можете не изменяться. Выживание не является обязанностью».



Отчет предоставил:

Сясько Владимир Александрович, д.т.н., Профессор Санкт- Петербургского Горного Университета, Заместитель председателя ТК 371