У истоков «Индустрии 4.0»: как развивается промышленность Германии

Опубликовано в номере:
PDF версия
Известно, что концепция «Индустрия 4.0» изначально была сформулирована в Германии — как стратегия развития обрабатывающей промышленности. В статье рассмотрены влияние данной концепции на немецкую и мировую экономику и современное производство, новые бизнес-стратегии, а также роль облачных платформ (CPS).

Первая промышленная революция была основана на использовании воды и пара, движущей силой второй стало электричество, а ключевым элементом третьей послужила ЭВМ. Сейчас мы находимся в начале четвертого этапа — «Индустрии 4.0», связанной с внедрением «Интернета вещей» (Internet of things, IoT). Термин IoT изначально предназначался для рекламирования RFID-меток, однако теперь имеет гораздо более широкий смысл — подразумевая вычислительную сеть физических объектов, которые взаимодействуют с уникальными или виртуальными идентификаторами и позволяют осуществлять обмен данными между всеми компонентами системы производства, а также с внешней средой. В связи с продвижением таких технологий во многих странах появились проекты по развитию промышленности. Так, в Германии была сформулирована стратегия «High Tech Strategy 2020 Action Plan», три варианта которой были опубликованы в 2006, 2010 и 2012 гг. [1]. Полной интернетизации промышленности немецкие предприятия планируют достичь к 2030 г. Существует и другая модель новой промышленной реальности — американская, где во главу угла ставится «Интернет вещей» в широком понимании, т. е. применимый по отношению к любым активам, не только производственным, и не ограниченный обрабатывающей промышленностью. В таком случае вопросы стандартизации, совместимости и безопасности предполагается решить в будущем [2].

Ведущая позиция Германии в области обрабатывающей промышленности, производства оборудования и машиностроения позволила ей стать центром развития «Индустрии 4.0». Научные исследования, разработка технологий производства и систем управления способствуют формированию нового подхода к индустриализации. Основные принципы «Индустрии 4.0» можно сформулировать следующим образом [3]:

  1. Функциональная совместимость. Киберфизические системы (носители обрабатываемых деталей, сборочных станций и продуктов), люди и «умные» производства должны иметь возможность общаться посредством «Интернета вещей» и интернет-услуг.
  2. Виртуализация. «Умный» завод должен иметь виртуальную копию (т. н. цифрового двойника), созданную посредством связывания данных от датчиков (получаемых в ходе мониторинга физических процессов) с виртуальными имитационными моделями производства.
  3. Децентрализация. Киберфизические системы должны быть способны принимать собственные решения в рамках «умных» производств.
  4. Функционирование в режиме реального времени. Сбор и анализ данных должны происходить в реальном времени, с мгновенной выдачей результатов.
  5. Ориентация на услуги. Киберфизические системы, люди и «умные» заводы должны иметь возможность оказывать услуги через Интернет.
  6. Модульность. «Умным» заводам необходима гибкая адаптация к изменяющимся требованиям — путем замены или расширения отдельных модулей.

 

«Индустрия 4.0» сегодня и завтра

По мере внедрения «Интернета вещей» начнут появляться глобальные сети, которые объединят машины, системы управления и хранения, а также производственные мощности «умных» заводов. Условная модель будущего интеллектуального предприятия представлена на рис. 1. Все объекты, включенные в общую сеть, могут обмениваться данными, инициировать те или иные действия и управлять друг другом. Это позволяет упростить модернизацию производственных процессов, проектирования, цепочки поставок, использования материалов и управления жизненным циклом. Также «Индустрия 4.0» дает возможность повысить качество, гибкость и надежность всей работы предприятия.

Модель узла сети «умного» предприятия

Рис. 1. Модель узла сети «умного» предприятия

В основе четвертой промышленной революции лежат «умные» заводы. На таких предприятиях можно реализовать производственные процессы любой сложности, при этом сведя к минимуму риск сбоев и обеспечив эффективное создание «умных» продуктов. Одной из важных составляющих подобных производств являются беспроводные сети, которые охватывают все процессы, машины, ресурсы и сотрудников, а также позволяют наладить обмен данными между компаниями.

