Blízká budoucnost potřebuje chytré průmyslové inovace

Tags: CAD | CAFM | CAM | ERP | IoT | Průmysl | revoluce

Průmyslové výrobky mají svůj individuální životní cyklus, který začíná u koncepce výrobku a „žije" přes jeho návrh, výrobu, servis až po zánik a likvidaci. Tyto fáze života výrobků jsou v průmyslu řízeny různými nástroji, metodami a přístupy, což je označováno jako řízení životního cyklu výrobku (Product Lifecycle Management – PLM). Na koncept PLM se rovněž můžeme dívat jako na integraci lidí, dat, procesů, technologií a systému řízení spolupracujících při řešení nových nebo inovovaných výrobků, a to vše za masívní podpory Informačních technologií (IT) v oblastech konstrukce, technologie, výroby a další činnosti v průmyslu.

Softwarová řešení opouštějí izolovanou, datově nepropojenou podporu uvedených oblastí a vznikají komplexní, datově integrovaná řešení, která pokrývají významnou část fází PLM. Vznikají tak řešení, označovaná i v průmyslu jako virtuální realita, která na základě rozsáhlých dat o výrobcích a jejich správě (Product Data Management – PDM) vytvářejí pružnou reprezentaci reality, tedy počítačový model. Jedná se o integrovaná a do budoucna komplexní řešení podporovaná IT, které jsou vývojovým cílem počítačové podpory PLM a jsou buď velmi přesnou, nebo přibližnou imitací části nebo celku reality. Toto řešení bývá označováno jako digitální podnik – DP (Digital Factory – DF).

Zavádění metod digitálního podniku představuje současnou evoluční vývojovou etapu, které se nevyhne žádný podnik, který se bude chtít rozvíjet, nebo dokonce jen udržet na trhu. Podniky, které touto etapou již prošly, ukazují, že přednosti nových metod jsou nesporné.

Svět kolem nás se mění nesmírně rychle a současná ekonomická situace zrychluje a zintenzívňuje procesy průmyslových změn, které nemají v dosavadní historii lidstva obdoby. Očekává se, že obnovitelné zdroje energie, které jsou pod trvalou oprávněnou kritikou na nevyzpytatelnost stability jejich výkonu, budou vzájemně propojeny ve vyvážené rozmanitosti do sítí (větrné turbíny, fotovoltaické panely, bioelektrárny zemědělců, přečerpávací elektrárny apod.), které budou schopné vyrovnávat vnitřní výkyvy výkonů tak, že zákazníkům bude garantována požadovaná energetická hladina.

Polotovary určené k obrobení budou vybaveny vestavěnými mikroobvody s příslušnou inteligencí (např. senzory a aktuátory), aby byly schopné v dílně komunikovat s dalšími polotovary, stroji, manipulačními prostředky navzájem, a to tak, aby výrobní proces probíhal cíleně, kvalitně, pružně a samostatně.

Doprava na dálnicích i ve městech se pomocí nových technologií zrovnoměrní, stane se plynulou a bezpečnou, domy i domácnosti podstatným způsobem zvýší svoji rozhodovací autonomii.

Zní to dnes – v našem běžném podvědomí možná příliš futuristicky, ale tyto chytré technologie zkonstruované s využitím nových postupů, materiálů, metod a inovací s přispěním umělé inteligence již dnes ve výzkumných laboratořích existují a jsou připravovány k reálnému využití.

Ve světě i v Evropě je intenzívně připravována a realizována řada nových projektů, a pokud naše země chce být i v budoucnu konkurenceschopná, nesmí se těmto novým trendům vyhýbat.

Na konferencích, a to nejenom geologů, ale i klimatologů a strategicky myslících skupin vědců, dochází k přesvědčení, že současný název klimatologické epochy zvané holocén by měl být po více než 11 000 letech vystřídán pojmem antropocén, který by lépe vystihl současnou roli člověka na formování zemského klimatu. Vcelku platí jednotný názor, že počátkem nové epochy antropocénu by se měl stát rok 1945 – tedy konec druhé světové války, od kdy začal velmi rychlý rozvoj lidské civilizace. Navíc z geologického hlediska se tehdy objevila první jasná stopa po nukleárním spadu, který v té době začal rychle narůstat a přístroje ho v sedimentech i do budoucna identifikují jako jasný časový údaj.

Všichni se již dnes shodují v tom, že v současné době lidskou činností ovlivňujeme klima planety v míře pro dřívější epochy neznámé. Nejenom že zavodňujeme a vysušujeme celé krajiny, ale likvidací deštných pralesů a spalováním fosilních paliv měníme složení plynů v atmosféře a pravděpodobně tak přispíváme k tání ledovců, což v současné době může mít již nevratné důsledky pro budoucno.

Témata kolem oteplování planety, zvyšování hladin oceánů, celkové nestability počasí jsou středem polemik stejně jako otázka celkové budoucnosti lidstva a stále častěji pak i otázka – kdo nahradí člověka v jeho roli nejinteligentnější bytosti. Zatím jsme zůstávali jen v zajetí biologických forem života, ale současný vývoj elektroniky a informačních technologií dostává do hry i umělou inteligenci. Má ještě smysl rozlišovat mezi biologickým životem a inteligentním strojem, pokud strojová inteligence dospěje k samo-reprodukci a zlepšování? Nebudou v budoucnu našimi astronauty vyslanými na daleké cesty spíše inteligentními stroje přizpůsobené k dlouhodobému pobytu ve vesmíru?

Atlas, zdroj: DARPA

Jsme teprve na začátku dlouhé cesty, na které inovace udělají mnohý průlom do dnešních poznatků. Nanotechnologie a s jejich pomocí vyrobení nepatrní nanoroboti budou odolnější k vysokým tlakům a teplotám rozhodně lépe než lidé. Inteligentní stroje budou rychlé a přesné a jejich propojením do velkých sítí bude možné dosáhnout netušených kvalit. Strojová síť se sladěnými prioritami a bleskovou akceschopností má značnou naději nad námi, neustále se v rámci demokracie a politiky hádajícími entitami, získat rychle rozhodující převahu. Již dnes někteří vědci poukazují na první náznaky umělé inteligence v síti internetu, kde se využívá řady vyhledávacích programů, které nám bez našeho vědomého snažení dokážou přihrát velkou řadu nových námětů, svědectví a okolností k námi řešenému úkolu.

V souvislosti s oživováním robotů si řada vědců uvědomuje, že i u člověka to bylo kdysi podobné – že prvotní oblastí činnosti mozku byla koordinace pohybů a teprve následně postupné uvědomování si okolí, světa a možné role člověka. Myšlení jako takové, pocity a tvorba představ za účelem vědomé změny – to všechno přišlo mnohem později. U kyborgů jde dnes o stejný postup.

Jistě dojde i k symbióze biologického člověka a elektronického stroje a rozhodování, zda je kyborg více člověkem, nebo strojem, zamotá hlavy budoucích právníků. V právním řádu pak budou řešena nejenom práva lidí a zvířat, ale i inteligentních strojů – kyborgů a dalších vysoce organizovaných a systémově propojených struktur.

Mnohé věci se zatím odehrávají v laboratořích, ale na počítačích a mobilech je obecně nejlépe vidět, jak za pouhé jedno desetiletí poskočí technický vývoj o několik generací, a to při zachování ceny. V řadě případů jde o věci pro nás dnes těžko domyslitelné – nestavme se ale do pozice našich předků, kteří v době prvních aut žádali, aby před nimi běžel někdo s varovným praporkem. Pokrok si svou cestu najde – je lépe mu napomáhat a snažit se tento proces cíleně řídit – tomu odpovídají i snahy průmyslově vyspělých zemí objevující se nově pod hlavičkou 4. průmyslové revoluce.

Pro historickou orientaci se snažíme o popsání všeobecně platných technických milníků, spojených zpravidla s podstatnějším technickým objevem, který dokázal ovlivnit na mnoho let celou lidskou populaci v určité, stále se globalizující oblasti. Protože jde zpravidla o velice zásadní – revoluční změny a objevy, vžilo se pojmenování průmyslová revoluce s číselným označením příslušné etapy. Časové termíny a úseky se v literatuře různí – jedno je ale patrné – stále se zrychlující tempo změn, takže nedávno jsme vstoupili již do čtvrté fáze.

1. průmyslová revoluce – rámcově 1760
   • objev parního stroje, tvorba prvních manufaktur
   • stěhování venkovského obyvatelstva do měst
2. průmyslová revoluce – rámcově 1880
   • objev spalovacího stroje a elektromotoru
   • počátky automobilismu a sériové výroby
3. průmyslová revoluce – rámcově 1940
   • postupující mechanizace a automatizace, elektronika
   • počátky robotizace, výpočetní technika, NC, CNC, PVS...
   • digitalizace, komunikační a počítačové sítě, globalizace
4. průmyslová revoluce – rámcově 2010
   • hlavní charakteristikou etapy je postupná integrace chytrých technologií
   • propojování rozsáhlých softwarových programů typu CAD, CAM, ERP, CAFM v rámci závodů a podniků a postupně celých globálních společností
   • plné zapojení virtuální reality, simulačních procesů, robotizace
   • stále širší uplatňování umělé inteligence – rozvoj chytrých (smart) technologií

Všechny vyspělé země se v důsledku celosvětové krize, která je pochopitelně provázena finančními problémy, snaží intenzívněji a systémově přemýšlet nad svým budoucím vývojem, a proto jsou pod různými názvy startovány rozsáhlé státní programy, které by měly zlepšit tržní konkurenceschopnost příslušné země.

V současné době se v odborné literatuře operuje mnoha novými pojmy – např. integrovaný průmysl, chytré technologie a továrny, internet věcí, výrobků a služeb, multiagentní výrobní systémy, konfigurovatelnost, rychlé přizpůsobení změnám apod.

Realizované projekty se zaměřují na průmyslovou oblast a jejich cíli je s pomocí digitalizace, informačně komunikačních technologií a vyspělých softwarových produktů projektovat a realizovat inteligentní továrny (Smart Factory), které by svou schopností rychlé reakce na změny trhu udržely globální konkurenceschopnost, a to při zachování ergonomických, environmentálních i sociálně-technických parametrů.

V minulých letech jsme si zvykli na to, že s pomocí digitalizace, sítí a složitých softwarových balíků jsme schopni virtuálním způsobem vytvořit výrobek i celou výrobní linku nebo generel budoucího závodu a bez hmotných prototypů vše upravit, doladit a odzkoušet, takže náběh sériové výroby je nejenom dříve, ale k rozběhu nepotřebujeme ani nultou sérii. Hovořili jsme o digitální továrně a následně digitálním podniku. Dnes se stále častěji hovoří o dalším vývojovém stupni, mnohdy označovaném jako internet věcí, kdy výrobní stroje, roboty, manipulační a skladové prostředky se stále vyšším podílem umělé inteligence se prostřednictvím vyspělých informačně komunikačních technologií vzájemně cíleně domlouvají a postupně tak realizují příslušný výrobní proces.

Charakteristické pro tento proces je, že přes čím dál vyšší individualizaci výrobků se s přispěním stále dokonalejší automatizační techniky (mnohdy s prvky umělé inteligence) zachovává flexibilní velkosériová výroba. Je to možné pouze s rostoucí mírou sebe-kontroly, sebe-konfigurace a sebe-optimalizace jednotlivých vzájemně prosíťovaných technických prostředků zúčastněných na výrobním procesu – proto hovoříme o internetu věcí nebo odborněji a v širším významu o CPS – kyberneticko-fyzikálním systému (Cyber-Physical-Systems). Člověku zůstává dohled nad přístroji inteligentního monitoringu a správné funkci autonomních rozhodovacích procesů.

Lokomotiva Škoda 109E - Emil Zátopek, zdroj: Škoda Transportation

V zjednodušeném schematickém vyjádření je jasně patrná náhrada dřívější všestranně rozhodující dominantní pozice lidského faktoru rodícím se kyberneticko-fyzikálním systémem, kde člověku zůstává systémově řídící a monitorovací úloha.

Celý projekt je v různém stupni realizace rozložen do všech průřezových oblastí společnosti, přičemž za důležité jsou považovány vzájemné kontakty a interakce jednotlivých dílčích částí.

Naši pozornost samozřejmě poutají především klíčové technologie – kde jsou zahrnuty především následující obory a oblasti, které jsou mnohdy podmiňující pro ostatní zkoumané oblasti:

• bio- a nanotechnologie
• mikro- a nanoelektronika, optoelektronika
• materiálové inženýrství, nové materiály a povlaky
• výrobní a manipulační technika
• informační a komunikační technologie
• inovační procesy, projektování a technická příprava výrobků a výroby

I všechny další oblasti jsou obdobným způsobem členěny a vždy je snahou, aby byly zpracovány strategické cíle a aby bylo dosaženo co nejužšího sepětí mezi vědeckovýzkumnou základnou univerzit a různých výzkumných institutů a výrobními podniky.

Vývoj se současnou rozptýleností a nejednotností sice nezastaví, ale přináší to, že neustále jsme svědky obrovského mrhání nekompatibilitou jednotlivých zařízení – např. nová plzeňská lokomotiva typu 109 E musí být vybavena třemi systémy, aby mohla jezdit i do sousedních zemí a na svůj opravňující certifikát musela čekat 4 roky. Doufejme, že tak jako se svět domluvil na metrické soustavě, dojde k domluvě i v oblasti výrobních systémů, softwarů, inženýrských podmínkách, prostředí a posléze i na standardním internetu věcí.

Je nutné si se vší vážností uvědomit, že stále častěji se kolem nás vyskytující chytré produkty jsou výsledkem systematického prohlubování spolupráce základního výzkum a následného aplikovaného výzkumu s podnikovou praxí v cílevědomém přenášení získaných poznatků do konkrétních aplikací. Musí být naší celonárodní snahou mnohdy odděleně probíhající výzkum a inovace cílevědomě propojovat.

