CC BY
182
Vladimir Anatolyevich Mizyun,
PhD in Technical Sciences, associate professor, head of the department of economics and finance, Togliatti Academy of Management
Svetlana Alekseevna Evdovskaya,
senior lecturer of the department of economics and finance, Togliatti Academy of Management
Sofiya Arkadyevna Ishkildina,
PhD in Technical Sciences,
head of the department of management and public relations Togliatti Academy of Management
Владимир Анатольевич Мизюн,
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Экономика и финансы», Тольяттинская академия управления
Светлана Алексеевна Евдовская,
ст. преподаватель кафедры «Экономика и финансы», Тольяттинская академия управления
София Аркадьевна Ишкильдина,
кандидат технических наук, зав. кафедрой «Управление и связи с общественностью», Тольяттинская академия управления
УДК 338.2:004
ЦИФРОВОЕ ПРОИЗВОДСТВО: ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Цифровая трансформация предприятий становится ключевым фактором повышения конкурентоспособности и эффективности производства. Это требует применения новых информационных технологий управления системами машин и поддержки сетевого взаимодействия людей-операторов производственной системы с использованием искусственного интеллекта. В статье рассмотрены отличительные характеристики, принципы организации и перспективы развития цифрового производства в рамках концепции индустрии 4.0. По результатам аналитического обзора перспективных разработок в области промышленных информационных систем показано, что наиболее востребованными для реализации задачи адаптивного управления производством являются мультиагентные технологии. Их внедрение обеспечивает повышение качества и эффективности работы предприятий, сокращение затрат, снижение зависимости процесса производства от человеческого фактора. Результаты исследования могут быть использованы в качестве методологической основы для цифровой трансформации отечественных предприятий.
Ключевые слова: цифровая трансформация предприятий, индустрия 4.0, четвертая промышленная революция, мультиагентные технологии, искусственный интеллект, киберфизические системы, виртуализация.
DIGITAL PRODUCTION: DISTINCTIVE CHARACTERISTICS AND PROSPECTS FOR DEVELOPMENT
The article states that digital transformation of enterprises is becoming a key factor in increasing their competitiveness and production efficiency. This change requires using new information technology to manage digital systems and support network interaction between human operators of the production system with the help of artificial intelligence. The article describes the distinctive characteristics, principles of organization and prospects for the development of digital production in the framework of the 4.0. industry concept. According to the results of an analytical review of promising developments in the field of industrial information systems the authors argue that multi-agent technologies are the most popular for the implementation of adaptive production management tasks. Their implementation ensures an increase in the quality and efficiency of enterprises, reduction of costs and lowering the dependence of the production process on human factor. The results of the study can be used as a methodological basis for the digital transformation of Russian enterprises.
Keywords: digital transformation of enterprises, industry 4.0, the fourth industrial revolution, multi-agent technologies, artificial intelligence, cyber-physical systems, virtualization.
Введение
В настоящее время в публичном дискурсе и академической среде активно обсуждаются вопросы современной организации производства на основе цифровизации экономики и управления [1; 2; 11]. Большинство публикаций по данной тематике посвящено так называемой концепции индустрии 4.0, провозглашенной на Ганноверской ярмарке в 2011 г. Сегодня данная концепция, введенная в научный оборот и терминологию промышленности
западных стран, используется для обозначения четвертой промышленной революции, которая, по мнению большинства исследователей, является результатом последних достижений в сфере высоких технологий, робототехники и искусственного интеллекта. Необходимо отметить, что индустриально развитые страны и транснациональные корпорации являются активными участниками процесса создания индустрии 4.0, которая позволяет максимизировать прибыль и получить долгосроч-
72 ♦-
Вестник СГСЭУ. 2019. № 4 (78) -♦
ные конкурентные преимущества на мировых рынках. Исследовательские работы осуществляются ведущими университетами и научными ассоциациями, на базе интегрированных высокотехнологичных предприятий, выпускающих наукоемкую продукцию с высокой добавленной стоимостью.
К сожалению, в отдельных работах отечественных ученых и практиков в ответ на конкурентные вызовы прослеживается тенденция «копирования» терминологии, технологий производства и управления передовых зарубежных компаний как своего рода эффективного способа преодоления проблем переходного периода и, в частности, стагнации промышленного производства. При этом в качестве основы индустрии 4.0 выдвигаются такие понятия, как: киберфизические системы, облачные вычисления и технологии больших данных, их интеропе-рабельность (совместимость), интернет вещей и т.д. По нашему мнению, они являются второстепенными, так как не раскрывают сущности концепции индустрии 4.0, но тем не менее становятся популярными в научной среде и бизнесе, наряду с понятиями интеграции и виртуализации (цифровиза-ции) процесса производства, децентрализации управления, работы в режиме реального времени и т.п. Эти частные, сугубо технические понятия характеризуют исключительно способы и средства реализации новой концепции организации производства, но не отражают ее содержания.
