Národní iniciativa Průmysl 4.0



Průmysl 4.0

Tři předcházející průmyslové revoluce byly vyvolány rozmachem mechanických výrobních zařízení poháněných párou, zavedením hromadné výroby s využitím elektrické energie či využitím elektronických systémů a výpočetní techniky ve výrobě.

Fenoménem dneška je propojování internetu věcí, služeb a lidí (internet of things, internet of Services, internet of People) a s ním související nesmírný objem generovaných dat ať už komunikací stroj-stroj, člověk-stroj nebo člověk-člověk.

Výrobní prostředí je rovněž formováno nástupem řady dalších nových technologií, jako jsou autonomní roboty, analýza velkých dat (Big data), počítačová simulace a virtualizace, cloud, aditivní výroba (3d tisk) nebo rozšířená realita (augmented reality).

Ty mění celé hodnotové řetězce, vytváří příležitosti pro nové obchodní modely, ale i tlak na flexibilitu moderní průmyslové výroby nebo zvýšené nároky na kybernetickou bezpečnost a interdisciplinaritu přístupu. Iniciativa Průmysl 4.0 není pouhou digitalizací průmyslové výroby, je to komplexní systém změn spojený s řadou lidských činností, a to nejen v průmyslové výrobě.

Průmysl 4.0 transformuje výrobu ze samostatných automatizovaných jednotek na plně integrovaná automatizovaná a průběžně optimalizovaná výrobní prostředí. Vzniknou nové globální sítě založené na propojení výrobních zařízení do kyberneticko-fyzikálních systémů – CPS (Cyber-Physical Systems).

CPS budou základním stavebním prvkem „chytrých továren“, budou schopny autonomní výměny informací, vyvolání potřebných akcí v reakci na momentální podmínky a vzájemné nezávislé kontroly. Senzory, stroje, dílce a IT systémy budou vzájemně propojeny v rámci hodnotového řetězce přesahujícího hranice jednotlivé firmy.

Takto propojené CPS na sebe budou pomocí standardních komunikačních protokolů na bázi Internetu vzájemně reagovat a analyzovat data, aby mohly předvídat případné chyby či poruchy, konfigurovat samy sebe a v reálném čase se přizpůsobovat změněným podmínkám.

V takovýchto továrnách budou vznikat „chytré produkty“, které budou jednoznačně identifikovatelné a lokalizovatelné, které budou znát nejen svou historii a aktuální stav, ale také alternativní cesty, které vedou ke vzniku finálního produktu.

Vertikální výrobní procesy budou horizontálně propojeny v rámci firemních systémů, které budou v reálném čase pružně reagovat na okamžitou a měnící se poptávku po produktech. Budou reagovat na individuální požadavky zákazníků a takovýto produkt také umožní efektivně vyrobit. Výrobní proces bude trvale optimalizován a bude schopen reagovat na nečekané změny způsobené například poruchou některého výrobního zařízení.

Chytré továrny tak otevřou prostor pro nové kreativní cesty tvorby přidané hodnoty a vzniku nových obchodních modelů. Dojde k principiální redefinici vazeb mezi zákazníky, výrobci a dodavateli, stejně tak i ke změně způsobu komunikace mezi člověkem a strojem.

Přispějí k řešení globálních problémů jako nedostatek surovin, energetická účinnost či demografické změny. Lidé v nich nebudou vykonávat fyzicky těžkou a rutinní práci, ale bude jim dán prostor pro kreativní práci. To bude mít pozitivní vliv na prodloužení doby, po kterou budou lidé schopni vykonávat své zaměstnání. Pracovní flexibilita jim pak umožní lépe než dřív skloubit svůj soukromý a pracovní život.

Technologické předpoklady a vize

Východiska čtvrté průmyslové revoluce pocházejí z nových modelů provádění lidských pracovních aktivit pomocí internetu. Důsledky, které to bude mít pro celou společnost, pak vedou k formulaci iniciativy Průmysl 4.0 v ČR. Východisko je v novém socio-ekonomickém chování lidí a lidské společnosti, ale důsledkem a současně předpokladem jsou nezbytné kroky v technologické přípravě s využitím nejnovějších kybernetických a ostatních moderních technologií a metod.

Iniciativa Průmysl 4.0, znamenající přechod od izolovaně využívané počítačové a robotické podpory výrobních či administrativních úloh, je technologicky umožněna prudkým rozvojem v následujících oblastech, a to:

  • v oblasti komunikačních technologií,
  • v oblasti informačních a výpočetních technologií,
  • ve sféře metod a technik kybernetiky a umělé inteligence a
  • v oblasti nových materiálů a biotechnologií.

Pro komunikační a informační technologie nadále platí – a odhaduje se, že ještě cca 20 let bude zřejmě platit – Mooreův zákon, říkající že klíčové parametry ICT technologií se každých 18 měsíců dvojnásobně zlepšují. S tím bude nutno počítat a všechna řešení v rámci Průmyslu 4.0 na zkvalitňování parametrů technologií připravovat, a to zejména otevřeností řešení a standardizací všech rozhraní.

Proces zavádění Průmyslu 4.0 bude tedy poznamenán trvalou, nikdy nekončící sérií inovací.

Zatímco zkvalitňování ICT technologií lze očekávat, resp. plánovat, protože dosahování výsledků je motivováno i požadavky mimo Průmysl 4.0, poněkud jiná je situace v oblasti kybernetiky, robotiky, mechatroniky a systémových věd. Zde bude potřeba napřít výzkumný potenciál cíleně, především s ohledem na potřeby Průmyslu 4.0. To je platné jak u nás, tak i ve světě.

Výrobní celky (včetně obchodních, ekonomických a manažerských jednotek) chápe Průmysl 4.0 ze systémového pohledu jako složité distribuované systémy vzniklé „chytrou“ integrací dílčích, samostatně operujících částí (autonomních subsystémů).

Integrace je zabezpečována především vhodnou komunikací každého s každým dle okamžité potřeby, vzájemným dohadováním, koordinací činnosti a kooperací mezi autonomními subsystémy. V tomto pojetí mizí smysl centrálního hierarchického řízení a veškeré procesy komunikace a koordinace nabývají decentralizovaný charakter. V extrémních případech může celý výrobní systém fungovat bez centrální řídící autority.

Iniciativa Průmysl 4.0 se ze systémového pohledu opírá o tři klíčové vize:

  • Vizi horizontální integrace všech subsystémů – od systémů zajišťujících přijetí a potvrzení objednávky přes výrobní úsek až po expedici produktu a zabezpečení záručního a pozáručního servisu event. ukončení životního cyklu daného produktu.
  • Vizi vertikální integrace všech subsystémů – od nejnižší úrovně automatického řízení fyzických procesů (s časovými nároky na reakci v řádu desítek milisekund) přes management výrobního úseku až po plánování podnikových zdrojů ERP systémy (Enterprise Resource Planning) s časovými konstantami v řádu hodin a dnů.
  • Vizi plné počítačové integrace všech inženýrských procesů – od hrubého zadání přes design, vývoj, realizaci, testování a verifikaci až po plánování životního cyklu produktu.

Vize horizontální a vertikální integrace vyžadují přísnou standardizaci komunikačních rozhraní, jasné vydělení funkcionalit zabezpečovaných jednotlivými subsystémy, dostatečně vhodně formulované protokoly integrace. Implementačně vedou k vytváření otevřených platforem typu SOA (Service Oriented Architectures) vybavených nástroji pro vzájemnou interakci mezi přihlášenými/zaregistrovanými subsystémy.

V rámci těchto platforem vznikají a budou vznikat referenční architektury typické pro integraci systémů v různých typech podniků s nejrůznějším charakterem výroby, opírající se o technologie velkých dat, cloud, o sémantické struktury i metody jejich využívání. Existence referenčních architektur umožní snadnou opakovatelnost řešení a všeobecnou interoperabilitu.

Pro koncepční řešení projektů Průmyslu 4.0 je klíčovým aspektem to, že autonomní jednotku v rámci složitého výrobního systému tvoří nejen výrobní úseky, výrobní stroje a jejich nástroje, nýbrž i transportní vozíky a pásy, roboti, ale zejména i výrobky, částečně zpracované výrobky, dávky vstupního materiálu.

Za součást výrobního systému jsou považováni i lidé – někteří z nich ani nakonec nemusí sedět ve výrobním závodě. Očekává se, že všechny tyto autonomní jednotky spolu mohou nepřetržitě flexibilně komunikovat, vyjednávat, spolupracovat.

Aby k takovéto silné komunikační a interakční spolupráci mohlo docházet i přesto, že některé prvky ani neumějí samy komunikovat, mohou být všichni aktéři reprezentováni softwarovými moduly/agenty, kteří jednají za ně a místo nich.

Vzniká tak představa o propojení dvou světů – světa reálných fyzických objektů (strojů, zařízení, robotů, výrobků, lidí) a světa virtuálního, kde může být každá fyzická jednotka v té či oné podobě dostatečně virtuálně reprezentována, zastupována a její chování simulováno softwarovým modulem. Již dnes dochází doslova k prorůstání obou světů.

Předpokládá se, že prvky fyzického světa budou propojeny navzájem prostřednictvím napojení na internet, kde každý takovýto fyzický prvek má svoji individuální IP adresu – pak se hovoří o Internetu věcí (Internet of Things – IoT). Softwarové moduly, reprezentující fyzické elementy ve virtuálním prostoru, společně řeší úlohy, koordinují svoji činnost a rozhodují s využitím služeb, které si navzájem poskytují, či které si vyvolávají prostřednictvím Internetu služeb (Internet of Services – IoS).

I když se z hlediska metodického hovoří o dvou internetech IoT a IoS, ve skutečnosti se často fyzicky používá internet jediný s jedinou páteřní infrastrukturou v rámci celého výrobního úseku a realizovanou ve formě ESB (Enterprise Service Bus).

Pro roboty a lidi je nutno počítat se speciálními rozhraními, umožňujícími mobilní komunikaci, a to i na bázi přirozené řeči, vizuální či hmatové informace – dochází tedy přirozeným způsobem k napojení i na třetí typ internetu, Internet lidí (Internet of People – IoP).

Vize a požadavek integrace veškerých inženýrských procesů vyžaduje – kromě obvyklých metod pro integraci horizontální a vertikální – vytvoření virtuálního prostoru s vysoce intenzivním využíváním speciálních znalostí ve formě ontologií, sémantických vazeb a efektivních zobrazovacích metod, ale zejména metod zpracování a využívání rozsáhlých souborů dat, jejich on-line analýzy, filtrace a zobrazování.

Zde přicházejí ke slovu i systémy distribuované simulace, plánování a inteligentní predikce, tedy výsledky výzkumu v oblasti umělé inteligence a kybernetiky. Zvláštní roli budou hrát prostředky pro simulaci a vizualizaci. Celkové chování složitých systémů bez centrálního prvku, včetně jejich stability a konvergence k optimu nelze analyticky ověřit, velmi často nepřichází do úvahy ani experimentální běh reálného fyzického zařízení.

Tady pak je efektivní simulace ve virtuálním prostoru nenahraditelná. Lze však předpokládat vývoj nových metod distribuovaného řízení a simulace se zaručenou stabilitou a efektivitou.

Cílem činnosti složitých výrobních systémů i poskytovaných služeb je globální optimalizace. I zde musí umělá inteligence a kybernetika přinášet adekvátní řešení, zejména v oblasti učících se, samoučících se, samooptimalizujících se, samodiagnostikujících se, samoopravujících se a samorekonfigurujících se systémů v distribuovaném prostředí. To jsou úlohy mimořádně těžké, teoreticky i výpočetně náročné. Jejich zavádění do průmyslové praxe bude vyžadovat hodně motivace a odvahy.

Globálním cílem veškerého výzkumného úsilí musí být vývoj softwarových prostředí pro kooperaci a systémovou integraci, vývoj modulárních CPS systémů společně s otevřeným katalogem modulů. Tak bude vytvořen základ pro modulární budování plně popsatelných, transparentních, řiditelných, kontext vnímajících a samoučících se výrobních systémů.

Iniciativa Průmysl 4.0 je velmi často zaměňována za digitalizaci nebo napojení strojů na internet. To je velmi zjednodušující a silně deformovaný pohled na Průmysl 4.0, poškozující samotnou podstatu a poslání Průmyslu 4.0.

Kvalitní celoplošné pokrytí území státu vysokorychlostním internetem a digitální přenos dat a znalostí mezi jednotlivými autonomními komponentami výrobního systému jsou jen základními nutnými předpoklady nasazování inteligentních, optimálně se samonastavujících výrobních systémů typu Průmysl 4.0.

Rozhodující je dodaná inteligence řešení pro všechny výrobní i nevýrobní procesy a služby na všech úrovních složitého výrobního systému, která však vychází z nového socio – ekonomického chování lidí a lidské společnosti.