Průmyslová revoluce mění celou společnost Vladimír MAŘÍK Olomouc, 24.1.2018 www.ciirc.cvut.cz Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC) České vysoké učení technické v Praze

Prudký rozvoj technologií 1992 Internet v ČR…….informatická infrastruktura  1997 Digitální mobil……..informatická infrastruktura 2011 Průmysl 4.0…...znalostní integrace 2015 Uber, IRBN....obch. modely Konvergence komunikačních, počítačových a automatizačních technologií, Moorův zákon stále platí, průmyslová sféra nejlépe připravena  začíná se hovořit o 4.průmyslové revoluci

4. průmyslová revoluce Technologické pokroky 1. průmyslová revoluce: pára 2. průmyslová revoluce: elektřina 3. průmyslová revoluce: počítače a roboti 4. průmyslová revoluce: Kyberneticko-fyzikální systémy (CPS)

Klíčové vize Průmyslu 4.0 – koncepce prof. Wahlstera 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 systémy a 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 přistupuje svět sociální  mění se postavení a chování lidí (interakce realného, virtuálního a sociálního světa)

Klíčové vize 4. průmyslové revoluce Hlavní myšlenkou: totální prosíťování autonomních jednotek, „každý může komunikovat s každým“ prostřednictvím svých dvojníků, ALE: Smysluplný funkční systém vznikne pouze cílenou, adresní komunikací mezi vybranými prvky – tato komunikace se musí opírat o znalost, s kým, jak a proč komunikovat (takovou musí mít každá jednotka k dispozici)  ZNALOSTNÍ INTEGRACE autonomních jednotek Autonomní jednotkou v síti může být stroj, výrobek, obchodní oddělení, mistr..... Znalostně založenou integrací příslušných autonomních jednotek dostáváme smysluplný efektivní výrobní systém či systém řízení nebo systém inženýrské podpory

Klíčové vize 4. průmyslové revoluce 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

Lidé v systémech Průmysl 4.0 Lidé vstupují prostřednictvím specializovaných rozhraní, čím dál častěji založených na virtuální realitě, jako další autonomní entity

Rozšířená realita – moderní rozhraní

Roboti v systémech Průmysl 4.0 Průmysloví roboti první generace jsou nahrazovány roboty kooperativními, schopnými spolupracovat s člověkem, někdy dokonce simulujícími vstřícnost či emoce... roboti vylézají z klecí...mění se jejich role Jsou to autonomní mobilní systémy spojené s výrobním zařízením jenom prostřednictvím komunikační sítě, čím dál tím více schopné strojového učení

Klíčové technologické úrovně Průmyslu 4.0 Síťová komunikační infrastruktura = Digitalizace (informatika) rychlý internet, internet věcí, GMS sítě, 3D tisk  Virtualizace a znalostní integrace = 1. fáze (kybernetika) virtuální dvojčata, sémantická informace, agentní systémy virtuální a rozšířená realita  Optimalizace a učení ze zkušeností 2. fáze (umělá inteligence) velká data, data mining, modelování

Klíčové vize – Složité systémy jako systémy agentní Každý stroj, transportní zařízení, poloprodukt, výrobek, oddělení atd. reprezentovány ve virtuálním světě jako autonomní entita = SW agent Agenti: Obsahuje všechnu informaci o daném elementu (data container, semantic memory, embedded memory) Komunikují mezi sebou, jen když je třeba Schopni se dohadovat podle standardních vyjednávácích pravidel a protokolů (contract-net-protocol, aukce atd.), přičemž trvale mají na paměti a sdílejí GLOBÁLNÍ CÍL složitého systému Jejich vzájemná komunikace využívá sémantickou informaci skladovanou v sémantických/ontologických strukturách (znalosti o strukutuře podniku, procesech, organizaci, historických datech atd.)

