Je Industry 4.0 opravdu revolucí?

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL

Je Industry 4.0 opravdu revolucí?

Vladimír MAŘÍK

http://cyber.felk.cvut.cz/

www.ciirc.cvut.cz

Katedra kybernetiky FEL – EU Center of ExcellenceČeský institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC)

České vysoké učení technické v Praze


Industry 4.0 – iniciativa vlády SRN

– Vize poprvé prezentována na Hannover Fair 2011:

Komputerizace průmyslové výroby

– Celý dokument představen na Hannover Fair 2013:

Dais and Kageman – ved. prac. skupiny

Vládní dotace: 50 mil. EUR na 3 roky

„Evoluce od vestavěných systémů ke kyberneticko-fyzikálním systémům“

automatizační technologie jsou ve vizi zaměřeny na distribuované systémy a počítají s metodami autooptimalizace, autokonfigurace, autodiagnostiky, strojového vnímání a inteligentní podpory dělníka

Představuje reakci na aktivity Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) v USA – neziskové konsorciu zaměřené hlavně na standardy


Industry 4.0 – iniciativa vlády SRN

Technologické pokroky

1. průmyslová revoluce: pára

2. průmyslová revoluce: elektřina

3. průmyslová revoluce: počítače a roboti

4. průmyslová revoluce: Kyberneticko-fyzikální systémy (CPS)


Klíčové vize Industry 4.0

Hlavní myšlenka:

Počítačovým propojením

a) výrobních strojů,

b) opracovávaných produktů a polotovarů a

c) všech dalších systémů a subsystémů průmyslového podniku (včetně ERP, obchodních atd.)

vytvořit inteligentní distribuovanou síť různorodých entit podél celého řetězce vytvářejícího hodnotu (tedy síť napříč výrobními, ekonomickými, obchodními, logistickými a dalšími úseky), přičemž subsystémy pracují relativně autonomně, navzájem dle potřeby komunikují (a vývojově směřují k uvědomění si sama sebe i k samostatné predikci).

Industry 4.0 silně podporuje a rozvíjí myšlenku FoF (Factory-of-the-Future), která vznikla zobecněním CIM (Computer Integrated Manufacturing), a to především díky rozvoji metod umělé inteligence i rozvojem počítačových a komunikačních technologií.



6 základních principů

a) Interoperabilita: schopnost CPS, lidí a všech komponent Smart Factories spolu komunikovat prostřednictvím IoT a IoS

b) Virtualizace: schopnost propojování fyzických systémů s virtuálními modely a simulačními nástroji

c) Decentralizace: rozhodování a řízení probíhá autonomně a paralelně v jednotlivých subsystémech

d) Schopnost pracovat v reálném čase: dodržení požadavku reálného času je klíčovou podmínkou pro libovolnou komunikaci, rozhodování a řízení v systémech reálného světa

e) Orientace na služby: preference výpočetní filosofie nabízení a využívání standarních služeb, to vede na architektury typu SOA (Service Oriented Architectures)

f) Modularita a rekonfugurabilita: systémy Industry 4.0 by měly být maximálně modulární a schopny autonomní rekonfigurace na základě automatického rozpoznání situace


Industry 4.0 umožněna prorůstáním a konvergencí technologií

Osobní počítače <- -> mobilní komunikační prostředky <- -> průmyslové automaty

Ontologie <- -> WWW

Agentní systémy <- -> OO-programování, SOA (Service Oriented Architecture)

Agentní systémy <- -> Internetové technologie

Přirozené pronikání kybernetických a informatických principů do dalších oblastí:

Cyber-physical Systems, Big data, Smart Grids, mobilní aplikace, počítačová bezpečnost, internet věcí, internet služeb


Industry 4.0

Konvergence a propojování technologií– Agentové technologie (metodologie, standardní služby, SOA,

užití sémantiky/ontologií)– Komunikační technologie (Internet, mobilní řešení, RDIF, wifi

atd.)– Datové a znalostní technologie (Big Data, sémantika a

ontologie, strojové učení)– Výpočetní prostředky (osobní počítače, mobily, vestavěné

aplikace, výkonné průmyslové procesory, superpočítače)

Pro všechny tyto technologie k dispozici aplikační platformy a standardy (nakročeno k interoperabilitě)

První univerzální integrované platformy umožňující užívat současně SW platforem pro agentové technologie, SW platformy pro ontologie a sémantiku a využívající násobně moderní komunikační technologie byly vyvinuty: Gnublin Board (ARM9, 180 Mhz, 32 MB SDRAM) či Gadgeteer (ARM7, 72 MHz, 4,5 MB Flash, 16 MB RAM) – umožňují fyzické napojení mnoha modulů



Industry 4.0 založeno především na následujících technologických konceptech:

a) Kyberneticko- fyzikální systémy (CPS) monitorují fyzikální procesy, vytvářejí virtuální kopie a realizujé decentralizovaná řešení včetně decentralizovaného řízení, opírají se o níže uvedené technologie

b) Internet věcí (IoT) umožňuje vzájemnou spolupráci mezi subsystémy i jejich spolupráci s člověkem ve standardním formátu

c) Internet služeb (IoS) nabízí nejrůznější služby uvnitř dílny, organizace i napříč organizacemi

d) Big Data & Clouds umožňují sběr, ukládání a analytické zpracování rozsáhlých souborů dat, umožňují pracovat s sémantikou a onotolgiemi, analýzou lze detekovat „neviditelné procesy a vlastnosti“


