Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Průmysl 4.0 a výzvy pro výzkum Vladimír MAŘÍK Brno, Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC) České vysoké učení technické v Praze

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Národní iniciativa Průmysl 4.0 Národní iniciativa vznikla jako reakce na potřeby a požadavky českého průmyslu za osobní podpory min. MPO J. Mládka a je MPO koordinována Práce zahájeny v červenci 2015, – iniciativa vyhlášena na MSVB Vytvořen řídící tým o 11 členech, na expertním dokumentu o 190 stranách pak pracovalo 87 expertů v 11 odborných skupinách Dokument je komplexní: v každé z 11 tématických kapitol analyzuje výchozí stav, naznačuje trendy vývoje, přináší SWOT analýzu a důležitou součástí jsou návrhy konkrétních opatření (celkem 47 klíčových a dalších 140 podrobnějších) Dokument dokončen Dokument postupně projednáván s rezorty Kniha v Management Press –

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Obsah návrhu Iniciativy Průmysl Úvod 2.Specifická situace průmyslu v ČR 3.Technologické předpoklady a vize 4.Nové požadavky na aplikovaný výzkum v ČR 5.Bezpečnost systémů 6.Standardizace 7.Právní a regulatorní aspekty 8.Dopady na trh práce, kvalifikaci pracovní síly a sociální dopady 9.Vzdělávání 10.Průmysl 4.0 a efektivita využívání zdrojů 11.Investice podporující Průmysl 4.0

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Východiska a cíle pro ČR Nemůžeme zůstat stranou, ale nejsme rozhodující a určující K udržení konkurenceschopnosti se musíme připravit na roli kooperujícího partnera, schopného absorbovat nové technologie, integrovat je a inovacemi adekvátně přispívat do celosvětového úsilí Na úrovni státu nutno připravit infrastrukturu – vysokorychlostní širokopásmový internet, ale i legislativu a lidské zdroje Dlouhodobým cílem je: Pomoci českým podnikům a organizacím při zapojování do celosvětových řetězců tvorby hodnot Pomoci českému průmyslu k zefektivnění a zlevnění výroby a služeb (první role – efektivní výrobce a poskytovatel služeb) Podpořit konkurenceschopnost českého výzkumu i průmyslu s možností některá řešení Průmyslu 4.0 vyvážet (druhá role – exportér) Procesy hodnotit taktéž z pohledu optimalizace zdrojů, rychlosti flexibilní reakce na změny, ale i z hlediska ochrany prostředí -

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Iniciativa Průmysl 4.0 Vláda ji přijala dne Oznámení o tom učinil p. premiér B. Sobotka na půdě ČVUT dne za přítomnosti kancléřky A. Merkelové

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Iniciativa Průmysl 4.0 Vláda usnesla vytvoření Aliance Společnost 4.0, která bude zastřešovat řešení dopadů na celou společnost Kulatý stůl Národního konventu se uskuteční dne Poté bude Aliance Společnost 4.0 založena

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Klíčové vize Industrie 4.0/Průmysl 4.0 Hlavní myšlenka: Počítačovým propojením výrobních strojů, opracovávaných produktů a polotovarů všech osob zapojených do procesů (prostřednictvím rozhraní) všech dalších systémů a subsystémů průmyslového podniku vytvořit inteligentní distribuovanou síť různorodých entit podél celého řetězce vytvářejícího hodnotu, přičemž subsystémy pracují relativně autonomně a paralelně, navzájem dle potřeby komunikují – každý fyzický systém má své virtuální dvojče či virutální obraz ve virtuálním světě Propojení internetu věcí a internetu služeb = vytvoření kyberneticko – fyzického prostoru, v němž jsou už jen nejasné hranice mezi reálnem a virtuálnem, které se dle potřeby posouvají Postupně se objevuje třetí dimenze, kterou nelze ignorovat: vedle dvou technologicky orientovaných světů, fyzického světa výrobního a virtuálního světa služeb je třeba počítat i se světem sociálním, který začíná s oběma technologickými silně interagovat

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Klíčové vize 4. průmyslové revoluce Integrovaný výrobní systém chápaný jako kyberneticko-fyzický systém je systémem velmi složitým, který lze řídit pouze na základě principů důsledné decentralizace, asynchronní adresné komunikace a koordinace. Trojí znalostně orientovaná integrace průmyslových systémů: -Integrace horizontální (hodnotového řetězce) – tedy plná počítačová integrace (nikoliv pouhé propojení informačních systémů!!) zabezpečující vše od podání objednávky, přes zásobovací řetězec, vývoj, výrobu až k expedici a distribuční síti -Integrace vertikální (vnitropodniková) – znalostně podporovaná integrace od úrovně řízení v reálném čase, přes plánování a rozvrhování výroby a ERP systémy až k rozhodování na nejvyšší úrovni -Integrace inženýrské podpory (životního cyklu) napříč celým inženýrským řetězcem – od výzkumu, vývoje, prototypování, rozvrhování výroby až po ošetření celého životního cyklu výrobku

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Klíčové vize Nic nového pod sluncem – ale nyní se začíná implementovat

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Výzva týkající se organizace výzkumu Čeká nás proces sdružování, integrace, propojování týmů – nutno dát důvěru (a prostředky) organizacím a jejich vůdčím osobnostem, které se osvědčily Nutno vybudovat systém center/ústavů aplikovaného výzkumu na národní úrovni, se zodpovědností za technologickou podporu naplňování cílů Průmyslu 4.0 – páteř celé implementace Rekonstrukce prostoru aplikovaného výzkumu směrem od jednotlivých, nahodile vybraných projektů směrem k cílenému a řízenému budování dlouhodoběji fungující infrastruktury aplikovaného výzkumu s dostatečným prostorem pro flexibilní menší doplňkové projekty je v případě Průmyslu 4.0 nezbytností Důležitý i aplikovaný výzkum ve společenskovědních disciplinách Veřejná podpora aplikovaného výzkumu musí být koncentrována a koordinována na národní úrovni. První testbed v ČR budován na ČVUT – budova CIIRC- ve spolupráci se firmou Siemens

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Testbed at CIIRC První testbed pro Průmysl 4.0 v ČR (podpora ze strany Siemens a též Škoda VW, dále Trumpf, Festo, Kuka,..) – ve výstavbě Konkrétní cíle: Řešení kompatibilní s Průmyslem 4.0 pro malé a střední podniky Zajištění interoperability of strojů českých výrobců a českého SW se zařízeními typu Industrie 4.0 Vytvoření komunity firem malých, středních i velkých a jejich napojení na globální lídry

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL CIIRC ČVUT – moderní výzkumné centrum m2, 350 výzkumníků v r – charakter národního centra Přímé napojení na další university, zejm. VUT Brno, ZČU, VŠB Společné výzkumné laboratoře s významnými univerzitami (RWTH Aachen, Vienna Univ. of Technology, NII Tokyo) Společné laboratoře s globálními firmami (Siemens, IBM, HP, Rockwell Automation, Eaton, Schneider, ABB, Festo…)

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Totální prosíťování Přesně stejná filosofie jako v automatizaci podle Průmyslu 4.0 může být využita v  Technologické přípravě výroby  Plánování a rozvrhování kdekoliv  Řizení dodavatelského řetězce  ERP komunikaci  Při řízení životního cyklu výrobku a všechny tyto systémy mohou být totálně propojeny v rámci jediné inteligentní sítě  Totální prosíťování všech aktivit spojených s průmyslovou výrobou production

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Co zkoumat v rámci Průmyslu 4.0? Mnoho různorodých témat -Kolaborativní roboti (konstrukce, pohony, způsoby kooperace) i mobilní transportní roboti -Technické připojování strojů, zařízení a lidí do komunikačních sítí, komunikační prostředky a standardy -Bezpečnost -Interfacy: 3D aditivní tisk, rozhraní typu virtuální reality, HMI -Kybernetické aspekty řízení složitých systémů a systémové integrace......

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Kybernetický pohled - Agentové technologie v Industry 4.0 Agentní systémy – metodologický význam Nový přístup směřující k nové teorii systémů, vyžaduje změnu myšlení – tato teorie však stále a citelně chybí Vhodný pro specifikaci, návrh a realizaci nejrůznějších distribuovaných systémů K dispozici platformy, realizující multiagentní systémy, včetně základních služeb, komunikačních a dohadovacích protokolů, učení, sémantiky a ontologií, meta-agentů, distribuovaného učení atd. (standardy FIPA) Modely agentů umožňují propojování (nehmotných) distribuovaných znalostí s reálným světem První praktické aplikace v nejrůznějších oblastech Mnoho teoretických problémů stále středem pozornosti výzkumu (emergentní chování, stabilita, adaptabilita)

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Agentové technologie v Industry 4.0 Dvě oblasti: Agentové řízení v reálném čase Agenti přímo spojeni s fyzickým systémem – Nastupují tzv. holonické předprogramované subsystémy na bázi IEC 61499, reagující obdobně jako agenti Integrace agentů s řízením na bázi PLC – PLC-řízení dále využíváno pro řízení v reálném čase, může běžet bez problémů bez agentů – SW agenti uvažováni jako inteligentní vrstva nad klasickým řídícím systémem: pokročilá optimalizace, diagnostika, rekonfigurace,. -Integrace systémů -Agenti reprezentují poměrně velké, často nutně nejen fyzické subsystémy (výrobní úseky, ekonomické oddělení, historické databáze, atd.) - Typickými úlohami: plánování, rozvrhování, inženýrská podpora

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Agentové technologie v Industry 4.0 Dvě oblasti: Agentové řízení v reálném čase – typicky agentová architektura Veškerá znalost zapouzdřena v agentech (např. části ontologií nebo scénáře chování) – Agenti mají vysokou míru autonomie, komunikační jazyk poměrně omezený – Mohou „putovat“ po síti nebo mezi PLC tak, aby byly co nejblíže výrobním procesům -Integrace systémů – Service Oriented Architecture (SOA) -Agenti se opírají o dobře strukturované, rozsáhlé soubory schraňovaných ontologických znalostí ve zvláštních agentech, ale je nutné vždy tuto znalost vykomunikovat jako poskytovanou službu (obvykle se jedná více ontologií, např. ontologií výrobků, procesů, událostí..) -Komunikační protokoly obecnější, schopné komunikovat s moduly nejrůznější povahy (např. RDF formát)

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Příklad architektury SOA – architektura ARUM iESB Ontology & operational data (triple store) Data Transformation Service (TIE Integrator) TIE Semantic Integrator Mapping files SPARQL queries & publish-subscribe SAP Gateway SAP (AIB) Pepsy (AIB) AS400 Gateway AS400 (IHF) IHF XLS gateway Excell sheet ARUM Core Ontology Legacy syst. schemas Other AIB Gateway Ontology Service RDF (data, events) Business Process Mining & Optimization (MIDAS) Business Process Mining & Optimization (MIDAS) Operational Scheduler Strategic Planner Security Service Raw data ARUM Core Ontology ARUM Events Ontology FND&SD Service FND UI SD UI RDB (Airbus data) Gateway ARUM Events Ontology RDB (Airbus data) ARUM Scene Ontology

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL SOA architektura ve SCADA systému

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Zkušenosti se SOA architekturou  Flexibilita: Modulární struktura se jednoduše modifikuje  Adaptabilita: Datově a nástrojově nezávislé toky v ESB  Znovupoužitelnost: Konfigurace, návrh a integrace založené na modelech podporují opakovatelnou použitelnost na různých úrovních  Efektivita: Minimalizace počtu rozhraní a datových formátů potřebných pro integraci  Bezpečnost: Opírá se o možnost využití technologií snifferů (pozorovatelů komunikace) a watch-dogů  Slabiny: –Problémy s reálným časem –Výkon se může měnit v závislosti na zatížení, které je těžké předvídat

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Klíčové výzvy  Boj s časem: –systémů v reálném čase je to přirozené, u SOA architektur komunikační kanály nestíhají, jsou přetíženy –Tím se mění přirozená sekvence událostí –Řeší se např. výkonnostními modely SW, tzv. Architecture Performance Models (APM) ještě ve fázi simulace  Boj s daty: –Technologie Big Data – shromážďuje se velké množství dat – ale co s nimi? –Co když jsou nestrukturovaná? –Efektivní metody strojového učení pro distribuované systémy nejsou k dispozici resp. nepříliš fungují

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Klíčové výzvy  Boj se stabilitou a emergentním chováním: –Agentové systémy ideálně fungují bez centrálního elementu –Může dojít k nestabilitě či jiné nepredikované situaci – emergentnímu chování –Obranou je simulace nebo množina ochranných pravidel –Simulace: synchronizace výměny dat a času při přechodu od simulace k reálnému procesu  Boj s myšlením lidí: -Přechod od vize centralizovaného k decentralizovanému řízení -Obavy z plné automatizace – kde je role člověka? -Obavy z přvzetí moci roboty – Kurzweilova singularita

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Závěry  Výzkum v oblasti Průmyslu 4.0 vyžaduje integraci kapacit: investic i týmů – Národní centra kompetence  Testbed je nový fenomenon, specifický pro Průmysl 4.0 – musí je budovat a soustřeďovat komunitu podniků kolem nich  Máme šanci nejen pomoci našemu průmyslu, ale přinést řešení mezinárodně uplatnitelná – v robotice, systémové integraci, v bezpečnosti  Je třeba dobře se zorganizovat – Alliance Společnost 4.0

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Conclusions  Industry 4.0: –Stimuluje procesy, které spontánně vznikají v rámci rozvoje a konvergence počítačových, automatizačních a komunikačních technologií v rámci revoluce probíhající v průmyslu Results in –Distribuované inteligentní řízení silně ovlivnilo vize Průmyslu 4.0 –Podporuje a rozvíjí myšlenky decentralizovaného řízení složitých systémů, systematický a interdisciplinární přístup, modely systémů na bázi agentů jako komunity autonomních agentů, úvahy o škálovatelnosti a rekonfigurovatelnosti systémů...  MAS jsou vhodným filosofickým nástrojem pro distribuované inteligentní řízení is the backbone of the Distributed Intelligent Control – MAS se tak stává klíčovou filosofií pro podporu Průmyslu 4.0, ale –Další techniky a nástroje jsou mimořádně důležité: Big Data, ontologie, simulační nástroje, SCADA systémy, bezpečnostní moduly  SOA – duální k MAS, vhodná implementace MAS – má podporu v SW architekturách

Katedra kybernetiky, ČVUT FEL Conclusions  Internet podporovaný ESB je centrálním elementem SOA referenčních architektur: –Flexibilní, adaptabilní, znovuvyužitelná, efektivní, bezpečná…  Ontologické struktury zůstávají jako hlavní kontejner znalostí  Standardy chybějí (jeno FIPA pro agentovou komunikaci a standardizaci onotlogií), spíše doporučené nástroje/prostředí  Virtuální svět a svět fyzický jsou integrovány via Internet: –Každá fyzická entita má svoji SW reprezentaci: synchronizace je nezbytná –Musí být zajištěna plná konektivita mezi libovolným elementem virtuálního světa a jemu odpovídajícího fyzického elementu