АНАЛИЗ ПОНИМАНИЯ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Введение

Промышленные предприятия по всему миру вступают в новую эпоху производства. Этот принципиально новый подход к проектированию и организации производства является следствием глобальных достижений в области цифровизации технологий и автоматизации производственных процессов. В новых реалиях процессы проектирования и создания инноваций становятся все более быстрыми, открытыми и реакционными.

С изменением производства изменяются и подходы к проектированию и планированию заводов и предприятий. Им жизненно необходимо будет стать более гибкими и адаптируемыми для большей устойчивости к экономическим изменениям новой реальности. Внедрение киберфизических систем позволит в должной мере обеспечить конкурентное положение производств.

В данной работе анализируется понимание термина «Киберфизических систем» различными авторами.

Анализ понимания киберфизических систем в промышленных предприятиях

За последние несколько лет стремительное развитие информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) способствовало внедрению передовых технологий, оборудования для сбора данных, устройств для беспроводной связи и удаленного управления. Такие технологии, наряду с современными достижениями в области предиктивной аналитики и Big Data, меняют облик современной промышленности. Интеграция анализа данных и коммуникационных технологий в тесном взаимодействии с физическим оборудованием получила название киберфизических систем (CPS) [2].

С момента создания своей концепции CPS является постоянно растущей терминологией в современной развивающейся индустрии. Она рассматривает интеграцию физических систем с вычислительными моделями. Такая схема имеет обширную область применения, включая управление технологическими процессами, энергетику, транспорт, медицинские приборы, военную промышленность, автоматизацию, интеллектуальные структуры и т. д. [5]. В настоящее время концепция CPS все еще находится в стадии разработки. В области управления активами CPS обладает потенциалом для обеспечения самосознания и возможностей самообслуживания. Поэтому далее мы рассмотрим понимания некоторых авторов концепции CPS.

Киберфизическая система (CPS) — это понятие, обозначающее взаимосвязанные и интегрированные друг с другом кибернетические и физические возможности, такие как восприятие, связь и управление физическим миром [4], которое приняли к рассмотрению американское правительство с 2007 года в качестве новой стратегии развития производств [4],[1]. Первоначально термин «Киберфизическая система» впервые прозвучал на семинаре NSF CPS Workshop в 2006 год, предложила его директор по встроенным и гибридным системам Национального научного фонда США Хелен Джилл [10].

Киберфизические производственные системы по мнению Wang S. представляют собой развивающиеся системы с высокой степенью автономности, которые способны активно реагировать на нарушения, адаптироваться и координировать свои действия путем обмена информацией. Ключевой компонент CPS - технология цифровых двойников (DT), которые представляют собой имитационные модели реальных физических объектов (оборудования, станков, изделий и т.п.), связанные с физическими аналогами для обмена данными в реальном времени. Цифровые двойники позволяют выполнять моделирование, анализ сценариев, оптимизацию и принятие решений о действиях в реальной производственной системе на основе виртуальных моделей. В CPS цифровые двойники объединяются и взаимодействуют как на локальном уровне (для отдельных станков/типов оборудования), так и на глобальном уровне для управления всем производственным процессом на предприятии. Применение распределенных архитектур с встроенными цифровыми двойниками в CPS обеспечивает масштабируемость, устойчивость к сбоям, более эффективное планирование производства и оптимизацию за счет использования данных от физических объектов.

Таким образом, в понимании автора, киберфизические производственные системы — это интеллектуальные системы с элементами искусственного интеллекта и виртуальными моделями (цифровыми двойниками), связанными с реальными производственными объектами и обеспечивающими адаптивное управление и оптимизацию производственных процессов. [11]

Lee, Jay & Bagheri, Behrad & Kao, Hung-An. дают определение того, что CPS представляет собой интегрированные вычислительные и физические возможности, такие как восприятие, коммуникация и управление физическим миром. CPS охватывают широкий спектр областей применения, включая производство, безопасные системы управления, медицинские устройства, контроль окружающей среды, авиацию, передовые автомобильные системы, управление процессами, управление энергопотреблением, управление дорожным движением и безопасностью, интеллектуальные конструкции и т.д. По мнению коллектива авторов CPS все еще находятся на ранней стадии развития, и для ускорения их прогресса требуется тесное взаимодействие между промышленностью и научными кругами. В реализации CPS важно не только наличие связи между оборудованием и использованием датчиков, но и обеспечение правильного информация в нужное время для нужных целей. Для этого предлагается использовать 6-компонентную систему: связь, облако, киберсреду, контент, сообщество и кастомизацию.

