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Messwerte und ihre physikalischen Einheiten digital interpretierbar verarbeiten!

Als wir mit der AUDITTRAILS Networks GmbH 2020 angetreten sind, um ein auf standardisierbaren Prozessen basiertes digitales Managementsystem konform zur DIN EN ISO/IEC 17025 zu bauen und kommerziell verfügbar zu machen, haben wir wirklich gedacht, das viele „Probleme“ der analogen Arbeit bereits im Zuge der digitalen Transformation gelöst worden sind. Und zwar so gelöst worden sind, dass man sich auf dem Feld der Softwareentwicklung bereits auf eine gelebte Praxis stützen kann. So sind wir zum Beispiel davon ausgegangen, dass die Verarbeitung physikalischer Einheiten in Datenbanksystemen sehr gut in hunderten verfügbaren Libraries abgedeckt ist.

An vielen Stellen wurden wir eines Besseren belehrt und mussten feststellen, dass es zwar enorm viel Literatur – insbesondere im Bereich der Metrologie gibt, aber wenige wirklich tragfähige Bibliotheken, die uns Software-Herstellern das Leben im Bereich der Verarbeitung von Daten in Verbindung mit physikalischen Einheiten das Leben erleichtert.

Etwas überspitzt und ketzerisch könnte man sagen:

Die ganze Welt spricht von Daten und künstlicher Intelligenz und was künstliche Intelligenz alles schaffen kann. Wir können aber nicht einmal Daten, Grenzwerte und Messunsicherheiten in Kombination mit ihren physikalischen Einheiten international auf einer Verständnisebene digital und maschineninterpretierbar speichern.

Hierbei wird fast immer domänenspezifische Programmierung und die Kompetenz des Menschen notwendig.

1 Einheitendatenbanken heute!

So ist es heute in nahezu allen Software-Produkten, die z.B. Messdaten und Ihre physikalischen Einheiten verarbeiten, nicht gelöst, dass die daraus resultierenden Daten von digitalen Prozessen oder Maschinen weiterverarbeitet werden können. Einheitendatenbanken liefern heute in den meisten Fällen die Namen bzw. die Messgröße, die Bezeichnung einer physikalischen Einheit und das Symbol, das zur Einheit gehört – als „String“-Eigenschaft. D.h. als Buchstabe in einem Textfeld. Warum? Weil wir bislang einfach nichts anderes gebraucht haben. Schließlich werden heute pro Jahr Millionen von Kalibrierscheinen immer noch per Post oder als PDF per Mail versendet und von Menschen gelesen und Interpretiert!

Hier ein Beispiel für typische Inhalte von Einheitendatenbanken:

Messgrößephysikalische EinheitSymbol
LängeMeterm
typische Inhalte von Einheitendatenbanken als String-Values

Um nun in einer Software (z.B. für die Prüfmittelverwaltung, die Spezifikation von Kalibriervorgaben oder die Verifizierung von Kalibrierergebnissen) Messwerte erfassen zu können, ist es bekanntlich notwendig, mit der Einheit einen Zahlenwert zu kombinieren.

ZahlenwertSymbol
10m
Messwertangabe: Eine Kombination aus einer Zahl und dem kleinen Buchstaben „m“

Was sie nun in einer Software als Messwerteingabe bezeichnen können, da Sie als User der Software die Kombination der Zahl „10“ und dem kleinen Buchstaben „m“ als Messwert in der Einheit „Meter“, der ein Längenmaß repräsentiert, als solchen interpretieren können, benötigt allerdings „menschliche Intelligenz“. Der User benötigt das Wissen, die Erfahrung und die Kompetenz „10 m“ als Längenmesswert zu interpretieren.

Wenn Sie den Längenmesswert „10 m“ in einem Messbericht ausdrucken, so Bedarf es ebenso beim Empfänger des Ergebnisdaten Wissen, Erfahrung und Kompetenz das Ergebnis als Längenmesswert zu interpretieren.

Ein so notierter Messwert ist menschenlesbar, menscheninterpretierbar, ggf. maschinenlesbar, aber definitiv nicht (oder nur mit domänenspezifischer Programmierung) maschineninterpretierbar. Die Maschine oder eine Empfängersoftware weiß nicht, dass es sich bei dem Messwert um einen Längenmesswert in der physikalischen Einheit „Meter“ handelt. Um wirklich tragfähiges Messergebnis sein zu können, fehlt dem Messwert zusätzlich noch die Angabe der Messunsicherheit – aber dies soll nicht primärer Gegenstand dieses Artikels sein.

Wir haben uns daher die Frage gestellt: Wie können wir also konkret physikalische Einheiten in unserer AUDITTRAILS-Plattform so abbilden, dass ein echter Mehrwert für die Speicherung und Interpretation der Daten entsteht – und wir Prozessinputs (z.B. ein Kalibrierergebnis als DCC) oder Prozessoutputs (z.B. ein Messergebnis) zukunftssicher abbilden können.

Das digitale Einheitensystem „D-SI“ definiert einen State-of-the-art-Ansatz, zur maschineninterpretierbaren Verarbeitung von Einheiten – und zwar so, dass gleichzeitig jede beliebige im „D-SI“-Schema definierte Einheit rückführbar auf die sieben SI-Basiseinheiten dargestellt werden kann.