В рамках нового производства «умные» продукты можно точно идентифицировать, узнать их текущее состояние, какие производственные процессы они уже прошли, а какие только предстоят — во всех подробностях. В зависимости от полученной информации «умные» заводы выстраивают маршрут следования продукта и работу оборудования. Такой подход позволяет обеспечить мобильность и улучшить логистику.

Благодаря глобальным сетям «умные» продукты можно будет отслеживать в течение всего цикла производства в режиме реального времени. В некоторых случаях они даже смогут практически автономно контролировать процесс своего производства, обеспечивая оптимизацию данных этапов с точки зрения логистики, обслуживания и интеграции с остальными процессами предприятия. Также в дальнейшем в любой момент можно будет интегрировать в «умную» продукцию некоторые сервисные функции и задать специфические параметры конструкции, формирования заказа, планирования производства, эксплуатации и утилизации, что особенно важно при выпуске небольших партий товара.

«Умные» предприятия будут способны учитывать индивидуальные требования заказчиков, в любую минуту меняя режим работы производства и быстро реагируя на сбои в работе поставщиков. Полная прозрачность производственных процессов позволяет принимать оптимальные решения и создавать новые бизнес-модели.

Важно отметить, что на интеллектуальных производствах работники будут освобождены от необходимости выполнять рутинные задачи за счет возможности контролировать производственные процессы и управлять ими через сети. Специалисты смогут уделить больше внимания профессиональному развитию и более творческим заданиям. При этом дольше будут востребованы пожилые сотрудники в связи с нехваткой квалифицированных работников, знакомых с производством. Гибкая организация производства также будет способствовать более эффективному сочетанию работы и качества жизни сотрудников.

Также для внедрения «Индустрии 4.0» необходимо развивать сетевую инфраструктуру, увеличивать пропускную способность для ресурсоемких приложений и повышать качество обслуживания сети, особенно в тех случаях, когда время выполнения задачи критически важно. Возможный вариант построения глобальных сетей на «умном» предприятии с указанием связей между интеллектуальными объектами и службами приведен на рис. 2.

 Архитектура сети «умных» предприятий и управления ими

Рис. 2. Архитектура сети «умных» предприятий и управления ими

Реализовать все перечисленные выше технологии можно на основе облачной платформы (Cloud Platform System, CPS). Рассмотрим ее преимущества подробнее.

 

Сервисные CPS-платформы

CPS-платформа — это решение типа «облако в коробке», предназначенное для поддержки процессов предприятия и объединяющих их сетей. С помощью приложений, предоставленных этой платформой, можно будет обеспечить надежную связь между сотрудниками, объектами и системами. Такие приложения предусматривают [4]:

  • гибкость, производительность и простоту использования разработанных сервисов;
  • легкое развертывание модели бизнес-процессов напрямую из App Store;
  • комплексное, безопасное и надежное резервное копирование всех бизнес-процессов;
  • безопасность и надежность всего производственного процесса — от датчиков до пользовательских сетей;
  • поддержку мобильных платформ и устройств;
  • поддержку совместного производства, процессов обслуживания, анализа и прогнозирования в сетях.

При оркестровке разработки сервисов и приложений на CPS-платформах необходимо учитывать требования вертикальной и горизонтальной интеграции. При этом в рамках «Индустрии 4.0» оркестровка имеет более широкий смысл, чем в случае веб-сервисов: создание общих служб и приложений должно быть частью совместной работы компаний. Условный вариант построения глобальных сетей на базе CPS-платформы с обеспечением связи между интеллектуальными объектами представлен на рис. 3.

CPS-платформы и взаимные связи между интеллектуальными интернет-объектами

Рис. 3. CPS-платформы и взаимные связи между интеллектуальными интернет-объектами

Во время оркестровки и последующей реализации производственных и сервисных процессов требуется также учитывать вопросы безопасности, надежности, удобства использования, анализа данных в реальном времени и построения прогнозов. Это позволит решить и проблемы, связанные с огромным количеством источников данных и конечных устройств. Что касается моделирования, то будут разработаны приложения и услуги для CPS-платформ, которые предусматривают изменение функциональности, кластеризацию и взаимодействие между службами предприятий. При совместной работе нескольких компаний также потребуется эталонная архитектура, учитывающая перспективы развития промышленности. Гарантировать безопасный обмен информации будет эффективная и надежная сетевая инфраструктура с широкополосной связью.

 

Новые бизнес-модели

Переход к «Индустрии 4.0» повлечет за собой формирование новых моделей бизнеса и партнерских взаимо­отношений. Эти модели обеспечат доступ малого и среднего бизнеса к дополнительным услугам и программным лицензиям, а также позволят компаниям более гибко организовать ценообразование — с учетом соглашений об уровне обслуживания, сетевом взаимодействии и сотрудничестве клиентов и конкурентов с их партнерами. Благодаря такому подходу станет возможным создание бизнес-сетей, в которых доходы справедливо распределяются между всеми участниками цепочки создания стоимости и при этом все партнеры выполняют расширенные нормативные требования к продукции и производству (например, направленные на сокращение выбросов углекислого газа).

Объединение нескольких предприятий в общую сеть также обусловлено сценариями «Индустрии 4.0», такими как создание сетевого производства, самоорганизующейся адаптивной логистики и клиент-интегрированного машиностроения. Приняв эти меры, можно будет решить проблемы, связанные с финансированием, разработкой, надежностью, ответственностью и защитой IP-адресов. Для отслеживания соблюдения договорных и нормативно-правовых условий будут обеспечены подробный мониторинг и документирование всех этапов бизнес-процессов в режиме реального времени. В случае предоставления индивидуальных услуг также требуется соблюсти гарантированный и указанный в лицензии срок службы и предоставить приемлемые условия работы для привлечения новых партнеров, особенно из малого и среднего бизнеса.

Все указанные характеристики новых бизнес-моделей могут привести к непредсказуемым изменениям мировой экономики и высокодинамичной трансформации рынка. Новые технологии могут оказать разрушительное влияние на правовые вопросы (касающиеся, например, важных корпоративных данных и их защиты, ответственности, торговых ограничений и т. д.), поэтому требуется проверять соответствие всех разработок закону и до, и во время внедрения. Кроме того, не менее важную роль в «Индустрии 4.0» играют защита узлов сети и общая безопасность — обеспечить ее только на уровне отдельных компонентов будет недостаточно.

 

Кадровый вопрос

 исследования перспектив развития «Индустрии 4.0» в Германии

Рис. 4. Результаты исследования перспектив развития «Индустрии 4.0» в Германии

«Индустрия 4.0» окажет влияние и на социальную организацию труда. Уже сейчас в некоторых отраслях промышленности не хватает молодых и квалифицированных сотрудников — особенно актуальна эта проблема для таких стран, как Германия, где очень высок процент старого населения (второе место в мире), а средний возраст работников производств составляет 40–45 лет. Чтобы демографические изменения прошли как можно более гладко и это не сказалось на производительности сотрудников, в Германии планируют эффективно использовать существующие резервы рынка труда — например, увеличив долю женщин и пожилых людей в сфере занятости. Ведь, по данным исследований, производительность человека зависит не от возраста или пола, а от организации рабочих мест и того, в каком положении сотрудник выполняет свои обязанности. Чтобы обеспечить высокую производительность, необходимо также контролировать и при необходимости изменять здравоохранение, обучение, модель карьерного роста и структуру команд. Для этого требуется трансформировать и систему образования. Таким образом, влияние на конкурентоспособность немецких компаний в рамках «Индустрии 4.0» окажут не только юридические и технические факторы, но и организация социальной инфраструктуры.

Изменится и отношение человека к технологиям и окружающей среде, ведь появится возможность выполнять работу на заводе удаленно, с помощью виртуальных рабочих мест и мобильных устройств с удобными мультимодальными интерфейсами. Не менее важное значение будут иметь проектные модели с высокой степенью саморегуляции и управленческими решениями: сотрудники смогут свободнее принимать собственные решения, регулировать свою нагрузку и активнее участвовать в производстве.

