Digitální dvojče: Inteligentní podnik a smart výroba

Mezi technologie s narůstajícím významem pro výrobní podniky v éře kyber-průmyslu a inteligentní logistiky patří i technologie digitálního dvojčete. Spolu s Internetem věcí (IoT), velkými daty (Big Data) a strojovou inteligencí se technologie digitálního dvojčete dostala do základního inventáře Průmyslu 4.0 a inteligentního řízení procesů v podniku.

Kromě pasivní formy digitálního dvojčete, tedy nástroje, jenž do procesů ve výrobě přímo nezasahuje, jen je interpretuje, postupně vznikla i nová forma digitálního dvojčete, jež disponuje řídicí funkcionalitou.

Právě tato podoba „aktivního“ digitálního dvojčete představuje klíčový předpoklad pro správně fungující kyberneticko‑fyzikální výrobní systémy, a tudíž i autonomní řízení průmyslových a logistických procesů. Vzhledem k operacím, které vykonává, se také označuje jako inteligentní informační agent.

Pojem agent odkazuje na autonomní jednotku schopnou plnit zadaný úkol. Přívlastek autonomní definuje schopnost agentu jednat samostatně, což znamená, že má plnou kontrolu nad svým jednáním. V elementární podobě je agent nositelem reakční schopnosti, je tedy schopen vyvolat reakci vzhledem k podnětům z okolního prostředí. Příkladem jednoduchého agentu je termostat, který samostatně reaguje na změny podle předem definovaného pravidla.

Aktivní digitální dvojče je v podstatě počítačový program, který v zastoupení nějakého objektu nebo z pověření uživatele provádí zadaný úkol. Tuto formu digitálního dvojčete označujeme jako inteligentního informačního agenta, jelikož již disponuje nějakou podobou umělé inteligence (AI).

Vzhledem ke změnám v prostředí a stanoveným cílům je takový agent schopen přebírat iniciativu a sám ovlivňovat své prostředí a objekty v něm, stejně tak i samostatně rozhodovat o souslednosti operací s ohledem na zabezpečení co nejefektivnějšího výsledku optimálním způsobem.

Aktivní digitální dvojče tvoří nezbytnou součást Smart Industry systémů i celého digitálního ekosystému továrny. V komplexních infrastrukturách již technologie digitálního dvojčete musí disponovat dodatečnými vlastnostmi, jakými jsou adaptabilnost, škálovatelnost, agilnost a některé kognitivní schopnosti.

Kognitivní technologie umožňují digitálnímu dvojčeti reagovat na zcela nové podněty, a to díky předcházejícím zkušenostem, respektive výsledkům předchozích rozhodnutí a jejich následné reevaluaci. Současně musí mít inteligentní informační agent (digitální dvojče) predispozici interagovat v kolektivu jiných agentů. To znamená komunikovat a kolaborovat ve skupinovém zřízení nebo v jisté hierarchii.

 Digitální dvojče jako strategické technologie na rok 2019 (zdroj: Gartner)

Inteligentní továrna a chytrý průmysl

Továrny i logistické toky představují dynamické a nedeterministické prostředí, tedy takové prostředí, v němž nemá každá akce zaručený jednoznačný výsledek. Vzhledem k častému výskytu mimořádných situací způsobených především externími elementy (například nečekaná nebo chybná lidská interference) vzniká potřeba nasazení náročnějších řídicích systémů.

Komplexnost těchto prostředí s mnoha simultánně probíhajícími procesy, z nichž většina na sebe navazuje, a také enormní objem dat, která tyto operace generují, už totiž není možné obsloužit stávajícími řídicími systémy založenými na technologii jednoduché evidence či zpracování transakcí. Do popředí se proto dostávají Smart Industry systémy, kde inteligentní informační agenti tvoří síť decentralizované a distribuované inteligence.

Decentralizace a distribuce řízení je rovněž signifikantní v případě procesů intralogistiky výrobních podniků (výrobní logistika). Řízení flotily vozíků zásobujících výrobní linky je při stávajícím nárůstu variabilnosti a při kustomizaci produktů natolik komplexní, že již není v lidských silách ho zvládnout.

Zejména proto, že množství údajů spadajících do rozhodovacího procesu již přesahuje lidské kognitivní schopnosti. Postupné nasazování robotů a samonaváděných zařízení (AGV) vede k narůstajícím požadavkům na inteligenci řídicího systému.

To zároveň vede k implementaci technologií multiagentních systémů, které propojují jednotlivé autonomní agenty (digitální dvojčata), aby vzájemně interagovaly (komunikovaly, koordinovaly se a kooperovaly) a zabezpečily dosažení stanoveného společného cíle. Decentralizované multiagentní systémy umožňují přidělovat agentům různé role pro plnění variabilních úkolů a tím vytvářet složité systémy s lepší reakcí na vnější vlivy a faktory.

