Digitalização, Investigação e Desenvolvimento da Metrologia no IPQ

João A. Sousa, Luís Ribeiro, Jorge Antunes, Isabel Godinho
Instituto Português da Qualidade, Rua António Gião, 2, 2829-513 Caparica, Portugal

Resumo

O Instituto Português da Qualidade, I. P. (IPQ), enquanto Instituição Nacional da Metrologia (INM) é o garante da soberania dos Padrões Nacionais das unidades de medida, e tem como missão assegurar a exatidão e a rastreabilidade das medições em território nacional. O objetivo é promover a competitividade nacional através de uma infraestrutura metrológica tecnologicamente avançada, que consiga dar resposta às necessidades da indústria e de sectores chave como a saúde, a energia, o ambiente e as atividades económicas em geral. Este desiderato só é possível de alcançar através da participação em projetos europeus e internacionais de investigação e desenvolvimento metrológico, para ser uma entidade de referência nacional na rede metrológica europeia em desenvolvimento, acompanhando os constantes desenvolvimentos científicos e tecnológicos do presente.

A digitalização é, por seu lado, um processo contínuo que está a influenciar de forma decisiva e definitiva todas as áreas da sociedade, de formas muito diversas.

Abstract

The Portuguese Institute for Quality I. P. (IPQ), as the National Metrology Institution is responsible for the sovereignty of the national measuring standards and for the accuracy and traceability of measurements in Portugal. The main objective is to promote national competitiveness by a technological advanced metrological infrastructure able to meet the needs of industry and of key sectors such as health, energy, environment and economic activities in general. This goal can only be achieved through the participation in European and international metrological research and development projects, to be a national reference entity in the developing European metrological network, keeping up with the constant scientific and technological developments of the present.

Digitalisation, for its part, is a continuous process that is decisively and definitively influencing all the areas of society in very different ways.

Palavras-chave

Metrologia, digitalização, certificados digitais, inteligência artificial

Keywords

Metrology, digitalization, digital certificates, artificial intelligence

Introdução

A digitalização transformou-se num desígnio nacional que o IPQ acompanha de forma empenhada, como o demonstram os projetos nacionais e europeus em que está envolvido. O enfoque desta atividade está nos programas para a digitalização do IPQ e em particular, a digitalização na metrologia, é considerada no contexto de apoio à indústria 4.0, isto é, na produção em rede exclusivamente digital, incluindo certificados de calibração, inteligência artificial e serviço à sociedade.

Nas atividades de investigação e desenvolvimento, a digitalização está refletida em novas linhas de investigação, projetos de cooperação multidisciplinares e nas ferramentas para a gestão de grandes quantidades de dados, e nomeadamente no âmbito da inteligência artificial.

Enquanto INM, tem um papel ativo em muitas das questões referidas, participando em vários programas europeus de I&D no âmbito da Metrologia, em temáticas estratégicas para o desenvolvimento da metrologia e da economia nacionais, apoiando a disponibilização de soluções metrológicas apropriadas, integradas e adequadas junto dos stakeholders, incluindo as áreas seguintes:

• Tecnologias da Saúde, Braquiterapia, Radioterapia;
• Indústria 4.0 (Metrology for the factory of the future);
• Internet das Coisas (IoT);
• Digitalização;
• Economia Azul, Ambiente, Clima e Oceanos;
• Energia;
• Tecnologias quânticas.

Por outro lado, a criação de redes europeias de metrologia – EMN (European Metrology Networks), considerando uma base mais alargada de partes interessadas e maior participação da academia e da indústria, bem como de atividades relacionadas com os Serviços de Calibração e com a Infraestrutura da Qualidade, é um pilar particularmente importante do próximo programa, assegurando também maior capacitação entre os membros. De referir que Portugal, através do IPQ, integra já atualmente as seguintes EMN: Climate and Ocean Observation, Energy Gases, Mathematics and Statistics e Quantum Technologies.

É essencial apoiar e incentivar a inovação tecnológica para suportar medições exatas e comparáveis e soluções metrológicas integradas e adequadas à criação de um sistema europeu de investigação metrológica, contribuindo para o desenvolvimento da indústria e o crescimento económico do país.

Digitalização

A digitalização é um processo contínuo que está a influenciar de forma decisiva e definitiva todas as áreas da sociedade, de formas muito diversas.

O foco está centrado nos programas para a digitalização da organização, e, na metrologia em particular, a digitalização é vista no contexto de apoio à indústria 4.0, isto é, produção em rede exclusivamente digital, incluindo certificados de calibração digitais, inteligência artificial e serviço à sociedade. Na investigação, a digitalização está refletida em novas linhas de investigação, projetos de cooperação multidisciplinares e, ferramentas para gestão de grandes quantidades de dados.

