CC BY
21DOI:10.38197/2072-2060-2023-239-1-291-306
прикладные основы формирования кибер-
физических систем на высокотехнологичных промышленных предприятиях в условиях цифровой
трансформации промышленности applied bases of formation of cyber-physical systems in high-tech industrial enterprises under conditions of digital transformation of industry
î ci 1
ГОЛОВ РОМАН СЕРГЕЕВИЧ
Заведующий кафедрой «Менеджмент и маркетинг высокотехнологичных отраслей промышленности» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», член Президиума ВЭО России, д.э.н., профессор
ROMAN S. GOLOV
Head of the Department "Management and Marketing of High-Tech Industries" FGBOU VO "Moscow Aviation Institute (National Research University)", Member of the Presidium of the VEO of Russia, Doctor of Economics, Professor
МЫЛЬНИК АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
Доцент кафедры «Менеджмент и маркетинг высокотехнологичных отраслей промышленности» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», к.э.н.
ALEXEY V. MYLNYK
Associate Professor of the Department of Management and Marketing of High-Tech Industries, Moscow Aviation Institute (National Research University), Ph.D
АННОТАЦИЯ
Авторское исследование посвящено одному из важнейших технологических направлений цифровой трансформации высокотехнологичных промышленных предприятий - формированию киберфизических систем. В рамках исследования авторами обосновывается актуальность цифровизации российской промышленности, разрабатывается авторское определение термина «киберфизическая система». Определяются основные экономические и технологические эффекты от внедрения подобных систем на предприятиях. Также в рамках раскрытия
прикладных основ формирования киберфизических систем разрабатывается два варианта их структурной декомпозиции, отражающих различные уровни иерархии подобных систем, а также применяемые в рамках их построения технологии и программные продукты. В качестве существующих успешных кейсов приводятся реальные примеры внедрения киберфизических систем на российских предприятиях. В заключительной части статьи разрабатывается универсальный поэтапный алгоритм формирования киберфизической системы на высокотехнологичном предприятии. ABSTRACT
The author's research is devoted to one of the most important technological areas of digital transformation of high-tech industrial enterprises - the formation of cyber-physical systems. The authors justify the relevance of digitalization of Russian industry, develop the author's definition of the term "cyber-physical system". The main economic and technological effects of the introduction of such systems in enterprises are defined. Also within the framework of disclosure of applied bases of formation of cyber-physi-cal systems two variants of their structural decomposition are developed, reflecting different levels of hierarchy of such systems, as well as technologies and software products used in the framework of their construction. Real examples of implementation of cyber-physical systems at Russian enterprises are given as existing successful cases. The final part of the article develops a universal step-by-step algorithm for the formation of a cyber-physical system at a high-tech enterprise.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Индустрия 4.0, высокотехнологичное предприятие, цифровая трансформация, цифровизация предприятия, киберфизическая система, интеллектуальная автоматизация производства, архитектура кибер-физической системы, алгоритм формирования киберфизической системы.
1 г
KEYWORDS
Industry 4.0, high-tech enterprise, digital transformation, digitalization of the enterprise, cyberphysical system, intelligent automation of production, architecture of cyberphysical system, algorithm of cyberphysical system formation.
В современных экономических условиях, связанных с ограниченностью доступных ресурсов и агрессивной санкционной политикой ряда западных стран, одними из важнейших стратегических приоритетов для российской экономики становятся развитие высокотехнологичных отраслей промышленности и достижение технологического суверенитета. Наиболее крупным направлением организационного и технологического развития отечественных высокотехнологичных предприятий выступает проведение их цифровизации в контексте парадигмы Четвертой промышленной революции (Индустрия 4.0).
Прежде всего, актуальность проведения цифровизации на высокотехнологичном промышленном предприятии связана с необходимостью повышения его экономической эффективности [4]. На наш взгляд, в условиях глобального распространения технологий Индустрии 4.0 российские предприятия должны быть готовы к серьезным структурным изменениям. При этом цифровизация является неотъемлемой частью технологического прогресса, обеспечивающего повышение качества производственного процесса и увеличение производительности. Одним из преимуществ цифровизации производства является повышение скорости выполнения производственных задач [3]. Использование современных цифровых технологий
позволяет значительно ускорить процесс производства, что, в свою очередь, увеличивает количество продукции, выпускаемой предприятием за определенный период времени [5, 6]. Кроме того, цифровизация дает возможность устранять некоторые ошибки и допущенные недочеты, что также способствует повышению качества продукции.
