ИНДУСТРИЯ 4.0. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА И ПРОБЛЕМЫ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 33

A.V. Fomina, K.Yu. Mukhin

INDUSTRY 4.0. BASIC CONCEPTS, ADVANTAGES AND PROBLEMS

Industry 4.0 (Industry 4.0) is a term that is often used to refer to the development process in the management of production and the production of chains. This phenomenon also applies to the fourth industrial revolution. In this article, we will try to determine how the term itself, and to study the design principles, advantages and problems facing such an approach, to try to determine the potential.

Keywords: industrial revolution, cyber-physical systems, internet of things, smart factory, internet of services.

А.В.Фомина1, К.Ю. Мухин2

ИНДУСТРИЯ 4.0. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА И ПРОБЛЕМЫ

Industry 4.0 (Индустрия 4.0) - это термин, который часто используется для обозначения процесса развития в управлении производством и цепями поставок. Этот феномен также относится к четвёртой промышленной революции. В данной статье попытаемся определить как сам термин, так и изучить принципы проектирования, преимущества и проблемы, стоящие перед подходом.

Ключевые слова: промышленная революция, кибер-физические системы, интернет вещей, умные производства, интернет услуг.

Термин Industry 4.0 впервые был представлен в 2011 г. как "Industrie 4.0" в рамках инициативы по повышению конкурентоспособности Германии в обрабатывающей промышленности группой представителей из разных областей бизнеса, политики и научных кругов. Федеральное правительство Германии приняло эту идею в своей "Стратегии высоких технологий до 2020 г.". Впоследствии была создана рабочая группа для дальнейшего консультирования по внедрению Industry 4.0.

В 2003 г. они разработали и опубликовали свой первый набор рекомендаций. Их видение заключается в следующем: Одной из основ Индустрии 4.0 являются кибер-физические системы, включающие в себя интеллектуальные машины, системы хранения и производственные объекты, способные автономно обмениваться информацией, запускать определённые действия и самостоятельно контролировать друг друга.

Это облегчает фундаментальные усовершенствования промышленных процессов, связанных с производством, проектированием, использованием материалов, цепочкой поставок и управлением жизненным циклом.

История Индустрии 4.0.

Чтобы понять, как Индустрия 4.0 сегодня стала популярным и часто цитируемым термином, взгляд на её предшественников может дать нам представление о том, чем эта революция, в частности, отличается от предыдущих. Ниже попытаемся отразить эволюцию производства и промышленного сектора в целом [2].

Первая промышленная революция.

Первая промышленная революция в Британии появилась с внедрением в производство машин к концу 18-го в. (1760-1840). Это включало в себя переход от ручного производства к использованию паровых двигателей и воды в качестве источника энергии.

Вторая промышленная революция.

Вторая промышленная революция произошла между 1870 и 1914 гг. и ввела в отрасли такие системы, как телеграф, электрификация и железные дороги. Определяющей характеристикой этого периода было введение массового производства в качестве основного вида производства в целом.

Третья промышленная революция.

Большинство людей, живущих сегодня, знакомы с отраслями, опирающимися на цифровые технологии в производстве. Тем не менее, третья промышленная революция датируется 1950 и 1970 гг. [1].

1 Фомина А.В., профессор кафедры экономики и менеджмента в промышленности, доктор экономических наук, профессор; Национальный исследовательский ядерный университет (НИЯУ), г. Москва

Fomina A.V., Professor of the Department of Economics and Management in Industry, Doctor of Economics, Professor; National Research Nuclear University (NRNU), Moscow

2 Мухин К.Ю., аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург

Mukhin K.Yu., Postgraduate; St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Petersburg

E-mail: k.y.mukhin@gmail.com

Четвёртая промышленная революция переводит автоматизацию производственных процессов на новый уровень, внедряя индивидуальные и гибкие технологии массового производства.

Это означает, что машины будут работать независимо друг от друга или сотрудничать с людьми в создании ориентированного на клиента производственного поля, которое постоянно работает над поддержанием себя. Машина скорее становится независимой организацией, которая способна собирать данные, анализировать их и давать советы.

Это становится возможным благодаря внедрению в отрасль принципов самореализации, самопознания и самонастройки. Производители смогут общаться с компьютерами, а не управлять ими.