O IPQ tem um papel ativo em muitas destes tópicos, nas várias vertentes da metrologia, que está alinhada com as grandes linhas da sua missão, nomeadamente:

• Na metrologia científica o IPQ está ativamente envolvido em projetos multidisciplinares de I&D, de modo a responder às crescentes exigências de maior rigor e exatidão da medição, bem como no que se refere às simulações e aos instrumentos de medição virtuais.
• No domínio da metrologia legal, está ativamente empenhado em promover a digitalização dos processos e dos instrumentos de medição, através de um processo orientado e como suporte à indústria nacional e às autoridades de fiscalização de mercado, em particular no âmbito dos sistemas inteligentes de medição (smart meters) e mobilidade elétrica.
• Na metrologia aplicada, o IPQ suporta a calibração através do desenvolvimento, internacionalmente reconhecido, de certificados digitais machine readable e da respetiva infraestrutura para o reconhecimento da sua autenticidade.
• Para a avaliação de dados, são desenvolvidos e implementados algoritmos validados e sustentados por métodos de medição harmonizados e validados através de comparações internacionais entre pares no seio do BIPM (Bureau International des Poids et Mesures).

Muitos destes tópicos estão incluídos em subtemas de uma infraestrutura da qualidade que será completamente digitalizada no futuro. Neste sistema, os processos são trabalhados de forma totalmente digital, os objetos são fortemente entrelaçados em redes, e os algoritmos são utilizados de forma intensiva. Esta transformação digital está já em andamento normal, e será fortemente acelerada por desenvolvimentos tecnológicos correntes.

Os domínios de intervenção em que o IPQ está envolvido estão agrupados em cinco dimensões:

Neste âmbito, são sumariamente apresentados em seguida os Projetos em que o IPQ participa atualmente, nomeadamente nas áreas de:

O envolvimento da metrologia na indústria 4.0

A Indústria4.0 como um ambiente produtivo interligado com um fluxo autónomo de informação e decision-making constitui a transformação digital da manufatura para melhorar a eficiência e competitividade. Transparência, comparabilidade e qualidade sustentada requerem fiabilidade dos dados medidos, dos métodos de processamento e dos resultados.

O impacto na metrologia é óbvio: calibrações rastreáveis, tratamento harmonizado das incertezas de medição, normas e guias industriais são os principais componentes de uma infraestrutura metrológica abrangente que tem permitido globalizar a produção e o comércio internacional. Digitalização e data science estão rapidamente a mudar quase todos os aspetos do panorama vigente: os sensores estão a ficar inteligentes, grandes redes de sensores estão a ser usados conjuntamente com algoritmos de machine learning para tornar as decisões automáticas e gerir os processos produtivos. Mas falta avaliar a incerteza associada a estes processos que introduzem uma simplificação face ao mundo, de forma a tornar o tratamento de dados possível, em tempo quasi-real, e essa avaliação dará uma ideia da qualidade da medição associada a esta nova realidade comummente denominada como Indústria4.0.

Consciente desta problemática, o IPQ está envolvido no projeto Europeu Metrology for the Factory of the Future (Met4FoF), que tem como objetivo o estabelecimento de uma estrutura metrológica para o ciclo de vida completo dos dados medidos em aplicações industriais: das capacidades de calibração para sensores individuais com output digital até à quantificação da incerteza associada com machine learning em redes de sensores industriais. A implementação em bancos de ensaio realísticos demonstrará a aplicabilidade das soluções e gerará templates para futuros desenvolvimentos pela indústria.

Sendo o IPQ membro do MATHMET (The European Centre for Mathematics and Statistics in Metrology) participa e contribui no domínio da Matemática e da Estatística, aplicada de forma transversal à metrologia na vertente do tratamento estatístico de dados, big data, machine learning, data fusion, software e computação intensiva.

Participação na European Metrology Cloud

Para promover a transformação digital em Metrologia Legal, o Laboratório Nacional de Metrologia alemão – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) iniciou o desenvolvimento de uma infraestrutura europeia coordenada para a qualidade digital de produtos e serviços inovadores, a “European Metrology Cloud“, na qual o IPQ também participa.  O seu fundamento prevê o desenvolvimento e a implementação de uma plataforma metrológica centralizada, projetada para apoiar e otimizar processos regulatórios, unindo infraestruturas e bancos de dados existentes, e para fornecer um ponto de contacto único para todas as partes interessadas. Essa infraestrutura digital visa a otimização e a coordenação de processos no âmbito da metrologia legal, através do desenvolvimento de uma plataforma de referência, suportando novos instrumentos de medição e serviços digitais, baseados em tecnologia e dados, contribuindo assim para apoiar eventuais processos de adaptação legislativa, nacional ou europeia. Essas plataformas podem ser combinadas posteriormente através de uma plataforma de coordenação estabelecida e mantida pelos diferentes Estados, autoridades nacionais e partes interessadas. Com esses objetivos, a iniciativa promove o mercado único digital da Comissão Europeia.