 

Путь к «Индустрии 4.0»

Несколько лет назад профессиональные ассоциации BITKOM, DMA и ZVEI провели опрос немецких производителей на тему перспектив «Индустрии 4.0»: около 47% респондентов заявили, что они уже активно используют новые технологии, 18% приняли участие в соответствующих исследованиях, а 12% испытали преимущества «Индустрии 4.0» на практике. Результаты опроса приведены на рис. 4. В целом, как показало данное исследование, немецкие компании считают, что использовать технологии «Индустрии 4.0» важно для повышения конкурентоспособности, но для их внедрения им необходимо больше информации.

При реализации концепции участники опроса столкнулись с тремя ключевыми проблемами — стандартизацией, организацией труда и доступностью технологий. Что касается информационной осведомленности, то примерно половине компаний помогли в этом профессиональные ассоциации, т. е. сотрудничество с деловыми партнерами, учеными и обществом.

Участники опроса считают, что для плавной реализации «Индустрии 4.0» необходимо принять следующие меры [4]:

  1. Обеспечить доступные услуги в сетевой инфраструктуре (с надлежащими пространством, качеством и надежностью), чтобы можно было работать на основе CPS-платформ в режиме реального времени. А также подкрепить их международными стандартами и политикой — как национальной, так и глобальной.
  2. Постепенно заменить старые системы (негибкие, статичные и т. д.) на новые — работающие в реальном времени и ориентированные на сервис.
  3. Формировать новые бизнес-модели с той же скоростью, с которой развивается «Интернет вещей».
  4. Вовлекать сотрудников с самого начала процессов модернизации, повышать их квалификацию и техническое развитие.
  5. Отрасли ИКТ при переходе к «Индустрии 4.0» необходимо тесно сотрудничать с заводами и мехатронными системами поставки, которые имеют более длинные инновационные циклы, чем ИКТ.

 

Двойная стратегия на рынке

Чтобы достичь целей «Индустрии 4.0», поставщикам необходимо координировать свое развитие с динамикой рынка: с одной стороны, стремиться занять лидирующую позицию на рынке, а с другой — наладить поставки. Например, внедрить CPS на производстве и одновременно продавать CPS-технологии и их продукты, чтобы благотворно повлиять на производство оборудования промышленности.

Основные характеристики этой двойной стратегии [4]:

  • формирование межфирменных сетей и цепочек добавленной стоимости;
  • использование цифровых технологий;
  • разработка, внедрение и вертикальная интеграция гибких и конфигурируемых производственных систем в рамках предприятий.

Все эти компоненты позволят предприятию занять стабильную позицию на рынке и адаптировать цепочку создания стоимости к новым условиям. С помощью двойной стратегии компании могут организовать быстрое и эффективное производство продукции по рыночным ценам.

С точки зрения поставок предприятие вполне может занять лидирующую позицию в сфере создания, производства и маркетинга продуктов «Индустрии 4.0», если оно снабжает обрабатывающую промышленность последними техническими разработками. Также важно использовать наравне с этими инновациями возможности, появляющиеся в области ИТ. Такое сочетание станет основой трансформации рынка и при этом позволит компаниям найти новые средства развития.

Уже доступные информационные технологии необходимо адаптировать к требованиям конкретных производств и выполнению определенных прикладных задач. В частности, на оборудовании, использующем средства CPS, нужно будет модернизировать ИТ-системы и производственные технологии, чтобы повысить эффективность. Для этого требуются новые подходы к разработке и реализации CPS, а в глобальном плане — инвестиции в научные, технологические и учебные проекты, посвященные методологиям и приложениям в области автоматизации моделирования и оптимизации систем.

Также немаловажным будет вопрос использования новых технологий для разработки цепочек добавленной стоимости. Для этого, к примеру, можно будет применить бизнес-модели, направленные на привязку продукции к соответствующим службам.

Вторая часть стратегии — захват рынка. В «Индустрии 4.0» главная роль принадлежит обрабатывающей промышленности. Для ее успешного развития предприятиям нужно наладить тесное и надежное сотрудничество между собой и между своими филиалами. Будет необходима полная цифровая интеграция различных этапов производства, продуктовых линеек и соответствующих систем — в том числе интеграция новых цепочек добавленной стоимости с уже развернутыми.

