CC BY
26УДК 004.942
Янин Н.П. аспирант,
кафедра автоматизации и управления технологическими процессами и производствами, Московский Государственный Технологический Университет Станкин,
Москва Yanin N.P.
Post-graduate student, Department of Automation and Control of Technological Processes and Production, Moscow State Technological University Stankin,
Moscow
E-mail: [email protected]
Анализ современных подходов и лучших практик в области умных производств и
«Индустрии 4.0»
Analysis of modern approaches and best practices in the field of smart manufacturing and
"Industry 4.0"
Аннотация: При создании цифровой промышленности в соответствии с концепциями Индустрии 4.0 особую актуальность имеет процесс создания и развития ключевых технологических тенденций, лежащих в основе киберфизических систем, которые являются основой «умных» производств. Рассмотрены объектно-ориентированные методологии, основанные на объектной декомпозиции предметной области. В соответствии с современными представлениями требуется разработка к созданию единого информационного пространства промышленных комплексов. В докладе рассмотрены современные подходы и структуры для решения этих задач.
Abstract: When creating a digital industry in accordance with the concepts of Industry 4.0, the process of creating and developing key technological trends that underlie cyber-physical systems, which are the basis of "smart" industries, is of particular relevance. The object-oriented methodologies are considered based on the object decomposition of the subject area. In accordance with modern concepts, it is required to develop the creation of a single information space for industrial complexes. The report examines modern approaches and structures for solving these
problems.
Ключевые слова: цифровое производство; цифровая модель изделия; цифровая модель детали; цифровой двойник; жизненный цикл; единое информационное пространство.
Keywords: digital production; digital product model; digital part model; digital twin; life cycle; unified information space.
Реалии современных производств показывают, что усложнение технологий производства в промышленности и повсеместное внедрение киберфизических систем, таких как технологии Big Data, в производственные процессы требует перехода к использованию соответствующего информационного, программного и технического обеспечения, а также широкого набора инструментария. Одним из главных и важнейших факторов, которые способствуют быстрому развитию «умных» производств, выделена информационная коммуникация на самом производстве, например в отдельно взятом участке, цехе, отделе, а информационно-коммуникационные технологии - тем инструментом, который позволяет наиболее эффективно взаимодействовать на всех уровнях производства иуправления в целом.
Развитие коммуникаций и коммуникационной активности предприятий, использование широкополосного быстрого доступа в интернет, технологий wi-fi, использование системы меток NFC, говорит о повышении информационной грамотности персонала предприятий и позволяют утверждать, что информационно-коммуникационные технологии являются одним из ключевых звеньев в развитии «умных» производств Тем самым была выявлена и обозначена первоочередность задачи разработки соответствующих инструментов использования информационно-коммуникационных технологий развития «умных» производств в рамках внедрения концепции «Индустрия 4.0» для эффективного взаимодействия навсех уровнях производства и управления.
Термин «Индустрия 4.0» впервые применило немецкое федеральное правительство, выдвигая его как стратегический план развития промышленности, основанный на преобразовании и объединении в единое
информационное пространство промышленного оборудования и информационных систем, что позволит им взаимодействовать между собой и с внешней средой либо с минимальным участием человека, либо без участия человека вовсе, полностью автоматизируя многие процессы. Цифры «4.0» в термине появились не просто так, они означают, что данное направление развития промышленности имеет настолько большойпотенциал, что неминуемо приведет к четвертой индустриальной (промышленной) революции. Четвертая промышленная революция, известная за рубежом как концепция «Industry 4.0», первоначально появилась в западных странах в 2011 г. как проект, направленный на повышение конкурентоспособности обрабатывающей промышленности.
Специалистами была выдвинута идея внедрения и интеграции в промышленные процессы так называемых «киберфизических систем» (CPS), или автоматизированные машины и обрабатывающие центры, имеющие подключение к интернету, позволяющий получать информацию о работе и управлении удаленно. Следующим этапом становится задача о создании таких систем, которые позволили бы машинам самостоятельно, фактически автономно, изменять при необходимости производственные технологические процессы, избегая ошибочные варианты и решения, приводящие к простою оборудования и убыткам. Цифровой (связанный с интернетом) подход затрагивает все этапы жизненного цикла продукта, включая дизайн и создание прототипа, пуско-наладку оборудования и обслуживание производственной линии, актуальный и своевременный контроль как производимой продукции так самого оборудования и производственной линии, и оптимизацию производства, а также данные, полученные в результате обратной связи от клиентов и потребителей. «Индустрия 4.0» меняет в корне не только планирование процесса производства и само производство, но и сферу услуг, связанных с выпускаемой продукцией. Использование киберфизических систем производства в корне изменит традиционную логику производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо
выполнить для производства в данный момент.
