Filary Przemysłu 4.0

Wiele opracowań definiuje powody, natomiast niejednoznacznie postrzegane są ich fundamenty. Analizując całość postępu technicznego oraz obszary, na których on występuje, należy wskazać trzy podstawowe składniki rewolucji: Internet rzeczy (IoT), obliczenia w chmurze (CC) oraz systemy cyber-fizyczne (CPS). Mając na uwadze, że każdy z tych elementów składa się z wielu komponentów, warto powiedzieć nie tylko o ich technicznych aspektach, ale również o dziedzinach, na które wpływają, w szczególności, że tempo rozwoju jest od nich zależne.

Główne czynniki wpływające na zmiany

Patrząc na tempo zmian, jakie zachodzą w otaczającej nas rzeczywistości, należy zauważyć, że jest ono silnie zależne od czynników, które można podzielić na podstawowe kategorie:

• techniczne, do których zalicza się również ekonomię,
• strukturalne,
• koniunkturalne,
• instytucjonalne lub bardziej polityczne.

Oczywiście najsilniej na transformację oddziałują stymulatory techniczne, które dzięki osiągnięciom naukowym (nauki matematyczne, biologiczne, techniczne i fizyczne) generują postęp technologiczny, czyli omawiany Przemysł 4.0. W tej dziedzinie na szczególną uwagę zasługują nowoczesne środki przekazu. Dzięki upowszechnieniu się telewizji satelitarnej, telefonii komórkowej z dostępem do internetu oraz gwałtownemu rozwojowi komputeryzacji i informatyki, można sobie pozwolić na pozyskiwanie, przechowywanie i przetwarzanie ogromnych ilości danych, niezbędnych do określenia właściwego kierunku rozwoju. Tempo tego rozwoju jest bezpośrednio zależne od czynników strukturalnych, w których warto wyróżnić rodzaj i wartość posiadanych surowców oraz metodyki ich pozyskiwania i przetwarzania. Nie bez znaczenia są też warunki klimatyczne, o których ostatnio tak wiele się słyszy. Jednak dwa najważniejsze komponenty tego czynnika to zasoby ludzkie oraz kapitał, czyli rozwój gospodarczy czy też kultura techniczna i posiadanie nowoczesnych technologii. Trzecim bodźcem, mającym tylko okresowy wpływ na procesy ewolucyjne, jest czynnik koniunkturalny. Wahania podaży i popytu bezpośrednio wpływają na koniunkturę gospodarczą, ale także pośrednio mogą dynamizować zmiany techniczne, w szczególności gdy pod uwagę weźmie się wzrastającą zależność pomiędzy korporacjami o zasięgu światowym. Ostatnim komponentem, coraz bardziej oddziaływującym na naszą rzeczywistość, jest czynnik instytucjonalny, obejmujący następujące obszary: ustrój polityczny, w tym liberalizację gospodarek, politykę integracyjną, polegającą na globalizacji rynku towarów i usług oraz umowy i traktaty międzynarodowe.

Oczywiście można dyskutować, czy przedstawione determinanty są jedynymi, ale nie podlega dyskusji, iż są to czynniki, które decydują nie tylko o tempie rozwoju, ale także o jego kierunku i kształcie.

Internet rzeczy (IoT) podstawą zmian

Elementem mającym największy wpływ na rozwój jest dostęp do danych, tych na najniższym poziomie. Druga część cyklu „Ekosystem czwartej rewolucji przemysłowej„ (Logistyka Produkcji nr 2/2018) bardzo dokładnie definiowała źródła tych danych oraz interfejsy pomiędzy urządzeniami. Jednak, aby dokładniej zrozumieć ważność tych danych, należy przedstawić przykład implementacji systemu, procesu obrazującego zależność pomiędzy zestawem czujników a klientem końcowym. Jakość produktu, która ma podstawowe znaczenie dla klienta, jest zależna od okresowej kontroli jakości czy też pobierania próbek podczas produkcji. Obecnie jest to realizowane głównie przez pracowników, a moment ich wykonania i jakość realizacji, zależy właśnie od „czynnika ludzkiego”. W nowoczesnej fabryce pobieraniem próbek będą zajmowały się autonomiczne, samobieżne roboty. Wezwanie ich na ciąg technologiczny będzie realizowane przez system cyber-fizyczny na podstawie określonych danych. W tym rozwiązaniu specjalne algorytmy, na podstawie danych przesłanych przez czujniki bezpośrednio do sieci, uruchomią proces pobrania próbki. Następnie autonomiczny robot jeżdżący przemieści się bezpośrednio do miejsca pobrania testowanej jednostki, gdzie przy użyciu ramienia robota współpracującego (Cobot) komponent zostanie pobrany. W takim procesie może się wydawać, że nie ma wiele nowości technicznych, jednak jeżeli weźmiemy pod uwagę fakt, że autonomiczny robot przemieszcza się po zakładzie na podstawie własnego (opracowywanego w trybie ciągłym) algorytmu wyboru trasy z uwzględnieniem przeszkód stałych i ruchomych, a pobór próbki jest wykonany z użyciem systemów wizyjnych, to proces ten wymaga znacząco zaawansowanych technicznie rozwiązań. Taki system zagwarantuje pełną powtarzalność i obiektywizm w tym ważnym procesie, ale wymaga zaangażowania wszystkich trzech filarów Przemysłu 4.0. Dodatkowym wymaganiem względem autonomicznych jednostek jest ich uniwersalność i możliwość użycia w innych procesach przy automatycznej i samodzielnej zmianie narzędzi (chwytaków, platform itd.).

Powodem przywołania powyższego przykładu jest ilość zmiennych, generowanych przy tej prostej czynności oraz potrzeba ich przetworzenia – wykonania dziesiątek obliczeń na podstawie setek czy tysięcy parametrów.

Chmura obliczeniowa (CC) – co się dzieje z danymi?

Biorąc pod uwagę ilość zmiennych procesowych oraz czynników, również klimatycznych, mogących wpływać na produkcję, warto powiedzieć, że ilość oraz jakość danych mają obecnie dużą wartość. Patrząc dodatkowo na wykładnicze tempo wzrostu ilości danych, kluczowa okazuje się możliwość ich przechowywania i przetwarzania, szybki dostęp do zarejestrowanych parametrów oraz wyników analiz. Właśnie drugim podstawowym filarem czwartej rewolucji przemysłowej są systemy wykonujące masowe i złożone obliczenia na podstawie danych pochodzących z wielu źródeł: dane z czujników, wartości analogowe z rejestratorów, transakcje biznesowe czy nawet informacje pochodzące z mediów społecznościowych. Dane te są najczęściej kluczową wartością przedsiębiorstwa, podobnie jak surowce, zdolność produkcyjna lub zasoby techniczne i fakt ten przyczynił się do powstania nowej usługi – chmury obliczeniowej.

Chmura obliczeniowa (Rys 1.), z którą spotykamy się na co dzień, jest usługą polegającą na okresowym, zdalnym udostępnieniu mocy obliczeniowych (dostępnych na żądanie w dowolnej chwili oraz skalowalności w miarę zapotrzebowania klienta). Stanowi alternatywę dla budowy własnego centrum przetwarzania danych, którego koszt inwestycyjny może być bardzo wysoki, a i tak w niektórych sytuacjach nie będzie w stanie spełnić pokładanych w nim oczekiwań. Przed rozpoczęciem inwestycji we własne centrum obliczeniowe warto się zastanowić nad poniższymi czynnikami:

• Koszt budowy i eksploatacji własnego centrum versus okresowa potrzeba maksymalnego wykorzystania zasobów. Obecnie te koszty rosną bardzo dynamicznie, szczególnie gdy weźmiemy pod uwagę specjalistów IT.
• Dostępność mocy / Szybkość wykonania obliczeń, która przy własnym centrum jest sztywno sparametryzowana. W przypadku usługi to możliwość łatwego skalowania – rozwoju w zależności od potrzeb przedsiębiorstwa.
• Skalowalność / globalizacja usługi, czyli możliwość użyczenia odpowiedniej ilości mocy obliczeniowych w zależności od lokalizacji geograficznej oraz możliwość globalnego współdzielenia zasobów.
• Produktywność wynikająca z natychmiastowego użycia odpowiedniej ilości mocy bez potrzeb instalacji i czasochłonnej konfiguracji. Czas oczekiwania na nowe potrzebne zasoby jest zredukowany do zera.
• Niezawodność / gwarancja bezpiecznych obliczeń z wykorzystaniem tych samych danych w różnych lokalizacjach chmury obliczeniowej, dodatkowo bezpieczeństwo danych poprzez tworzenie kopii zapasowych.
• Wydajność i nowoczesność, a w istocie ciągła inwestycja w nowoczesne rozwiązania i pozyskiwanie nowych technologii zwiększających wydajność i bezpieczeństwo.