Как будут взаимодействовать машины?

Быстрые изменения в информационно-коммуникационных технологиях (ИКТ) нарушили границы между виртуальной реальностью и реальным миром. Идея Industry 4.0 заключается в создании социальной сети, где машины могут общаться друг с другом (Интернет Вещей (IoT)) и с людьми (Интернетом Людей (IoP)).

Таким образом, машины могут взаимодействовать друг с другом и с производителями, создавать то, что мы теперь называем кибер-физической системой производства (CPPS). Всё это помогает отраслям интегрировать реальный мир в виртуальный, позволяет машинам собирать актуальные данные, анализировать их и даже принимать решения на их основе [2].

Элементы индустрии 4.0.

Хотя "Индустрия 4.0" является общим термином, относящимся к четвёртой промышленной революции, учёные всё ещё пытаются правильно определить подход к ней. В своём обзоре литературы Германн, Пентек и Отто пытаются выяснить основные её компоненты [10].

Учитывая тот факт, что этот термин возник в германоязычной среде, они приступили к выяснению наиболее часто цитируемых терминов и определений, относящихся к данному понятию [4].

В их исследованиях, конечно, использовался немецкий эквивалент каждого термина (или, возможно, английский эквивалент). Результаты были следующими.

Cyber-Physical Systems, Internet of Things, Smart Factory и Internet of Services являются четырьмя наиболее распространёнными терминами, цитируемыми в научных публикациях, связанных с этой темой. Следовательно, и на начальном этапе - они являются четырьмя основными компонентами отрасли.

Cyber-Physical Systems (Кибер-физические системы)

Как упоминалось выше, кибер-физическая система направлена на интеграцию вычислительных и физических процессов. Это означает, что компьютеры и сети могут контролировать физический процесс производства на любом этапе. Разработка такой системы состоит из трёх этапов:

• Идентификация. Уникальная идентификация важна для производства. Это самый простой язык, на котором машина может общаться. Отличным примером этого является RFID (радиочастотная идентификация). RFID использует электромагнитное поле для идентификации определённого тега, который часто прикрепляется к объекту. Несмотря на то, что такая технология существует с 1999 г., она по-прежнему служит отличным примером того, как изначально работала Индустрия 4.0 [7].

• Интеграция датчиков и исполнительных механизмов. Данный этап означает, что появляется возможность управлять определёнными процессами, протекающими в машине на разных этапах производства, и идентифицировать изменения в окружающей среде в реальном времени. Однако даже при интеграции датчиков и исполнительных механизмов их использование было ограничено и не позволяло им сообщаться друг с другом.

• Разработка специализированных датчиков и "приводов". Такая разработка позволила машинам хранить и анализировать большие объёмы данных. Теперь CPS оснащён несколькими датчиками и приводами, которые могут быть объединены в сеть для обмена информацией [7].

Internet of Things IoT (ИнтернетВещей)

Сегодня кибер-физическая система является частью жизни. Машины могут обмениваться данными и определять, контролировать изменения окружающей среды вокруг них. Хорошим примером этого является пожарная сигнализация. Именно Интернет Вещей является тем, что действительно инициировало Индустрию 4.0.

Интернет Вещей - это то, что позволяет объектам и устройствам, таким как мобильные телефоны и датчики, "общаться" друг с другом, а также с людьми, чтобы оперативно принимать решения. Интеграция такой технологии позволяет объектам работать и решать проблемы самостоятельно. Конечно, это не искусственный интеллект, так как людям технологически позволено вмешиваться в её работу [8].

Однако в случае противоречивых целей, решение проблемы обычно поднимается на более высокие позиции. Согласно Германну, Пентеку и Отто [10], "вещи" и "объекты" можно понимать как CPS (Cyber-Physical Systems). Поэтому IoT можно определить как сеть, в которой CPS взаимодействуют друг с другом посредством уникальных схем адресации и взаимосвязи.

Интернет услуг IoS

В современном мире каждое электронное устройство, скорее всего, будет подключено либо к другому устройству, либо к Интернету. Благодаря развитию и разнообразию электронных и интеллектуальных устройств наличие большого количества такой техники создаёт определённые сложности.