Так или иначе, в основе концепции цифрового производства лежит процесс объединения гибких производственно-технологических цепочек создания ценностей на принципах самоорганизации и оптимального регулирования (саморегулирования) деятельности производственных единиц в составе интегрированного предприятия. Исходя из этого утверждения, ключевым фактором конкурентоспособности и эффективности цифрового производства становится интеллектуальная поддержка процессов сетевого взаимодействия и кооперации производственных единиц, осуществляющих совместную предметную деятельность. Осознание этого важного следствия, вытекающего из проведенных нами ранее теоретических и прикладных исследований в области организационного проектирования [4; 5], является весомой альтернативой непродуктивным подходам к реинжинирингу отечественных предприятий.
В статье показана необходимость изучения фундаментальных принципов организации и саморегулирования интегрированных производственных систем с использованием интеллектуальных технологий, на основе которых можно успешно реализовывать собственные отечественные разработки в рамках концепции индустрии 4.0 с учетом отраслевых особенностей российских предприятий и национальной экономики.
Понятие цифрового производства
Цифровое, или «умное», производство, которое является основой концепции индустрии 4.0, нахо-
дится в фокусе внимания многих университетов, исследовательских центров и компаний. Однако общепринятого определения этого понятия на сегодняшний момент не существует. В отдельных работах на основе анализа зарубежных публикаций дается определение концепции индустрии 4.0, которая, согласно мнению специалистов Всемирного экономического форума, развивает идею тотальной компьютеризации производства и последующего за этим объединения цифровых, физических и биологических систем в единую интегрированную производственную систему [10; 12; 13]. По мнению разработчиков, в такой виртуальной, интегрированной производственной системе машины, оборудование и информационные подсистемы, оснащенные искусственным интеллектом, должны быть соединены на протяжении всей цепочки создания ценности, выходящей за рамки одного предприятия или бизнеса, и могут функционировать условно независимо от людей-операторов при выполнении отдельных заказов потребителей. Системы машин, объединенные в перманентно формируемые виртуальные динамические цепочки создания ценности (продукта), могут автономно изменять собственную конфигурацию и шаблоны производственных заданий, исходя из текущего набора заказов индивидуальных потребителей.
К сожалению, приведенная выше характеристика цифрового производства не отражает его сущности и отличительных свойств, для выявления которых необходимо рассмотреть предпосылки возникновения и этапы развития концепции индустрии 4.0.
Предпосылки возникновения и этапы развития концепции индустрии 4.0
Концепция индустрии 4.0 исторически связана с понятием компьютерно-интегрированного производства (КИП) и соответствующей ему терминологии. Данная концепция возникла в технической и экономической кибернетике (в конце 1980-х - начале 1990-х гг.) и развивалась при осуществлении НИОКР по созданию автоматизированных гибких производственных систем (ГПС) в рамках отдельно взятых промышленных предприятий, где все технологические операции, связанные с производством продукции, объединялись под управлением компьютеров.
Изысканиям в данной области было посвящено значительное число научных исследований, при этом на создание экспериментальных компьютерно-интегрированных производств были затрачены значительные финансовые средства. Тем не менее решить поставленную научно-практическую задачу общей/глобальной интеграции производственного процесса посредством автоматизации управления не удалось по ряду причин, включая ошибки методологического характера. Как показали дальнейшие исследования в данной области, методологической ошибкой, допущенной в 1990-х гг.
разработчиками КИП, является то, что в основу автоматизированной системы управления производством была заложена концепция автоматического регулирования, которая разрабатывалась на основе аппарата классической математики (линейных и нелинейных дифференциальных исчислений) для относительно простых, закрытых технических систем [6]. Попытки эффективного решения трудно формализуемых и неформализу-емых задач управления, преобладающих в сложных, открытых производственно-экономических системах, с помощью прагматики и ограниченного интеллекта вычислительных систем с классической архитектурой приводили к грубым ошибкам в оперативном регулировании динамичного процесса производства и оказались бесперспективными. В конечном итоге концепция КИП исчерпала свои возможности к 2000-м гг., ограничившись задачами автоматизации технологических операций (процессов) в многофункциональных обрабатывающих центрах, а также проектно-аналитическими и планово-учетными задачами, реализуемыми с помощью корпоративных информационных систем (КИС).
