기계/조선

계측과 제어_Vol.62 2023.7 특집 (373~377)

FACE the future: 특집
계측의 DX가 사회에 불러일으키는 변화

<목차>

●총론
계측의 DX에 대하여 생각한다.

●해설
DX 사회를 향한 센싱 기술의 역할과 미래 전망
화학 플랜트의 운전 및 유지보수에서의 DX
AI를 활용한 화상 센싱
국제 단위계를 기반으로 한 양(量) 및 단위의 디지털 표현에 대하여
Digital Calibration Certificates in Metrology

●사례 소개
제조업에서의 DX화 – 디지털 기술을 측법 계측으로 – (DX를 위한 계측)
데이터 인증 시스템의 개발
계측 데이터의 효율적인 활용을 표현하는 독립가용성

총론: 특집
계측의 DX에 대하여 생각한다

1. 특집 ‘계측의 DX’에 대하여
디지털트랜스포메이션(DX)은 과학기술 분야뿐만 아니라, 최근 모든 사회 활동에서도 화두가 되고 있다.

먼저 DX의 정의에 대해 생각해보자. 예를 들어, 경제산업성의 자료에서는 이하와 같이 정의되어 있다.

∙ Digitization: 아날로그 및 물리 데이터의 디지털화
∙ Digitalization: 개별적 업무 및 제조 프로세스의 디지털화
∙ DX: 조작 횡단/전체 업무 및 제조 프로세스의 디지털화, ‘고객 기점의 가치 창출’을 위한 사업 및 비즈니스 모델의 변혁

일본어에서는 ‘디지털화’와 ‘DX’, 2개로 분류되어 있지만, 영어에서는 Digitization, Digitalization, DX 등, 3개로 분류되어있다. 일본어의 ‘디지털화’는 영어의 전자 2개에 대응한다. 그렇다면 디지털화와 DX의 차이는, 전자는 순수하게 기술을 가리키는 데 반해 후자는 그것을 취득한 사람을 고려하고 있다고 말할 수 있다. 경제산업성의 자료에서도 ‘고객 시점에서 새로운 가치를 창출하는 것’이 DX라고 정의되어 있다. 예를 들어, 공장에서 대량의 관리 데이터를 취득하는 등의 사례가 DX로 정의되어 있지만, 데이터를 취득하는 것만이 DX는 아니다. 왜냐하면 이것은 시간과 노동을 투입하면 인력으로도 할 수 있기 때문이다. 취득한 데이터로부터 고객에게 어떤 유용한 가치를 창출하지 않는다면 DX라고 말할 수 없다.

이번 특집은 ‘DX를 위한 계측’과 ‘계측을 위한 DX’에 대해 최신 동향에 대한 소개와 전문가의 해설을 모은 것이다. 독자들이 DX와 계측의 관계에 대해 다시 한번 생각할 수 있도록 이번 특집을 기획했다.

2. 원격 교정과 원격 측정
DX를 통해 실현될 것으로 기대되는 것이 계측기를 원격으로 교정하는 것이다. 필자가 소속되어 있는 계량표준종합센터(NMIJ)에서는 20년 전에 원격 교정에 관한 국가 프로젝트를 실시했다. 이때 원격 교정으로 2가지 타입이 고려되었다. 하나는 대상인 양(量) 그 자체를 통신 수단을 사용해 전송하는 것. 다른 하나는 안정된 이송 표준기를 개발하는 것이었다.

전자가 진짜 원격 교정이라고 말할 수 있지만, 당시 원격에서 양 자체를 전송할 수 있는 방법은 전파나 광섬유로 주파수를 전송하는 것이었다. 후자의 경우, 지금이라면 그 데이터 전송에 정보기술을 활용할 수 있지만, 이것을 원격 교정이라고 부를 수 있는지에 대해서는 논의가 필요하다.

이번엔 원격 측정에 대해 살펴보자. 가장 우리에게 친숙한 사례는 전력회사나 가스회사를 들 수 있다. 이전에는 계량기가 설치된 장소에 검침원이 방문해 확인했지만, 통신 기능을 통해 공급회사가 원격으로 검침할 수 있게 되었다. 검침 외에도 사고나 재해 시 공급을 중단하는 등의 대응도 가능해졌으며, 이 기능은 고객에게 있어 부가가치라고 말할 수 있다.

이처럼 네트워크 가능을 구비한 계측기와 관련해 원격 측정은 실현되었다. 하지만 세상에는 몇 십 년 전에 설치된 계측기가 여전히 사용되고 있다. 또는 코스트를 고려해 통신 기능이 없는 계측기를 설치하는 사례도 있다. 이러한 계측기에 대해서도 현재의 정보 기술을 이용할 수 있다.

