Мениджмънт

Индустрия 4.0 – Предизвикателства и възможности

CIO Media

проф. д-р инж. Георги Тодоров,
доц. д-р инж. Константин Камберов,
д-р инж. Петър Статев

Събитието „Индустрия 4.0“

Индустрия 4.0“ или накратко I_4.0 е понятие, използвано за пръв път през 2011 година, целящо да обозначи навлизането на информационните и комуникационните технологии и комбинирането им с автоматизираните производствени такива на панаира в град Хановер. Подобно развитие, като платформа за бъдещето на индустрията, е изложено в последващ доклад, представен на 08.04.2013г., резултат от обединената работа на пет работни групи, съставени от германското правителство. Целта на извършения анализ е да се насърчи структурна промяна в индустрията към дигитализация, осигурявайки съответна рамка и концепция за тази трансформация. Създадената платформа цели да разработи последователно цялостно разбиране чрез диалог с бизнеса, синдикатите, науката и правителството. Платформата съдържа и съответните препоръки за действие и демонстриране с примерни приложения за успешно дигитализиране на индустрията.

Работата по платформа Индустрия 4.0 е разширена с повече участници от фирми, асоциации, съюзи, научни организации през април 2015 г. Световният Икономически Форум в Давос през 2016 година бе под мотото „Въвеждане на достиженията на Четвъртата Индустриална Революция“, с което платформата се превърна в глобална.

През пролетта на 2017г., Министерски съвет на България публикува за обществени консултации проект на Концепция за цифрова трансформация на българската индустрия (Индустрия 4.0), като основа за разработване на Стратегия за участието на България в Четвъртата индустриална революция.

Какво представлява платформата „I_4.0“

Платформата „Индустрия 4.0“ разглежда индустриална среда, в която хора, машини, оборудване, логистични системи и продукти комуникират и взаимодействат директно, формирайки кибер-физични системи. Производствените и логистичните процеси са интегрирани, правещи индустрията по-ефективна и гъвкава. I_4.0 се определя като част от приложението на новите дигитални технологии в производствения сектор и включва широк набор от технологични решения и бизнес модели, които допринасят за качествено нови форми на икономическа активност. Дефинирани са четири основни принципа [1, 5], целящи да подпомогнат компаниите при внедряването на платформата:

  • Оперативна съвместимост – способността на машини, устройства, сензори и хора да се свързват и комуникират помежду чрез интернет (Internet of Things - IoT и Internet of People – IoP);

  • Виртуализация (моделиране на производствени процеси) – създаване на виртуални копия на физическото производство, чрез използване на данни от сензори във виртуални и симулационни модели;

  • Техническа асистенция – в два аспекта – информационен и физически. Информационния аспект се отнася до създаване на помощни системи, подпомагащи спешно (в реално време) взимане на решения, подкрепени информационнo чрез събрана, обработена и визуализирана информация. Втория аспект се отнася до създаване на киберфизични системи1 за физическо подпомагане (или замяна) на оператора при извършване на опасни или изморителни физически дейности;

  • Децентрализация – способността на кибер-физическите системи да взимат автономни решения и да извършват съответни автоматизирани дейности.

Потенциала на инициативата за икономика, основана на тази платформа, се изразява в следните възможности и следствия от нейното прилагане [3]:

  • Индивидуализиране на продуктите – съчетаването на ИКТ и високо автоматизираните индустриални технологии позволява да се стигне до масов индивидуализиран продукт, съобразен с индивидуалните и специфични клиентски изисквания (дизайн, функционалност, конкретна конфигурация, доставка, производство, включително и извършване на промени в хода на изпълнение на заявката). Тази комбинация (ИКТ и автоматизирано производство) позволява и рентабилното производство на малки обеми и дори на отделни бройки от даден продукт.

  • Гъвкавост – използването на кибер-физични системи, свързани в мрежа, води до динамичност на оформяне на бизнес процесите по отношение на тяхното качество, времетраене, устойчивост, ниво на риска, цена и еколкогичност. Тази динамичност се отразява и на инженерните процеси за развитие на нови продукти в организационен аспект, а производствените процеси лесно се променят (лесно елиминиране на логистични проблеми, динамично изменение на производствени обеми и срокове на доставка).

  • Оптимизирано вземане на решения – глобализирания пазар налага кратки срокове при взимане на оптимални за ситуацията решения. Съвременните информационни и комуникационни технологии позволяват голяма степен на проследимост на целия процес (от концепиране на продукта до пазарна реализация), своевременна верификация на ранни етапи на инженеринга, гъвкавост при промяна в организацията на производството и оптимизация на производствените мощности в рамките на цялата компания.

  • Ресурсна продуктивност и ефективност – използването на кибер-физични системи позволява оптимизиране на производствените процеси по отношение на тяхната ресурсна и енергийна консумация, включително намалявайки техните емисии. Това изцяло съвпада със стратегическата цел на индустриалните производствени процеси – достигане на максималния възможен продукт от даден обем ресурси.

  • Създаване на стойност чрез предлагане на нови услуги – платформата I_4.0 прави възможно възникването на нови форми за създаване на стойност и заетост. Обработката на големи обеми от данни (Big Data), събрани чрез „смарт“ устройства, при използване на интелигентни алгоритми, ще даде възможност за развиване на иновативни услуги. Осигурената динамика и гъвкавост за създаване на стартиращи предприятия и МСП чрез развитието на B2B (Business-to-Business) услуги.

  • Социален ефект – използването на кибер-физични системи ще променят организационните модели на предприятията. Това е в сила както при замяна на човешкия труд, така и при подпомагането им (техническа асистенция), и ще създаде нови възможности за организация на работата. Социалния модел ще даде възможност за разнообразие и гъвкавост в професионалното развитие, изискващ квалифициран персонал и отговарящ на съвременните демографски промени.

Технологични аспекти

Създаването на тази платформа (четвърта индустриална революция) е следствие от съвременното развитие в индустрията и информационните и комуникационни технологии. Развитието на някои ключови технологии доведе до откриване и на нови, значителни възможности при съвместяването им. Въздействието им върху производствените и бизнес процеси дава възможности за създаване на нови продукти и услуги с вградена интелигентност, иновативни бизнес модели и възможности за персонализиране и адаптиране към нуждите на клиентите. Важен елемент е и дигитализирането на цялостния производствен цикъл, ускоряване на развойната дейност чрез виртуално прототипиране и производство, гъвкава организация на производствения процес.


Индустрия 4.0 – Предизвикателства и възможности

© CIO Media, Cio.bg

Основни технологии в I_4.0

По-важните технологии са показани на фигура 2 и са изброени по-долу:

  • Индустриален "Интернет на нещата“ (Industrial Internet of Things – IIoT) – мрежа от физически обекти (устройства, превозни средства, сгради и други предмети и вещи), обменящи информация помежду си или с външната среда чрез интернет.

  • Интелигентни мобилни приложения (Mobile applications) – приложения за наблюдение и управление на машини и оборудване с помощта на мобилно устройство и възможности за двупосочна комуникация (получаване на информация и изпращане на команди). Широко използвани са мобилните версии на електронни ръководства за управление, упътвания и техническа документация за съответното оборудване.

  • Облачни технологии (Cloud computing) – предоставянето на компютърни (изчислителни) услуги за съхранение на информация и/или нейната обработка. Технологиите позволяват самообслужване при наличие на потребност (on-demand self-service); повсеместен мрежов достъп; балансирано разпределение на ресурсите за обработка и съхранение на данните; потребителите могат произволно да увеличават или намалят капацитета на търсеното обслужване; варираща според потреблението цена (pay-per-use).

  • Добавена/Виртуална реалност (Augmented Reality/Virtual reality) – комбиниране на данни от реалния свят с компютърно генерирани данни. Има широко приложение при планиране на производство, подпомагане (техническа асистенция) и много други.

  • Хоризонтална и вертикална системна интеграция – технологии, позволяващи индивидуализиране на продуктите и гъвкавост, основни в осъществяването на I_4.0. Системната интеграция се простира отвъд свързаността на операциите, свързващи доставчици и клиенти, като включва проследяване в реално време и интегрирано планиране и изпълнение на производството.

  • Обработка на големи обеми данни чрез интелигентни алгоритми (Big data) – мултидисциплинарен процес на събиране, филтриране, анализиране и интерпретиране на различни по тип, произход и обем данни. Включва в себе си множество технологии, с помощта на които се съхранява и обработва информация от различни източници (уеб сайтове, електронни магазини, банкови транзакции, сензори и датчици, социални мрежи, интернет търсачки, GPS координати и други).

  • Интелигентни сензори (Smart sensors) – основни компоненти за формиране на кибер-физичните системи и smart фабриките. Осигурявайки практическата свързаност на реалния физически свят с виртуалния, те са необходимост за реализиране на взаимодействията между хора и машини.

  • Триизмерно/адитивно/ отпечатване (3D printing)възможностите, които дават адитивните технологии са доказани в съвременната практика, но основно при израбтоване на прототипи и малки серии (поради себестойността). Съвременните тенденции за промяна на три важни параметъра – скорост, качество и материали – наред с масовизиране на производствените средства са на път да превърнат тези прототипни технологии в директно производствени, откривайки принципно нови възможности пред проектантите за създаване на форми и функции, необременени от технологичните ограничения на конвенционалните производствени технологии.

  • Киберсигурност (Authentication and fraud detection) – сложността, свързаността на информацията и характера на пренос на информацията за предпоставки за злонамерени намеси в системата. Това дефинитивно изисква паралалелно развитие на системи, гарантиращи сигурност на информацията, надеждна и нерпекъсната работа на комуникационните и компютърните системи.

  • Подобрени интерфейси човек-машина (Advanced human-machine interfaces) – роботиката, сензориката, машинното самообучение, когнитивните системи, изкуствения интелект са технологии, водещи до подобряване на връзката човек-машина, облекчаваща труда, увеличаваща производителността и безопасността.

  • Технологии за определяне на местоположение – понякога разглеждани като част от интелигентните сензори, тези технологии са важен елемент от производствената и логистична организация в съвременни предприятия;

  • Виртуално инженерство – интегриран подход при инженерните дейности по развитие на нови продукти, основан на виртуалните тримерни технологии и възможностите за моделиране и симулация, дават възможност да се проектира изцяло във виртуална среда.

Този списък се допълва и с нови технологични решения, които ще изиграят водеща роля: изкуствен интелект и когнитивни системи, машинно самообучение, цифрови платформи и други. Списъкът с технологии, който ще се отрази съществено върху развитието на обществото, икономиката и индустриалното производство в близките 5 до 10 години не може да бъде изчерпателен при настоящото ниво и динамика на технологични иновации. [6]

Нови бизнес модели и възможности

Появата на Индустрия 4.0 е следствие на развитието на дигиталните технологии, които са на път драматично да променят производствения сектор: експоненциалното увеличение на обработвания обем данни, увеличението на изчислителната мощ и свързаността; влиянието върху бизнес анализите и разузнаване; новите форми на взаимодействие между човек и машина (тактилните интерфейси и системите за подобрена реалност); подобренията в информационния трансфер към физически обекти (роботика, сензорика); появата на нови, все още прототипни, индустриални технологии като триизмерното отпечатване, и други.

Динамично променящия се свят принуждава индустриалните предприятия да използват тези възникващи възможности и да се придържат към бързо развиващите се технологии. Тази (р)еволюция може да се развие в три направления:

  • Преминаване към следващо ниво на оперативна ефективност;

  • Адаптиране на бизнес моделите към променящите се технологични възможности;

  • Изграждане на основи за дигитализиране на организацията чрез разработване на нови възможности, позволяващи сътрудничеството в една нова екосистема, управлението на данните като ценен актив и справянето с киберсигурността.