Стоит отметить, что на рынке Германии поддерживается баланс между малыми и средними промышленными предприятиями с одной стороны и крупными с другой. Многие представители малого и среднего бизнеса испытывают нехватку квалифицированных кадров для перехода к «Индустрии 4.0» или просто скептично относятся к этой концепции, поэтому необходимо реализовать комплексную передачу знаний и технологий. Для этого, в свою очередь, требуется активно развивать технологическую инфраструктуру (особенно широкополосную передачу данных), заниматься подготовкой квалифицированных специалистов и модернизировать организационные структуры.

 

Заключение

На примере перехода к «Индустрии 4.0» в Германии можно увидеть, что сейчас все еще широко распространены базовые технологии и средства — благодаря этому предприятия могут эффективно взаимо­действовать в области промышленной автоматизации. В будущем необходимо адаптировать все средства разработки и автоматизации к использованию в различных компаниях и отраслях промышленности с разными ИТ-системами. Например, создать сервисы, доступные в режиме реального времени и поддерживающие инфраструктурные ИКТ-платформы для горизонтальной и вертикальной интеграции.

 


Эффективное энергопотребление

На современном производстве некоторое оборудование остается включенным во время перерывов в работе, что позволяет быстро запустить производственный процесс после выходных, но при этом приводит к большим тратам энергии. Около 90% мощности, израсходованной в перерыв, приходится на такие объекты, как роботы (20–30%), экстракторы (35–100%), лазерные источники и их системы охлаждения (0–50%). Например, в течение простоев сборочная линия кузова транспортного средства, на которой используется лазерная сварка, потребляет 12% от общего количества энергии.

На «умном» предприятии роботы будут отключаться даже во время коротких перерывов, а в течение длительных — находиться в режиме ожидания Wake-On-LAN. Экстракторы смогут настраивать в зависимости от текущих условий двигатели с регулируемой скоростью, а лазерные источники будут заменены на новые системы. Повысить энергоэффективность упомянутой сборочной линии поможет координированное включение и отключение узлов. В результате общее потребление энергии можно будет снизить примерно с 45000 до 40000 кВт (на 12%), а расход энергии во время перерывов сократить на 90%. При этом важно учитывать, что обеспечить энергоэффективность необходимо еще в самом начале проектирования CPS.

Соотношение затрат и рисков модернизации производства пока остается не очень привлекательным, но в дальнейшем такой подход станет техническим стандартом для разработки механизмов в рамках «Индустрии 4.0».

 


Создание стоимости в рамках «Индустрии 4.0»

Сегодня цепочка создания стоимости строится на основе требований заказчика к архитектуре и производству. Обычно на ее формирование уходит много лет, и изменяется она нечасто. Кроме того, заказчикам сложно выбрать определенные качества продукта или оказать влияние на процесс производства, поскольку ИТ-системы, как правило, обмениваются информацией в пределах одной системы и не предоставляют полный обзор производственных процессов в реальном времени. Также стоит отметить, что техническое обслуживание ИТ-систем остается дорогостоящим.

«Умные» предприятия, построенные на основе CPS-систем, предусматривают полный цифровой цикл производства, учитывающий все требования заказчика. Все технологические процессы и взаимодействие узлов визуализируются. Развитие обособленных секторов производства влияет на всю систему. Таким образом, стоимость создания отдельных продуктов сохраняется и для последующих партий товара и даже может снизиться.

Благодаря объединению систем предприятия и оптимизации цепочки добавленной стоимости заказчики получают большую свободу выбора в производстве продукции: у них появляется возможность определить отдельные функции и компоненты изделий и по-своему их совместить.

Литература
  1. Securing the future of German manufacturing industry. Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0. Final report of the Industrie 4.0 Working Group
  2. Рачковская И. А. Основные тенденции трансформации логистики в ходе неоиндустриализации // Вестник Моск. унив. Серия 6. Экономика. 2016. №3.
  3. Для осуществимости Индустрии 4. 0 необходимо развитие датчиков // Датчики и системы. 2015. №6.
  4. Обеспечение будущего немецкой промышленности. Рекомендации по внедрению стратегической инициативы «Индустрия 4.0». Финальный отчет рабочей группы «Индустрии 4.0».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *