«Умные» среды, «умные» системы, «умные» производства

Реферат «Умные» среды, «умные» системы, «умные» производства

производственный лидерство рынок Основной целью работы стало получение долгосрочных прогнозов развития мирового производственного сектора и технологических рынков в сценарной форме, а также фиксация целевых позиций российских игроков по отношению к выявленным сценариям и составление «дорожных карт» достижения лидерства на приоритетных технологических рынках Российской Федерации.

Осуществление промышленного и технологического форсайта позволило определить перспективные ниши на рынках продуктов и технологий, направления государственной политики по развитию и регулированию технологического роста промышленности, направления научно-технологической политики в промышленности и смежных секторах. Результаты проекта могут стимулировать принятие целого ряда стратегических решений федерального уровня, лечь в основу разработки планов и нормативных документов как Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, так и других ведомств, а также создать базу для координации действий / политик государства и бизнеса, подтолкнуть к запуску новый комплекс проектов развития промышленных технологий.

1. Что такое «умные» среды, «умные» системы и «умные» производства

1.1 Понятие «умных» сред и систем

Повышение эффективности работы промышленности и инфраструктуры за счет применения интеллектуальных электронных систем — так называемых «умных» сред (smart environments) является одним из наиболее известных направлений технологического развития в данных сферах. На сегодняшний день существует множество концепций применения «умных» сред в различных предметных областях: проекты «умных» транспортных систем (intelligent transportation system), «умного» производства (smart manufacturing), «умных» домов (smart houses), «умных» городов (smart cities) и т. д.

Общим маркером для всех подобных проектов является использование слов «умный» и «интеллектуальный»

«Умная» (интеллектуальная) среда определяется как физическая инфраструктура (сенсоры, исполнительные механизмы и сети), позволяющая функционировать окружающему интеллекту.

«Умная» среда представляет собой электронную среду, способную получать и использовать информацию об окружающей реальности, а также приспосабливаться к нуждам пользователей для улучшения их взаимодействия с внешней средой.

В качестве отличительных черт «умных» сред выделяются следующие:

1. Возможность контролировать устройства дистанционно или автоматически является базовым свойством «умных» сред. Под дистанционным контролем понимается как беспроводная связь, так и традиционные стандарты соединения через электропроводку (X10).

2. Коммуникация между устройствами. Распространение и улучшение технологий беспроводных сетей и промежуточного программного обеспечения позволили усложнить взаимосвязь между устройствами «умной» среды, обеспечивая возможность построения более сложной модели состояния среды и ее обитателей, как за счет обмена информацией между устройствами, так и за счет привлечения информации из внешних источников через Интернет.

3. Получение информации через «умные» сенсорные сети и ее распространение.

Распространение и улучшение сенсорных технологий позволили организацию сетей, в рамках которых сенсоры осуществляют обмен информацией и принимают простые решения, что позволяет подстраивать среду под нужды пользователя. Примерами использования таких систем могут служить системы, отключающие газ в случае протечек, системы настройки освещения и пр.

4. Сложный функционал устройств. Современные «умные» сети часто насыщены отдельными устройствами, имеющими сложный функционал. Высокая технологичность таких устройств еще более усиливается в случае использования возможностей сенсорной сети и внешних источников информации. Примерами использования таких устройств служат бытовые приборы, контролируемые через Интернет или выстраивающие свою работу, исходя из дневного цикла.

5. «Предсказательные» способности и способности к принятию решений. Несмотря на значительные возможности «умных» сред, традиционно непосредственное принятие решений остается за пользователем. Однако наиболее современные «умные» среды обладают способностями к автоматическому принятию решений на основе изученной информации о пользователе и способностями к «предсказанию» состояния среды и поведению пользователя.

6. Развитые стандарты сети. Для осуществления взаимодействия (как во внутренней сети, так и через Интернет) между различными элементами «умной» среды (компьютерами, сенсорами, камерами и иными приложениями) необходимы четкие и качественно регулируемые сетевые стандарты. В настоящее время в мире существует значительное число различных стандартов, каждый со своими преимуществами и недостатками, и осуществление четкой координации между ними будет требовать значительных усилий со стороны разработчиков «умных» сред и отраслевых регуляторов.

Функционирование «умных» сред невозможно без ряда ключевых элементов:

Сенсоров (датчиков) и актуаторов: они позволяют «умной» среде собирать информацию о своем окружении, подобно органам чувств живых организмов. Сенсор представляет собой устройство, преобразующее изменения в объекте наблюдения в информацию для пользователя. К примерам интеллектуальных сенсоров можно отнести значительное число устройств, начиная от электронных термометров и датчиков давления и заканчивая электронными эхолотами и сенсорами для сейсмической разведки.