이상 소개한 것은 매우 단순한 사례이지만, 화학 플랜트의 DX화에는 최첨단 기술이 도입되고 있으며 이에 관련해서는 야마시타(山下) 씨의 설명을 참고하길 바란다.

3. 디지털 메트로로지컬 트윈
디지털트윈은 대상 장치의 설계 정보와 이용 정보를 충실하게 디지털로 재현해 분석 및 시뮬레이션을 실시하는 정보기술 중 하나이다. 디지털트윈은 장치의 유지보수나 고장 시기를 예측하는 등에 사용되는 사례가 많다. 계측기에 대해서도 동일한 목적으로 사용되는 경우도 있다. 계측기의 기능 자체를 디지털로 재현하는 것을 여기서는 디지털 메트로로지컬 트윈이라고 부른다.

공업 제품 개발이나 품질 관리에 사용되는 3차원 측정기(CMM)는 많은 기능을 가진 측정기이지만, 다기능이기 때문에 측정의 불확실성 추정이 어렵다. 불확실성 추정에 있어서는 우선, 측정 모델 방식을 구축할 필요가 있지만, CMM으로부터 출력된 3차원 측정 점군에서 목적의 기하 양으로 변환하는 과정을 단순하게 모델화할 수 없다.

그래서 CMM의 이동 스테이지의 스케일 오차, 직각도 오차, 진직도 오차, 측정 프로브의 특성 등을 상세하게 측정해 컴퓨터 안에 디지털트윈으로 재현. 더 나아가 필연적으로 발생하는 랜덤 오차를 난수(亂數)로 발생시켜 몬테카를로 시뮬레이션을 실시한다. 다수의 측정을 실시해 얻은 측정 결과 분포를 통해 불확실성을 추정할 수 있게 된다.

불확실성이라고 하는 새로운 가치가 창조된다는 점은 매우 흥미롭다. 이 기술은 가상 CMM이라고 불리며, 독일 물리공학연구소(PTB)에서 20년 전에 제안된 기술이다. 디지털트윈의 아이디어보다 훨씬 앞서있는 선견지명이 놀라울 따름이다. 하지만 아쉽게도 장치의 특성 평가에 많은 노동력이 요구되기 때문에 가상 CMM은 보급되지 못하고 있다. 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 측정의 불확실성을 추정하는 방법은 불확실성 추정의 교과서인 GUM의 추가 문서로 발생되어 있다.

4. Digital SI
DX 자체를 보다 효율적이고 간편하게 실시하기 위해서는 DX에 필요한 지적 인프라 정비가 효과적이다. 학술 관련의 국제기관이나 각국에 설치되어 있는 국가계량표준기관에서는 이를 위한 활동이 추진되고 있다.

계측 결과에서 어떤 가치를 창출하기 위해 계측 결론을 다른 시스템과 주고받는 경우가 많으며, 이를 위해서라도 계측 데이터에 호환성이 있는 것이 요구된다. 이러한 계측 데이터의 포맷을 제정하려는 시도는 다양한 기술 분야에서 오랜 기간 추진되고 있다. 또한 이러한 계측 데이터에서는 단위가 사용되기 때문에 단위 자체를 디지털로 표현하려는 시도도 몇몇 기술 분야에서 실시되어왔다.

최근, 국제도량형국(BIPM)을 중심으로 많은 국제 기관의 찬성을 얻어 계량 단위의 디지털 표현인 Digital SI가 작성되려 하고 있다. 이에 대해서는 호사카(保坂) 씨가 자세하게 설명했기 때문에 참조하길 바란다.

또한 계측 데이터의 포맷뿐만 아니라, 그 이용에 대해서도 연구가 추진되고 있다. 그 중 하나가 FAIR 원칙이라고 불리는 것으로, 데이터가 Findable, Accessible, Interoperable, Re-usable이라는 것을 보증하는 연구이다. 데이터의 가용성에 대해서는 후지모토(藤本) 씨가 자세하게 설명했다.

5. 디지털 교정 증명서
Digital SI와 함께 검토되고 있는 것이 디지털 교정 증명서(Digital Calibration Certificate, DCC)이다. 유럽의 국가계량표준기관이 중심이 되어 추진하고 있는 프로젝트로, BIPM도 후원하고 있다. 계량기의 교정 증명서는 현재 대부분이 종이 베이스로 유통되고 있지만, 이것을 디지털화해 나간다는 제안이다.

교정 증명서는 품질 시스템 상의 요구 사항으로 필요하며, 일단 종이 서류만 얻을 수 있으면 되는 경우도 있지만, 통상적으로 취득한 교정 증명서의 데이터는 다음 교정 작업이나 제조에 있어서의 품질 관리 등에 이용된다. 이때, 데이터를 판독해 손으로 입력하는 작업이 필요하기 때문에 시간과 인력이 소요될 뿐만 아니라, 옮겨 적을 때 실수도 발생할 수 있다. 단위를 잘못 읽는 것 등은 자주 일어나는 실수로, Digital SI를 사용함으로써 방지할 수 있다.

하지만 아쉽게도 세계적으로 DCC가 곧 보급될 수 있는 상황은 아니다. 그 최대 이유는 사용하는 것의 장점이 확실히 보이지 않는다는 점이다. DCC를 취득하는 유저도 DCC를 발행하는 인증기관도 서로 상황을 관망하고 있다. 사용하지 않으면 그 장점이 나타나지 않는다. 장점이 없기 때문에 사용하지 않는 상황을 타파할 필요가 있다.

6. 계측의 신뢰성 확보
6.1 블록체인
블록체인은 가상 화폐 중 하나인 비트코인에서 사용되고 있는 정보기술이다. 비트코인의 거래 기록(블록이라고 부름)이 하나의 파일에 체인처럼 이어지며 기록되는 것에서 블록체인이라고 이름 지어졌다. 블록체인에 대한 상세한 소개는 생략하지만, 같은 기록이 여러 곳으로 분산되어 기록되기 때문에 정보 소실이나 네트워크 장애에 강하다. 체인과 같이 데이터가 연결되어 있기 때문에 중간에 데이터 개조가 거의 불가능하다는 이점도 있다.

비트코인에서는 거래 이력이 ID로 기록 및 공개되기 때문에 ID를 알면 누구나 정보를 입수할 수 있으며, 거래 내역을 추적할 수 있다. 이것은 계량의 세계에서 말하는 이력 추적제(Traceability)의 개념과 비슷하다. 실제로 블록체인은 식품, 공업제품, 미술품 등의 이력을 추적하는 툴로 이미 이용되고 있다.

앞에서 말한 DCC와 블록체인 기술을 사용하면 교정 증명서를 전자적으로 기록해 필요에 따라 추출하거나, 이력을 추적하는 것이 가능하다.

6.2 DX를 사용해 계측의 신뢰성 확보
블록체인을 사용하면 다양한 것이 가능해진다. 측정값을 모두 블록체인에 등록하면 정보가 소실될 걱정이 없으며, 위조가 불가능한 상태로 기록하는 것도 가능하다. 예를 들어, 3차원측정기에서 출력되는 방대한 데이터를 모두 기록하는 시도가 보고된 적도 있다.

데이터를 기록하는 것뿐만 아니라, 그 데이터가 유효한지를 확인하는 것도 가능하다. 어떤 측정을 실시한 순간에 그 측정기의 이력 추적이 확실하게 확립되어 있는지를 확인할 수 있기 때문이다. 교정 증명서의 유효기간이 끝나면 경고가 나와 작업을 정지시킬 수도 있다. 또한, 교정을 하는 담당자의 교육 훈련이 바르게 실시되고 있는지, 환경 조건이 규정된 범위에 들어 있는지 등, 교정 결과의 신뢰성에 관련된 정보를 동시에 확인하고 기록하는 것이 가능하다. 최근 사회 문제가 되고 있는 검사 결과의 위조도 어느 정도 방지하는 것도 가능하다.

7. 맺는말
서두에 DX란 ‘고객 시점에서 새로운 가치를 창출하는 것’이라고 했다. 그렇다면 계측에서 DX는 어떠한 새로운 가치를 만들어낼 수 있을 것인가? 그 해답 중 하나가 필자는 ‘신뢰성’이라고 생각한다.

계측은 사회의 모든 장면에서 이루어지고 있다. 또한 DX에 계측은 불가결하다. 그렇지만 계측 결과에 의문을 가지는 사람은 적고, 결과가 그대로 받아들여지고 있다. 하지만 어떤 잘못으로 인해 계측 결과가 정확하지 않을 경우도 있고, 최근 큰 사회 문제가 되고 있는 품질 검사에 있어서의 부정과 같은 사례도 나오고 있다.

DX를 이용하기 위해 계측의 중요성이 커지고 있는 가운데 계측의 신뢰성이 지금까지 이상으로 중요해지고 있다. 이번 특집이 독자에게 계측의 신뢰성을 생각하는 좋은 기회가 되길 바란다.

 -- 끝 --