Повечето от компаниите с дългогодишна история и опит се мобилизират с цел да се адаптират към тези промени: мнозина търсят да стигнат до следващия хоризонт на оперативните постижения чрез пряко използване на нововъзникващи технологии, докато други се опитват да разработят нови бизнес модели (нови производствени организационни модели на фабрики, развиване на нови виртуални пазари). Комбинирани, тези усилия почти неизбежно ще доведат до пълна трансформация на цялата организация в индустрията. [11]

Тази трансформация обхваща етапите на разработване на нови продукти, тяхното производство, употреба, сервизиране и дори рециклиране. Свързаността и взаимодействието на машини, компоненти и хора ще увеличи чувствително ефективността и ще промени понятието „масово производство“, добавяйки му свойството „персонализиране“. Основни харакетиристики на това „преобразяване“ са:

  • На ниво система: Вертикална системна интеграция и smart фабриките – използването на кибер-физични системи ще позволи гъвкавост и бърза реакция на потребителските желания и до продукция която е индивидуализирана, според специфичните изисквания на клиента. Това е възможно при пълно интегриране на информационните технологии (обработка на големи обеми данни) и използването на интелигентни сензори за мониторинг и автономност на организацията на производството. Кибер-физичните системи позволяват не само автономност, но и управление на поддръжката на производството. Автоматизирането на логистиката ще позволи динамично управление на ресурси, материали и компоненти по време и местоположение. Друго предимство е по-бързото и лесно управление при изънредни обстоятелства (повреди на производствената техника, промени в качеството, изменения в поръчките и др.), наред с улесненията при планираните ремонти и поддръжка. Крайната цел е ресурсна (материали, енергия, работна ръка) ефективност.

  • На ниво стратегия: Хоризонтална системна интеграция чрез ново поколение световни стойностни вериги – глобализацията е реалност, която вече се интензифицира допълнително от употребата на съвременните дигитални технологии. Нови елементи в тази глобална производствена система включват интегрирана прозрачност (проследимост на движението и историята на всеки компонент или продукт – „продуктова памет“), позволявайки динамично управление на процеса на всеки един негов етап. Например, специфицирани от клиента адаптивни промени могат да бъдат включени не само на етап производство, но и при разработката, поръчката, композирането и разпространението на продуктите. Това дава възможност за гъвкаво управление на качество, време, риск, себсетойност, динамично и в реално време, през всички етапи на стойностната верига. Това е условие за генериране на изцяло нови бизнес модели и нови модели за коопериране.

  • На ниво процес: Интердисциплинарен инженеринг през всички етапи от жизнения цикъл – новите технологии и възможности изискват нови подходи при извършването на инжерните дейности, свързани с всеки етап от жизнения цикъл на изделието. Обработката и обобщението на големия обем от информация, съвместен за всеки етап, изисква интердисциплинарен подход за решаване на проблеми от смесено естество. Осъществяването на гъвкавостта на целия процес налага разглеждането му в цялост при решаване на конкретен проблем, което е подпомогнато от дигиталните технологии.

  • Използване на бързо развиващи се технологии – това е реалната причина за индустриалните промени, обозначени като I_4.0. Технологии като използването на изкуствен интелект (ИИ), роботиката, сензориката имат потенциала да увеличат автономността на производствените системи, увеличавайки и индивидуализирането и гъвкавостта на техния продукт. Очакванията към ИИ са свързани не само с „рутинни“ задачи като планиране маршрути на автономни индустриални средства във фабрики и складове, оптимизация на вериги доставчици, увличаване на надеждността или анализи на големи обеми данни, но и са свързани с разработки на нови конструкции или по-висока степен на коопериране между хора и машини. Функционалните наноматериали и наносензори са приложими в производството за подобряване на управлението на качеството. Приложението на дронове за производствени цели също е в процес на развитие. Технологиите за бързо прототипиране позволяват нови производствени решения, чието поевтиняване и масово приложение ще доведат до големи промени в бизнес моделите (например, увеличаване на сложността на конкретни детайли, при запазване на себестойността им; резервни части; изцяло нови принципно конструктивни решения). [12]