První implementace Smart Industry systémů s prvky multiagentního chování je možné objevit v procesech třídění zásilek nebo vychystávání zboží. Vzhledem k postupující digitální transformaci průmyslu a dopravy se budou častěji implementovat i do procesů zásobování výrobních linek, kde početné flotily samonaváděných přepravních zařízení (AGV) budou zajišťovat včasné a korektní doplňování materiálu pro roboty na výrobní lince.

Oproti stávajícím řešením již nebudou systémy založeny na centralizovaném řízení, ale budou schopny kolektivní samokonfigurace. Továrenský informační ekosystém se stane organickou strukturou, v rámci které se automatizace přetransformuje na vyšší úroveň – autonomizaci.

Digitální dvojče v hlavním proudu

Důležitost technologie digitálního dvojčete i její přínos spočívají v jeho simultánním dvojitém nastavení jako simulačního i řídicího nástroje. Vytvoření repliky výrobních toků, celé továrny nebo dodavatelsko‑odběratelského řetězce pasivním modelem digitálního dvojčete umožňuje podnikům sledovat, simulovat a testovat zavedené i  hypotetické procesy.

Díky tomu můžou pověření zaměstnanci odhalovat úzká hrdla nebo neefektivní operace, identifikovat různé anomálie nebo získávat včasná varování před potenciálními krizovými situacemi, v předstihu jim předcházet (například díky prediktivní údržbě) a tím optimalizovat provozní náklady.

Simulace výrobních toků mohou také díky historickým datům předstírat různé varianty montážních operací a na základě výsledků nasadit do ostrého provozu tu proceduru, při které vznikají produkty s nejvyšší kvalitou, čímž se minimalizují neplánované výdaje na dodatečné repasování a zbytečné navyšování výrobního lead timu. Digitální dvojče tedy již v této podobě vytváří podniku přidanou hodnotu.

Aktivní forma digitálního dvojčete neboli inteligentní informační agenty zastává klíčovou roli v inteligentním řízení procesů (Intelligent Operations Management). Digitální dvojče v kombinaci s internetem věcí dokáže transformovat běžné objekty (které nemají vlastní predispozici být „smart“) na inteligentní věci.

Kromě výrobních a přepravních zařízení a nástrojů nebo materiálů a produktů se tato způsobilost vztahuje i na samotného zaměstnance, u něhož kombinace obou zmíněných technologií rozšiřuje jeho kognitivní schopnosti.

Zaměstnanec skladu tak kupříkladu nemusí (a ani nemůže znát) přesné pořadí a objem úkolů, ale řídicí Smart Industry systém mu prostřednictvím inteligentního informačního agentu prioritizuje jednotlivá pracovní zadání v reálném čase na základě relevantních dat a aktuálních požadavků koncového odběratele.

Digitální dvojče tvoří primární předpoklad pro Smart Industry systémy zabezpečující operativní a autonomní řízení výrobních a zásobovacích procesů. Dynamické vnitropodnikové logistiky (Intralogistiky 4.0) lze dosáhnout kombinací internetu věcí (IoT) a aktivní formy digitálních dvojčat, která jsou integrována ve Smart Industry systému.

Digitální dvojče: Rozvoj 2016-2025 podle krajin v miliardách dolarech (zdroj: MarketsandMarkets)

Smart Industry systém zabezpečuje nezbytnou informační infrastrukturu pro správné fungování obou technologií. Kromě automatizace a následné autonomizace činností se díky těmto řešením zvyšuje i agilnost jednotlivých operací, podnikové procesy se tudíž stávají flexibilnějšími a lépe reagují na vnější podněty (zákazníci, módní vlny, trhy) s možností větší variability výsledného produktu nebo služby.

Technologie digitálního dvojčete navíc oplývá všestranným potenciálem nejen pro dynamické a autonomní řízení výrobních podniků a inteligentní průmysl, ale její funkčnost dnes již proniká do oblasti zdravotní péče, projektování (například pobřežních ropných plošin), maloobchodu, údržby a v neposlední řadě i do digitální transformace měst (Smart City).

Právě predispozice k univerzálnímu využití, stejně jako ke škálovatelnosti funkcí a vytváření přidané hodnoty přispěly k faktu, že objem nasazování digitálního dvojčete předčil prognózy Gartneru. Mezinárodní analytická společnost již revidovala své predikce a teď už mluví o mainstreamizaci digitálního dvojčete.

Ústřední postavení digitálního dvojčete vyplývá i z jeho organického provázání s ostatními technologiemi, jako jsou internet věcí (IoT) a internet služeb (IoS), umělá inteligence (AI), strojové učení (ML) nebo rozšířená analytika a zpracování velkých dat.

Právě propojitelnost s ostatními technologiemi přispívá k současnému unikátnímu postavení digitálního dvojčete navzdory padesátileté existenci jeho konceptu. Rozsáhlá funkčnost, všestranné využití a výsledný přínos pro podniky řadí digitální dvojče mezi nejvlivnější disruptivní technologie současnosti i blízké budoucnosti.

Článek byl původně publikován v Control Engineering číslo 3 (100). ročník XIV.

MOHLO BY VÁS TAKÉ ZAJÍMAT