Смартфоны, планшеты, ноутбуки, телевизоры и даже часы становятся всё более взаимосвязанными. Интернет услуг направлен на создание оболочки, которая упрощает работу со всеми подключёнными устройствами, чтобы максимально использовать их.

Smart Factory (Умный завод)

Смарт-фабрики являются ключевой особенностью Industry 4.0. Умный завод работает по принципу так называемой Calm-system.Calm-system - это система, которая может взаимодействовать как с физическим миром, так и с виртуальным. Такие системы называются "фоновыми системами" и в некотором смысле работают "за сценой". Calm-system анализирует и контролирует окружающую среду и окружающие её объекты. Они также могут быть снабжены информацией об изготовляемом объекте, чертежами и моделями. По словам Германна, Пентека и Отто, Smart Factory, "смарт-фабрика", может быть определена как производство, где CPS связывается с IoT, помогая людям и машинам в выполнении производственных задач [10].

Индустрия 4.0. Принципы проектирования.

Принципы проектирования позволяют производителям исследовать потенциальную трансформацию технологий Industry 4.0. Основываясь на приведённых выше компонентах, укажем следующие принципы проектирования:

• Взаимодействие: объекты, машины и люди должны иметь возможность сообщаться через Интернет Вещей и Интернет Людей. Это самый важный принцип, который действительно делает фабрику, завод, производство "умным".

• Виртуализация: CPS должны иметь возможность имитировать и создавать виртуальную копию реального мира. CPS также должны иметь возможность контролировать объекты, существующие в окружающей среде. Проще говоря, должна быть виртуальная копия всего.

• Децентрализация: способность CPS работать независимо. Это даёт возможность для индивидуальных продуктов и решения проблем. Это также создаёт более гибкую среду для производства. В случае неудачи или наличия противоречивых целей проблема делегируется на более высокий уровень. Однако даже при использовании таких технологий потребность в обеспечении качества остаётся необходимой для всего процесса.

• Возможности адаптации и изменений в реальном времени: "Умная фабрика" должна иметь возможность собирать данные в реальном времени, хранить или анализировать их, принимать решения в соответствии с новыми результатами. Это ограничивается не только исследованиями рынка, но и внутренними процессами, такими как отказ машины на производственной линии. "Умные объекты" должны иметь возможность идентифицировать дефект и переназначать задачи другим операционным машинам. Это также в значительной степени способствует гибкости и оптимизации производства.

• Ориентация на обслуживание: производство должно быть ориентировано на клиента. Люди и "умные объекты/устройства" должны иметь возможность эффективно подключаться через Интернет для создания продуктов на основе спецификаций заказчика. Именно здесь "Интернет услуг" и становится таким важным элементом.

• Модульность: на динамичном рынке уникальные характеристики Smart Factory необходимы для адаптации к новому рынку. В типичном случае для средней компании, вероятно, потребуется неделя, чтобы изучить рынок и соответственно изменить производство. С другой стороны, "умные заводы" должны быть способны быстро и плавно адаптироваться к сезонным изменениям и тенденциям рынка.

Преимущества и проблемы.

Индустрия 4.0 действительно революционизирует работу производственных процессов. Однако важно оценить преимущества и проблемы, с которыми могут столкнуться компании [10].

Преимущества Индустрии 4.0.

• Оптимизация. Оптимизация производства является ключевым преимуществом для Индустрии 4.0. "Смарт-завод", содержащий сотни или даже тысячи смарт-устройств, способных самостоятельно оптимизировать производство, приведёт к почти нулевому времени простоя в производстве. Это чрезвычайно важно для отраслей, использующих дорогостоящее производственное оборудование, такое как полупроводниковая промышленность. Способность использовать такую продукцию постоянно и последовательно приносит прибыль компании. Согласно исследованию, опубликованному PwC, и проанализированному Германном и соавторами [10], "Оцифрованные продукты и услуги обеспечивают примерно 110 млрд евро дополнительных доходов в год для европейской промышленности".

• Настройка: создание гибкого рынка, ориентированного на клиента, поможет быстро и оптимально удовлетворить потребности общества. Это также сократит разрыв между производителем и клиентом, так как коммуникация будет проходить между ними напрямую.