Исходя из вышеописанного, по мнению автора, киберфизические системы - это интегрированные вычислительные и физические системы с использованием сенсоров, коммуникаций, облачных вычислений и аналитики для комплексного мониторинга и управления промышленными предприятиями. [3]

Ястреб Н.А. в работе “Индустрия 4.0: киберфизические системы, разумное окружение, Интернет вещей” понимает под киберфизическими системами комплексы, состоящие из природных объектов, искусственных подсистем и контроллеров. Основная идея разработки CPS - связь вычислительных и физических процессов, т.е. включение физических объектов непосредственно в проектируемую систему. Физические объекты перестают быть чем-то внешним и становятся частью самой системы. При проектировании CPS человек признает ограниченность своего контроля, так как надежность таких систем не может быть 100% из-за их способности к самообучению и адаптации.

Методы проектирования CPS требуют динамического самопрограммирования в режиме реального времени, в отличие от традиционных методов программирования, практически не учитывающих фактор времени. CPS  превращают в ценную информацию те данные, которые ранее были бесполезны для человека и предыдущих поколений технологий.

В конечном итоге, CPS в понимании автора — это интегрированные комплексы, объединяющие физические объекты и вычислительные компоненты в единую адаптивную систему с элементами искусственного интеллекта. [10 ]

Хаханов В.И., Обризан В.И., Мищенко А.С., Филиппенко И.В. описывают то, что CPS представляют собой развивающиеся технологии киберуправления, которые основаны на использовании облачных сервисов и ориентированы на автоматизацию процессов без участия человека ("human-free"). Для обеспечения управления социальными ресурсами, такими как кадры и финансы, предлагается два облачных сервиса:

• Распределение государственных заказов и финансов между структурными подразделениями на основе соревнования матриц их компетенций по заданным метрикам.
• Распределение кадровых вакансий путем соревнования матриц компетенций претендентов по заданным метрикам. CPS основана на использовании технологий, таких как IoT, Smart Everything, Big Data, параллельные виртуальные процессоры, и направлена на обслуживание индивидуумов и университетских структур. Для каждого субъекта генерируются две уникальные метрики компетенций: эталон лучших показателей по каждой номинации профессиональной деятельности и текущие матрицы компетенций всех субъектов.

Таким образом, CPS, в понимании авторов, представляют собой инновационные технологии киберуправления, основанные на использовании облачных сервисов и направленные на автоматизацию процессов управления социальными ресурсами. [7]

Ингеманссон, А.Р. рассматривает концепцию CPS как неотъемлемую часть Индустрии 4.0., в понимании автора в данных системах технологическое оборудование и оснащение, материалы и продукты, являются активными системными компонентами, самостоятельно управляющими своими технологическими и логистическими процессами. Они находятся в постоянном взаимодействии (обмен информацией) для поддержания непрерывного процесса изготовления продукции заданного количества и качества. [6]

Заключение

С точки зрения автора статьи стоит понимать под киберфизическими системами сочетание кибернетического и физического компонента системы, где система воспринимает получаемые сигналы с оборудования, обрабатывает их и реагирует согласно поставленным целям. Цифровые двойники также являются неотъемлемой частью CPS. Также стоит понимать, что данные системы требуют принципиального нового подхода к организационно-экономическому управлению, поэтому разработка комплексного организационно-экономического механизма управления киберфизическими системами в машиностроительной отрасли, способствующего повышению эффективности и устойчивости производства, является актуальной научной проблемой.

Список литературы:

1. CPS PWG Draft Framework for Cyber-Physical Systems Release 0.8 September 2015
2. Lee J. et al. Recent advances and trends in predictive manufacturing systems in big data environment //Manufacturing Letters. – 2013. – 4. 1. – 9. 1. – &. 38-41.
3. Lee, Jay & Bagheri, Behrad & Kao, Hung-An. (2014). Recent Advances and Trends of Cyber-Physical Systems and Big Data Analytics in Industrial Informatics. 10.13140/2.1.1464.1920.
4. Namiot D. On Big Data Stream Processing //International Journal of Open Information Technologies. – 2015. – 4. 3. – 9. 8. – &. 48-51.
5. Wolf W. Cyber-physical systems //Computer. – 2009. – 9. 3. – &. 88-89.
6. Ингеманссон, А.Р. Актуальность внедрения концепции «индустрия 4.0» в современное машиностроительное производство // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2016. – № 7 (61). – С. 45‒48.
7. Хаханов В.И., Обризан В.И., Мищенко А.С., Филиппенко И.В. Киберфизические системы как технологии киберуправления (Аналитический Обзор)
8. Чаруйская, М. А. Системы планирования и управления производством / М. А. Чаруйская // Социально-экономические науки и гуманитарные исследования. – 2016. – № 16. – С. 142-147.
9. Чаруйская, М. А. особенности применения на практике методов оперативно-календарного планирования и управления производством / М. А. Чаруйская // Организатор производства. – 2017. – Т. 25, № 2. – С. 13-21.
10. Ястреб Н.А. Индустрия 4.0: киберфизические системы, разумное окружение, Интернет вещей
11. Wang, S. Implementing Smart Factory of Industrie 4.0: An Outlook. / S. Wang, etc // International Journal of Distributed Sensor Networks. – 2016. – Vol. 2016. Р. 23-33.