Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 7
Vesmír č. 7
Toto číslo vychází
13. 7. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Letní dvojčíslo Vesmíru

Čtvrtá průmyslová (r)evoluce

Publikováno: Vesmír 95, 338, 2016/6

Lídři světové ekonomiky, manažeři průmyslových podniků, akademická veřejnost i odboráři ve všech průmyslově vyspělých zemích čím dál víc upírají zrak k novému velkému tématu: čtvrté průmyslové revoluci. U průmyslu sice začíná, ale ve svých důsledcích ovlivní fungování celé společnosti.

Označení „čtvrtá“ vychází z představy, že první průmyslová revoluce byla ve znamení páry, druhá ve znamení elektrické energie a třetí je důsledkem postupného nasazování počítačů a robotů v izolované podobě. Čtvrtá se vyznačuje propojením počítačů a inteligentních strojů a zařízení prostřednictvím počítačových sítí do podoby složitých systémů, které už nelze řídit ani optimalizovat centralizovaně.

V pestré paletě různorodých názorů se mnohdy ztrácí nejen vlastní jádro myšlenek spojených s průmyslovou revolucí, ale i ucelený pohled na to, čím je tato revoluce vlastně způsobena, co přináší a co znamená pro život společnosti jako celku. Netýká se totiž pouze průmyslové výroby a záležitostí s ní přímo spojených. V průmyslové výrobě, v níž se technologické změny projevují nejrychleji, je jen v současné době nejzřetelnější.

Čtvrtá průmyslová revoluce přináší zcela nový pohled na systémové změny ve společnosti, na postupné nahrazování principů hierachické organizace plochou sítí relativně samostatně fungujících a silně kooperujících entit. Společnost prochází změnou, způsobenou propojením tří světů: fyzického světa, světa počítačového, který je virtuálním odrazem světa fyzického, a do třetice světa sociálního, představovaného společností jako systémovým celkem. Postupně se tedy myšlenky průmyslu 4.0 skládají v úplně nový obraz života společnosti.

Technologické předpoklady

Jaké jsou tedy technologické předpoklady, které vedly k tomu, že kolem nás už v plné síle „zuří“ čtvrtá průmyslová revoluce? Pokusme se je alespoň ve stručnosti shrnout:

Konvergence technologií: Informatické, komunikační, kybernetické a automatizační technologie se nejen závratným tempem rozvíjejí, ale vzájemně prorůstají. Máme-li v ruce mobilní telefon, nelze jednoznačně určit, zda se jedná o komunikační, výpočetní, či automatizační zařízení, rádiem řízený budík, fotoaparát, databanku, či magnetofon. Osobní počítače už slouží nejen jako výpočetní prostředek, ale jako součást internetového komunikačního prostředí, jindy jako regulátor složitých výrobních procesů nebo skladiště rozsáhlých souborů dat. Do toho vstupují čím dál chytřejší hodinky, brýle se zabudovaným displejem pro virtuální realitu… Stále platí a ještě nejméně patnáct let bude platit Mooreův zákon říkající, že technické parametry komunikačních a výpočetních prostředků (rychlost, velikost paměti, energetická náročnost atd.) se každých 18 měsíců dvojnásobně vylepšují. S konvergencí hardwaru ruku v ruce konvergují operační systémy, programovací nástroje a metody práce s daty a znalostmi, standardy atd.

Virtualizace: Internet proniká doslova všude, od mobilů a fotoaparátů přes ledničky, automobily a sekačky na trávu po výrobní stroje a lékařské přístroje. Technická zařízení umožňují shromažďovat, uchovávat a vyvolávat stále rostoucí objemy dat. Objevují se pojmy internet věcí (IoT – Internet of Things) pro internetem propojená fyzická zařízení, internet služeb (Internet of Services – IoS) pro standardní prostředí zabezpečující vyvolávání služeb a internet lidí (Internet of People – IoP) pro vzájemnou komunikaci lidí ve virtuálním prostoru. V důsledku se objevují kyberneticko-fyzické systémy využívající IoT a IoS. O každém fyzickém objektu je možné shromažďovat všechna relevantní data ve virtuálním informatickém prostoru nul a jedniček. Výpočetní systémy mohou manipulovat často jen s daty, bez potřeby interakce s elementy fyzického světa. To znamená, že vývojem produktu v digitální formě můžeme zahájit budování rozsáhlé složky dat o každé jeho realizaci od výroby přes testování po údržbu a likvidaci. Ke každému polotovaru či výrobku můžeme přiřadit digitální kontejner informací, který se může účastnit jakéhokoliv vyjednávání (informační kontejner reprezentující polotovar může inetraktivně vyjednávat s datovými kontejnery konkrétních obráběcích strojů o možné optimální sekvenci zpracování, datová paměť produktu může dojednávat s počítačem koncového zákazníka optimální nastavení konfigurace softwaru…). Inteligentní čidla předávají předzpracovaná data do počítačových pamětí zařízení, s nimiž se na tom dohodla. Reálný svět začíná mít své dvojníky ve světě virtuálním – a ti začínají jednat jménem svých fyzických originálů.