Industry 4.0

Internet věcí:

Na internet napojeno:

Každé výrobní zařízení

Každý výrobek (i nedokončený)

Každý nosič výrobku

Jedná se o fyzické napojení/HW závislé určené k přímé komunikaci mezi fyzickými systémy

Internet služeb

každé zařízení reprezentováno SW entitou ta si může

vyvolat libovolnou službu (HW nezávislou)

Přístup k ontologiím, www, k datům v cloudech či jiných úložištích

může běžet na stejném fyzickém procesoru, ale i na úplně jiném


Základní architektura

Internet služeb (Internet of Services)

Internet věcí (Internet of Things)

Sémantika

Smart Factory

Apl. platforma

Chytrý materiál

Apl. platforma

Chytré výrobky

Apl. platforma


Industry 4.0

Každé zařízení napojeno na Internet 2x, ale fyzicky to může být jen jedenkrát či vícekrát

Toto napojení by mělo nahradit všechny průmyslové komunikační protokoly (Profibus, Interbus, Profibus, DeviceNet...)

Internet: - otevřený (obecné informace ve W3)

- firemní internet (popisy výrobního zařízení, produktů, firemních plánů, statistik atd.)

S výhodou se využívá:

- Filosofie agentů, tedy agentových technologií z oblasti UI

- SOA z oblasti počítačových věd


Agentové technologie v Industry 4.0

Agentní systémy – metodologický význam

Nový přístup směřující k nové teorii systémů, vyžaduje změnu myšlení

Vhodný pro specifikaci, návrh a realizaci nejrůznějších distribuovaných systémů

K dispozici platformy, realizující multiagentní systémy, včetně základních služeb, komunikačních a dohadovacích protokolů, učení, sémantiky a ontologií, meta-agentů, distribuovaného učení atd.

Modely agentů umožňují propojování (nehmotných) distribuovaných znalostí s reálným světem

První praktické aplikace v nejrůznějších oblastech

Mnoho teoretických problémů stále středem pozornosti výzkumu (emergentní chování, stabilita, adaptabilita)


Role Big Data a analýzy dat v Industry 4.0

6 C:

Connection (propojení sensorů s datovou sítí)

Cloud (výpočty a data na vyžádání)

Cyber (modely, strukturovaná paměť)

Content/context (obsah a sémantika)

Community (sdílení dat a spolupráce)

Customization (personalizace a individuální hodnota)

Analýza dat detekuje a prezentuje neviditelné procesy a vlastnosti


Chytrý výrobek

Každý výrobek (i nedokončený) lze chápat jako

- informační kontejner

- agent

- pozorovatel prostředí

Musí obsahovat:

- senzory

- záznamník událostí

- sémantickou paměť výrobku (SPM)

- rozhodovací modul (na bázi umělé inteligence)

- akční člen/členy

Rozhodovací modul může být schopen vyvolat všechny komunikační procesy známé z oblasti agentů resp. si vyžádat libovolné služby

Akčním členem může být např. jen vysílač zpráv (viz komunikační obal viz výše)

Rozhodovací modul

Sématická paměť

Záznamník událostí

Akční členy

Senzory


Architektura Smart Factory

Vyhledávání výrobních služeb, vytvoření instance, provedení

Plánování výroby

Stroj 1 Stroj 2 Stroj N...

M2M komunikace

M2M komunikace

Transportní nosič 1

Transportní nosič N

...

Vznikající výrobek 1

Vznikající výrobek N

...


Informační propojení

Důležitá je interoperabilita – jádro průmyslového CPS je XML-based Web server

Přesně stejné filosofie, která se používá v automatizaci průmyslové výroby Industry 4.0, lze využít např. při

technologické přípravě výroby,

plánování a rozvrhování,

organizaci zásobovacího řetězce,

v ERP atd.,

přičemž tyto systémy mohou být úplně propojeny.

Dochází tak k úplnému internetovému/informačnímu propojení všech aktivit spojených s průmyslovou výrobou a její automatizací


Průmyslové asistivní systémy založené na CPS

Člověk zapojen jako kooperující komponenta, jako jedno ze

zařízení, které může inicializovat procesy

Má k dispozici množinu aplikací (Application Store)

Využívá se i rozšířená realita („augumented reality“)

Lehké, flexibilní roboty spolupracují s člověkem


Industry 4.0

Vlastní zkušenost


19

Distribuované inteligentní řídící systémy

• Založeny na metodách agentních systémů

– Řízení distribuováno na dosti autonomní jednotky (reprezentované agenty)

