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Metrologie für die Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft

Die Digitalisierung ist ein fortwährender Prozess, der alle Bereiche der Gesellschaft auf ganz verschiedene Weise intensiv beeinflusst und nachhaltig verändert. Viele Aspekte dieses Prozesses subsumieren sich in einer in Zukunft vollständig digitalisierten Qualitätsinfrastruktur. In dieser werden Prozesse komplett digital abgewickelt, Objekte weitreichend vernetzt und intelligente Algorithmen intensiv genutzt. Diese digitale Transformation ist bereits in vollem Gange und wird durch die aktuellen technologischen Entwicklungen weiter beschleunigt.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) als das nationale Metrologieinstitut Deutschlands spielt durch ihre große Aufgabenvielfalt in einer Vielzahl der oben genannten Fragestellungen, Herausforde-rungen und Entwicklungen eine aktive Rolle:

  • Im Bereich des gesetzlichen Messwesens treibt die PTB eine umfassende Digitalisierung der Prozesse und Messgeräte vorlauforientiert aktiv voran und unterstützt die Industrie und die Marktaufsichtsbehörden intensiv in den aktuellen Digitalisierungsfeldern der intelligenten Messsysteme (Smart Meter) und der Elektromobilität.
  • Im industriellen Messwesen unterstützt die PTB das Kalibrierwesen durch die Entwicklung inter-national anerkannter, maschinenlesbarer digitaler Zertifikate mit entsprechender Infrastruktur für die gegenseitige Anerkennung der Gültigkeit.
  • Für Simulationen und sogenannte virtuelle Messgeräte betreibt die PTB interdisziplinäre Forschung, um die aktuelle Grundsatzfragen in einem ganzheitlichen Ansatz zu beantworten.
  • Für verlässliche Datenauswertungen entwickelt die PTB prüfbare Algorithmen und arbeitet an der Harmonisierung von Methoden.
  • Für einen nachhaltigen Aufbau einer 5G-Infrastruktur beschäftigt die PTB sich mit den metrologischen Grundlagen der dafür notwendigen Hochfrequenz-Messtechnik. 

Dabei spielen das gemeinsame, abgestimmte Vorgehen sowie das Ineinandergreifen der verschiedenen Aktivitäten an der PTB eine entscheidende Rolle. 

Die PTB setzt dabei auf existierende Kooperationen und nationale wie internationale Plattformen für eine effiziente Vernetzung der metrologischen Forschung. So nutzt die PTB beispielsweise in der Berliner Initiative „Digitale Hauptstadt“ eine enge Kooperation mit den dortigen exzellenten Forschungseinrichtungen und Netzwerken. Darüber hinaus ist die PTB in Kooperation mit Vertretern der „Plattform Industrie 4.0“, dem „Labs Networks Industrie 4.0“ und vielen anderen, um metrologische Forschung und Standardisierung voranzutreiben. Internationale Kooperationen im Bereich Digitalisierung werden dabei aktuell mit einer Reihe von EMPIR-Anträgen im Rahmen des Horizon2020-Programms vorangetrieben.

PTB-Digitalstrategie

Digitalisierungsstudie 2018

Für das Ineinandergreifen ihrer Aktivitäten im Bereich Digitalisierung hat die PTB bereits 2017 eine umfassende Digitalisierungsstudie verfasst. Direkt im Anschluss wurde mit der Umsetzung der Vorhaben begonnen und 2018 bereits große Fortschritte erzielt.

Die aktualisierte Digitalisierungsstudie 2018 zeigt die Entwicklung seit der Digitalisierungsstudie aus dem Jahr 2017 auf, stellt diese in den Kontext einer übergreifenden Strategie und diskutiert neue Fragestellungen. Zusätzlich stellt diese Studie die übergeordneten Kernziele der PTB-Digitalisierungsstrategie vor, welche die aktuellen Entwicklungen in einen langfristigen Kontext setzen.