• Pushing Research (стимулирующие исследования): внедрение технологий в рамках Индустрии 4.0 позволит продвигать исследования в различных областях, таких как безопасность в IT, оказывать влияние на образование, в частности. Новая концепция потребует и нового набора навыков. Следовательно, образование и профессиональная подготовка приобретут новую форму, обеспечивающую потребности в необходимой квалифицированной рабочей силе.

Проблемы Индустрии 4.0.

• Безопасность: возможно, наиболее сложным аспектом внедрения технологий Индустрии 4.0 является риск безопасности в ИТ. Онлайн-интеграция, присущая данной концепции спровоцирует рост числа нарушений безопасности и утечке данных. Также необходимо учитывать кибер-криминал. В этом случае проблема не является индивидуальной, но может и, вероятно, будет стоить производителям дополнительных затрат, а также может повредить их репутации. Поэтому исследования в области безопасности имеют решающее значение.

• Капитальные вложения: трансформация потребует крупных инвестиций в новые технологии. Риски должны быть досконально проанализированы. Кроме того, потребуется инвестирование крупного капитала, который отчуждает более мелкие предприятия и может стоить им их доли рынка в будущем.

• Занятость: пока ещё рано судить об условиях занятости с внедрением Индустрии 4.0 в глобальном масштабе, но можно с уверенностью сказать, что производственному персоналу необходимо будет приобрести совершенно новые и разносторонние навыки. Это может способствовать росту занятости, но вместе с тем оттолкнёт большое количество вспомогательных работников всех отраслей. Одним из решений может быть введение новых форм дополнительного образования.

• Конфиденциальность: это не только забота клиента, но и производителя. В такой взаимосвязанной концепции, как Индустрия 4.0 производители должны собирать и анализировать большое количество данных. Для клиента это может показаться угрозой его конфиденциальности. Малым или крупным компаниям, которые раньше не делились своими данными, придётся прокладывать себе путь в более прозрачной среде. Преодоление разрыва между потребителем и производителем станет краеугольной проблемой для обеих сторон.

• Будущее работников производств: Индустрия 4.0 содержит в себе многообещающие перспективы в области прибыли, инвестиций и технологических достижений. Но занятость по-прежнему остаётся одним из самых проблемных аспектов новой промышленной революции. Ещё труднее оценить потенциальный уровень занятости в условиях Индустрии 4.0. Какие новые рабочие места она представит? Что должен делать работник Smart Factory, чтобы иметь возможность конкурировать в постоянно меняющейся среде Индустрии 4.0? Будут ли такие изменения способствовать массовым увольнениям? Все эти вопросы относятся к среднестатистическому производственному работнику напрямую и если не затрагивают нынешнее поколение, то через 20 лет данный вопрос станет обыденностью. Данная проблема требует комплексного подхода к анализу и решению.

Индустрия 4.0 может стать пиком технологического прогресса в производстве (относительно прошлых достижений) и с большой долей вероятности роботизация негатив-

но повлияет на человеческую занятость. Следовательно, важно проанализировать возможные варианты развития событий в области будущей демографии труда, разработать стратегию работы с данными рисками [5].

Учитывая характер новой концепции, она предоставит новые рабочие места в области анализа большого количества данных, экспертов в области робототехники, инженерии и механики. Выделим некоторые важные изменения, которые повлияют на демографию занятости:

• Контроль качества с использованием "больших данных". Контроль качества в значительной степени зависит от статистических методов, показывая, изменяется ли конкретная особенность продукта (например, размер или вес) относительно эталона. Конечно, такой процесс во многом зависит от сбора данных в реальном времени или исторических данных о продукте. Однако, поскольку Индустрия 4.0 предполагает работу с базами данных большого объёма, потребность в работниках по контролю качества будет уменьшаться. С другой стороны, спрос на крупных учёных-специалистов увеличится.

• Роботизированное производство: вся основа новой Индустрии 4.0 полагается на "умные устройства", способные взаимодействовать с окружающей средой. Это означает, что работники, которые в производстве являются вспомогательными (например, упаковщики), будут сокращены и заменены интеллектуальными устройствами, оснащёнными камерами, датчиками и приводами, которые смогут идентифицировать продукт, а затем вносить необходимые изменения в него. Следовательно, спрос на всех вспомогательных работников снизится и будет заменён координаторами роботов.