Chmura obliczeniowa to nie tylko centrum przetwarzania danych, w praktyce to usługa (as a Service) dostępna w czterech modelach:

• Infrastruktura jako usługa (IaaS),
• Platforma jako usługa (PaaS),
• Oprogramowanie jako usługa (SaaS)
• Komunikacja jako usługa (CaaS)

Można powiedzieć, że uruchomienie tego typu usług umożliwiło powstanie wielu małych czy średnich przedsiębiorstw, które w normalnych warunkach nie byłyby w stanie ponieść tak wysokich kosztów. W szczególności, że funkcjonowanie chmury obliczeniowej ma bezpośredni wpływ na trzy podstawowe płaszczyzny przedsiębiorstwa: organizacyjna, techniczna i ekonomiczna. Dlatego też rozwiązania te są wykorzystywane najczęściej przez startupy, a w przypadku przedsiębiorstw dużych lub bardzo doświadczonych rozwiązaniem są modele hybrydowe, czyli własna infrastruktura wspierana przez usługę CC.

Big Data a Chmura obliczeniowa

Chmura obliczeniowa (Cloud Computing) jest ściśle związana z terminem Big Data. Sam zwrot „big data” jest bardzo świeży, jednak jego źródło pochodzi z koncepcji, którą przedstawił w roku 2001 analityk Doug Laney. Koncepcja ta prezentuje dane masowe w formie trójwymiarowej 3xV (rys. 2): Volume (Ilość danych), Velocity (Prędkość, a raczej szybkość dostarczania), Variety (Różnorodność).

Każde nowoczesne przedsiębiorstwo, szczególnie to, posiadające wiele kanałów dystrybucji oraz kilka linii produkcyjnych lub modeli biznesowych, operuje danymi właśnie w tych trzech wymiarach.

I tak:

• Ilość danych jest obecnie ogromna i może pochodzić z obszaru urządzeń wykonawczych tj. czujniki, rejestratory, interfejsy komunikacyjne, systemy SCADA. Należy tutaj również wskazać dane pochodzące z systemów sprzedażowych lub innych kanałów komunikacji społecznej.
• ·Szybkość dostarczania – dynamika produkcji i dystrybucji powoduje, iż w krótkim czasie są generowane znaczące ilości danych, a ich obsługa musi być realizowana w odpowiednim czasie, tylko takie podejście gwarantuje odpowiednie zachowanie procesów biznesowych przedsiębiorstwa.
• Różnorodność – ze względu, że dane mogą i zapewne pochodzą z wielorakich źródeł, to ich formaty są różne, wykazują brak spójności i wymagają odpowiednich procesów rejestracji, przechowywania i konwersji. W zakresie pozyskiwania danych coraz częściej wykorzystuje się standaryzację w formie strukturalnych plików XML.

Ilość i różnorodność danych, wytwarzanych globalnie jest w zasadzie niewyobrażalna. A to oznacza, ciągle duże możliwości użycia niewykorzystanych biznesowo informacji.

Z całą pewnością to nie jedyny kierunek rozwoju systemów Big Data oraz Cloud Computing. Drugim, bardzo ważnym trendem jest udostępnienie klientowi określonych i oczekiwanych informacji. W tym przypadku warto pochylić się nad systemem uwierzytelniania leków, który nie miałby możliwości powstania, gdyby nie nowoczesne systemy informatyczne. Tylko dzięki technologiom wykorzystywanym w Przemyśle 4.0 w niedługim czasie prawie każdy lek sprzedawany na receptę będzie kontrolowany pod względem jego autentyczności. W poprzedniej części cyklu rozwiązanie to zostało schematycznie opisane – tzw. dyrektywa fałszywkowa. Jednak w tym miejscu należy zastanowić się nad mechanizmami, jakie są wykorzystane do obsługi tego procesu. Aby zobrazować złożoność zagadnienia w pierwszym kroku trzeba powiedzieć o skali danych, jakie będą generowane w systemie. W samej Polsce mamy ponad 100 producentów i importerów, którzy sprzedają leki na łączną kwotę ponad 38 mld złotych (wartość rynku w roku 2017 – raport: Rynek farmaceutyczny w 2017 roku przygotowany przez IQVIA TM). W 2019 roku znacząca część z tych leków będzie oznakowana unikalnym identyfikatorem w skali globalnej (obejmującej kraje Unii Europejskiej), a przy sprzedaży każde opakowanie leku będzie weryfikowane przez aptekarza pod kątem jego autentyczności. Biorąc pod uwagę trójwymiarową formę danych, proces ten będzie określony przez współczynniki:

• Ilość danych, jaka będzie występowała w systemie, wynika z liczby produkowanych leków przez wytwórców i importerów, a jest ich ponad 100 oraz liczbę aptek ogólnodostępnych i przyszpitalnych
• Szybkość dostarczania danych, w tym miejscu należy wziąć pod uwagę produkcję, czyli ponad 1000 linii produkcyjnych, których średnia wydajność jednostkowa oscyluje w okolicy 30 opakowań na minutę oraz klientów, którzy nabywają leki w ponad 14 tysiącach aptek. Budowany, a w niedługim czasie uruchomiony system ma gwarantować czas odpowiedzi na każde zapytanie poniżej 300 ms. Taki wynik nie byłby możliwy bez wykorzystania technologii Przemysłu 4.0.
• Różnorodność, w tym rozwiązaniu sprowadzono ją do formy ustandaryzowanych form komunikacji z wykorzystaniem XML. A ilość źródeł, z których będą pochodzić dane, szacowana jest ponad 15 tysięcy.

