Nezávislé informace o vědě a výzkumu

Technology brief: Technologie pro Průmysl 4.0

15. 11. 2017
Technology brief: Technologie pro Průmysl 4.0

Průmysl 4.0 je v poslední době často zmiňován v souvislosti s digitalizací produkčního řetězce výrobních a především průmyslových podniků. Ale co vlastně Průmysl 4.0 je a k čemu bude přispívat jeho případné zavedení do průmyslové výroby?

Termín Průmysl 4.0 začaly používat německé vládní instituce pro moderní a pokrokovou automatizaci výroby a zastřešuje současné progresivní technologie v průmyslové výrobě. Základní vizí Průmyslu 4.0 je chytrá továrna, která prostřednictvím strojů a jejich senzorů monitoruje své okolí a provádí decentralizovaná, ale vysoce kvalifikovaná rozhodnutí směřující k optimalizaci výroby. Druhou základní charakteristikou Průmyslu 4.0 je on-line propojení celého hodnotového řetězce konkrétního výrobce – a to od dodavatelů na jedné straně až k zákazníkům na straně druhé. 

Koncepce Průmysl 4.0 se pohybuje po šesti základních osách:

  1. interoperabilita - schopnost chytrých strojů a lidí spolu komunikovat,
  2. virtualizace - schopnost vytvořit virtuální model chytré továrny a využít reálně získané údaje (především z čidel strojů), které se aplikují na model chytré továrny,
  3. decentralizace - schopnost každého stroje dělat decentralizovaná a přitom maximálně kvalifikovaná rozhodnutí směřující k optimalizaci výroby,
  4. vše musí probíhat v reálném čase,
  5. orientace na služby, a to jak na služby poskytované, tak i na služby nakupované,
  6. modularita - schopnost chytré továrny adaptovat se na nové požadavky.

Průmysl 4.0 není ve skutečnosti revolucí, ale evolucí. Využívá technologie, které existují, jsou na trhu delší dobu a dozrály do plně použitelného a integrovatelného stavu. Význam zavedení koncepce Průmysl 4.0 je ale revoluční, přínosy posouvají firmy, které aplikují principy Průmyslu 4.0, mezi světovou špičku. Naproti tomu může ignorování Průmyslu 4.0 ze strany průmyslových podniků vést k jejich naprosté ztrátě konkurenceschopnosti, a to nejen na globálním, ale i na lokálním trhu.

Horizon scanning pro identifikaci technologií

Horizon scanning je metoda pro včasnou detekci příznaků potenciálně důležitých změn prostřednictvím systematického zkoumání trendů, signálů, příležitostí a hrozeb, které souvisí se zkoumaným tématem, a jejich dopadů na sledovanou oblast. Cílem provádění horizon scanningu je mapovat a komunikovat události, které mohou ovlivnit budoucí vývoj analyzovaného tématu, a tím vytvářet informační podklady pro flexibilní strategické rozhodování.

Pro testování horizon scanningu v Technologickém centru byla vybrána oblast nových technologií pro Průmysl 4.0. Účelem bylo popsat nové či nově vznikající technologie, které mohou být významné pro budoucí vývoj produkčních systémů a odhadnout jejich potenciální dopad na vývoj Průmyslu 4.0 v České republice.

Technologie byly identifikovány na základě individuálního sledování webových stránek vybraných výzkumných, poradenských a neziskových institucí z EU a USA, výzkumných a patentových databází, vědeckých časopisů, materiálů vládních a neziskových organizací, blogů, sociálních sítí apod. Pro identifikaci a zhodnocení technologií, které mohou ovlivnit budoucí vývoj českého průmyslu byl využit následný metodický postup:

  1. identifikace technologie na základě textové analýzy veřejně dostupných informačních zdrojů,
  2. interní vyhodnocení získaných výsledů experty TC AV,
  3. vytvoření databáze relevantních výsledků textové analýzy,
  4. externí hodnocení a prioritizace výsledků zařazených do databáze z hlediska Průmyslu 4.0 v ČR. Externí hodnocení bylo provedeno experty Technologické agentury ČR s hlubší znalostí vybraných technologií a systémového prostředí ČR. Prioritizace probíhala na základě významnosti a připravenosti dané technologie pro aplikaci v ČR.

Výstupy horizon scanningu

Technology brief2Pomocí výše popsaného postupu bylo identifikováno 84 technologií, které byly podle jejich hlavních charakteristik rozděleny do 4 základních klastrů: (1) technologie podporující rozvoj již existujících témat, (2) nové technologie vycházející z výzkumných aktivit, (3) technologie reagující na společenské potřeby, (4) nové technologické řešení sociálních aktivit.

Technologie tvoří relativně heterogenní skupinu. Před expertním hodnocením bylo proto vhodné přistoupit ke sjednocení úrovně jejich obecnosti a primární filtraci. Hlavním kritériem filtrace byla přímá vazba identifikovaných technologií ke zvolenému zastřešujícímu tématu - Průmyslu 4.0. Výstupem filtrace je seznam technologií zařazených do expertního hodnocení, které jsou uvedeny v následující tabulce. 

Cílem expertního hodnocení byla prioritizace nalezených technologií na základě dvou hlavních faktorů – významnosti aplikace identifikované technologie pro rozvoj Průmyslu 4.0 v ČR a připravenosti výrobního prostředí v ČR na aplikaci dané technologie. Hodnocen byl i časový horizont předpokládané aplikace každé nalezené technologie.

1 Pokročilá robotika Roboti schopné běžné kooperace s lidmi pomocí senzorů; umožňují zvýšenou flexibilitu, variabilitu, složitost a rychlost výrobních procesů.
2 Velká data Technologie zpracování velkých dat pro optimalizaci kvality produkce, redukci výrobních nákladů, zlepšování dodavatelských služeb apod. V rámci Průmyslu 4.0 se jedná zejména o sběr a komplexní vyhodnocení dat z výrobních zařízení a jejich systémů a jejich analýzu pro produkční real-time management.
3 Digitální modelování Technologie související s trendem digitalizace výroby; na základě dat ze senzorů na výrobních zařízeních (v celém dodavatelském řetězci) a na základě analýzy velkých dat umožní digitální modelování a vizualizace vytvářet simulační modely digitálních továren a ve spolupráci s virtuální realitou optimalizovat výrobní procesy.
4 Internet věcí  Technologie umožňující konektivitu a vzájemnou interakci objektů a jejich vzdálené řízení. Systém vertikálního řízení bude přecházet v horizontální komunikační systém s integrovanými mikrosystémy, které umožní zapojení více řídících regulátorů stejné hierarchické úrovně.
5 Interakce člověk-stroj  Technologie umožňující rozšíření spolupráce mezi roboty a lidmi na základě rozvoje komunikačního rozhraní (rozpoznávání hlasu, gest apod.), využitelné zejména pro posilování flexibility výrobních procesů, monitoring výroby a rozvoj umělé inteligence.
6 Rozšířená realita Technologie umožňující integrovat reálný obraz světa o uměle vytvořené objekty. V kontextu Průmyslu 4.0 se jejím využitím počítá zejména v logistických službách. Předpokládaná aplikace je i v oblasti poskytování informací o výrobních procesech v reálném čase pro zlepšení pracovních postupů a rozhodování o probíhající výrobě.
7 Virtuální asistenti Technologie pro rozpoznávání situací odvozených od individuálních potřeb uživatelů. Předpokládané aplikace je pro zlepšení interakce člověk stroj v rámci produkčního systému. Další rozvoj technologie je závislý na vývoji strojového učení a umělé inteligence.
8 Získávání energie  Technologie pro získávání malého množství energie ze zdrojů, jako je okolní teplota, vibrace, nebo proudění vzduchu. V praxi je toho využíváno zejména u mobilních zařízení, u kterých je nutné zajištění bezdrátového přísunu energie. Takto získané množství energie je relativně malé, proto tímto způsobem můžeme napájet pouze nízkopříkonová zařízení.
9 Nové senzory  Technologie pro sběr a analýzu dat v různých oblastech, v současnosti reagující na požadavky technologií internetu věcí, bezdrátového přenosu velkých dat, biosenzorů apod. Vývoj směřuje k vytváření senzorových sítí a vytváření jejich vhodných konfigurací pro splnění požadovaných algoritmů sledování prostředí při minimálním energetickém odběru. 
10 Strojové učení  Technologie zabývající se algoritmy a technikami, které umožňují počítačovému systému učit se. V kontextu Průmyslu 4.0 lze za učení považovat takovou změnu vnitřního stavu produkčního systému, která zefektivní schopnost přizpůsobit se změnám okolního prostředí a pozitivně na ně reagovat. 
11 Biosenzory  Technologie využívající rostliny jako senzory pro monitorování vnitřních parametrů prostředí, potenciálním rozvojovým směrem je zapojení těchto senzorů do bezdrátové sítě. V rámci průmyslu 4.0 je možné využití ve výrobách citlivých na kvalitu fyzického prostředí. 
12 Terahertz  Technologie pro rychlý bezdrátový přenos dat pomocí terahertzového záření; systémy založené na vlnách s terahertzovou nosnou frekvencích mohou pracovat ve velmi širokém frekvenčním pásmu a tak umožnit vysoké přenosové rychlosti (až 1011 bits/s). 
13 Automní roboty Technologie umožňující samostatnou práci naprogramovaných robotů. Rozvoj umělé inteligence a strojového učení povede k využití robotů zcela autonomních na lidském řízení a rozhodování. Vývoj technologie se zaměřuje vytvoření pravidel kontextového chování autonomních zařízení., zejména vůči lidem.
14 Mozkové rozhraní Technologie vycházející z poznatků neurověd, biotechnologií a počítačových věd, zaměřená na rozvoj umělé inteligence. Umožňuje díky nasnímaným signálům z mozku provádět vnější aktivitu. Jde o přímou komunikační cestu mezi mozkem a externím zařízením.
15 Kognitivní computing Technologie v počátcích svého rozvoje, multidisciplinární výzkum, který zahrnuje výpočty pomocí biologických neuronových sítí a ty neuronových sítí. Témata zahrnují vizi, zpracování signálů a vzorové učení, asociativní paměť, umělou inteligenci a síťové rozhodování.
16 Kvantové technologie Technologie pro extrémně vysokou přenosovou rychlost datových souborů s vysokou mírou bezpečnosti komunikace, zvyšování rychlosti zpracování dat.
17 Nové charakteristiky graphenu Nové formy využití grafenu pro potřeby Průmyslu 4.0, zejména v oblasti laserů, elektromagnetických a širokopásmových čipů apod.

Hodnocení identifikovaných technologií

Proces expertního hodnocení a prioritizace identifikovaných technologií byl prováděn s cílem označit technologie, které budou relevantní pro rozvoj Průmyslu 4.0 v České republice. Hodnocení probíhalo on-line s cílem individuálního posouzení technologií na základě výběrových kritérií, která byla sdružena do významově příbuzných skupin. Na základě výběrových kritérií byly formulovány dva hlavní parametry technologií – významnost a připravenost. Oba parametry mají komplexní charakter a pro každou technologii byly vypočítávány z hodnot, které jim byly přiřazeny experty při hlasování. Hodnocení připravenosti bylo směřováno na zjištění míry absorpční kapacity produkčního systému v ČR aplikovat identifikované technologie (toto kritérium zohledňuje faktory jako investiční náročnost, politická průchodnost aj.). Významnost byla chápána jako kombinace faktorů působících na rozvoj Průmyslu 4.0, dopad na trh práce, bezpečnost, energetickou náročnost výroby apod.). Při samotném hodnocení posuzovali experti každou identifikovanou technologii proti každému individuálnímu kritériu přiřazením známky ze stupnice 1 (nejmenší významnost/připravenost) až 5 (nejvyšší významnost/připravenost).

Technologie hodnocené vysokou známkou významnosti i připravenosti by měly být v primární oblasti zájmů veřejné správy i podnikatelského sektoru a proto by mělo být kladen důraz na jejich strategickou aplikaci ve výrobních procesech.

Jako technologie vysoce významné pro aplikaci v rámci nových výrobních procesů byly označeny technologie s vazbou na IT a robotiku (aditivní výroba, internet věcí) a technologie související se sběrem, analýzou a využitím velkých objemů dat (big data, digital modelling). Pro rozvoj Průmyslu 4.0 je také významná technologie Internetu věcí a s ní související technologie popisující využití nových forem sensorů.

Relativně nižší míru významnosti vzhledem k rozvoji Průmyslu 4.0 v ČR mají podle expertů technologie s vazbou na výzkum kvantové technologie a technologie v oblasti konektivity lidského mozku a strojů (brain interfaces).

Hodnoty připravenosti jednotlivých technologií pro aplikaci mají významně menší rozptyl než hodnoty významnosti. Produkční systém v ČR je podle expertů nejvíce připraven na aplikaci technologií aditivní výroby, technologií pro zpracování databází a technologií na bázi internetu. Výsledky hodnocení jsou uvedeny v následujícím grafu.

Implikace pro národní průmyslový systém

Hodnocení vybraných technologií poměrně jasně vystihuje trend nastupující digitalizace, pokročilé robotizace a automatizace průmyslové výroby a umožňuje odhadovat trendy a koncepty, které Průmysl 4.0 budou naplňovat. Rozvoj a zlevňování identifikovaných technologií bude pravděpodobně přinášet výrazné úspory a zvyšování přidané hodnoty ve firmách, které dokáží výrobní procesy obohatit o nové technologie.

Aplikace nových technologií umožní podnikatelským subjektům posílit pozici v dodavatelských řetězcích a zároveň umožní vyrábět komplexnější výrobky s vyšší přidanou hodnotou.

Tomu přispívá i fakt, že nové technologie umožní změnu obchodních modelů a lze předpokládat, že způsobí návrat výroby ze zemí s levnou pracovní silou do domovských zemí, a to z důvodu zlevňování výroby.

Nové technologie však přinesou i změnu nároků na kvalifikaci pracovní síly a změnu pracovní náplně. Poroste poptávka po pracovní síle schopné ovládat roboty a zjišťovat jejich údržbu.

Průmysl 4.0 nebude ovlivňovat všechna výrobní odvětví stejně rychle. V některých případech lze očekávat rychlé a radikální zvraty, v jiných bude docházet díky novým technologiím pouze k evolučním změnám. Průmysl 4.0 není pro český průmyslový systém hrozba, ale příležitostí dostat se na vyšší úroveň. Firmy by proto neměly podceňovat procesní, organizační ani další změny, které nové technologické trendy do výrobního procesu přinesou.

 

 

technology brief

Zdroj: Technologické centrum AV ČR

 

Kolektiv autorů TC AV ČR

Zdroj: Technologické centrum AV ČR