V průběhu posledních 20 let jsme byli postupně vtaženi do digitálního světa a stali jsme se jeho součástí. Komunikujeme pomocí telefonů, tabletů, počítačů a jsme tak lokálně identifikovatelní, a to i když jedeme v autě nebo ve vlaku. Data i celé aplikace už nejsou vázána na lokální pevné disky, ale jsou sdílena pomocí cloudů – tedy na vzdálených serverech propojených internetem. Digitálně realizujeme naše soukromé bankovní transakce, voláme s přáteli, necháme se navigovat, vyhledáváme všemožné informace a v práci pracujeme na virtuálních výrobcích nebo celých výrobách, a to třeba i v globální celosvětové spolupráci.

Za většinou inovací poslední doby stojí rychlý rozvoj výpočetní a komunikační techniky a softwarového inženýrství. Propojením těchto složek se podařilo převratným způsobem rozvinout procesy, které probíhají v rámci technické přípravy výroby. Dlouholetým rozvíjením a bezproblémovým navázáním systémů CAE, CAD a CAM a jejich vazbou na systémy MIS a ERP používané v rovině obchodní a takticko-strategické se podařilo integrovat technické procesy s podporou výpočetní techniky od počáteční studie až po servis u zákazníka – tedy přes celý vývojový cyklus vzniku výrobku. Vznikly tak systémy označované jako PLM. Po této horizontální integraci v rámci roviny přípravy výroby nás nyní čeká integrace vertikální, která spojí systémy PLM s rodícími se stále složitějšími a vyspělejšími systémy elektronické automatizace výrobních procesů, kdy nejenom vlastní stroje budou DNC řízeny, ale stroje budou při výrobě komunikovat i s vyráběnými produkty a společně optimalizovat výrobní proces.

Tento proces si vyžádá další řadu inovací a zároveň také požadavků na napojení na intranetové a internetové sítě, což znamená, že bude zapotřebí velmi mnoho dalších nových adresných bodů k digitální komunikaci strojů, výrobků, manipulačních prostředků atd. mezi sebou a samozřejmě i se systémy PLM a ERP.

V této souvislosti je nutné si uvědomit, že v roce 2010 bylo na světě již připojeno k internetové síti kolem 12,5 mld. nejrůznějších zařízení a odhady v odborné literatuře uvádějí, že v roce 2015 to bude dvojnásobek a za dalších 5 let další dvojnásobek – tedy kolem 50 mld. připojení – to znamená, že se očekává, že na jednoho obyvatele zeměkoule připadne statisticky až kolem 7 různých napojení, přičemž většina jich již dnes má schopnost vzájemných vazeb a komunikací – např. informační, obchodní a bankovní služby, telefony, rozhlas a televize, služby bezpečnostní, dopravní, navigační, atd. Komunikovat budeme s nejrůznějšími zařízeními soukromě, a to nejenom tablety, počítači, telefony, domácími centry zábavy apod., ale i s automobily, domy a dokonce i oblečením. Hlavně ale samozřejmě půjde o pracovní komunikace, které v rámci výrobního procesu budou mnohem provázanější. To představuje enormní nápor na nové a nové adresy, takže je dobře, že v předstihu, bez velké publicity, byl v roce 2012 vydán nový standard internetových protokolů IPv6, který již dovoluje použít z dnešního hlediska fantastických 3,4 . 1038 adres k identifikaci nejenom osob, institucí, ale i nejrůznějších zařízení.

Očekává se, že v blízké budoucnosti bude internet využíván ve třech základních rovinách – oblastech:

• Internet lidí – komunikace mezi lidmi – osobní, pracovní a sociální
• Internet věcí – komunikace v rámci provozu podniků, domů, měst, regionů, zemí
• Internet služeb – komunikace v rámci obchodních, bankovních, pojišťovacích, atp. činností

Zvláštní pozornost je ve vyspělých průmyslových zemích věnována problematice dalšího vývoje v oblasti průmyslu jako záruky dalšího udržitelného rozvoje celé lidské společnosti. Především oblast informačně-komunikačního zaměření je výzkumně a vývojově nesmírně aktivní, protože nové technické možnosti předpokládá promítnout a využít nejenom v oblastech vyloženě průmyslových, ale i v oblastech komunikačních a dopravních, ve stavebnictví, zemědělství, medicíně i v soukromé bytové sféře a nejrůznějších službách pro jednotlivce.

Ve všech těchto oblastech je nejrůznějšími společnostmi a výrobci vyvíjena řada nových konceptů, rodí se nové služby a výrobky.