Nové trendy v oblasti výrobních podniků a Industry 4.0

Pro potřeby předmětu KPV/PMA zpracoval Doc. Ing. Petr Hořejší, Ph.D.

Pokrok v oblasti informačních technologií je v posledních dekádách natolik zřetelný, že přímo zasahuje do života každého. Výrobní podniky samozřejmě musí přímo na tyto změny reagovat. Od 50-tých let 20. století, kdy proběhla poslední, tzv. třetí průmyslová revoluce (související zejména s nástupem PLC obvodů), se postupně připravuje prostor pro revoluci další – čtvrtou. Příprava na zásadní změnu v logice a přístupu ke všem výrobním procesům, „zrála“ dlouho a přichází postupně. Celá tato zásadní změna, která nás teprve čeká, souvisí s nástupem informačních technologií a digitalizace. Přibližně od 80-tých let 20. století začínají být informační technologie (IT) připraveny pro digitalizaci korporátních dat od prostých dokumentů, přes databáze, 2D/3D výkresy/modely, diagramy atp.  Pomocí IT je najednou možné tato data rozumně spravovat, organizovat a zpracovávat. Někdy okolo přelomu tisíciletí začínáme hovořit o tzv. Digitálním podniku – jednoduše řečeno o virtuálním dvojčeti skutečného podniku.

Skutečná „revoluce“ v pravém slova smyslu přichází až nyní, kdy je snaha nejen provázat všechna data mezi sebou, nýbrž provázat tato data i s reálnými podnikovými procesy, tj. typicky se skutečnou výrobou (a také s okolím). Významnou míru zde začíná hrát kybernetika. Pracoviště navíc přestává být vnímáno jako autonomní středisko s definovaným vstupem a výstupem (standardně na další pracoviště), stává se součástí celku – objekt s definovanými stavy a různými kanály obsluhy. Příkazy pracoviště/stroj nemusí dostávat jen od obsluhy, nýbrž i od jiného stroje, popř. dokonce i výrobku, nebo třeba i od virtuálního modelu výroby, který v daný okamžik, např. vyhodnotil nové zakázky a změnil výrobu.

Každé pracoviště a každý produkt by měl mít svého digitálního dvojníka (tzv. Digital Twin). Vlastnosti a vazby, které vnímáme v reálném světě, by měly být modelovány i ve světě virtuálním. Dokonalou vizi továrny Industry 4.0 splňuje představa, kdy vše, co se v továrně vyskytuje ve skutečnosti má svůj digitální obraz (stroj, produkt, zaměstnanec, sklad, vazby mezi nimi atd.) Tyto digitální uzly pak mohou být obsluhovány např. tzv. Multiagentními systémy (Jedná se o krátké programy, které se šíří obdobně jako počítačový virus. V tomto případě však neškodí). Dílčí obslužná aplikace Agent si tak s sebou nese data, která roznáší po digitální síti, přičemž všichni Agenti sdílení společná výrobní či jiná data. Tento princip by bylo možno dále kombinovat s počítačovou simulací. Pokud by tento systém byl napojen na objednávky (resp. zakázky), bylo by možné výrobu přesně plánovat. Vždy při změně výrobního plánu, by bylo možné spustit sadu řádově miliónů experimentů a dle kriteriální funkce vybrat suboptimální řešení (optimální de facto vybrat nelze, neboť počet experimentů bývá značný). Dle tohoto plánu by se třeba i dokonce sama sestavila modulární linka. Tato linka by navíc inteligentně a v reálném čase reagovala na aktuální změny (rozbitý stroj, zpožděná dodávka materiálu atp.). Linka (potažmo dílčí) stroje by se samy učily, tj. vytvářely by si zkušenosti – znalostní databázi, která by jim pomohla lépe a rychleji se rozhodovat. Je třeba samozřejmě podotknout, že kvalita a spolehlivost zpracování takového konceptu plně závisí na kvalitě vstupních dat – a to bývá často největším problémem.

Vzhledem k tomu, že procesem digitalizace, který je prvním nutnou podmínkou pro zavádění nových principů, si téměř všechny společnosti již prošly, je možné snadněji nasazovat metody optimalizace dílčích procesů pomocí virtuální nebo rozšířené reality. Zatímco 3D modely produktů i linek často ve společnostech existují, dílčí chování systému bývá často také duševním majetkem dílčích zaměstnanců.

Naprostá propojenost stroj-produkt-zákazník v reálném čase, rychlé vyhodnocení a umělá inteligence je to, co charakterizuje čtvrtou průmyslovou revoluci. Dlužno však podotknout, že v mnoha zdrojích není tato čtvrtá průmyslová revoluce vnímána jako revoluce, nýbrž jako evoluce již stávající třetí průmyslové revoluce, která je charakterizována počítačovým řízením výroby. V Americe se tak používá „jen“ pojem CPS – Cyberphysical system.

Samozřejmostí je nutnost porozumění moderním informačním technologiím ze strany zaměstnanců i vedení společností. Prestižní prognostická agentura Gartner [1] předpovídá, že již v roce 2020 bude každý manažer tzv. IT manažerem. Vzdělávací instituce na poptávku pružně reagují. Negativním důsledkem pronikání IT technologií do praxe, je potenciální možnost nahrazování zaměstnanců tzv. „smart“ technologiemi. Na druhou stranu však musí být zachována zaměstnanost, jinak by produkty „smart“ továrny neměl kdo kupovat.

Obr. 1 Roland Berger index připravenosti na Industry 4.0 (upraveno dle [2])

 

Podívejme se nyní na situaci pro Českou republiku. Mezinárodní analytická společnost Roland Berger Holding GmbH vypočítala (odhadla) index připravenosti dílčích států na zavedení principů Industry 4.0. Do tohoto indexu je zahrnuta obecná sofistikovanost procesů, stupeň automatizace, připravenost pracovní síly a intenzita inovací – tato kategorie má název „průmyslová excelence“. Dalším faktorem pro výpočet je tvorba přidané hodnoty, otevřenost trhu, inovační síť a sofistikovanost internetu do kategorie „hodnota sítě“. Obě tyto hodnoty byly měřeny na 5-ti bodové škále, kde 5 indikuje, že stát je na Industry 4.0 plně připraven. Kombinací těchto dvou faktorů vznikne tzv. Roland Berger index připravenosti na Industry 4.0. Roland Berger dále porovnává tento index s tradiční metodu úspěšnosti průmyslu, tj. procentuální podíl z hrubého domácího produktu (HDP)[2].

Jak je vidět z Obr. 1 je Evropa rozdělena na čtyři „tábory“. Ve skupině Vůdců, která je etalonem úspěšnosti, jsou tradiční průmyslové velmoci – Německo, Rakousko a Švédsko. Irsko je zvláštní případ, neboť malé množství farmaceutických firem se podílí na relativně malém HDP země. Navíc je v Irsko významně zastoupený IT sektor. Česká republika se nachází v segmentu Tradicionalistů a je ve vztahu k dané skupině „nejúspěšnější“. Je zde sice vysoký podíl HDP v průmyslu, avšak je vidět, že v rámci indexu připravenost za vůdčími národy zaostáváme.

Zaměřme se nyní na aktuální strategické technologické trendy tak, jak se měnily za posledních několik let: dle již zmiňované agentury Gartner se pro rok 2015 jednalo o tyto trendy: intenet věcí, internet služeb (cloud computing), mobilní zařízení a aplikace, správa velkých dat, bezpečnost a virtuální realita. V roce 2016 hlavní trendy zůstávají (jen u některých byl pozměněn název) a přidávají se další jako např. Device mesh (kombinace a komunikace napříč zařízeními), Information of Everything (transformace všech relevantních dat na informaci), Advanced Machine Learning (učící se stroje), Autonomous Agents (agentní sytémy), Adaptive Security („inteligentní“ bezpečnost), Immersive Experience (virtuální a rozšířená realita) atd.

Trendy se poslední léta se víceméně stabilizovaly. Uveďme si aktuální trendy roku 2019 [3]:

• Autonomní věci (Autonomous Things)
• Rozšířená analytika (Augmented Analytics)
• Vývoj s umělou inteligencí (AI-Driven Development)
• Edge Computing
• Blockchain
• Chytré prostory (Smart spaces)
• Kvantové počítače
• Digitální dvojčata
• Imerzní zážitek (Immersive Experience)

V dalších kapitolách budou podrobněji rozebrány podrobněji jen tři dílčí trendy, a to Internet věcí a Internet služeb, tj. Cloud Computing a Imerzní zážitek – Virtuální a rozšířená realita.