Nové technologie: Kromě zlepšování a konvergence parametrů technických systémů přibývají zbrusu nové technologie, jakými jsou např. 3D tisk, cloudy či nástroje pro zpracování a analýzu velkých dat (Big Data). Přibývají technologie umělé inteligence, umožňující reprezentovat znalosti, vyvozovat nové poznatky ze souborů dat, analyzovat vícerozměrná data či signály libovolného druhu, optimálně rozhodovat, ale zejména učit se z vlastních zkušeností. Právě schopnost učení, zobecňování a automatizovaného vytváření modelů situací představuje významný technologicky průlomový prvek, za který vděčíme kybernetice.

Nové obchodní modely: Již dnes umíme nakupovat na internetu, optimalizovat osobní přepravu metodikou uber, pracovat s virtuálními měnami typu bitcoin. Letenky, optimalizované počítačovým výběrem dle našeho přání, již téměř neznáme v papírové podobě. A to jsme teprve na začátku využívání těch obchodních možností, které nám dnešní technologie nabízejí.

Rozsáhlé složité systémy, které nelze řídit z jednoho centra: Propojením a integrací téměř všech elementů reálného světa, vytvořeného člověkem, a automatizací jejich vzájemné komunikace se snižuje možnost člověka zasahovat přímo do výměny informací a tyto celky efektivně směrovat a řídit. Dosavadní obecná teorie systémů,1), 2) opírající se o čistě hierarchický způsob řízení, totálně selhává. Do popředí se dostávají představy o složitých systémech jako o souborech relativně autonomně operujících, navzájem komunikujících subsystémů (agentů), sdílejících stejné globální cíle a asynchronně komunikujících, jen když je třeba. Objevují se techniky multiagentních systémů s počátečními zárodky teorie, která by se mohla dříve či později stát ucelenou teorií složitých systémů.3), 4) Ona teorie se týká především míry autonomnosti, schopnosti vytvářet si představy o celkové situaci na základě dílčích dat, schopnosti vyjednávání, schopnosti korigovat dílčí cíle a vzájemně se koordinovat… Na úrovni implementace, zejména tam, kde je už agentů opravdu hodně a počet kontaktů mezi nimi potenciálně exponenciálně roste, se začínají jednotliví agenti v prostoru spíše považovat za poskytovatele služeb, komunikující prostřednictvím jediné komunikační dálnice – service busu. Multiagentní systémy tak na implementační úrovni začínají konvergovat k otevřeným servisně orientovaným architekturám (SOA), známým ze softwarového inženýrství.5)

Veškerý výše uvedený technologický pokrok se nejmarkantněji a ekonomicky nejsilněji projevuje v oblasti průmyslové výroby. Vize pro řízený proces rozvoje a aplikace těchto technologií poprvé uchopila německá iniciativa Industrie 4.0.

Německá iniciativa Industrie 4.0

Tato vize byla v prvotní verzi prezentována na Hannoverském veletrhu 2011 pod heslem Komputerizace průmyslové výroby. Dokument byl připraven týmem pod vedením prof. Henninga Kagemanna, prof. Wolfganga Wahlstera a prof. Wolfa-Dietera Lukase. Z popudu německé vlády byla detailně propracovaná národní strategie představena na Hannoverském veletrhu o dva roky později pod názvem Evoluce od vestavěných systémů ke kyberneticko-fyzickým systémům. V tomto dokumentu jsou automatizační technologie zaměřeny na distribuované systémy a počítají s metodami autooptimalizace, autokonfigurace, autodiagnostiky, strojového vnímání a inteligentní podpory dělníka.6) Dokument představoval mimo jiné německou reakci na aktivity Smart Manufacturing Leadership Coalition (SMLC) v USA – neziskového konsorcia zaměřeného hlavně na standardy.