Emissão de certificados digitais

Os principais objetivos dos trabalhos nesta dimensão consistem na operacionalização, emissão, troca e uso de certificados de calibração digital, por meio de informações estruturadas e a especificação de um sistema de informações. A implementação de um sistema que vise a utilização de certificados de calibração digitais não é apenas a transformação de um formato físico para um formato digital, mas principalmente a aplicação do conceito real de digitalização, ou seja, do uso de tecnologias digitais para alterar um modelo de negócios e fornecer novas oportunidades com valor acrescentado de forma agregada. Além da facilidade na troca de resultados de calibração, o desenvolvimento futuro de um sistema para troca de certificados de calibração digitais permitirá que os clientes recebam e analisem estes certificados mais rapidamente, reduzindo os tempos de execução e os custos associados ao processo de confirmação metrológica, além de evitar erros humanos e suas consequências.

Uma das principais vantagens de tal sistema reside na possibilidade de ação em tempo real da instrumentação de forma autónima. Na fábrica do futuro, haverá um grande número de sensores de baixo custo e, portanto, será necessário utilizar os dados dos certificados de calibração para verificar a validade dos dados medidos em tempo real ou quase real. Para isso, o formato legível por máquina (machine readable) pode ser utilizado por sensores inteligentes para verificar a qualidade dos dados medidos, aceitando os resultados da calibração ou, em alternativa, impor correções automáticas nas suas leituras para atingir o mesmo objetivo.

Inteligência Artificial e Aprendizagem Automática (Machine Learning)

Esta dimensão conta com um projeto em fase de planeamento e recentemente aprovado no âmbito do programa SAMA 2020 – Sistema de Apoio à Transformação Digital da Administração Pública (SATDAP), com vista à implementação de um modelo de Inteligência Artificial para a Definição de uma Estratégia Ótima de Controlo Metrológico de Diferentes Instrumentos de Medição. Este projeto, tem como objetivos:

• Avaliar técnicas de análise e de definição de modelos – com base em práticas avançadas de inteligência artificial e ciência dos dados – com vista à implementação de algoritmos, soluções e ferramentas metodológicas de inferência;
• Apoiar a tomada de decisão relativamente à produção de regulamentação de controlo metrológico e ao acompanhamento e qualificação de entidades;
• Implementar, numa primeira fase, uma solução experimental piloto, a partir do histórico de informação existente e correspondente a um tipo específico de instrumentos de medição, com capacidades de extrapolação e predição de metodologias para o universo de instrumentos de medição existentes.

Serviços à Sociedade – Projeto INPORQUAL

O IPQ tem atualmente em fase de implementação um projeto que visa proceder à renovação dos seus recursos informáticos com vista a satisfazer diversas necessidades operacionais, nomeadamente:

• A gestão da Metrologia nas suas vertentes de Controlo Metrológico, Qualificação de Entidades e Metrologia Científica e Aplicada;

e

• A necessidade de gerir a grande quantidade de questões que são diariamente colocadas ao IPQ.

Conclusões

A digitalização é atualmente um processo crucial para o desenvolvimento das Instituições.

Tendo como objetivo primordial promover a competitividade nacional através de uma infraestrutura metrológica tecnologicamente avançada, que consiga dar resposta às necessidades da indústria e dos setores chave, tal como a saúde, a energia, o ambiente e as atividades económicas em geral, o Instituto Português da Qualidade acompanha de forma empenhada os desenvolvimentos nestes domínios, como o demonstra a sua participação nos projetos nacionais e europeus em que está envolvido e, em particular no âmbito daDigitalização (Metrology for the Factory of the Future, European Metrology Cloud, Emissão de Certificados Digitais, Inteligência Artificial e Aprendizagem Automática – Machine Learning, Serviços à Sociedade – Projeto INPORQUAL).

Em conclusão, na rede metrológica europeia em desenvolvimento, é essencial o acompanhamento constante dos desenvolvimentos técnico-científicos, incluindo a Digitalização, tirando partido da existência de um programa europeu de investigação desenhado para a Metrologia.

Referências bibliográficas

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EMPIR project 17IND12 Met4FoF, “Metrology for the Factory of the Future”, https://www.ptb.de/empir2018/met4fof/home/

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