В рамках проведения цифровизации промышленного предприятия осуществляется формирование комплексной цифровой инфраструктуры, включающей в себя взаимосвязанный комплекс оборудования и программных продуктов. Одним из основополагающих компонентов цифровой инфраструктуры выступают киберфизические системы. Киберфизическая система (КФС) представляет собой комплекс технических средств и программного обеспечения, предназначенный для мониторинга и управления физической средой в реальном времени. Данная система сочетает в себе возможности кибернетических систем и физических процессов, что обеспечивает эффективность принятия решений в различных сферах деятельности, таких как промышленность, здравоохранение, транспорт и другие.
Основными элементами киберфизической системы являются датчики, актуаторы, компьютеры и коммуникационные каналы, которые используются для сбора данных, анализа информации и автоматизации процессов управления. При этом для определения состояния физической среды и прогнозирования будущих событий в рамках КФС активно используются алгоритмы и математические модели, позволяющие принимать решения в режиме реального времени.
Одним из преимуществ киберфизических систем является их высокая точность и эффективность в управлении
796
производством. Они способны предсказывать возможные отклонения в процессе производства и автоматически корректировать их, что позволяет снизить количество брака и сократить затраты на производство. Кроме того, киберфизические системы обладают высокой гибкостью, что означает возможность быстро переназначать ресурсы в зависимости от изменяющихся потребностей производства [8]. Это способствует более эффективному использованию имеющихся ресурсов и повышению общей производительности.
Следует отметить, что применение киберфизических систем может значительно сократить трудозатраты персонала, так как большая часть производственных процессов автоматически контролируется и управляется вычислительной техникой. Это позволяет персоналу сосредоточиться на более высококвалифицированных задачах и повысить свой профессиональный статус. Кроме того, киберфизиче-ские системы обеспечивают лучшую защиту данных и информации производственных процессов, что в настоящее время особенно актуально в свете роста числа хакерских атак на корпоративные базы данных [2]. Системы защиты информации, встроенные в киберфизические системы, обеспечивают безопасность передачи и хранения данных.
В сравнении с традиционными системами автоматизации киберфизические системы также способны выполнять более сложные задачи и операции благодаря своей программной и аппаратной базе [1]. К примеру, они могут анализировать Большие данные, накопленные в процессе производства, и на их основе принимать решения, которые могут повлиять на эффективность производственного процесса.
Применение КФС способствует повышению экономической и технологической эффективности внедряющих их высокотехнологичных предприятий по ряду критериев [7]. В качестве одного из экономических критериев в данном случае выступает повышение экономической эффективности производства. Киберфизические системы позволяют автоматизировать производственные процессы, что способствует росту производительности предприятия и снижает затраты на трудовые ресурсы. Благодаря установке датчиков на оборудование возможны мониторинг и анализ его работы, позволяющие выявить возможные сбои, программные ошибки и устранить их еще до возникновения значимого экономического ущерба.
Еще одним источником прироста экономической эффективности в результате внедрения КФС является сокращение затрат на энергию. Киберфизические системы способны управлять энергопотреблением зданий, предприятий и промышленных объектов. Благодаря автоматизации и оптимизации процессов, подобные системы могут снизить нагрузку на электрическую сеть предприятия, что будет способствовать экономии энергии на различных этапах производства.
Не менее важным экономическим критерием является сокращение времени производственного цикла. Внедряемая на предприятии киберфизическая система способна оптимизировать процессы снабжения и производства, обеспечивая точное прогнозирование спроса на продукцию, сокращение времени ожидания поставок и уменьшение времени на обработку данных.