• Agenti specializováni na různé úlohy pro různé stroje

• Nabízejí své schopnosti jiným agentům

– Složité úlohy řešeny kooperací

• Vyjednávání o poskytnutí schopností a kapacit

• Komunikace prostřednictvím krátkých zpráv

• Výhody oproti standardním centralizovaným přístupům

– Řídící systémy nemusí být programovány pro konkrétní linky

• Prototypoví agenti pro jednotlivé funkcionality, individualizace instancí

• Složitost programování se nezvyšuje s růstem systému

– Odolnost proti chybám

– Snadná rekonfigurovatelnost systému


Agentní řízení pro systémy distribuce chladící vody (lodě US Navy)

– Cíl: zvýšení funkčních schopností palubních systémů

On-line rekonfigurace v případě poruchy nebo poškození

Řídící systém umístěn co nejblíže k zařízením

– Každé fyzické zařízení representované agentem

Chladicí zařízení, ventily, úseky potrubí, služby

– Hledání alternativních cest distribuce chladící vody v případě poruchy (agentní vyjednávání)

Rockwell AutomationControllers

NSWC Chilled Water System Test-bed

V001

V004

V234

HVAC

CLS 1

V230

V122

V006

V002

PORT

ARRAY

STBD

ARRAY

V603

V127

IC/

GYRO 1

400 HZ

CNVTR 2

LPAC

DHYR 1

HVAC

CLS 2

V121

CIC

EQPT 2

CIC

EQPT 2

LPAC

DHYR 2

SLQ-32

V601

V231

V204

CHW

PLANT 2

V103

CHW

PLANT 1

V003

IC/

GYRO 2

SONAR

EQPT

400 HZ

CNVTR 1

C&D ELEC

EQPT

V005

Agenti v automatizaci palubních procesů


Projekt ARUM – plánování a rozvrhování

ARUM – Adaptive Production Management

– Integrovaný projekt FP7 (14 partnerů)

– Období 2012-2015, rozpočet 11.5 M€

Cíle projektu

– Optimalizace náběhu výroby a řízení malosériové výroby

– adaptivní strategické plánování a operační rozvrhování

– Celkové zlepšování business procesů

Use cases

– Airbus (A350) – náběh výroby letadel

– Iacobucci – náběh výroby interiérů letadel

– Infineon – výroba vrtsvených polovodičů


Celková architektura

iESB

Ontology &operational data (triple

store)

Data Transformation Service (TIE Integrator)

TIE Semantic Integrator

Mapping files

SPARQL queries &publish-subscribe

SAP Gateway

SAP (AIB) Pepsy (AIB)

AS400 Gateway

AS400 (IHF)

IHF XLS gateway

Excell sheet

ARUMCore

Ontology

Legacy syst.

schemas

Other AIB Gateway

Ontology Service

RDF (data, events)

Business Process

Mining &Optimization

(MIDAS)

Operational Scheduler

Strategic Planner

Security Service

Raw data

ARUMCore

OntologyARUM Events

Ontology

FND&SD Service

FND UI SD UI

RDB (Airbus data) Gateway

ARUM Events

Ontology

RDB (Airbus data)

ARUM Scene

Ontology


iESB

iESB – Intelligent Enterprise Service Bus

– Vhodný pro integraci of heterogenních nástrojů a služeb

vychází z Jboss ESB a TIE ESB

– komunikace prostřednictvím zpráv

užívá FIPA ACL pro zasílání zpráv

Sniffer

- vizualizace zpráv


Ontologie

Služby ontologií

– Ontologie se používají k udržení společné sémantiky dat

– Shromažďují data ze starších systémů via Data Transformation Service a Gateways

Agregace dat ze starších „zděděných“ systémů: SAP, PEPSY, Excell, SQL, …

Operační rozvrhování pracovních stanic

– Agentový přístup + matematická optimalizace (CLP)

agenti representující výrobní jednotky (pracovní stanice)

Vyjednávání o průběhu prací a reakce na události (chybějící zdroje, nekonformita, …)

– Hypotetické plánování s využitím simulací

Uživatel může vytvořit alternativní scénáře a sledovat, jaké efektivity lze dosáhnout


Technické překážky a problémy Industry 4.0

Chybí centrální řídící element emergentní chování

Nákladná analýza celého systému a potřeb jeho řízení

Velké množství komunikace – servery a sítě nestíhají – možný kolaps

Potřeba učení v ontologických sítích a dolování dat z cloudů –pravděpodobnostní model složitého systému – jedině tak lze zvládat dynamicky se měnící složité systémy


Výzvy pro Industry 4.0

Nedostatek odborníků s odpovídajícím „decentralizovaným“ způsobem myšlení – na univerzitách se vyučuje většinou „postaru“ –postgraduál nestačí

Zavedení povede k redukci firemních IT oddělení

Značné pořizovací náklady

Obecná rezistence ke změnám


Je Industry 4.0 revolucí?

- Myšlenka Industrie 4.0 je revoluční, představuje kvalitativní

myšlenkový skok v evoluční technologické křivce

- Technologie jsou zralé

- Revoluci však dělají revolucionáři

- Těch musíme ještě mnoho vychovat, než se revoluce stane

skutečností

Industrie 4.0 však bude revolucí!!

Documents

Je Industry 4.0 opravdu revolucí?