Киберфизические системы позволят максимально сократить простой оборудования и выверить сроки изготовления каждой единицы, позволяя точно построить дальнейшую логистику. Эта абсолютно новая архитектура промышленных систем может быть внедрена постепенно посредством цифровой модернизации существующих производственных мощностей. И это означает, что данную концепцию можно реализовать не только на нововозводимых предприятиях, но и поэтапно разворачивать на существующих предприятиях в процессе эволюционного развития.
Знаковым и громким упоминанием этой концепции стал Всемирный экономический форум (ВЭФ) в Давосе в 2016 году. Основатель и по совместительству председатель ВЭФ Клаус Мартин Шваб назвал происходящие в экономике изменения четвертой промышленной революцией (индустрией 4.0) и охарактеризовал ее место в экономической истории следующим образом: «Первая промышленная революция началась во второй половине XVIII века, когда появилась возможность при помощи воды и пара перейти от ручного труда к машинному. Вторая характеризовалась развитием массового конвейерного производства, связанного с освоением электричества. Мы живем в эпоху пока еще третьей промышленной (или цифровой) революции, начавшейся во второй половине прошлого века с создания цифровых компьютеров и последующей эволюции информационных технологий. Сегодня она постепенно трансформируется в четвертую промышленную революцию, которая характеризуется слиянием технологий и размытием граней между физическими, цифровыми и биологическими мирами». К основным тенденциям можно отнести ключевые технологические тенденции, лежащие в основе киберфизических систем, которые являются основой «умных» производств. Изолированно они уже используются в разных сферах, но будучи интегрированными в единое целое, они меняют существующие отношения между производителями, поставщиками и покупателями, а также между человеком и машиной. Большие данные и аналитика — сбор и всесторонняя
оценка данных из разных источников, станет стандартом для принятия решений в режиме реального времени.
Автономные роботы — промышленные роботы уже могут выполнять довольно сложные операции, но системы компьютерного зрения позволят роботам взаимодействовать друг с другом и автоматически корректироватьсвои действия, причем люди смогут находиться рядом с ними, взаимодействовать и влиять на них, и это будет безопасно.
Моделирование и симуляторы — ведущие инженеры уже используют ЗБ-моделирование на стадии проектирования продуктов и процессов. В будущем, технологии больших данных позволят использовать различные симуляторы в режиме реального времени. Например, на стадии производстваоператор сможет виртуально смоделировать физический процесс изготовления с учетом имеющегося сырья, оборудования, оснастки и людей, тем самым снизить время настройки оборудования и повысить качество.
Облачные вычисления — потребуется более глубокая системная интеграция, как горизонтальная между поставщиками и клиентами, так и вертикальная между различными функциями и операциями. Создать платформы для совместной работы и обмена данными между территориально-распределенными партнерами позволяют облачныетехнологии.
Интернет вещей — показания датчиков и сенсоров обычно попадают в централизованную систему управления производственным процессом и уже на этом уровне принимаются решения. В дальнейшем, возможности, которые предоставляют встраиваемые системы, позволят устройствам общаться друг с другом и децентрализовать принятие решений. Например, можно использовать радиочастотные метки для полуфабрикатов, автоматизированная производственная линия, считав метку, сама примет решение (в реальном времени), какую операцию применить к тому или иномуполуфабрикату.
Информационная безопасность — многие компании используют системы управления и производства, основанные на проприетарных технологиях или не имеющих выход в интернет, но по мере расширения связей с партнерами,
использования открытых стандартов и протоколов, резко возрастают риски информационной безопасности. Для защиты промышленных систем потребуется не только качественная и безопасная связь, но и системы управления учетными записями и контроля доступа (Identity and Access Management).
3D-печать — 3D-принтеры в основном используются для создания прототипов или отдельных компонентов, в дальнейшем SD-принтер может широко использоваться для производства небольших партий специализированных продуктов, его конструктивные преимущества и децентрализованный характер производства, позволит сократить затраты на транспортировку и складские запасы.
Дополненная реальность — технология находится в начальной стадии своего развития, но в будущем позволит работникам ускорить и упростить принятие решений. Например, работник может получить инструкцию как починить или заменить сломанную деталь в производственной системе, когда он на неёсмотрит через очки дополненной реальности.