• "Самостоятельные" транспортные средства для логистики: одним из наиболее важных направлений оптимизации является транспорт. Инженеры используют методы линейного программирования (например, транспортную модель) для контроля транспортных процессов. Однако с самоходными автомобилями и с помощью вычислений в рамках систем баз больших объёмов данных многие водители будут неизбежно сокращены. Кроме того, наличие самоходных автомобилей позволяет использовать рабочее время без ограничений, присущих человеку, при этом увеличивая КПД.

• Моделирование производственных линий: ожидается повышение потребности в промышленных инженерах (которые обычно работают над оптимизацией) для имитации процессов производственных линий. Наличие технологий для моделирования производственных линий откроет рабочие места для инженеров-механиков.

• Прогностическое обслуживание: наличие интеллектуальных устройств позволит производителям прогнозировать сбои. Умные машины смогут самостоятельно поддерживать себя. Следовательно, количество традиционных работников технического обслуживания упадёт, и они будут заменены более технически информированными специалистами.

• "Машина" как услуга: новая концепция также позволит производителям продавать машину как услугу. Это означает не продажу всей машины клиенту, но её настройку и поддержку производителем, в то время как клиент использует предоставляемые ею услуги. Это откроет рабочие места в сфере обслуживания машин и потребует расширения продаж.

Индустрия 4.0 определенно является революционным подходом к технологиям производства. Концепция подтолкнёт глобальных производителей к новому уровню оптимизации и производительности. Клиенты в свою очередь также будут пользоваться новым уровнем кастомизированных продуктов, которые раньше не были так широко доступны. Как упоминалось выше, экономические выгоды огромны и только подлежат точному подсчёту [7].

Однако по-прежнему существует множество проблем, которые необходимо систематически решать, чтобы обеспечить плавный переход промышленности на уровень Индустрия 4.0. Эта проблема должна быть в центре внимания крупных корпораций и правительств.

Хотя спекуляции в отношении конфиденциальности, безопасности и занятости требуют большего изучения, общая картина является многообещающей. Такой подход к производству, как Индустрия 4.0 действительно революционен.

Список использованных источников

1. Кастельс М. Информационная эпоха: экономика, общество и культура / Пер. с англ.; под науч. ред. О.И. Шкаратана. - М.: ГУ ВШЭ, 2000.

2. Кнорр-Цетина К. Социальность и объекты. Социальные отношения в постсоциальных обществах знания // Социология вещей: Сб. статей / Под ред.В. Вахштайна. -М.: ИД "Территория будущего", 2006.

3. The State Council of the People's Republic of China, "Made in China 2025", Available at:http://english.gov.cn/2016special/madeinchina2025/. Last accessed: 24.11.2016.

4. Thomas Bauernhansl, JorgKrüger, Gunther Reinhart, GüntherSchuh: Wgp-Standpunktlndustrie 4.0, Wissenschaftliche Gesellschaftfür ProduktionstechnikWgp e. v., 2016.

5. U.R. Dhar. "Flexible manufacturing systems: Major breakthrough in manufacturing management", Elsevier Engineering Management International, Volume 5, Issue 4, May 1989, pp. 271-277.

6. Yoram Korena, Moshe Shpitalnib. "Design of reconfigurable manufacturing systems", Elsevier Journal of Manufacturing Systems, Volume 29, Issue 4, October 2010, pp. 130141. https://doi.org/10.1016/jjmsy.2011.01.001.

7. N.G. Nayak, F. Dürr and K. Rothermel. "Software-defined environment for recon-figurablemanufacturing systems, Internet of Things (IOT)", 2015, 5th International Conferenceon the Seoul, 2015, pp. 122-129.

8. B.C. Morello, B. Ghaouar, C. Varnier and N. Zerhouni. "Memory tracking of the health state of smart products in their lifecycle", Industrial Engineering and Systems Management (IESM), Proceedings of 2013 International Conference on, Rabat, 2013.

9. SAP SE, Available at: http://go.sap.com/corporate/en.html. Last accessed: 24.11.2016.

10. Hermann, Mario, Pentek, Tobias, Otto, Boris. "Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios: A Literature Review". IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 7, No. 4, Nov. 2015.