Digitalisation of metrology for improving trustworthiness and management of measurement data in industrial IoT systems

Abstract

Measurements help us evaluate physical properties of objects or examining physical phenomena, thus being an essential part of our daily lives. The science enabling trustworthy measurements is metrology, i.e., the science of measurement, which has its roots tracing all the way back to the ancient civilisations. In the 21st century the digitalisation of our society and the emergence data driven technologies, especially in industrial applications, has led to the situation where metrologyis becoming more important than ever. However, since metrology has traditionally been slow to transform, the growing demand for keeping up with the recent developments in the other fields of science are driving metrology towards a revolutionary digital disruption.

The research presented in this dissertation aimed to investigate how the digitalisation of metrology could be optimally exploited to improve trustworthiness of data in industrial internet of things (IIoT) applications. The research was partly done as a part of the EMPIR 17IND02SmartCom research project and therefore the research outcomes of the project in the form of the formats for digital calibration certificate (DCC) and digital SI (D-SI) were used in the research for presenting metrological data.

In addition, the research aimed to propose methods for securing the exchange of the metrological data and providing the means for establishing trust between organisations within the metrology infrastructure also in a fully digital environment. For this purpose, use of cryptography, e.g., in the form of digital signatures and cryptographic identifiers, and distributed ledger technology (DLT) were demonstrated in metrological applications.

Since all kinds of industrial processes are being controlled based on measurement data, metrology and calibrations of measurement instruments are an essential part of quality management of these processes. The calibration management in pharmaceutical industry was used as an example usecase for the research, based on which a novel approach for organising the corresponding processes and data management in a fully digital manner was developed.

The results of the research indicate that digitalisation of metrology will enable significant improvements in terms of efficiency and reduction of operation costs in the industrial processes and applications where calibrations are needed. Additionally, digitalisation also enables extending metrological traceability to applications where conventional methods have been infeasible.However, as the digital disruption of metrology is still at a relatively early stage, there are still several obstacles that the metrology community needs to overcome, especially considering the global applicability of digital solutions.

Mittaukset ovat olennainen keino erilaisten esineiden ja ilmiöiden tarkastelussa ja arvioinnissa arkielämässämme. Tieteenala, joka mahdollistaa luotettavat mittaukset, on metrologia eli mittaustiede, joka juontaa juurensa muinaisista sivilisaatioista asti. 2000-luvulla yhteiskuntamme digitalisoituminen ja datan käyttöön perustuvien teknologioiden nopea kehitys, etenkin teollisissa sovelluksissa, on johtanut tilanteeseen, jossa metrologian merkitys on noussut suuremmaksi kuin koskaan aiemmin. Metrologian perinteisesti ollessa hitaasti muuttuva ala, kasvanut tarve muiden alojen muutosvauhdin mukana pysymiselle on ohjannut metrologian mullistavan digitaalisen murroksen eteen.

Tässä väitöskirjassa esitelty tutkimus pyrki selvittämään, miten metrologian digitalisaatiota pystyttäisiin optimaalisesti hyödyntämään datan luotettavuuden parantamiseen teollisen esineiden internetin (IIoT) sovelluksissa. Tutkimus toteutettiin osittain EMPIR 17IND02 SmartCom tutkimushankkeen osana, ja tästä syystä hankkeen tuloksina esitettyjä digitaalisen kalibrointisertifikaatin (DCC) ja digitaalisen SI:n (D-SI) formaatteja käytettiin tutkimuksessa metrologisen data esitysmuotoina. Lisäksi tutkimus pyrki esittämään metodeja metrologisen datan välittämisen tietoturvan varmistamiseksi ja organisaatioiden välisen luottamuksen muodostamiseksi täysin digitaalisessa ympäristössä. Tätä varten tutkimuksessa demonstroitiin kryptografian, esim. digitaalisten allekirjoitusten ja kryptografisten tunnisteiden, ja hajautettujen tilikirjojen teknologioiden (DLT)käyttöä metrologisissa sovelluksissa.

Koska monien teollisten prosessien hallinta perustuu mittausdataan, metrologia ja mittauslaitteiden kalibroinnit ovat välttämätön osa näiden prosessien laadunvalvontaa.Tutkimuksessa käytettiin lääketeollisuuden kalibroinninhallintaprosesseja esimerkkitapauksena, jonka pohjalta kehitettiin uusi tapa kyseisten prosessien ja datanhallinnan järjestämiseksi täysin digitaalisesti.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metrologian digitalisaatio mahdollistaa huomattavia parannuksia tehokkuudessa ja operointikustannusten vähennyksiä kalibrointia edellyttävissä teollisissa prosesseissa ja sovelluksissa. Lisäksi digitalisaatio myös mahdollistaa metrologisen jäljitettävyyden kattavuuden laajentamisen sovelluksiin, joihin tavanomaiset metodit eivät tähän mennessä ole soveltuneet. Kuitenkin metrologian digitaalisen murroksen ollessa vielä alkutekijöissään, metrologiayhteisöllä on vielä huomattavia haasteita selvitettävänään etenkin digitaalisten ratkaisujen globaalin sovellettavuuden osalta.