Организация структур систем кастомизированного производства в четвёртой индустриальной революции

А.С. Степанова,

магистр техн. и техн-ии, ser23n2005@yandex.ru,

С.Л. Степанов,

вед. инж.,

ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов

Проведен системный анализ новых производственных технологий четвертой индустриальной революции. Обоснованы подходы по формированию требований к ее технологиям, обеспечивающие технологический скачок и переход к «облачному производству» и «производству, как сервис».Требуется подготовка к созданию цифровых «Фабрик будущего», для выпуска кастомизированной продукции существенной индивидуализации продукции, при условии высокой гибкости производства. В базовых промышленных технологиях необходимо следовать за мировыми и отечественными лидерами, создавая сетевые «Фабрики будущего».

 

The system analysis of new production technologies of the fourth industrial revolution is carried out. The approaches on forming of requirements to its technologies providing technological jump and transition to "cloudy production" and "to production as service" are proved. Preparation for creation of digital "Factories of the future", for release of the customized products and essential individualization of products, on condition of high flexibility of production is required. In basic industrial technologies: it is necessary to follow world and domestic leaders, creating network "Factories of the future".

Введение

            Актуальность. В начале 2013 года MTI, RAND Corporation, Токийский университет и Европейский Центр оценки технологий выпустили доклад «Технологическое развитие 2025» [1]. Они предложили заменить наименование NBIС(нано-, био- инфо-, когни-) на NIBEP (neyrosaens, information technology, bio-technology, energy revolution, production). Новая производственная революция базируется на новой робототехнике, 3D промышленной печати и композиционных материалах. В докладе сделан вывод, что существуют 24 критические технологии.

Те, кто овладеет всеми технологиями NIBEP, считают в RAND Corporation, смогут осуществить новую                      технологическую революцию, запустить новую экономику. Согласно докладу, у американцев есть готовые 21 технология, у японцев – 17, у ЕС – 14, у Израиля – 9, у Южной Кореи – 8, у Китая – 7. И у России пока - только четыре [1].

Графически смену технологий можно представить в виде рис.1. Выбор направления развития зависит от нас: А-B1-C1 или A-B1-C2 или A-B2-С4. Затраты примерно одинаковые, результаты – принципиально разные, в том числе и по отнесению технологий к технологическим укладам: новый 6 или старый 5 или даже 4, рис. 1.

рис. 1. Бифуркационный характер смены NIBEP технологий (X, Z –параметры системы, T – время, А, В и C– точки бифуркации)

В связи с мировой тенденцией уменьшения времени жизненного цикла техники необхо-димо рассматривать и в первую очередь раз-рабатывать новые производственные техно-логии (НПТ), инновационные технологии, обеспечивающие больший запас времени для производства инновационных систем и техники, в том числе и для вновь разраба-тываемых нематериальных услуг.

Критические технологии определяют главные ТТХ изделий и систем, поэтому основное вниманием следует уделять именно им, имея в виду необходимость значительного увеличения основных характеристик систем и изделий, в 2-4 раза, в ближайшее время.

Проблема: Хроническое отставание от запланированных сроков нововведений, что сказывается на потерях лидирующего положения на рынке. Предприятия несут убытки намного дольше, а когда начинают получать прибыль, то возможность получения высоких доходов уже упущена [2].

Цель работы заключается в анализе и синтезе (нахождение путей лидерства промышленных предприятий России для создания новых высокотехнологичных рынков ближайших 15-20 лет), на основе организации структур систем четвертой индустриальной революции, для кастомизированного производства.

Задачами работы являются: - системный анализ в области инновационных технологий четвертой индуст-риальной революции, обеспечивающей решения для создания принципиально новых структур производства:

·         с обоснованием подходов по формированию требований к технологиям четвертой индустриальной революции, обеспечивающих технологический скачок;

·         с подготовкой к созданию «Фабрик будущего (Factoryof Future, FoF)», с выпуском кастомизированной продукции нового поколения, на основе цифрового моделирования и проектирования.

Решение. Выдвижение НПТ (как единого комплекса технологий) в качестве одного из ключевых технологичес-

ких приоритетов в развитых стран произошло в 2010-2012 гг. Оно способствовало появлению новых исследова-

ний, изучающих причины, содержание и перспективы их развития [3-6]. Наиболее широко используется понятие

«передового производства» (advanced manufacturing), введенное Национальной ассоциацией перспективных производственных технологий США (National Association of Advanced Manufacturing, NACFAM) [4-6].

Передовым производством назовем производство, в котором широко используются компьютерные, высокоточные и информационные компоненты, интегрированные с высокопроизводительной рабочей силой, которое создает систему, сочетающую в себе преимущества массового производства и, в то же время, гибко настроенную на необходимый в данный момент объем выпуска, и обладающую высокой степенью кастомизации с целью быстрого реагирования на потребности клиентов [4-6]. Технологии НПТ и их примеры в табл. 1.

Таблица 1

Сравнение новых производственных технологий

Технологии НПТ

Традиционные: техника

и технологии (примеры)

Новая техника

и технологии (примеры)

Технологии организации и управления

системно-инженерные

подходы, LEAN

интеллектуальное

и облачное производство

ИТ-системы,

обеспечивающие поддержку ЖЦ продукции

Многомерное моделирование

сложных изделий

CAD/CAE/CAM, PDM

CAx для аддитивных технологий, облачные

технологии, межмашинное взаимодействие, M2M

Интеллектуальные

системы управления

производством

Оборудование и технологии для

формообразования изделий

станкостроение, оборудование для обработки пластмасс и др.

аддитивное производство, лазерная обработка

Оборудование и технологии для

автоматизации производственных процессов

реле, переключатели,

сенсоры, силовая электроника

промышленная

робототехника,

сенсорные системы

Передовые материалы, используемые для новых производственных процессов

металлы, пластик

композиционные

материалы, керамика, металлы и др.

 

Находящееся на пороге 4-й индустриальной революции производство, под влиянием развивающихся информационных технологий, сближает и интегрирует реальный, вещественный, и виртуальный, информационный мир [7]. Эта промышленность будет характеризоваться:

§  существенной индивидуализацией продукции, при условии высокой гибкости массового производства;

§   глубокой интеграции потребителей и производителей, в рамках сквозных процессов всего жизненного цикла и всей цепочки создания стоимости/ потребительской ценности (value adding chain);

§   связью процессов выпуска и сервиса продукции и формирования таким образом «гибридных продуктов».

Осознавая эти тенденции, правительственные организации и промышленность различных стран инициирует такие инициативы как Industry 4.0, Германия [6,7] и Smart Manufacturing Leadership Coalition, США [8], а также организации технологического развития National Network for Manufacturing Innovation [9], American Light weight Materials Manufacturing Innovation Institute [10], National Center for Defense Manufacturing and Machining [11].

Проект Industry 4.0 охватывает как промышленные технологические, так и социальные аспекты развития. Это проект, направленный на опережающее развитие информационных и компьютерных технологий. Ведущую роль в этом проекте играет Siemens. Некоторые из компонентов Industry 4.0 уже появляются и используются сейчас, в частности производственный интернет, стандарты обмена промышленными данными, моделирующее программное обеспечение, что придает участникам и экспертам уверенность в реализуемости проекта в целом [6].

«Индустрия 4.0» была инициирована в 2012 г., как один из десяти «проектов будущего» в рамках Плана действий по осуществлению германской федеральной «Стратегии в области высоких технологий – 2020».

Проект Smart Manufacturing, инициированный рядом американских правительственных агентств и ведущих промышленных компаний, направлен на интегрирование в реальном времени и в рамках производственных сетей информации и данных, отражающих все аспекты требований, концепций, конструирования, проектирования, производства, логистики, эксплуатации, сервиса продукции, то есть на создание «производственного интеллекта». Это достигается путем внедрения большого количества измерительных датчиков, объединения их в сети, а сбор и обработка информации от них, совмещена с моделированием.