Hlavní myšlenkou německé iniciativy je, že počítačovým propojením výrobních strojů, opracovávaných produktů a polotovarů, všech osob zapojených do procesů (prostřednictvím rozhraní) a všech dalších systémů a subsystémů průmyslového podniku je vhodné vytvářet inteligentní distribuovanou síť různorodých entit podél celého řetězce vytvářejícího hodnotu v průmyslových podnicích, přičemž subsystémy pracují relativně autonomně, paralelně a dle potřeby spolu komunikují. Každý fyzický systém má své virtuální dvojče či virtuální obraz ve virtuálním světě.

Propojení internetu věcí a internetu služeb vedlo k vytvoření představy kyberneticko-fyzického prostoru, v němž jsou už jen nejasné hranice mezi reálnem a virtuálnem. Tyto hranice se mohou dle potřeby posouvat: část systému lze ještě simulovat, zatímco další část už funguje na fyzickém zařízení. To pomáhá efektivně zvládat náběh výroby či změnu architektury výrobního úseku.

V souvislosti s iniciativou Industrie 4.0 hovoříme o trojí průmyslové integraci:

Integrace horizontální (hodnotového řetězce) – plná počítačová integrace veškerých aktivit v podniku, zabezpečujících vše od podání objednávky přes zásobovací řetězec, vývoj a výrobu až po expedici a distribuční síť.

Integrace vertikální (vnitropodniková) – od nejnižší úrovně řízení strojů v reálném čase (s reakcemi do desítek milisekund) přes plánování a rozvrhování výroby a ERP systémy (plánování podnikových zdrojů) až k rozhodování na nejvyšší úrovni.

Integrace inženýrské podpory (životního cyklu výrobku) napříč celým inženýrským řetězcem – od výzkumu, vývoje, prototypování a rozvrhování výroby až po inženýrské ošetření celého životního cyklu výrobku.

Velmi důležitá role je v systémech Industrie 4.0 přiřazena člověku jako integrální kooperující komponentě. Člověk kooperuje v síti relativně autonomních jednotek prostřednictvím terminálu (tabletu, počítače, telefonu) a má právo inicializovat nebo zastavovat jednotlivé procesy. Obvykle bude mít k dispozici množinu relevantních aplikací (tzv. Application Store) a předpokládá se poměrně masivní využívání rozšířené reality (Augmented Reality), tedy brýlí schopných promítat údaje či trojrozměrné instruktivní obrázky.

Iniciativa počítá s intenzivním zapojením robotů, jak standardních inteligentních manipulátorů, tak zejména robotů pohybově plně autonomních (včetně vozítek bez řidiče či dronů). Uplatnění by měly najít i flexibilní roboty sledující a zesilující jemné pohyby operátorů.

To vše jsou vize, které se už krok po kroku začínají implementovat v průmyslové praxi, a to nejen v Německu. Hlavním problémem při zavádění se podle prvních zkušeností jeví nákladná analýza celého výrobního systému a potřeb jeho řízení a nákladné investice do technologií. Technickým problémem je velké množství komunikace – komunikační sítě a servery nestíhají, hrozí kolaps nebo vznik nepříjemného emergentního chování, tedy nepředvídatelného chování složitého výrobního celku, fungujícího v ideálním případě bez centrálního řídicího bodu. Jedním z řešení je uchovávat znalosti a jejich sémantiku v ontologických hierarchických znalostních strukturách. Jejich budování, využívání a zejména zavádění nezbytných procesů adaptace a učení v nich je však v úplných počátcích. Zdá se, že kauzální popis subsystémů složitých systémů nebude vždy možný, proto je nutno počítat s rozvíjením pravděpodobnostních modelů – jedině tak půjde zřejmě zvládat dynamicky se měnící složité systémy a procesy.