Jak widać rozwiązania, będące filarami rewolucji przemysłowej, mają wiele zastosowań – niekoniecznie wynikają one z rewolucji w przemyśle, ale raczej z potrzeb rynku oraz oczekiwań klientów i producentów. Można się pokusić o stwierdzenie, że właściwie jest to ewolucja w obsłudze ogromnej ilości danych.

Systemy cyber-fizyczne (CPS) – świat fizyczny i wirtualny

Kolejnym filarem Przemysłu 4.0 są systemy cyber-fizyczne. Technologie automatyzacji i robotyki procesów technologicznych coraz częściej opierają się na budowie wirtualnego modelu. Bez względu na to, czy modelem jest funkcjonowanie przedsiębiorstwa (model biznesowy), czy fizyczny model do wytworzenia (wytwarzanie addytywne – 3D) lub bliźniak cyfrowy (cyberlustro), to w rzeczywistości jest to opracowanie rozwiązania na bazie dużej ilości danych, pojawiających się w czasie rzeczywistym w różnych procesach produkcyjnych, kontrolnych i innych. Na podstawie tego modelu można w łatwy sposób zdefiniować miejsca wymagające optymalizacji oraz przedstawić wpływ planowanych zmian na zakład lub proces, bez ich implementowania w rzeczywistości. Jednak ciągle najbardziej efektywne jest modelowanie linii produkcyjnej w wirtualnej rzeczywistości wraz z platformami logistycznymi oraz procesami rejestracji zużycia energii.(Rys. 3)

Najbardziej zaawansowane modele zawierają wszelkie informacje o każdym zasobie, występującym w zakładzie oraz pozwalają na synchronizację i kooperację poszczególnych obszarów wytwórczych i magazynowych. Dzięki takiemu rozwiązaniu istnieje możliwość osiągnięcia maksymalnej wydajności linii produkcyjnej poprzez zachowanie pełnej ciągłości pracy poszczególnych gniazd produkcyjnych. Dodatkowo dzięki modelowi można określić wpływ samej produkcji na środowisko, jak również przy użyciu odpowiednich sensorów zdefiniować możliwy wpływ warunków zewnętrznych na produkt lub proces. Zasięg korzyści najczęściej wykracza poza linię produkcyjną, a nawet zakład. Nowoczesne firmy, składające się z wielu jednostek produkcyjnych, najczęściej znajdujących się w różnych lokalizacjach, wprowadzając system cyber-fizyczny, dają kadrze zarządzającej wiele informacji w czasie rzeczywistym – mimo istniejących rozbieżności między zakładami, tj. strefy czasowe, komunikacja w wielu językach. Dzięki odpowiednim informacjom można zarządzać nie tylko procesem logistycznym czy produkcyjnym, ale również inwestycyjnym. Podjęcie decyzji o miejscu i poziomie inwestycji jest realizowane na określonych, realnych wskaźnikach oraz modelach symulacyjnych – obrazujących zmiany po zakończeniu inwestycji. W konsekwencji takie dane prowadzą do uzyskania informacji, jakie kroki pozwolą na maksymalizację stopy zwrotu z inwestycji.

Podstawową zaletą tego filara Przemysłu 4.0 jest budowa cyfrowego bliźniaka dla całego łańcucha dostaw, komunikującego się za pośrednictwem sieci we wszystkich kierunkach, dzięki czemu system staje się bardzo elastyczny i ma znacząco większą zdolność adaptacyjną, wprowadzenie zmian jest łatwiejsze, a reakcja na potrzeby odbiorców końcowych natychmiastowa. W tym środowisku wzrasta efektywność, koszty są minimalizowane, a wpływ na przyrodę znacząco zredukowany.

Korzyści

Wszelkie zmiany, wprowadzane na podstawie pomiarów w czasie rzeczywistym, pozwalają na eliminację krytycznych punktów, występujących w procesach logistycznych oraz produkcyjnych. Zastosowanie technologii Przemysłu 4.0 (Smart Factory), a w szczególności systemów cyber-fizycznych w pierwszej kolejności przełoży się na redukcję energochłonności i minimalizację wpływu procesów produkcyjnych na środowisko naturalne. Nowoczesne rozwiązania wnoszą wiele możliwości, a ich umiejętne wykorzystanie pozwoli przedsiębiorstwom i otoczeniu na osiągnięcie jak największych korzyści.