Digitalisierungsstudie 2017

Kernziele der PTB-Digitalisierungsstrategie

Sicherstellung von Einheitlichkeit und Vertrauen im Messwesen in einer digitalisierten Welt

Wesentliche gesetzliche Kernaufgaben der PTB sind die Sicherstellung der Einheitlichkeit des Messwesens (Einheiten und Zeitgesetz), die Verpflichtung zur Einhaltung der DIN EN ISO/IEC 17025 sowie die Sicherstellung von Messrichtigkeit, Messbeständigkeit und Prüfbarkeit (MID, Mess- und Eichgesetz). Die internationale Harmonisierung wird für beide Bereiche stark unter-stützt. Im Zuge der Digitalisierung ergeben sich hierfür eine Vielzahl neuer Herausforderungen, denen sich die PTB aktiv stellen wird.

Dazu gehören unter anderem:

  • die Sicherung von Vertrauen in Messwerte und Prozesse in digitalen Infrastrukturen;
  • die Entwicklung geeigneter „digitaler Normale“, wie zum Beispiel Referenzdaten, für die Validierung von Algorithmen;
  • die Harmonisierung von digitalen Formaten für die Weitergabe metrologischer Informa-tionen wie zum Beispiel mit Hilfe von DCC für die digital vernetzte Industrie.

Effizienter und sicherer Einsatz digitaler Technologien

Sowohl für ihre eigene Arbeitsweise als auch für die Prozesse in der Qualitätsinfrastruktur ent-wickelt und verwendet die PTB digitale Technologien. Dabei sieht sie die Konzepte „security by design“ und „privacy by design“ als unabdingbar für die Sicherung von Vertrauen. Dazu gehören unter anderem:

  • die Einführung der E-Akte mit einem ausgefeilten Rechtemanagement;
  • das Angebot fortgeschrittener zentraler IT-Dienstleistungen;
  • die Entwicklung der Metrology Cloud für die Prozesse im gesetzlichen Messwesen.

Nachhaltige Nutzbarkeit von Forschungsergebnissen und Daten

Eine datengetriebene Forschung und Wirtschaft sind nur umsetzbar, wenn verlässliche Daten zugänglich und nachhaltig verwendbar sind. Daher beschäftigt sich die PTB unter anderem mit

  • einem umfassenden Konzept für das Forschungsdatenmanagement;
  • der Entwicklung und Umsetzung eines Software Quality Framework;
  • der konsistenten Nutzung von Metadaten und Vokabular im digitalen Umfeld.

Ganzheitlicher Ansatz für die Behandlung von Messgeräten und Messdaten

In einer digital vernetzten Wirtschaft und Industrie sind ganzheitliche Konzepte für den Umgang mit Messdaten und die Vernetzung von Messgeräten notwendig. Daher entwickelt die PTB unter anderem Konzepte für

  • konsistente digitale Transformation von gesetzlichem und industriellem Messwesen;
  • „Metrology by design“ für verlässliche Messwerte schon bei der Erfassung;
  • Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus eines Messgeräts.

Aktive Teilhabe aller Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an der Digitalisierung

Eine digitale Transformation kann nur gelingen, wenn keiner zurückgelassen und digitale Innova-tionen gefördert werden. Dazu erarbeitet die PTB unter anderem

  • Formate für die aktive Unterstützung digitaler Pioniere;
  • breit gefächerte Schulungs- und Lernangebote;
  • innovative Formate zur Mitgestaltung und Mitwirkung.

Schwerpunktbereiche der Digitalisierung

Metrologische Dienstleistungen

  • Digitaler Kalibrierschein mit maschinen-interpretierbaren Kalibrierinformation und digitalem Siegel
  • Digitale Kundenplattformen für Kalibrierung und Konformitätsbewertung
  • Digitale Qualitätsinfrastruktur mit einer gemeinsamen Plattform für Konformitätsbewertungsstellen, Marktaufsicht, Hersteller und Verwender im gesetzlichen Messwesen

Datenanalyse

  • Datenanalyse und Messunsicherheiten für hochdimensionale Größen
  • Verlässlichkeit in der Anwendung von maschinellen Lernen und Big Data Analytic
  • Dimensionsreduktion und Weitergabe großer Datenmengen

Kommunikationssysteme

  • Hochfrequenzmessgrößen digitaler Kommunikationssysteme
  • Rückführung für Signalparameter wie Error-Vector-Magnitude und Fehlerraten
  • Nichtlineare und stochastische Hochfrequenzmessgrößen

Virtuelle Messgeräte

  • Analyse und Rückführung virtueller Messgeräte
  • Entwicklung virtueller Messgeräte in der Koordinatenmesstechnik für die Messdatenanalyse
  • Simulationswerkzeuge für die Optik, dimensionelle Messtechnik und CT-Bildgebung

Konkrete Beispiele

Virtuelle Messgeräte

Maschinelles Lernen

Aktuelle Aktivitäten

Digitalisierung im gesetzlichen Messwesen

  • Im Juni 2018 ist die "Opens external link in new windowEuropean Metrology Cloud"-Initiative mit mehreren Partnern aus NMIs, Verbänden, Marktüberwachung und Forschung erfolgreich gestartet.
  • Die Projektgruppe "Metrology Cloud" hat bereits im Januar 2018 erste Realisierungsansätze Vertretern der Landeseichbehörden vorgestellt und die Funktionsweise live demonstriert. Dieser Demonstrator wird seitdem kontinuierlich ausgebaut.
  • Vertreter von "Metrology Cloud" und die Subgroup "New Technologies" der WELMEC Working Group 7 "Software" kooperieren beim Entwurf eines neuen europäischen Guides für Referenzarchitekturen (insb. Cloud Computing), eines Guides für Software-Applikation, alternative Integritätsmaße und die Anwendung von Blockchain im gesetzlichen Messwesen (Secure Logging, Smart Contracts).
  • Mitte 2018 wurde die gemeinsame Juniorprofessur der TU Berlin und der PTB "Sichere und vertrauenswürdige netzangebundene Systeme" gestartet. 
  • Die PTB ist Mitglied im Beirat des Projekts "Digitalisierung der Energiewende: Barometer und Topthemen" zur Begleitung des Prozesses zur Modernisierung und Digitalisierung der Energieinfrastruktur.

Ansprechpartner

Metrology Cloud: Opens window for sending emailFlorian Thiel

Digitalisierung der Energiewende: Opens window for sending emailHelmut Többen

 

 

 

Digitaler Kalibrierschein (DCC)

  • Gemeinsam mit dem Fraunhofer HHI und weiteren Partnern hat die PTB im November 2018 einen Antrag für ein BMWi-gefördertes Vorprojekt "Sichere und robuste kalibrierte Messsysteme für die digitale Transformation" gestartet.
  • Das PTB-Team rund um die Entwicklung des digitalen Kalibrierscheins (DCC) arbeitet intensiv an der Ausgestaltung des im Dezember 2017 als Prototyp vorgestellten XML-Formats. Auf einer internationalen Konferenz im Juni 2019 wird das Format dann den internationalen Partnern vorgestellt und die gemeinsame Weiterentwicklung und Umsetzung initiiert.
  • Auf Basis des DCC wurde im Bereich der Wägetechnik ebenfalls im Dezember 2017 das weltweit erste "digitale Wagestück" vorgestellt.
  • Für das "Kompetenzzentrum Wind" (CCW) ist eine Erweiterung zum "Digitalen Realbed", also einem realen Testlabor für digitale Prozesse angestrebt, in welchem Ende-zu-Ende digitale Prozesse im industriellen Messwesen beispielhaft realisiert werden sollen.

Ansprechpartner: Opens window for sending emailSiegfried Hackel

Metrologie für IoT

Metrologie für virtuelle Messgeräte

  • Im Schwerpunktbereich „Simulationen und virtuelle Messgeräte“ treibt die PTB die Weiterentwicklung ihrer Referenzverfahren VCMM und SimOptDevice durch weitere Drittmittelprojekte und Industriekooperationen aktiv voran.
  • Zusätzlich hat die PTB eine neue interne Plattform als Kompetenzzentrum „Metrologie für virtuelle Messgeräte“ (VirtMess) ins Leben gerufen, um den interdisziplinären Austausch und die gemeinsame Entwicklung von Lösungen weiter zu stärken.

Ansprechpartner: Opens window for sending emailSascha Eichstädt

Forschungsdatenmanagement

Ziel des Forschungsdatenmanagements (FDM) ist es, geeignete Forschungsdaten der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen, um die datenbasierte Forschung, neue Fragestellungen und Validierung von Forschungsergebnissen im Sinne einer offenen Wissensgesellschaft zu befördern. Zur Koordinierung dieses Themas wurde eine interne Projektgruppe gebildet. Die Aktivitäten der Forschungsdatenmanagement-Gruppe sind

  • Entwicklung eines Konzepts zum FDM (Initiates file downloadDownload)
  • Verfassung von PTB-Richtlinien zum FDM
  • Entwicklung eines Metadaten-Schema für die Metrologie
  • Entwicklung kontrollierter Vokabularien mit persistenten Identifikatoren (Namespaces)

Ansprechpartner: Opens window for sending emailGiacomo Lanza 

Erste Ergebnisse

  • Die Benutzeroberfläche RDMO für die Erstellung von Datenmanagementplänen ist für interne und externe Nutzer freigeschaltet: Opens external link in new windowrdmo.ptb.de
  • Für die langfristige Speicherung von Forschungsdaten steht das Repositorium PTB-OAR zur Verfügung: Opens external link in new windowoar.ptb.de

E-Akte

Die E-Akte sorgt dafür, dass die PTB die Dokumentationsregeln, die vom Bund und durch die QM-Verfahrensanweisungen der PTB definiert werden, quasi „automatisch“ einhalten kann. Insbesondere das Dokumentenmanagement wird dadurch leichter.

Das E-Akte-Team erarbeitet bereits mit ersten Piloten die Grundlagen für die Einführung der E-Akte als Vorgangs- und Dokumentenmanagementsystem. Der vollständige Roll-out ist für Juni 2020 geplant.

Ansprechpartner: Opens window for sending emailSabine Pullwitt

Digitale Kundenplattform

Unsere Kunden für die Bereich Konformitätsbewertung und Kalibrierung erwarten von uns digitale, webbasierte Plattformen für den einfachen Upload von Informationen sowie die Auftragsverwaltung.

Derzeit läuft die Ausarbeitung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die Beauftragung. Mit dem Start der Pilotphase wird Mitte 2019 gerechnet.

Ansprechpartner: Opens window for sending emailMichael Brinkschröder

Struktur und Organisation

Die großen Eckpfeiler für die PTB als Unterstützer in der digitalen Transformation der Wirtschaft und Gesellschaft sind dabei zum einen die disziplinübergreifenden Querschnittsvorhaben:

Metrology Cloud – Etablierung einer vertrauenswürdigen Kernplattform für eine digitale Qualitätsinfrastruktur durch die Ankopplung bestehender Dateninfrastrukturen und Datenbasen und einem differenzierten Zugriff aller Partner für eine digitale Ertüchtigung des gesetzlichen Messwesens.

Digitaler Kalibrierschein – Entwicklung einer sicheren und standardisierten digitalen Informationsstruktur für den universellen Einsatz in Kalibrierung, Akkreditierung und Messung und einer digitalen Ertüchtigung der gesamten Kalibrierhierarchie in der Qualitätsinfrastruktur.

Virtuelle Experimente und mathematikgestützte Metrologie – Entwicklung einer disziplinübergreifenden virtuellen Kompetenzgruppe für die metrologische Unterstützung des Paradigmenwechsels zur Verwendung von Simulationen und Datenanalyse als essenziellen Bestandteil von Messverfahren.

Darüber hinaus sollen in den entsprechenden Fachbereichen unter anderem die gezielte metrologische Forschung für moderne Hochfrequenznetze (5G), die Erweiterung der Qualitätsinfrastruktur auf die Online-Überwachung sowie eine metrologische Unterstützung der digitalisierten Präzisionsfertigung nachhaltig unterstützt werden.

Zentral begleitet, koordiniert und vernetzt werden die PTB-Vorhaben durch die Arbeitsgruppe Opens internal link in current windowPSt1 "Koordination Digitalisierung".