Сегодня создаваемые на их основе гибкие роботизированные производства с избыточной функциональностью (Flexible manufacturing system — FMS) направлены на развитие новой концепции мехатронных обрабатывающих центров, с последующим переходом в будущем на реконфи-гурируемые производственные системы (Reconfigurable manufacturing system — RMS), которые обладают возможностью адаптации архитектуры производственной системы к изменениям рыночного спроса. Организация современного производства на основе новейших промышленных технологий позволяет параллельно выполнять большую часть технологических операций по обработке предметов труда, что значительно сокращает (примерно на 2/3) время их пребывания в производственном процессе, обеспечивая минимизацию производственных затрат и увеличение оборачиваемости ресурсов.
В свою очередь, это требует применения более эффективных информационных технологий управления системами машин: обрабатывающими центрами, транспортными и другими устройствами, а также людьми-операторами, - параллельно работающими в интегрированной производственной системе, с целью синхронизации их совместной деятельности в пространстве и времени. Результаты аналитического обзора перспективных разработок в области промышленных IT-технологий [3] показывают, что наиболее востребованными для реализации этой задачи являются мульти-агентные технологии, которые позволяют решать сложные, трудно формализуемые задачи управления интегрированным высокотехнологичным производством и создавать промышленные системы нового класса. Их внедрение обеспечивает
повышение качества и эффективности работы предприятий, сокращение затрат, снижение зависимости процесса производства от человеческого фактора.
Принципиальным отличием мультиагентных систем распределенного управления производством является то, что они представляют собой не монолитную компьютерную программу управления производственными ресурсами (по примеру MRP/ERP-систем), а совокупность некоторого множества интеллектуальных информационных программ-агентов, которые являются виртуальными аналогами (электронными профилями) реальных элементов производственного процесса (машин, транспортных устройств, заказов, продуктов, ресурсов и т. п.). Информационные агенты способны согласованно взаимодействовать друг с другом, с окружающей их информационной и адаптировать состояние и поведение реальных объектов при изменении параметров среды. Программные агенты могут самостоятельно оптимизировать параметры функционирования реальных объектов, для достижения максимального результата, например: выполнение производственного заказа в срок, с максимальной загрузкой оборудования и минимальными затратами. Первоначально сложная, трудно формализуемая задача управления производством декомпозируется программными агентами на подзадачи, которые решаются независимо, но потом полученные решения объединяются и согласовываются между собой в режиме реального времени с учетом выявляемых конфликтов интересов и сбоев в процессе производства по общесистемному критерию эффективности.
Пример распределенного решения сложных задач адаптивного управления производством (DisrtibutedProblem Solving) представлен в работе [9]. По мнению разработчиков, динамическое планирование работы цифрового предприятия (Smart Factory) должно осуществляться не на основе классического комбинаторного поиска оптимальных вариантов календарного плана работ, а как процесс балансировки ресурсов между интересами всех интеллектуальных агентов интегрированной производственной системы. Это означает, что каждое событие, например поступление нового заказа, отказ оборудования, задержка в доставке материалов или выполнении операций рабочими, изменение приоритетов или новые срочные задачи, может повлиять на расписание работ и стать причиной сдвига или перераспределения ранее запланированных заказов и ресурсов между производственными участками в режиме реального времени. В такой ситуации программные агенты проактивно реагируют на события и пытаются адаптировать текущий производственный план к новым условиям, сдвигая цепочки запланированных ранее технологических операций или перенося их на свободные рабочие места и единицы оборудования.
74 ♦-
Вестник СГСЭУ. 2019. № 4 (78) -♦
Концепция цифровизации (компьютерной интеграции) производства не ограничивается отдельным предприятием и ориентирована на применение в более широких масштабах сетевых виртуальных организаций и территориальных кластеров в качестве универсального подхода к оптимизации операционных затрат при осуществлении предпринимательской деятельности. При этом деятельность может быть связана как с добычей и переработкой сырья (нефтегазовые, химические и другие кластеры), так и с разработкой и производством наукоемкой продукции мирового класса (например, образование европейского консорциума AIRBUS Industries, производящего аэробусы A-310 и др.).