В числе критериев технологической эффективности КФС можно назвать их надежность и отказоустойчивость,
1по у о
которые предполагают, что система должна работать без сбоев и отказов даже в периоды высокой нагрузки на ее оборудование, а также быть способной быстро восстанавливаться в случае возникновения проблем. Для обеспечения надежности киберфизических систем используются различные технологии, например дублирование компонентов, мониторинг параметров и прогнозирование сбоев.
Вторым критерием технологической эффективности является производительность. В соответствии с данным критерием, КФС должна обеспечивать быстрый и точный отклик на действия пользователя или состояние окружающей среды. Для повышения производительности кибер-физических систем используются технологии, такие как прогнозирование нагрузки, масштабируемость компонентов и оптимизация алгоритмов обработки данных.
Третьим критерием выступает обеспечение информационной безопасности как в рамках самой системы, так и на уровне всего предприятия. КФС часто содержат конфиденциальную информацию или управляют критическими системами, поэтому безопасность является важным аспектом. Для обеспечения безопасности кибер-физических систем используются технологии, такие как криптография, контроль доступа и мониторинг событий.
На сегодняшний день уже имеются достаточно успешные примеры внедрения КФС на российских высокотехнологичных предприятиях. В частности, на предприятии ОАО «Нижнекамскнефтехим» была внедрена киберфизическая система управления, которая осуществляет мониторинг и анализ состояния оборудования, позволяет регулировать внутренние технологические
процессы и предсказывать возможные аварии. Это значительно повышает надежность и эффективность производства, а также снижает риски аварий и повреждения оборудования. В свою очередь, АО «Ростсельмаш» использует киберфизические системы для оптимизации производственных процессов. Благодаря этому удалось сократить время на производство и уменьшить количество отходов, что повысило эффективность производства и позволило снизить затраты.
Еще один пример успешного внедрения КФС — опыт предприятия «МАН Трак энд Бас РУС», на котором кибер-физические системы используются для контроля над производственным процессом и управления оборудованием. Это позволяет сократить время на ремонт и техобслуживание, увеличить производительность и повысить качество продукции. Кроме того, успешный опыт внедрение КФС был получен на предприятии «Северсталь», где была запущена система управления энергопотреблением. С помощью КФС удалось автоматизировать процесс контроля энергопотребления на производстве, что позволяет компании экономить до 20% энергии.
В числе наиболее активных направлений внедрения различных типов КФС на российских предприятиях можно назвать использование автоматизированных производственных линий с элементами искусственного интеллекта, благодаря которым удается повысить эффективность производства и сократить затраты на простои и ремонт оборудования. Кроме того, на некоторых российских предприятиях начинают активно применять системы мониторинга и управления транспортом, создаваемые на базе киберфизических технологий. Эти систе-
мы позволяют сократить затраты на топливо и снизить риск аварийных ситуаций во время транспортировки продукции.
В настоящее время существуют различные варианты структурной декомпозиции и архитектурного анализа КФС. К примеру, в более укрупненном виде архитектуру типовой КФС можно представить состоящей из трех основных слоев:
• физический слой, который включает в себя запрограммированные устройства и сенсоры для управления и мониторинга физических процессов;
• информационный слой, который обрабатывает данные, полученные от устройств и компонентов физического слоя;
• вычислительный слой, который является сердцем КФС и выполняет алгоритмы управления и контроля на основе данных, полученных от информационного слоя.
В случае более детального (низкоуровневого) подхода архитектуру КФС можно представить в следующем виде:
• уровень сенсоров и актуаторов — это уровень, на котором собираются данные с датчиков и происходит управление устройствами;
• уровень сбора и обработки данных (Data Acquisition and Processing) — на этом уровне происходит обработка данных от сенсоров, их сжатие и передача на следующий уровень;
• уровень обработки данных и принятия решений (Data Processing and Decision Making) — на этом уровне происходит анализ данных, принятие решений и управление процессами;
• уровень коммуникации и передачи данных (Communication and Data Transfer) — на этом уровне происходит передача данных между компонентами КФС, а также интеграция системы с другими системами и сервисами;
• уровень управления и мониторинга производственных процессов (Process Management and Monitoring) — на этом уровне происходит мониторинг и управление производственными процессами.
Современные киберфизические системы включают в себя ряд ключевых компонентов и технологий, выполняющих различные функции при решении прикладных задач. Одной из таких технологий является система интеллектуальной автоматизации производства, которая включает в себя цифровые системы контроля и управления. Она позволяет существенно повысить производительность, сократить затраты на техническое обслуживание производственного оборудования и повысить качество продукции. При помощи данной системы сотрудники предприятия получают возможность контролировать механические, электрические и электронные компоненты производственного оборудования с использованием программных средств.
Другой важной технологией является программное обеспечение для проектирования, моделирования и симуляции производственных процессов. Оно помогает оптимизировать производственный процесс, чтобы избежать непредвиденных сбоев, минимизировать затраты на ресурсы и повысить эффективность использования оборудования. Например, Autodesk Simulation позволяет создавать точные модели производственных процессов,
которые могут использоваться для предсказания различных производственных сценариев.
Помимо этого, в состав киберфизических систем входят различные программные продукты для управления процессами, связанными с обработкой данных. К примеру, для обработки больших объемов данных применяется программный пакет Hadoop, а ПО Apache Spark позволяет анализировать данные в режиме реального времени. Кроме того, киберфизические системы включают в себя различные инструменты для работы с данными, такие как базы данных и системы хранения данных. Такие системы необходимы для хранения, обработки и анализа больших объемов информации, которые используются во многих промышленных и научных процессах.
Решение прикладной задачи по формированию ки-берфизической системы на высокотехнологичном предприятии предполагает необходимость разработки комплексного алгоритма, включающего в себя все этапы построения КФС и взаимоувязывающего их с конкретными технологиями. В рамках данного исследования авторами был разработан собственный вариант такого алгоритма, представленный ниже.
На первом этапе необходимо проведение анализа основных задач, которые должна решать система. На данном этапе проводится определение ключевых показателей эффективности, которые будут использоваться для оценки работы системы.
На следующем этапе проводится проектирование системы на основе технологий, которые подходят для решения задачи. В данном случае промышленное предприятие может использовать различные технологии,
такие как Промышленный интернет вещей, системы обработки Больших данных, машинное обучение и т.д. Проведение анализа и проектирование на данном этапе помогут определить необходимые типы оборудования и программного обеспечения, а также требования к сетевой инфраструктуре.
Реализация третьего этапа предполагает проведение интеграции оборудования и программного обеспечения в единую систему. Данный этап занимает значительный объем времени и требует наличия в составе команды по внедрению КФС квалифицированных специалистов, которые могут производить настройку и интеграцию устройств, настройку сетей и коммуникаций между всеми элементами системы.
На четвертом этапе проводится настройка и конфигурирование всей системы на основе целевых установок, сформированных на предыдущих этапах. Настройка оборудования и программного обеспечения КФС включает в себя различные операции: настройка баз данных, создание и настройка компьютерных моделей производственных процессов, создание программ для контроля качества и т.д.
По завершении перечисленных этапов проводится тестирование системы, которое будет заключительным этапом предварительной подготовки. На этом этапе осуществляется тестирование всех функций системы с целью обеспечения ее надежности и отказоустойчивости. В том случае, если КФС неудовлетворительно выполняет тестовые задачи, происходит ее доработка и переналадка, которая повторяется до тех пор, пока они не будут выполнены с соблюдением всех установленных критериев и требований.
В заключение можно отметить, что формирование киберфизических систем является одной из основных тенденций развития цифровизации современных высокотехнологичных предприятий. Применение КФС способствует повышению эффективность производства и качества производимой продукции, уменьшению затрат, способствуя росту надежности и безопасности производственных процессов. Основные преимущества киберфизических систем — их точность, гибкость, автоматизация и защита данных — делают их важнейшим элементом любого современного высокотехнологичного производства.
Библиографический список
1. Барабанова А.А., Горемыкина Е.А., Беккалиева Н.К. Основные проблемы развития киберфизических систем в основе цифровой экономики // Цифровая наука. — 2020. — № 10. — С. 5-12.
2. Воронова В.А. Интернет вещей в России: особенности применения и возможности для развития экономики // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14., № 4. 07ECVN422
3. Голов Р.С., Мыльник А.В. Теоретические основы интеллектуально-технологического развития промышленных предприятий в контексте парадигмы «Индустрия 5.0» // Экономика и управление в машиностроении. — 2018. — № 1. — С. 10-14.
4. Голов Р.С., Мыльник А.В. Цифровая трансформация высокотехнологичных предприятий в условиях Энергоперехода 4.0 // Экономика и управление в машиностроении. — 2021. — № 5. — С. 16-19.
5. Голов Р.С., Мыльник В.В. Формирование гибких производственных систем на базе цифровых технологий на предприятиях высокотехнологичных отраслей промышленности // СТИН. — 2022. — № 2. — С. 34-36.
6. Дривольская Н.А., Моложавенко О.А. Цифровизация промыгшлен-ности как фактор устойчивого развития производства // Экономика и бизнес: теория и практика. — 2021. — № 9-1 (79). — С. 74-77.
7. Любименко Д.А., Вайсман Е.Д. Методический подход к оценке эффективности инжиниринговых проектов внедрения киберфи-зических систем в деятельность промышленный предприятий // Экономика. Информатика. — 2021. — Т. 48. — № С. 663-678.
8. Прудский В.Г. Цифровая модернизация экономики и разработка моделей управления киберфизическими организациями // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Социально-экономические науки. — 2018. — № 4. — С. 153-169.
References
1. Barabanova A.A., Goremykina E.A., Bekkalieva N.K. Osnovnye problemy razvitiya kiber-fizicheskih sistem v osnove cifrovoj ekonomiki // Cifrovaya nauka. — 2020. — № 10. — S. 5-12.
2. Voronova V.A. Internet veshchej v Rossii: osobennosti primeneniya i vozmozhnosti dlya razvitiya ekonomiki // Vestnik evrazijskoj nauki. — 2022. — T. 14., № 4. 07ECVN422
3. Golov R.S., Myl'nik A.V. Teoreticheskie osnovy intellektual'no-tekh-nologicheskogo razvitiya promyshlennyh predpriyatij v kontekste paradigmy «Industriya 5.0» // Ekonomika i upravlenie v mashinostro-enii. — 2018. — № 1. — S. 10-14.
4. Golov R.S., Myl'nik A.V. Cifrovaya transformaciya vysokotekhnolog-ichnyh predpriyatij v usloviyah Energoperekhoda 4.0 // Ekonomika i upravlenie v mashinostroenii. — 2021. — № 5. — S. 16-19.
5. Golov R.S., Myl'nik V.V. Formirovanie gibkih proizvodstvennyh sistem na baze cifrovyh tekhnologij na predpriyatiyah vysokotekhnologichnyh otraslej promyshlennosti // STIN. — 2022. — № 2. — S. 34-36.
06
6. Drivol'skaya N.A., Molozhavenko O.A. Cifrovizaciya promyshlennosti kak faktor ustojchivogo razvitiya proizvodstva // Ekonomika i biznes: teoriya i praktika. - 2021. - № 9-1 (79). - S. 74-77.
7. Lyubimenko D.A., Vajsman E.D. Metodicheskij podhod k ocenke effektivnosti inzhiniringovyh proektov vnedreniya kiberfizicheskih sistem v deyatel'nost' promyshlennyh predpriyatij // Ekonomika. Informatika. - 2021. - T. 48. - №. S. 663-678.
8. Prudskij V.G. Cifrovaya modernizaciya ekonomiki i razrabotka modelej upravleniya kiberfizicheskimi organizaciyami // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Social'no-ekonomicheskie nauki. - 2018. - № 4. - S. 153-169.
Контактная информация / Contact information
ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, корпус 5.
Moscow Aviation Institute (National Research University), 4, Volokolamskoe highway, building 5, 125993, Moscow, Russia. Голов Роман Сергеевич / Roman S. Golov [email protected]
Мыльник Алексей Владимирович / Alexey V. Mylnyk [email protected]