Сценарий локального технологического лидерства. При реализации четвертой индустриальной революции она формируется по важнейшим направлениям, рис.2:

Ø создание Фабрик будущего (Factoryof Future, FoF), причем в основе динамической модели «Фабрики Будущего» лежит развитие – Цифровой Фабрики(0) (Digital Factory) – в направлении создания новых поколений фабрик (Цифровая Фабрика(1), ...., Цифровая Фабрика(n)), DF(1), ..., DF(n)), либо иных, смежных видов фабрик – «Умных Фабрик» (Smart Factory, SF)и Виртуальных Фабрик (Virtual Factory), рис. 2. Развитие новых поколений Цифровой Фабрики осуществляется за счёт усложнения и совершенствования базовых элементов Передовых Производственных Технологий (ППТ) – цифрового моделирования и проектирования, новых материалов и аддитивных технологий;

Ø разработка передовых производственных технологий для новых рынков, в том числе для Национальной технологической инициативы [12-15].

Ø формирование принципиально новых технологий по искусственному интеллекту и системам управления.

В базовых промышленных технологиях, из-за недостатка ресурсов, необходимо следовать за мировыми лидерами, развивающими промышленные технологии четвертой промышленной революции, используя их новые

технологические машины и новые решения. Среду технологий промышленного производства необходимо наполнять инновационным оборудованием, с учетом эффективности и объемом безубыточного выпуска.

рис. 2. Образы Фабрик Будущего - Цифровой, Умной и Виртуальной (Digital-Smart-Virtual Factories of Future)[13]

Переход к «облачному производству» и «производству, как сервис». Концепция «облака» предполагает, что пользователи переносят/передают в «облако» функции для последующего использования по принципу «когда необходимо, плачу-пользуюсь» (pay-to-play architecture). Вначале эта архитектура была отработана в ИТ области, сейчас делаются попытки реализовать «облачное» производство [16,17] и производство, как сервис (MaaS) [5].

Идея MaaS не сводится к аутсорсингу производственной функции, она рассматривается, как путь реализации кастомизированного производства по заказу и тесно связана с организацией взаимодействия между производственными единицами и виртуальными предприятиями.

Проект «The Man Cloud» выполняется консорциумом Европейских промышленных компаний и университетов также в рамках общеевропейской программы исследований с целью тестирования концепции сервис-ориентированных             ИТ-средств в качестве платформы для сетей производственных предприятий, реализуя, таким образом, видение «облачного» производства.

Переход к кастомизированному гибкому производству является основным направлением развития производства. Основными предпосылками для этого является готовность гибких ИТ-систем, поддерживающих «облачное» производство, с одной стороны, и производственные процессы, и физические производственные единицы с другой. Проект Man Cloud был запущен именно для исследования ИТ-производственных аспектов такого перехода и для разработки и проверки тестовых образцов ИТ-инфраструктуры. Руководство проекта осуществлялось пока в трех индустриях – фототехника, органические светодиоды и поставщики автоиндустрии.

Важно отметить, что современные станки/обрабатывающие центры готовы для включения в производственное облако. Стандартом стало использование роботов-манипуляторов для смены инструмента, головок, держателей, обрабатываемых деталей, контроллеров и средств коммуникации для включения в сеть. Оборудование рождает большое количество производственных данных, интенсивно развиваются протоколы обмена, общие многоплатформенные информационные среды. Информационная часть производства также готова к «облаку».

Создание инфраструктуры «облачного производства». Несколько современных направлений развития ИТ не относятся к технологиям организации и управления производством (ОУП), но создают инфраструктуру развития ОУП: «облачного производства».

Промышленный интернет (industrial internet) – интеграция сложных физических машинных комплексов с сетевыми датчиками и программным обеспечением, реализуется на параллельной интернету инфраструктуре, на общих или частных каналах, является более защищенным, за счет дополнительных средств защиты данных.

Образы Фабрик Будущего - Цифровой, Умной и Виртуальной (Digital-Smart-Virtual Factories of Future) показаны на рис. 2[13]. При этом все Фабрики Будущего – сетевые (Net).

Интернет вещей (internet of things, IoT) – область, охватывающая уникально идентифицируемые объекты, их

виртуальное представление в интернет-подобной среде иинформационный обмен через эту среду. Формирует-

ся сеть приборов(датчиков, исполнительных механизмов, «микрофабрик») путем их горизонтальной интеграции.

Перспективные базовые и критические промышленные технологии.

v Аддитивные технологии. Рынок аддитивных технологий в мире в 2012 г. оценивался в 2,2 млрд. долл., из которых основной объем выручки - 54% приходился на услуги, 26% - на оборудование, 19% - на материалы [18]. Среднегодовой темп прироста рынка за 2010-2012 гг. составил более 27%.

v Аддитивное производство(АП, также AM — от англ. additive manufacturing) представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) — в противоположность так называемому обрабатывающему производству (например, механической обработке).

В табл. 2 представлены обобщенные лучшие мировые практики смены будущих технологий в мире.

Таблица 2

Предложенные лучшие мировые практики смены основных технологий

Приоритеты развития

Основные критические технологии будущего

УКАЗ Президента РФ, № 899

RAND Corporation,

США, до 2020 г.

McKinsey institute, США, до 2025 г.

NIBEP,

до 2025 г.

NBIC,

до 2040 г.

Технологические направления (кластеры)

8

—

3

—

4

Технологии (критические)

27

16

12

24

—

 

Из табл. 2 видно, что NIBEP содержит 24 критические технологии, а по УКАЗУ Президента РФ, № 899 [18] имеется 27 критических технологий. Поэтому следует ориентироваться на критические технологии УКАЗА Президента РФ, № 899 и сравнивать их с технологиями RAND Corporation [19].

Детали изготавливаются непосредственно по компьютерному файлу, содержащему 3D-модель, виртуально нарезанную на тонкие слои, который передается в АП-систему для послойного формирования конечного изделия. Сейчас АП-технологии обеспечивают гибкость, позволяющую быстрое производство сложной кастомизированной продукции и запасных частей, которые либо не могут быть изготовлены с помощью традиционных производственных технологий и малой себестоимостью, либо требуются в малых объемах.

В аддитивных процессах с использованием металлов, детали формируются путем последовательной послойной наплавки или спекания металлического порошка. Такая возможность привлекательна тем, что позволяет изготовление деталей точной или близкой к заданной форме без инструментальной оснастки с минимальной последующей механообработкой, либо вообще без нее. Это представляет особый интерес для авиационно-космической промышленности и биомедицины, поскольку делает возможным выпуск изделий с высокими эксплуатационными характеристиками при общих низких затратах.

Но аддитивное производство — это лишь один пример из ряда прорывов, которые приведут к созданию завода будущего, обычное технологическое оборудование тоже становится более умным и гибким. В Германии есть новая производственная стратегия под названием Modularer Querbaukasten (или MQB) [20]. Стандартизируя параметры определённых деталей, немецкие изготовители надеются добиться возможности изготавливать все свои изделия на одной и той же производственной линии. В конечном итоге это позволит заводам в США, Европе и Китае изготавливать на месте любое изделие, востребованное на каждом из рынков.

v Робототехника. Согласно оценкам McKinsey к 2025 г. 15-25% рабочих мест в промышленности и сельском хозяйстве в развитых странах могут быть экономически эффективно замещены роботами.