Složité systémy jako systémy agentní Rozhodující budou tzv. agenti-informatická/digitální dvojčata nesoucí základní informaci, data o „svém“ objektu a využívající příslušné části znalostní ontologie Technologie blockchainů – bude sloužit pro bezpečné a nemanipulovatelné ukládání historie i dohodnuté části budoucnosti S rostoucím počtem alternativ řešení (zastupitelných agentů) agentní systémy fungují především v módu poskytování služeb  realizace formou architektur orientovaných na služby (v informatickém slova smyslu) Takováto vize však podporuje i poskytování služeb na úrovni výrobních úseků a obchodních modelů: Službou může být nejen výroba individualizovaného produktu, ale i např. sdílení výrobní linky či stroje s jinou firmou V popředí zájmu místo chytré výroby především chytrý výrobek a chytrá služba

Posun směrem od chytré výroby směrem k chytrým službám Platformy pro chytré služby Webová rozhraní pro komunikaci se zákazníkem SW definované platformy pro chytrou výrobu Systémová znalostní integrace, kybernetika, umělá inteligence Propojení fyzických struktur Fyzické prosíťování kabely, wifi, bluetooth, internetem Technologická infrastruktura Stroje, výrobní linky, vozíky, sklady

Složité systémy jako komunita systémů silně autonomních Pokud agenti budou obsahovat více dat, znalostí a rozhodovacích algoritmů, budou se chovat samostatněji (autonomněji) Autonomní systém: Myslí globálně – uvažuje globální cíl Koná lokálně Učí se z vlastní zkušenosti Koná bez účasti člověka, ale je mu kdykoliv schopen předat řízení Moderní složité systémy budou složeny z kvalitních autonomních subsystémů interagujících každý s každým, budou schopny samostatného učení i interakce s člověkem Výrobní systém budoucnosti dostane instrukci: Zkrať do 6 měsíců čas výroby o 10 procent – poraď si sám!! Hierarchické systémy a jejich klasické vertikální řízení versus horizontální komunikace a vyjednávání autonomních systémů – nové klíčové paradigma technologické revoluce

Dnešní situace v ČR: Podniky se vydávají kupředu Podniky se aktivují Malé a střední nejsou schopny realizovat komplexní řešení, ale hledají postupné krůčky směrem ke globální vizi Hledají informace, snaží se se orientovat v problematice Obvyklé praktické problémy: Znalostní integrace několika strojů Začlenění kolaboratovních robotů Plánování a rozvrhování Zpracování rozsáhlých souborů dat – data mining Organizace znalostí Prediktivní údržba Klíčový limitující faktor: nedostatek kvalifikovaných odborníků!

4. průmyslová revoluce ovlivní celou společnost 4. průmyslová revoluce přináší myšlenky a technologie, které zasáhnou další oblasti „vně továrny“, např. Dopravu a logistiku v širším slova smyslu (Doprava 4.0) Chytrá města: jde též o složité distribuované procesy s možností permanentní optimalizace a nutností flexibilní reakce na změny Energetiku při řízení a koordinaci decentralizovaných zdrojů: na úspěšnosti myšlenek bude záviset, kolik centrálních zdrojů budeme muset vybudovat (Energetika 4.0) Zdravotní péči: zde se jedná především o optimalizaci distribuovaných služeb (Zdravotnictví 4.0) 4.průmyslová revoluce se stává celospolečenským fenoménem! Kybernetická průmyslová revoluce je více revolucí, tj. zásadní změnou v myšlení lidí než v technologiích – MYŠLENÍ 4.0 Technologie už máme (nebo můžeme koupit), myšlení jsme ještě nezměnili!

Doprava a logistika Doprava a logistika bezprostředně navazující na výrobu dle principů Průmyslu 4.0 a související s problematikou Chytrých měst mají dnes k dispozici řadu nástrojů: Plánovací a rozvrhovací algoritmy pro optimální vytížení flotily – každé vozidlo se může chovat jako autonomní agent a v rámci mobilní aplikace dohadovat/vyjednávat optimální alokaci a vytížení Vozidla mohou vyjednávat optimální trajektorii s virtuální reprezentací dopravní sítě (každý úsek silnice může být reprezentován agentem ve virtuálním prostoru, nesoucím informaci o stavu vozovky, očekávaném vytížení a průjezdnosti) Dynamickou volbou přepravní trajektorie s uvažováním informace o čerpacích stanicích lze optimalizovat spotřebu Systémy prediktivní údržby vozového parku jsou již dnes k dispozici

Chytrá města V oblasti chytrých měst nutno či možno brát do úvahy např.: Interaktivní vyjednávání s průmyslovými podniky a školami o hodinách přijezdu a odjezdu zaměstnanců a žáků (dynamická optimalizace jízdních řádů) Dynamické směrování provozu podle momentální záteže na základě interaktivní multiagentní komunikace Směrovat k elektromobilitě ve městě jako službě Směřovat k využívání automobilů bez řidičů Navrhování cest, urbanistická řešení a technická řešení – mohou vznikat v iteraktivní simulaci za účasti potenciálních uživatelů, municipalit, výrobních systémů s využitím simulačních nástrojů, systémů BIM atd. Smart City je složitý systém, optimalizovaný na spotřebu energie, zdrojů včetně zdrojů lidských, času a uspokojování potřeb – PROBLEMATIKA MUSÍ BÝT CHÁPÁNA KOMPLEXNĚ

Chytrá města – totální prosíťování

Chytrá města – totální prosíťování

Energetika 4.0 - základní vize Základem celé decentralizované distribuční soustavy bude soustava chytrých sítí (smart grids) rozsahu části okresu, každá vytvářející částečně soběstačný ekosystém chovající se navenek někdy jako spotřebitel jindy jako výrobce (měnící se profil spotřeby) páteřní síť tvořená klasickými centralizovanými zdroji (ta by měla v roce 2030 pokrývat jen 70% spotřeby, v roce 2040 jen 60% a tento podíl by měl nadále klesat) Chytré sítě budou tedy zahrnovat jak zdroje (alternativní elektrárny, zdroje odpadního tepla, kogenerační jednotky, baterie), tak současně spotřebitele, ale i prosumery (kteří se někdy chovají jako zdroje, jindy jako spotřebitelé) – všechny tyto prvky se budou v lokálním měřítku optimalizovat s cílem maximální soběstačnosti

Energetika 4.0 - základní vize Základními autonomními subsystémy chytrých sítí budou výrobní podniky, systémy dopravních služeb či městského osvětlení, obytné čtvrti či rekreační zóny, lokální výrobní a distribuční soustavy LDS, apod. - jasné prolínání s chytrými městy Autonomní subsystémy obytných čtvrtí se mohou opírat o chytré budovy s významnou měrou soběstačnosti (vybavené např. FV zdroji, zásobníkem energie, kogeneračním zdrojem a plnou automatizací provozu s predikcí spotřeby) či jejich dynamicky se strukturující konglomeráty Klíčovou roli budou hrát zásobníky energií (baterie, zásobníky teplé vody, setrvačníkové zásobníky, akumulátory, elektromobily) Všechny takovéto autonomní subsystémy budou přispívat k řízení stability dodávek a postupně nahradí v této funkci fosilní elektrárny.

Energetika v ČR – současný stav Důležité je též napojení energetických smart gridů na teplárenství a plynárenství – povede k dalším úsporám a stabilizaci zásobování energiemi Pokud nezačneme s decentralizací ihned, během 5 let budeme stát před velkým problémem ohrožujícím nejen konkurenceschopnost, ale i existenci průmyslu v ČR Směrování k Energetice 4.0 je dnes důležitějším úkolem než podpora Průmyslu 4.0 (tam je hnacím motorem průmysl a ten si ví v konkurenčním prostředí rady) – na řadě je stát, aby konal co nejrychleji

Co dělat v rámci Energetiky 4.0? Každý účastník chytré sítě musí být napojen na dostatečně efektivní komunikační síť, na rychlý širokopásmový internet. Všechna řešení nižší komunikační síly, jako Zigbee, Sigfox atd. vhodná jen pro sběr dat nebo pro ovládání zařízení, jsou však nevyhovující pro rychlou komunikaci opírající se o poměrně obsažné komunikační protokoly. Musí vedle sebe existovaly nezávislé, ale vzájemně propojené dvě sítě – energetická a informatická. Budoucnost energetiky je tak více o eneregtické informatice než o přenosových drátech a trubkách. Dnešní fyzickou distribuční infrastrukturu nebudeme zřejmě rušit, jenom ji rozvíjet či modifikovat tak, aby mohla být dobře podporována virtuální informatickou nadstavbou. Půjde o to rychlou informatickou síť ve všech uzlech a klíčových zařízeních napojit na fyzicky existující prvky (transformátory, generátory, spotřebiče, akumulátory atd.).