Состояние исследований в данной области и перспективы развития
На сегодняшний момент разработки в области цифровых промышленных технологий позволяют увеличить производительность и эффективность производства на высокотехнологичных предприятиях наукоемких отраслей, для которых характерны постоянные инновации, сложность и динамичность производственного процесса, а также высокий уровень неопределенности спроса и предложения на рынках товаров. В перспективе на их основе можно будет создавать промышленные системы принципиально нового класса - интеллектуальные (саморегулируемые) производственные системы следующего поколения (Intelligent /Next Generation Manufacturing Systems - IMS/NGMS), базирующиеся на фундаментальных принципах самоорганизации и адаптивного поведения.
Данное направление исследований получило широкий мировой резонанс в ответ на реальные потребности промышленности и сегодня осуществляется крупными международными консорциумами по инициативе правительств ведущих индустриально развитых стран: ЕС, США, Канады, Японии, Кореи, Китая и др., в целях повышения конкурентоспособности своих промышленных предприятий на мировых рынках и, как следствие, устойчивого развития национальной экономики. Это обусловлено тем, что в странах Запада наступает предел роста традиционных (четвертого и пятого) технологических укладов. Европа и США постепенно переходят к новому, шестому технологическому укладу, для которого характерна так называемая неоиндустриализация, когда на территории развитых государств создаются предприятия, способные производить продукцию с использованием новейших технологий, таких как системы искусственного интеллекта и глобальные информационные сети, робототехника и молекулярная электроника, нано- и биотехнологии, производство конструкционных материалов с заранее заданными свойствами, новые источники энергии и др.
В нашей стране разработки по данной проблеме осуществляются рядом исследовательских центров в Москве, Санкт-Петербурге, Самаре и других го-
родах в рамках междисциплинарных исследований в области организационного управления, автоматизации производства, кибернетики и инженерной психологии. Инженерно-технические задачи цифровизации производства исследуются в России несколькими научными школами, специализирующимися в области экономической кибернетики и применения систем искусственного интеллекта в автоматизации производственно-экономических и управленческих задач. Лидирующие позиции в этом направлении исследований занимают МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также ведущие ученые институтов и региональных подразделений РАН, в частности: С.Н. Васильев, Н.Н. Бахтадзе (Институт проблем управления, Москва); В.И. Городецкий и др. (Институт информатики и автоматизации, Санкт-Петербург); В.А. Виттих, П.О. Скобелев и др. (Институт проблем управления сложными системами, Самара).
Наиболее близкий к рассматриваемой в настоящей работе проблематике прототип мультиагент-ной системы управления производством машиностроительных предприятий в реальном времени представляет собой совместная разработка Института проблем управления сложными системами Самарского отделения РАН и научно-производственной компании «Разумные решения», выполненная под научным руководством проф. П.О. Скобелева [8]. Основу данной разработки составляют алгоритмы генерализации «сети связанных расписаний» технологических операций с использованием механизмов информационного взаимодействия интеллектуальных информационных агентов в виртуальной среде мультиагентной системы.
Тем не менее предлагаемые разработчиками системотехнические и инженерные решения не лишены недостатков, поскольку реализуются на основе линейных планов-графиков Ганта. Очевидным недостатком данного подхода является объективная ограниченность применяемого аппарата теории расписаний и календарного планирования, которые с позиции перспективы малопригодны для отображения и оптимизации процессов функционирования развивающихся, саморегулируемых систем, какими являются цифровые предприятия.
Данное обстоятельство обусловливает необходимость междисциплинарных теоретико-методологических исследований и технических разработок в области конструирования цифровых предприятий как открытых развивающихся (живых) систем, в которых процессы самоорганизации и саморегуляции опираются на активные элементы производственной системы - людей-операторов и искусственный интеллект машин. Исследования глубинных причин самоорганизации показывают, что, в отличие от традиционных промышленных предприятий, функционирование цифрового производства должно быть основано на процессах сетевого информационного взаимодействия активных элементов производственной системы [7]. Это требует создания более мощного математического обес-
печения и принципиально новых вычислительных алгоритмов.
Концепция «умной» фабрики в настоящее время проходит этапы разработки и апробации. По мнению разработчиков, первые цифровые предприятия начнут функционировать через пять лет. Предполагается, что в цифровом производстве все системы машин будут оснащены искусственным интеллектом и объединены в единую структуру более высокого уровня с возможностью обмена информацией по единому сетевому протоколу через бесконтактную сеть на основе Wi-Fi. Это позволит машинам получать сведения об изменившихся условиях работы и самостоятельно вносить корректировки в технологический процесс и таким образом управлять ходом производства.
Интеллектуальные производственные системы будут способны осуществлять внутрифирменную кооперацию, общаться с логистическими системами поставщиков и потребителями по специальным промышленным сетям интернета, а также подключать другие фирмы к производственным процессам на условиях аутсорсинга для снижения издержек производства и более полной загрузки оборудования.
Заключение
Концепция индустрии 4.0 представляет собой результат эволюционного развития средств автоматизации технологического оборудования, математического обеспечения, машинных систем и информатики, используемых для разработки и внедрения «безлюдных» технологий в промышленном производстве. В условиях растущей конкуренции производители товаров испытывают потребность в более эффективных способах использования ресурсов, улучшения качества и сокращения сроков изготовления продукции. Переход предприятий от массового к индивидуальному производству продукции на заказ требует более гибкого и оперативного управления процессом производства в реальном времени.
Развитие концепций и вычислительных алгоритмов оптимизации производства идет сегодня по пути создания адаптивных систем управления, пригодных для быстроменяющейся окружающей среды. Позицию наиболее эффективных инструментов оперативного управления при решении широкого круга производственных задач в режиме реального времени занимают мультиагентные системы управления производством Smart Factory, которые сегодня успешно применяются на российских машиностроительных предприятиях авиационно-космической отрасли (ПАО «Кузнецов»,
АО «Авиа-Агрегат», АО «Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг"» и др.).
На этой новой технологической основе предполагается дальнейшее повышение гибкости цифрового производства и индивидуализации продукции.
1. Гримашевич О.Н. Стратегическое управление компаниями в условиях цифровой экономики // Вестник Саратовского государственного социально-экономического института. 2018. № 5 (74). С. 7-11.
2. Ефремова Н.А., Игнатова Г.В. Особенности цифро-визации российских предприятий в современных условиях // Вестник Саратовского государственного социально-экономического института. 2018. № 3 (72). С. 20-22.
3. Лахтер М.Д. Мультиагентные технологии, как инструмент перехода к экономике знаний // Бизнес-образование в экономике знаний. 2015. № 2 (2). С. 27-32.
4. Мизюн В.А. Основы регулятивного управления интегрированным наукоемким производством // Аудит и финансовый анализ. 2013. № 4. С. 265-276 (начало).
5. Мизюн В.А. Основы регулятивного управления интегрированным наукоемким производством // Аудит и финансовый анализ. 2013. № 5. С. 294-311 (окончание).
6. Мизюн В.А. Интеллектуальное управление производственными системами и процессами: принципы организации и инструменты. Самара: СНЦ РАН, 2012.
7. Мизюн В.А. Цифровые технологии инновационного менеджмента // Инновации в менеджменте. 2015. № 1 (3). С. 40-48.
8. Прилепский И.В., МайоровИ.В., ШепиловЯ.Ю. Опыт внедрения мультиагентной системы управления «Smart factory» в инструментальном цехе №50 АО «Авиаагрегат» // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды XVII Междунар. конф. / под ред.: Е.А. Федосова, Н.А. Кузнецова, В.А. Виттиха. Самара: СНЦ РАН, 2015. С. 88-96.
9. Скобелев П. О., Жиляев А. А., Майоров И.В., Елисеев В. Г., Травин В.С., Симонова Е.В. Оперативное управление ресурсами цехов на основе мультиагентного подхода // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: труды XIX Междунар. конф. / под ред.: Е.А. Федосова, Н.А. Кузнецова, В.А. Виттиха. Самара: СНЦ РАН, 2017. С. 474-485.
10. ЮдинаМ.А. Индустрия 4.0: перспективы и вызовы для общества // Государственное управление. Электронный вестник. 2017. Вып. № 60. С. 197-215.
11. Яшина М.Н., Бочарова С.В., Пименов В.В. Модернизация промышленных предприятий в условиях цифровой экономики // Вестник Саратовского государственного социально-экономического института. 2018. № 4 (73). С. 22-27.
12. Industry 4.0. Challenges and Solutions for the Digital Transformation and Use of Exponential Technologies / Deloitte. URL: https://www2.deloitte.com/ch/en/pages/manufactu ring/articles/manufacturing-study-industry-4.html# (accessed: 10.03.2019).
13. Industry 4.0: The Computerization of Manufacturing // IK4-TEKNIKER [Site]. 07.03.2016. URL: http://www.tekniker. es/en/industry-4-0-the-computerization-of-manufacturing (accessed: 10.03.2019).