2 Einheitendatenbanken morgen: So funktioniert das „D-SI“ System?

Das D-SI-System definiert zusätzlich für jede physikalische Einheit einen Identifier, die für die Darstellung einer physikalischen Einheit in Programmcode Anwendung findet.

Messgrößephysikalische EinheitSymbolIdentifier
LängeMeterm\meter
Die Tabelle zeigt den im D-SI zusätzlich definierten Identifier

Die Definition des D-SI wurde im EMPIR-Projekt 17IND02 „Communication and validation of smart data in IoT-networks“ (SmartCom) vorgenommen und veröffentlicht.

Die D-SI-Definition enthält neben den sieben Basis-SI-Einheiten eine Reiher weiterer definierter Einheiten. Die SI-Basiseinheiten werden zudem mit der Klasse „Platin“ bezeichnet, die besagt, dass diese Einheit selbst SI-Einheit oder erweiterte SI-Einheit ist.

Die sieben SI-Basis-Einheiten in der D-SI Notation

Wir haben uns im Rahmen der AUDITTRAILS-Softwareentwicklung das digitale Einheitensystem zu Grund gelegt. Die Herausforderung ist es aber nicht, physikalische Einheiten so abzubilden, sondern einem Software-User, der z.B. die Kalibrierspezifikation (=Digitale Calibration Request, DCR) für ein Prüfmittel definiert und dazu eine abgeleitete physikalische (z.B. ml/min für den Durchfluss) benötigt, ein Werkzeug in die Hand zu geben, dass es ihm erlaubt jede beliebige zusammengesetzte Einheit zu definieren, die er im Rahmen seiner Prüfmittelüberwachung benötigt. Diese muss von einer Software validiert und korrekt rückführbar dargestellt werden können. AUDITTRAILS hat einen programmatischen Ansatz entwickelt mit dem sich jede beliebige Einheit über einen Einheitenkonfigurator erstellen und rückgeführt auf die SI-Einheiten auflösen.

Der Einheitenkonfigurator basiert laut D-SI Definition auf dem Fakt, das jede physikalische Einheit als Produkt von SI-Einheiten, Präfixen und Exponenten dargestellt werden soll.

Darstellung von Einheiten via Multiplikation (Quelle: www.ptb.de)

Sehen wir uns das Ganze an der Einheit „Newton“ für die Kraft an – die Einheit wird im Basis-Lieferumfang bereits enthalten sein:

Messgrößephysikalische EinheitSymbolIdentifierauf SI-Einheiten zurückgeführte Darstellung
KraftNewtonN\newton\kilogramm\meter\second\tothe{-2}
Die Definition der physikalischen Einheit „Newton“ in einer auf SI-Einheiten rückgeführten Darstellung

Doch wie gestaltet sich z.B. eine Einheit, die sie ggf. selbst anlegen müssen, da sie in der D-SI-Definition nicht enthalten ist. Wir bedienen uns dazu der physikalischen Einheit „Nm“ für die Messgröße Drehmoment.

Durch Eingabe der Symbole „N“ und „m“ kann ein Einheitenkonfigurator, der die Einheiten „Newton“ und „Meter“ kennt, die daraus resultierende auf SI-Einheiten zurückgeführte Darstellung automatisch generieren und korrekt anlegen.

Messgrößephysikalische EinheitSymbolIdentifierauf SI-Einheiten zurückgeführte Darstellung
DrehmomentNewtonmeterNm\kilogramm\meter\tothe{2}\second\tothe{-2}
Die Definition der physikalischen Einheit „Newtonmeter“ in einer auf SI-Einheiten rückgeführten Darstellung

So ist es möglich einen vollständigen Messwert (z.B. für einen Temperaturmesswert) mitsamt seiner physikalischen Einheit in der Notation des digitalen Einheitensystems und entsprechender Angabe der Messunsicherheit in Programmcode darzustellen.

<siTest:testData id="Ist-Wert Temperaturmessung">
		<si:real>
			<si:label>temperature</si:label>
			<si:value>21.05</si:value>
			<si:unit>\degreecelsius</si:unit>
			<si:expandedUnc>
				<si:uncertainty>0.50</si:uncertainty>
				<si:coverageFactor>2</si:coverageFactor>
				<si:coverageProbability>0.95</si:coverageProbability>
				<si:distribution>normal</si:distribution>
			</si:expandedUnc>
		</si:real>
	</siTest:testData>

Fazit

Software-Systeme, die in der Lage sind, Messwerte mit Hilfe des digitalen Einheitensystems zu notieren sind natürlich in der Lage, die menscheninterpretierbaren Informationen, wie z.B. „1 N“ auszugeben, sind aber zudem in der Lage zu verstehen, was die Einheit bedeutet und wie die Einheit umgerechnet werden kann.

Software-Systeme, die das digitale SI-Einheitensystem verwenden, sind in der Lage, die Messwerte aus dem digitalen Kalibrierschein (DCC) auszulesen und zu verstehen, da in der XML-Schema-Definition des DCC die digitalen SI-Einheiten verwendet werden.

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