Ключови социални и икономически задачи

Отминалите вълни на технологичен напредък (индустриални революции) и демографската промяна доведоха до увеличаване на просперитета, производителността и създаването на работни места. Това не означава, че тези преходи са били безрискови или преминаха без затруднения. Динамичните промени в бизнес моделите ще дадат голямо отражение на заетостта в идните години. Много от основните двигатели на трансформацията, които в момента въздействат върху световните индустрии, се очаква да имат значително въздействие върху работните места. Повишаването на производителността на труда изисква създаването на нов тип работни места, но и покриване на съществуващи пропуски в уменията. В много отрасли и страни, най-търсените сега професии или специалности не съществуваха до преди 10 или дори до преди пет години, а темпото на промяна всъщност се ускорява. Проучванията сочат че 65% от децата, започващи сега обучението си в началното училище, в крайна сметка ще завършат професионалната си кариера упражнявайки напълно нови видове професии, които все още не съществуват. В условията на тази динамика на развиване на пазара на труда е важно да се ​​предвидят и да се подготвят специалисти, притежаващи за умения съобразно развиващите се технологии. Това е критично и възможните развития ще имат пряко отражение върху бизнеса и обществото, както и върху отделните индивиди. [10]

Тъй като цялата промишленост се адаптира и променя, много професии ще претърпят фундаментална трансформация. Синергията от развитието в технологичен, социално-икономически, геополитически и демографски аспекти ще генерират нови категории работни места и професии, докато други ще бъдат частично или изцяло изместени. Професионалните умения, които се изискват както в старите, така и в новите професии в повечето отрасли също ще претърпят изменения. Местоработата, работното време са други предизвикателства спрямо управлението на процесите.

Предвид бързите темпове на промяната, сътресенията в съществуващите бизнес модели водят до почти едновременно въздействие върху заетостта и необходимостта от нови професионални умения, изискващи спешни и съгласувани усилия за приспособяване. Обществения дебат относно тези преходни процеси е рязко поляризиран между онези, които предвиждат неограничени нови възможности и тези, които предвиждат огромни изменения в професиите. Всъщност действителността вероятно ще бъде много специфична за съответния отрасъл на индустрията, регион и професионално направление.

Пътят към Индустрия 4.0

Четвъртата индустриална революция може да се определи като системна и експоненциална трансформация, свързана с развитие на гъвкави производствени модели и процеси основно чрез нов тип автоматизация, мрежи и механизми за децентрализирано управление, както и благодарение на аналитични инструменти, на базата на обработка на големи данни и интеграцията им чрез информационни и комуникационни технологии, както и масивна виртуализация на процеси и системи за тяхното по-ефективно развитие, внедряване и експлоатация.

Тези технологични промени ще имат силно отражение върху множество икономически и социални процеси и ще засегнат широк кръг отношения в обществото. Бързият и мащабен процес на навлизане на дигиталните технологии във всеки аспект от ежедневието води до дълбоки индустриални промени. Най-засегнати са нискоквалифицираните и рутинните дейности, които се автоматизират с висока скорост.

Платформата Индустрия 4.0 е разработена вследствие на стремежа за съответствие на съвременните технологични и социално-икономически условия и търсене на запазване на ролята на Европейския Съюз в индустриалния свят. Аналогично, Република България изготви своята Концепция за

за цифрова трансформация на българската индустрия (Индустрия 4.0), целяща да засили конкурентоспособността на предприятията си не само на европейския пазар, но и на глобалния.

Заключение

Платформата "Индустрия 4.0" е отговор на измененията в съвременните технологии довели до четвърта индустриална революция след тези на въвеждането на машините, поточните линии и IT технологиите. Тя съчетава на ново качественно и функционално ниво реалния свят на производството с виртуалния свят на информационните и комуникационните технологии, при което традиционните промишлени процеси се допълват, развиват и оптимизират чрез дигитализация и вградена интелигентност. Това позволява да се развиват нови бизнес модели и потребителски форми, както и да се създадват цело нови области в икономиката за серийно производство на индивидуални продукти и услуги, достъпни на глобалния пазар. Трудовия ресурс също се глобализира и това води до нови предизвикателства от професионален, социален и обществен характер, за които обществото няма готови модели за управление на промените.

Това, което спъва процеса засега, са и необходимите инвестиции и в особенно голяма степен квалификацията на човешкия ресурс. Други разрастващи се проблемни области са сигурността на данните и недостатъчната зрялост на технологията за бърз и консистентен обмен на информация. Недостатъчната стандартизация на тези процеси също може да се оцени като източник на рискове за компаниите и бързото и ефективно внедряване на елементи на I_4.0.

БЛАГОДАРНОСТИ

Това изследване е осъществено с помощта на проект ДУНК-01/3 на Фонд „Научни Изследвания” при Министерство на Образованието, Младежта и Науката.

РЕФЕРЕНЦИИ:

[1] Hermann M.; Pentek T.; Boris O.; Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios, 49th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), 2016

[2] Geissbauer R.; Vedso J.; Schrauf St.: Industry 4.0: Building the digital enterprise, PwC, 2015 Global Digital IQ Survey, September 2015.

[3] Kagermann H.; Wahlster W.; Helbig J.; eds.: Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0. Final report of the Industrie 4.0 Working Group, Forschungsunion, 2013

[4] Bunse B.; Kagermann H.; Wahlster W.: INDUSTRIE 4.0. Smart manufacturing for the future, Germany Trade and Invest Gesellschaft fur Aussenwirtschaft und Stanfortmarketing mbH, Berlin, Germany, 2014

[5] Reiner A.: Industrie 4.0 – advanced engineering of smart products and smart production, 19th International Seminar on High Technology, Technological Innovations in the Product Development, Piracicaba, Brazil, 2014

[5] Reiner A.: Industrie 4.0 – advanced engineering of smart products and smart production, 19th International Seminar on High Technology, Technological Innovations in the Product Development, Piracicaba, Brazil, 2014

[6] Концепция за цифрова трансформация на българската индустрия (Индустрия 4.0) - проект, работна група към Министерство на икономиката, 2017

[7] Wahlster W.: Industrie4.0: Cyber-Physical Production Systems for Mass Customization, German-Czech Workshop on Industrie4.0/Průmysl, Prague, April 11, 2016

[8] Ovtcharova J.: Virtuelles Abbild - neue Ingenieurmethoden für Industrie 4.0, VAR² 2015, 3. Fachkonferenz zu VR/AR-Technologien in Anwendung und Forschung in Chemnitz, 2015

[9] Horacek L.: IoT: Will Ubiquitous Connectivity Mean Less Security?, Security Professionals: Security Intelligence Analysis and Insight for Information, 2014

[10] Leopold T. A.; Ratcheva V.; Zahidi S.: The Future of Jobs Employment, Skills and Workforce Strategy for the Fourth Industrial Revolution, World Economic Forum, Davos, 2016

[11] Russman M.; Lorenz M.; Gerbert Ph.; Waldner M.; Justus J.; Engle P.; Harnisch M.: Industry 4.0: The future of productivity and growth in manufacturing industries, The Boston Consulting Group, 2015

[12] Schröder Ch.: The Challenges of Industry 4.0 for Small and Medium-sized Enterprises, The Friedrich-Ebert-Stiftung Foundation, Division for Economic and Social Policy, 2016


X