Вспомогательные промышленные технологии. Для вспомогательных промышленных технологий (инструментальное производство и изменения в обрабатывающей промышленности), из-за ограниченности внешних и внутренних ресурсов, оптимальным будет – следовать за мировыми и отечественными лидерами.

Изменение облика обрабатывающей промышленности обеспечивается на трех взаимосвязанных уровнях:

§   макроуровне (регионализация, локализация производственных цепочек);

§   микроуровне (изменение бизнес-моделей: опора на эффект масштаба, «бережливое» производство, модель жизненного цикла изделия, кастомизация продукции и др.);

§    уровне технологий (автоматизация и роботизация производства, использование новых материалов и др.).

Формализация. Предположим, что рассматривается динамика развития n і 1 технологий (последовательно сменяющих друг друга технологических укладов [1] или отдельных инноваций – содержательный их смысл в рамках рассматриваемой модели одинаков) на плановый горизонт T, который фиксирован и считается известным.

Динамика развития i-ой технологии (ее жизненный цикл) описывается следующим дифференциальным уравнением:

                                                     (1)

где I(•) – функция-индикатор, , ui(•) – управление (инвестиции),  Q1 ≤ Q2 ≤ ... ≤ Qn  – известные предельные уровни развития технологий (технологические пределы - разность между «соседними» технологическими пределами характеризует технологический скачок),  – упорядоченному множеству технологий, t1 = 0 ≤  t2 ≤ ... ≤  tn ≤ T – конеч­ная последовательность моментов «переключения» - перехода от одной технологии к сле­дующей. Зададим начальные и конечные условия:

:                                                             (2)

,                                                             (3)

Содержательно, моменты  времени   соответствуют «переключению»  (переходу) на новую технологию, известные величины  - потерям, связанным с переходом, ui(•) ≥ 0 – динамике изменения ресурсов, вкладываемых в развитие технологий, . Динамика i-ой технологии описывается обобщенным логистическим уравнением со скоростью роста, описываемой известной функцией , зависящей от уже достигнутого на предыдущем этапе уровня xi(ti) развития (точнее - «стартового» для данного этапа уровня - (7) и количества ресурсов ui (•). Траектория , характеризует уровень развития технологий.

Определим достигнутый к концу планового горизонта T уровень развития технологий X (T):

                                                                                (4)

В результате, используя все потенциальные возможности технологий проектирования с различными технологическими укладами, мы получим интегрированную систему проектирования, включающую не только проектирование оргструктур, но и встроенную взаимосвязь самого проектирования с рынком покупателей.

Заключение

Для выбора путей лидерства промышленных предприятий России, на ближайшие 15-20 лет, в новой четвертой индустриальной революции необходимо запустить новую экономику, при этом  выбор новой организационной структуры, для кастомизированного производства, не следует ограничиваться 24 критическими технологиями RAND Corporation. При этом для обеспечения сценария локального технологического лидерства:

·      обоснованы подходы по формированию требований к технологиям четвертой индустриальной революции, обеспечивающие технологический скачок и переход к «облачному производству» и «производству, как сервис».

·      требуется подготовка к созданию цифровых «Фабрик будущего», обеспечивающих выпуск кастомизированной продукции нового поколения, на основе цифрового моделирования и проектирования, при условии высокой гибкости крупносерийного (массового) производства, при существенной индивидуализации продукции;

·      необходимо обеспечить связь процессов выпуска и сервиса продукции с формированием «гибридных продуктов»,  глубокой интеграции потребителей и изготовителей в рамках сквозных процессов всего жизненного цикла и всей цепочки создания стоимости/ потребительской ценности (value adding chain);

·      в базовых промышленных и вспомогательных технологиях: инструментальное производство и в обрабатывающей промышленности необходимо следовать за мировыми и отечественными лидерами, создавая цифровые «Фабрики будущего»;

·      используя все потенциальные возможности технологий проектирования с различными технологическими укладами, можно получить интегрированную систему проектирования, включающую не только проектирование оргструктур, но и встроенную взаимосвязь самого проектирования с рынком покупателей.

К четвёртой индустриальной технологической революции Россия должна готовиться без промедления.

Литература

1.  National Intelligence Council, GLOBAL TRENDS 2025: THE NATIONAL INTELLIGENCE COUNCIL'S 2025 PROJECT, –http://www.dni.gov/nic/NIC_2025_project.html

2.  Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс / В.А. Трапезников.- М.: ИПУ РАН, 1983/2005. -224 с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа свободный: http://www.twirpx.com/file/53863.

3.  White House (2012) Report to the President on Capturing Domestic Competitive Advantage in Advanced Manufacturing. Washington, DC: Executive Office of the President, President’s Council of Advisors on Science and Technology.–  http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast_amp_steering_committee_report_final_july_17_2012.pdf.

4.    White House (2013a) Fact Sheet: The President’s Plan to Make America a Magnet for Jobs by Investing in Manu-facturing. Washington, DC: The White House, Office of the Press Secretary. - Режим доступа: http://www.whitehouse. gov/the-press-office/2013/02/13/fact-sheet-president-s-plan-make-america-magnet-jobs-investing-manufactu

5.  White House (2013b) Obama Administration Launches Competition for Three New Manufacturing Innovation Institutes. – http://www.whitehouse.gov/the-press-office/2013/05/09/obama-administration-launches-competition-three-new-manufacturing-innova

6.  CSST (2013) Subcommittee on Research and Technology Hearing — Examining Federal Advanced Manufacturing Programs. Committee on Science, Space and Technology, September 10. http://science.house.gov/ hearing/subcommittee-research-and-technology-hearing-examining-federal-advanced-manufacturing

7. Project of the Future: Industry 4.0. // Ministry of Education and Research, Germany/ Электрон. дан. – Германия. – 2011. – http://www.bmbf.de/en/19955.php

8.  Report to the President on ensuring American leadership in advanced manufacturing //Executive Office of the President. President’s Council of Advisors on Science and Technology /Электрон. дан. – Вашингтон Округ Колумбия, США, 2011. – С.9:  http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/pcast-advancedmanufacturing-june 2011.pdf

9.    National Network for Manufacturing Innovation.– https://www.whitehouse.gov/blog/ 2016/06/24/sharpening-our-competitive-edge-national-network-manufacturing-innovation

10.   American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute.– http://detroitfuturecity.com/wp-content/uploads/ 2014/12/ALMMII-Support.pdf

11.   National Center for Defense Manufacturing and Machining. http://detroitfutu/recity.com

12.   Агентство стратегических инициатив. – http://asi.ru/nti/

13.   Национальная технологическая инициатива. – http://www.nti.one/

14.   ИЦ "Центр компьютерного инжиниринга" СПбПУ. Национальная технологическая инициатива. –http://fea.ru/compound/national-technology-initiative

15.   Ястреб Н. А. Индустрия 4.0: киберфизические системы, разумное окружение, Интернет вещей. Киберфизические системы. - N_A_Yastreb.pdf

16.   Аналитический центр. Глобальная технологическая революция. Национальный совет по разведке США. Проект 2020. [Электронный ресурс]. – http://www/nps.sarov.ru

17.   Канчуков С.А. Третья промышленная революция. – http://anna-news.info/node/10673

18.   Указ Президента РФ «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ и перечня критических технологий РФ», от 7 июля 2011 года № 899. Сайт Президента РФ. –http://graph. document.kremlin.ru/page.aspx?1;1563800

19.   The RAND Corporation. The Global Technology Revolution 2020, Executive Summary. Bio/Nano/Materials/ Information Trends, Drivers, Barriers, and Social Implications. http://www.rand.org /pubs/ monographs/ MG475.html

20.   Project of the Future: Industry 4.0. // Ministry of Education and Research, Germany/ Электрон. дан. – Германия. – 2011. – http://www.bmbf.de/en/19955.php