Je Industry 4.0 opravdu revolucí?

Transcription

Je Industry 4.0 opravdu revolucí?
Vladimír MAŘÍK
http://cyber.felk.cvut.cz/
www.ciirc.cvut.cz
Katedra kybernetiky FEL – EU Center of Excellence
Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC)
České vysoké učení technické v Praze
Katedra kybernetiky, ČVUT FEL
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-theFuture), 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)
Chytrý
materiál
Apl.
platforma
Sémantika
Smart Factory
Chytré
výrobky
Apl. platforma
Apl. platforma
Internet věcí (Internet of Things)
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
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)
Architektura Smart Factory
Stroj 1
M2M
komunikace
Stroj 2
M2M
komunikace
...
Stroj N
Vyhledávání výrobních služeb, vytvoření instance, provedení
Transportní
nosič 1
...
Transportní
nosič N
Plánování výroby
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
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
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)
V002
LPAC
DHYR 2
V003
V103
V121
IC/
GYRO 2
CHW
PLANT 1
CIC
EQPT 2
HVAC
CLS 2
NSWC Chilled Water System
Test-bed
V127
SONAR
EQPT
STBD
ARRAY
V601
V122
SLQ-32
400 HZ
CNVTR 1
V603
PORT
ARRAY
V231
C&D ELEC
EQPT
V004
CIC
EQPT 2
V001
HVAC
CLS 1
V230
IC/
GYRO 1
LPAC
DHYR 1
CHW
PLANT 2
400 HZ
CNVTR 2
V234
V204
V006
Rockwell Automation
Controllers
V005
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
FND UI
Operational
Scheduler
SD UI
FND&SD
Service
Strategic
Planner
Business
Process
Mining &
Optimization
(MIDAS)
Security
Service
iESB
ARUM
Events
Ontology
ARUM
Core
Ontology
Ontology Service
SPARQL queries
&
publish-subscribe
RDF (data,
events)
ARUM
Scene
Ontology
Data Transformation Service
(TIE Integrator)
Mapping
files
TIE
Semantic
Integrator
ARUM
Core
Ontology
Legacy
syst.
schemas
ARUM
Events
Ontology
Raw data
Ontology &
operational
data (triple
store)
SAP Gateway
Other AIB
Gateway
SAP (AIB)
Pepsy (AIB)
RDB (Airbus
data) Gateway
RDB (Airbus
data)
AS400
Gateway
IHF XLS
gateway
AS400 (IHF)
Excell sheet
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!!

Je Industry 4.0 opravdu revolucí?

Transcription

Similar documents

Sborník 2015 - Fakulta informatiky a statistiky

document [] - Vysoké učení technické v Brně

HP LaserJet 1160 and 1320 Series