Помимо сенсоров элементами «умных» сред могут являться актуаторы (также называемые исполнительными устройствами). Актуатор определяется как «устройство, которое реагирует на поданный сигнал, совершая какое-либо действие». В самом широком смысле актуаторами являются и человеческие мышцы (реагирующие на сигналы из мозга), и электродвигатель.

Для реализации различных видов «умных» сред необходимыми являются практически все виды беспроводных сетевых технологий. Технологии персональных беспроводных сетей (Wireless Personal Network, WPAN), такие как Bluetooth, ZigBee и IrDa, востребованы в сфере взаимодействия между элементами «умной» среды и системами управления и диагностики «умной» среды (обычно на базе карманных компьютеров или мобильных телефонов) на ближнем расстоянии. Координация работы «умных» сред средних масштабов (от промышленного предприятия и здания до небольшого участка транспортной сети) обычно осуществляется с помощью беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network, WLAN), таких как Wi-Fi.

Помимо собственно беспроводных сетевых технологий, для организации «умных» сред важными являются технологии, связанные с функционированием сотовых телефонов и мобильных компьютеров, а также спутниковой навигацией.

Системы спутниковой навигации (подобные системе GPS) в «умных» средах используются в основном в сфере транспорта. Отличие от уже существующих практик (снабжение данными отдельных пользователей) состоит в создании динамических карт загрузки транспортных сетей на основе данных систем, которыми могут пользоваться как учреждения, ответственные за организацию дорожного движения, так и индивидуальные водители.

1.2 Понятие «умных» производств

Под «умным» предприятием понимают такую производственную систему, которая, будучи осведомленной о контексте, помогает сотрудникам и оборудованию в выполнении своих заданий.

Для достижения своих целей «умные» предприятия используют специализированное программное обеспечение, лазеры и устройства с искусственным интеллектом, встроенные в машины, и инфраструктуру предприятия.

В качестве отличительных черт «умных» производств выделяются следующие:

1. Способность к «умному» действию и «умному» реагированию, максимально увеличивающим техническую эффективность, эффективность затрат и выгоду благодаря планированию, постоянному мониторингу операций и непрерывному обучению.

2. «Оперативные активы» — работники, завод, оборудование, операционные модели и базы данных — интегрированы и осведомлены о своем состоянии благодаря системе сенсоров. Периферийные устройства, исполнительные механизмы и производственное оборудование обладают способностями к обработке информации и оснащены сенсорами для автоматического самоанализа. Каждое устройство способно определить свое состояние и сообщить об этом всем связанным с ним устройствам.

3. Оборудование «умного» производства способно обнаружить внештатные ситуации и приспособиться к ним. Благодаря постоянному мониторингу и применению полученного знания, система обладает способностью адекватно функционировать в зависимости от меняющихся обстоятельств, таких как внезапное прерывание рабочих процессов, изменений в свойствах получаемого сырья и т. п.

4. Оборудование обладает полным доступом к необходимой информации в любое время работы.

5. Для предотвращения аварий в рамках «умного» производства осуществляется сбор информации в реальном времени.

6. Система обладает способностью к оперативному реагированию на изменения в технологическом процессе и неполадки.

7. «Умное» производство является экологически устойчивым, использует рециклинг и обладает минимальным воздействием на окружающую среду.

8. Необходимой чертой «умного» производства является высококвалифицированная рабочая сила.

9. Система обладает пониманием границ автоматического действия и снабжает всей необходимой информацией операторов и управленцев для принятия необходимых решений.

10. Работники «умного» производства обучены для осуществления действий, обеспечивающих стратегическую эффективность предприятия.

С технической и организационной точки зрения для реализации «умных» производств должен быть выполнен ряд условий:

— Дальнейшее улучшение, удешевление и автономизация «умных» устройств

— Развитие сетевых протоколов, в частности переход от IPv4 к IPv6.

— Развитие мобильных устройств, позволяющих осуществлять распределенные вычисления (без опоры на центральные серверы). Архитектура мобильных устройств должна быть способна к улучшениям без перепрограммирования всей производственной системы.

— Развитие системы открытых стандартов связи, поддерживаемых всеми производителями устройств, а также стандартов взаимодействия между электронными устройствами и автоматическими системами планирования (CAD, CAM, CAE…).

Применение «умных» сред в транспортной отрасли рассматривается в основном в рамках концепции «интеллектуальных транспортных систем» (intelligent transportation systems, ITS).

Интеллектуальная транспортная система — зонтичный термин, обозначающий использование продвинутой электроники в транспортных средствах и объектах дорожной инфраструктуры. Интеллектуальные транспортные системы рассматриваются как неотъемлемая часть будущих систем управления дорожным движением, которые позволят оптимизировать использование транспортных путей и машин, увеличить безопасность на дорогах.

В настоящее время в силу уровня развитости ИТ-продуктов наиболее проработанным вариантом распространения «умных» сред являются «умные» сети в энергетике (smart grids).

Основные требования, предъявляемые к «умным» сетям (в т. ч. и в версии Министерства энергетики США), являются следующими:

— Возможность «самовосстановления» сети после замыканий, физически повреждений и пр.

— Возможность мотивирования потребителей для активного участия в регулировании сети (посредством регулирования собственного потребления).

— Высокая устойчивость к вредоносным внешним воздействиям (теракты, диверсии…).

— Возможность предоставления электроэнергии высокого качества (в т. ч. с заданными параметрами) и сокращение потерь.

— Интеграция опций производства и хранения электроэнергии.

— Высокая эффективность.

2. Описание мировой повестки, основных трендов

Для дальнейшего интенсивного развития «умных» сред должны быть выполнены следующие условия:

Должны быть найдены предельно надежные программные и аппаратные решения, устойчивые как к техническим авариям, так и к хакерским атакам.

Должны быть развиты новые стандарты защиты данных.

Рынок полупроводников должен расти активными темпами, обеспечивая поставки многочисленных и дешевых устройств.

Не должно возникнуть дефицита (или политических мер по ограничению торговли) ключевых для производства электроники редкоземельных металлов.

Производители и потребители электроники должны согласовать стандарты как минимум в масштабах крупных регионов мира (Северная Америка, Европейский союз, Китай / Япония и пр.).

Ограничениями для развития применения «умных» сред в сфере промышленного производства и транспорта являются:

Недостаточная надежность современных электронных средств и их уязвимость к хакерским атакам и средствам радиоэлектронной борьбы будет накладывать значительные ограничения на развитие «умных» сред в сфере критических инфраструктур и масштабных производств.

На сегодняшний день экономические преимущества производств, использующих «умные» среды, перед традиционными производствами не до конца очевидны. При определенных изменениях на рынке труда и колебаниях на рынке полупроводников людской труд может оказаться дешевле высокотехнологичных решений.

SWOT-анализ использования «умных» сред в промышленном производстве и транспорте (метод стратегического планирования, заключающийся в выявлении факторов внутренней и внешней среды организации и разделении их на четыре категории: Strengths (сильные стороны), Weaknesses (слабые стороны), Opportunities (возможности) и Threats (угрозы).)

В настоящее время основным источником запроса на интеллектуальные транспортные системы являются крупные города, а главным драйвером их использования — достижение границ возможного расширения транспортной сети в городской черте в условиях постоянного роста транспортного потока.

Зависимость конфигурации транспортных систем от пространственной структуры городов Несмотря на потенциально положительное влияние на экономику, развитие интеллектуальных транспортных систем сталкивается со значительными барьерами, связанными с проблемами эффективного масштаба, необходимостью значительных инвестиций и межведомственных согласований.

Развитие «умных» сетей и их компонентов обусловлено рядом драйверов, наиболее важными из которых можно считать следующие:

Необходимость повышения надежности, эффективности, безопасности сетей.

Поддержка развития и распространение распределенной генерации, а также программ управления спросом (для снижения энергопотребления).

Необходимость улучшения финансовых показателей и повышения прибыльности энергокомпаний (посредством введения новых моделей ценообразования или повышения общей эффективности компаний).

Исполнение национального законодательства (стандарты и требования).

Возможность создания новых рабочих мест.

3. Современная российская проблематика

Применение «умных» сред в России обусловлено многочисленными ограничениями, связанными преимущественно с недостаточными инвестициями в инфраструктуру и слабой развитостью электронной промышленности, однако потенциал их развития значителен.

Пока наибольший спрос в области промышленной автоматизации проявляется в таких отраслях, как ТЭК (Топливно-энергетический комплекс), ВПК (Военно-промышленный комплекс) и машиностроение.

Главное препятствие состоит в том, что для применения концепции «умных» сред в промышленности требуется полностью пересмотреть модель производства. Одним из ограничений развития «умного» производства на современном этапе развития является также его привязка к определенному типу сырья. Для перехода на другие виды сырья требуется значительная перестройка производства. Кроме того, серьезное внимание должно уделяться вспомогательным процессам, таким как водо-, энерго-, тепло-, воздухоснабжение, логистические операции.

Современные технологии позволяют производителю при подключении оборудования через Wi — Fi узнать о том, насколько используется его станок. Если в РФ загрузка составляет около 10 — 15% от максимальной мощности оборудования, то в Европе она достигает порядка 90−100%.

Весной 2012 г. Фондом ЦСР «Северо-Запад» было проведено анкетирование 129 производственных и технологических компаний. Результаты раздела, посвященного вопросам развития на предприятиях концепции «умных» систем и повышения гибкости производств, представлены ниже.