Среди современных подходов к созданию информационных систем на предприятиях принято выделять следующие методы:
• структурно ориентированные;
• объектно-ориентированные;
• процессно-ориентированные.
Сущность структурного подхода к разработке информационных моделей заключается в разбиении (декомпозиции) системы на автоматизируемые функции: система разбивается на функциональныеподсистемы, которые, в свою очередь, делятся на подфункции, подразделяемые на задачи. Данный процесс разбиения продолжается вплоть до конкретных процедур. При этом автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны. Принимая во внимание все методологии структурного подхода, сложные проблемы решаются путём их разбиения на множество меньших независимых задач, легких для понимания и
решения, и организуются в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне. Таким образом, выделяются наиболее существенные аспекты системы, данные структурируются и иерархически организовываются.
Объектно-ориентированные методологии основаны на объектной декомпозиции предметной области, которая представляется в виде совокупности объектов, взаимодействующих между собой с помощью передачи сообщений. При данном анализе для моделирования структуры и поведения самих объектов могут использоваться фрагменты методологий структурного анализа. Такой подход заключается в представлении моделируемой системы в виде совокупности классов и объектов предметной области. При этом иерархический характер сложной системы описывается с использованием иерархии классов, а ее функционирование рассматривается как взаимодействие объектов. Объектно-ориентированные методологии базируются на интегрированных моделях трех типов:
• объектные модели, которые отображают иерархию классов, связанные общностью структуры, поведения и описывающие специфику атрибутов и операций каждого из них;
• динамические модели, которые отображают временные аспекты и последовательность операций;
• функциональные модели, которые описывают потоки данных.
Главным недостатком объектно-ориентированных методологий является
отсутствие метода, который одинаково хорошо реализует этапы анализа требований и проектирования. Кроме того, большинство методов, предназначенных для объектно-ориентированного анализа, направлены на конкретные объекты производственных комплексов, что требует конкретики в определении области реализации построенных с использованием таких методологий информационных моделей.
Процессно-ориентированный подход основывается на описании организационной структуры, структуры данных и функций в виде модели
бизнес-процессов, что дает возможность получать представление о работе моделируемой системы с различных точек зрения - процессной, организационной, функциональной, информационной. Процессно-ориентированный подход основывается на понятии бизнес-процесса. Бизнес-процессы - это деловые, административные и технологические процедуры и процессы функционирования предприятия, в которые входит: управление технологическими процессами, процессами проектирования изделий документооборот, управление финансовыми, персоналом, материальными потоками и т.п. Использование такого подхода позволяет уделить внимание механизму взаимодействия структурных подразделений, целью которой является получение конечного продукта. Результатом полнофункционального внедрения при процессно-ориентированном подходе является хорошо структурированная и отлаженная работающая система, а также набор моделей, описывающих функционирование и взаимодействия подразделений. Такие требования для подробного рассмотрения взаимодействия структурных подразделений затрудняет применение данного метода для описания ИКТ развития «умных» производств, так как необходимым становится изучение организационной структуры конкретных предприятий и производственных комплексов, глубокое изучение используемых технологий, возможность их модернизации и т.п. Построение такой модели для абстрактного предприятия с учетом информационно-коммуникационной составляющей процессов развития «умных» производств является затруднительным и проблематичным ввиду учета приведенных выше особенностей процессно-ориентированного подхода.
Таким образом, анализ современных подходов к созданию единого информационного пространства промышленных комплексов позволяет сделать вывод о том, что структурный подход предполагает использование средств, иллюстрирующих функции, выполняемые системой, и отношения между данными, а также позволяет наиболее полно рассмотреть информационно-коммуникационные связи моделируемых систем. Данный факт является преимуществом, и позволяет использовать структурный подход и
соответствующие методологии для описания ИКТ развития «умных» производств.
Список литературы
1. Шваб К. Четвертая промышленная революция: монография: пер. с англ.М.: Изд-во «Э», — 2017. — 208 с.: ил. (Top Business Awards).
2. Столяренко А.В., Данильченко А.А. Применение информационно-коммуникационных технологий в деятельности предприятий туристской сферы. Современные научные исследования и инновации. — 2017. — № 1. [Электронный ресурс]. — Электрон. данн. -Режим доступа. — URL: http://web.snauka.ru/ issues/2017/01/77660/ Дата обращения 06.12.2021. — Загл. с экрана.