Česká Iniciativa Průmysl 4.0

Česká republika musí na probíhající průmyslovou revoluci reagovat také, protože skýtá obrovské příležitosti z pohledu udržitelnosti a zvýšení produktivity průmyslové výroby a služeb. V opačném případě hrozí České republice ztráta konkurenceschopnosti s velkými dopady nejen na zaměstnanost a produktivitu, ale na celý rozvoj společnosti. Česká republika patří mezi nejindustriálnější země Evropy a má relativně dobrou výchozí pozici. Musí se však na příchod zmiňovaných změn náležitě připravit. Čtvrtou průmyslovou revoluci je nutno brát jako zásadní existenční výzvu. A v rámci přípravy je potřeba analyzovat možnosti, překážky a rizika včas aktivizovat skrytý potenciál.

Národní iniciativa Průmysl 4.0, která vznikla z podnětu ministerstva průmyslu a obchodu, má zatím vlastně formu expertní studie. Práce na ní začaly v červenci 2015, postupně se na ní podílelo 87 expertů z nejrůznějších odborných oblastí a institucí. Jejím cílem bylo nastínit a nastartovat potřebné kroky k posílení dlouhodobé ekonomické atraktivity a konkurenceschopnosti ČR. Dokument pro vládní orgány byl dokončen a předán 3. února 2016.

Expertní studie nekopíruje poznatky a náměty z německé iniciativy Industrie 4.0. Pohlíží na průmyslovou revoluci z pozice potřeb ČR a snaží se ukázat problematiku v plné šíři s návodem, co konkrétně je třeba v ČR udělat.

Zabývá se potřebami našich podniků, potřebnými změnami v aplikovaném výzkumu, v počítačové a systémové bezpečnosti, ve standardizaci, legislativních změnách, investičních záměrech i v přípravě na dopady do dalších oblastí. Zvláštní pozornost věnuje očekávaným změnám na trhu práce a nezbytné transformaci vzdělávacího systému. Podstatná část expertní studie byla vydána knižně.7)

Shrňme zde stručně jenom doporučení pro oblast aplikovaného výzkumu:

Podpora výzkumu a vývoje se musí soustředit na oblasti technologicky klíčové pro Průmysl 4.0, vycházející z důsledně identifikovaných potřeb české průmyslové praxe, z objektivní inventarizace kapacit relevantního aplikovaného výzkumu a z foresightových analýz vývoje ve světě.

Výzkumný prostor je třeba zásadním způsobem posunout od malých krátkodobých projektů účelového financování k budování trvalé infrastruktury shromažďující nadkritický výzkumný potenciál. Musí vzniknout páteřní síť národních center, zaměřená na vybraná klíčová témata Průmyslu 4.0, a systém experimentálních poloprovozů nebo jejich částí (testbedy), sloužících k vývoji a ověřování myšlenek a algoritmů Průmyslu 4.0 v semireálných podmínkách. Realizace Národní iniciativy Průmysl 4.0 bude vyžadovat též velmi intenzivní a soustředěný společenskovědní výzkum a jeho propojení se sférou průmyslové výroby i oblastí služeb, ať už na poli výzev světa práce a vzdělávání, při tvorbě a zpracování dat, nebo v souvislosti s rozšiřováním prostoru virtuálního světa. Bude to pro něj po desetiletích mimořádně významná výzva.

Nejde jen o průmysl

Hlavní principy Průmyslu 4.0 budou zcela přirozeně pronikat i za hranice továren, v prvním sledu především do energetiky a do řešení problémů chytrých měst.

Dnešní energetická distribuční soustava je stavěna jako důsledně hierarchická, postupně však musí být přetransformována na soustavu relativně (až úplně) samostatně operujících a vzájemně komunikujících a případně propojujících se sítí, tzv. smart gridů. Každá takováto síť bude pracovat s různorodými energetickými zdroji (kromě energie z klasických či jaderných elektráren, která bude do těchto sítí přicházet zvenčí, také s malými vodními, fotovoltaickými, větrnými, biopalivovými elektrárnami a kogeneračními systémy) a s měnícími se profily spotřeby u odběratelů.

Optimální využívání zdrojů bude zabezpečováno komunikací a přímým decentralizovaným vyjednáváním mezi zdroji na základě požadavků odběratelů, v krajním nouzovém případě i v provozu, který bude vyžadovat úplnou izolaci dané sítě (např. pokud by hrozil kolaps či napadení páteřní sítě). Každý smart grid tedy bude uvnitř organizován jako multiagentní systém, obdobně i skupinu takovýchto smart gridů je možné chápat jako další mutliagentní systém vyššího řádu a integrovat všechny její členy dle potřeby dynamicky do jednoho flexibilního celku. Interakce výrobních systémů Průmyslu 4.0 s distribuovanými energetickými sítěmi, a to s využitím komunikačních a vyjednávacích principů Průmyslu 4.0, bude naprosto nezbytná. Vždyť např. i profil potřebného odběru energie výrobním závodem je možné optimalizovat efektivním vyjednáváním podniku s decentralizovanou chytrou sítí.

Obdobně lze očekávat interakce výrobních systémů a energetických sítí se systémy chytrých měst. A tak bychom mohli pokračovat: chytrá města nejsou umístěna mimo prostor, musí interagovat obdobným způsobem i se zemědělskými systémy v okolí, z důvodu optimalizace provozu na komunikacích, zásobování obyvatelstva potravinami a pitnou vodou, zabezpečování rekreačních činností atd. Dostáváme se tak k dalšímu tématu, které už je v některých zemích na pořadu dne: Zemědělství 4.0.

A budeme-li vize a postupy Průmyslu 4.0 aplikovat i na péči o člověka, dostáváme se k problematice Zdravotní péče 4.0 či Sociální život 4.0. To jsou a budou přirozené důsledky čtvrté technologické revoluce, která svými principy zasáhne postupně všechny aspekty našeho života.

Poznámky

1) Klir G. J.: An Approach to General Systems Theory. Van Nostrand Reinhold Co., New York 1969.

2) Mesarovic M. D., Takahare D.: General Systems Theory. Academic Press, New York 1975.

3) Mařík V., Štěpánková O., Lažanský J. et al.: Umělá inteligence (6). Academia, Praha 2013.

4) Wooldridge M.: An Introduction to MultiaAgent Systems, Jon Wiley and Sons, Chichester 2002.

5) Colombo A. W. et al.: Industrial Cloud-Based Cyber-Physical Systems. Springer, Heidelberg 2014.

6) https://www.bmbf.de/de/zukunftsprojekt-industrie-4-0-848.html

7) Mařík V. et al.: Průmysl 4.0: Výzva pro Českou republiku. Management Press, Praha 2016.

8) Handy Ch.: Druhá křivka. Management Press, Praha 2016.

Evoluce, nebo revoluce?

Technologické změny postupně pronikají do našich životů a krok po kroku mění způsoby, jimiž komunikujeme, vyrábíme, obchodujeme i odpočíváme. Postupná integrace všech nových technologií do stále inteligentnějších a samostatněji operujících celků boří dominující striktně hierarchické principy organizace průmyslové výroby a posléze celé společnosti.8 Vytvářejí se nové systémové pohledy na složité celky jako komunity kooperujících autonomních jednotek a na využívání kybernetických principů pro jejich řízení. Významnou roli zde hraje teorie multiagentních systémů, strojové vnímání a metody strojového učení, principy adaptace a samoorganizace. Postupně se objevují konkrétní úspěšná dílčí řešení v intencích Průmyslu 4.0 a téměř nepozorovaně se tím ovlivňují a mění naše pohledy na další rozvoj. Procesy probíhají takříkajíc evolučně, a to ve směru, který nelze zastavit. Jsou prostě determinovány rozvojem technologií.

Iniciativy jako Industrie 4.0 či Průmysl 4.0 zřetelně ukazují cestu, kudy se vývoj bude ubírat, a naznačují způsoby, jak se na změny připravit, jak je pomoci s co nejmenšími ztrátami realizovat. Cíleně připravují naše myšlení.

Pokud všechny technologické změny probíhají přirozeným způsobem, mohli bychom samozřejmě hovořit o paralelně probíhajících evolucích a zatracovat pojem revoluce. Nejdůležitější jsou však změny v našem myšlení, které jsou současně hnacím motorem i důsledkem změn. Tyto změny v myšlení jsou pro naši budoucnost to nejdůležitější a můžeme jich cíleným úsilím dosáhnout. Nové technologie si budeme vždy moci koupit, změnu v našem myšlení, nahlížení na chod výroby, obchodu, dopravy a dalších aspektů našeho života si musíme cíleně zabezpečit sami.

Revoluce se od evoluce liší i tím, že má dopředu stanovený cíl. Z tohoto pohledu je čtvrtá průmyslová revoluce skutečnou revolucí. Revolucí, kterou vyvolala evoluce technologií a která probíhá v myšlení lidí.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201606_338-341.pdf (366 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky