Je Industry 4.0 opravdu revolucí?

Transkript

1 Je Industry 4.0 opravdu revolucí? Vladimír MAŘÍK Katedra kybernetiky FEL EU Center of Excellence Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC) České vysoké učení technické v Praze

2 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

3 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)

4 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.

5 Klíčové vize Industry 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

6 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

7 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

8 Klíčové vize Industry 4.0 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

9 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

10 Základní architektura Internet služeb (Internet of Services) Chytrý materiál Apl. platforma Sémantika Smart Factory Apl. platforma Chytré výrobky Apl. platforma Internet věcí (Internet of Things)

11 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

12 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)

13 Role Big Data a analýzy dat v Industry 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

14 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 Senzory Záznamník událostí Rozhodovací modul Sématická paměť Akční 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)

15 Architektura Smart Factory M2M M2M komunikace komunikace Stroj 1 Stroj 2 Stroj N... Vyhledávání výrobních služeb, vytvoření instance, provedení Transportní nosič 1... Transportní nosič N Plánování výroby Vznikající výrobek 1... Vznikající výrobek N

16 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

17 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

18 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 19

20 Agenti v automatizaci palubních procesů 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) IC/ GYRO 2 V121 V002 CIC EQPT 2 LPAC DHYR 2 V003 V103 CHW PLANT 1 NSWC Chilled Water System Test-bed SONAR EQPT HVAC CLS 2 V122 V601 V127 STBD ARRAY SLQ HZ CNVTR 1 C&D ELEC EQPT V231 CIC EQPT 2 V603 PORT ARRAY V004 V001 HVAC CLS 1 V230 IC/ GYRO 1 LPAC DHYR HZ CNVTR 2 CHW PLANT 2 V234 V204 Rockwell Automation Controllers V006 V005

21 Projekt ARUM plánování a rozvrhování ARUM Adaptive Production Management Integrovaný projekt FP7 (14 partnerů) Období , 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

22 Celková architektura FND UI SD UI Operational Scheduler Strategic Planner FND&SD Service Security Service Business Process Mining & Optimization (MIDAS) iesb ARUM Events Ontology ARUM Core Ontology ARUM Scene Ontology Ontology Service SPARQL queries & publish-subscribe RDF (data, events) Raw data Data Transformation Service (TIE Integrator) Mapping files TIE Semantic Integrator ARUM Core Ontology Legacy syst. schemas ARUM Events Ontology Ontology & operational data (triple store) SAP Gateway Other AIB Gateway RDB (Airbus data) Gateway AS400 Gateway IHF XLS gateway SAP (AIB) Pepsy (AIB) RDB (Airbus data) AS400 (IHF) Excell sheet

23 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

24 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

25 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

26 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

27 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!!