Mnoho výzev pro alianci Společnost 4.0 – směrem k Myšlení 4.0 Výzvy v oblasti vzdělávání výchova k systémovému interdisciplinárnímu pohledu na všech typech a stupních škol významná role společenskovědních (měkkých) disciplin Výzva sociální: dopad na trh práce člověk nebude nahrazen, nýbrž dostane nové nástroje pracovní trh nutno připravovat na změny s předstihem interakce světa fyzického, virtuálního a sociálního- kybermatika Výzvy v oblasti systémové bezpečnosti Výzvy v oblasti výzkumu a inovací nový fenomén – investičně náročné testbedy velký prostor otevřen pro ekosystémy start-upů Řešení každé z těchto výzev přispívá k rozvoji MYŠLENÍ 4.0 – to je klíčový příspěvek ke konkurenceschopnosti české ekonomiky

Výzva v oblasti vzdělávání Již dnes si stěžujeme na nedostatek inženýrů Budeme jich potřebovat ještě více, ale zejména s úplně jiným profilem (schopné interdisciplinárního myšlení a se systémovým pohledem na složité distribuované systémy, se schopností permanentní inovace) Musí se změnit obsah a styl výuky, nelze dokonečna minimalizovat výuku matematiky a fyziky Nutno podporovat interdisciplinaritu jako doplněk do hloubky zaměřeného odborného vzdělávání, systémový pohled a schopnost kooperace Průmysl 4.0 se musí promítnout do všech učebních plánů všech oborů na vysokých i středních školách Jedná o celospolečenský fenomén s dopady sociálními a kulturními: výuka se musí dotknout i humanitních a společenskovědních oborů

Shrnutí Průmysl 4.0 je především novou filosofií a vizí řízení složitých systémů, vyžadující zásadní koncepční změnu v myšlení, která se musí uplatnit ve všech oblastech našeho konání Opírá se o teorii agentních systémů: jedná se množinu inteligentně interagujících a vyjednávajících autonomních jednotek Všechny prvky ve vrituální síti (i např. výrobky) se stávají aktivními hráči Přínáší zcela nové business modely: výroba jako služba, dodávka energie jako služba, mobilita jako služba, výstavba, pronájem a údržba nemovitostí jako služba Přináší nové vize pro řízení společnosti: od hierarchických vertikálních procesů k  procesům horizontálním Řízení se posunuje směrem dolů, směrem ke zdrojům a uživatelům  platí i pro veřejnou a státní správu

Shrnutí Základní podmínkou je digitalizace a virtualizace, ale vlastním jádrem znalostní (kybernetická) integrace Jedná se skutečně o kybernetickou revoluci, která už běží a je realitou– ať si novináři píší a politici dělají, co chtějí!! Lukáš Kovanda (5.9.2017): Žádná taková revoluce neprobíhá ani nepřichází...je to jenom blamáž úředníků! Zavádění principů Průmyslu 4.0 v průmyslu, v dopravě, energetice či stavebnictví má jen omezený význam, pokud nebude probíhat ve všech těchto oblastech současně  teprve pak významněji poroste produktivita práce Klíčový je trojúhelník: Průmysl 4.0 – Chytrá města – Energetika 4.0 Jde o celospolečenský fenomén, který musí být podpořen změnou v myšlení, v systémovém pohledu na věc – MYŠLENÍ 4.0

A co potom? A co přijde pro čtvrté průmyslové revoluci, která je ještě pořád směrována k vyšší produkci a vyšší efektivitě a produktivitě, intenzivnější dopravě? Určitě začneme směřovat k udržitelnému rozvoji: redukovat výrobu na nezbytnou míru a omezovat nadprodukci všeho (tedy i energií). Budeme směřovat ke společnosti lidí, schopných vyrábět jen to, co potřebují a užijí. Schopných šetřit přírodu a zdroje a užívat si života. Ale etapu čtvrté průmyslové revoluce jen ztěží přeskočíme, natož abychom popírali její existenci!