Технологии индустрии 4.0: Влияние на повышение производительности промышленных компаний

ВВЕДЕНИЕ

Концепцию четвертой промышленной революции (Индустрии 4.0) впервые сфор­мулировали как внедрение киберфизиче- ских систем в заводские процессы (Ганно­вер, 2011). Предполагается, что эти системы объединятся в одну сеть, будут связываться друг с другом в режиме реального времени, самонастраиваться и учиться новым моде­лям поведения. Такие сети смогут выстраи­вать производство с меньшим количеством ошибок, взаимодействовать с производимы­ми товарами и при необходимости адаптиро­ваться под новые потребности потребителей [Трачук А.В., Линдер Н.В., 2017а]. Напри­мер, в процессе выпуска изделие само опре­делит оборудование, способное произвести его. Предполагается, что все это будет про­исходить в полностью автономном режиме без участия человека. Немецкие промыш­ленники сформулировали концепцию Ин­дустрии 4.0 и представили ее правительству. Ее основу составили четыре принципа:

• функциональная совместимость че­ловека и машины, которая предостав­ляет возможность контактировать на­прямую через интернет;
• прозрачность информации и способность систем соз­давать виртуальную копию физического мира;
• техническая помощь машин человеку для объедине­ния больших объемов данных и выполнения ряда не­безопасных для человека задач;
• способность систем самостоятельно и автономно при­нимать решения [ipi0, [s.а.]].

Термин формулирует понимание происходящих измене­ний, а значит, является концептуальным, создает фундамент для ряда политических инициатив, вырабатываемых и под­держиваемых государством и бизнесом для развития про­граммы исследований и разработок, и потому оказывается институциональным [Policy department А, 2016].

Другим знаковым событием в истории концепции Ин­дустрии 4.0 стал Всемирный экономический форум (Да­вос, 2016). Основатель и председатель форума Клаус Мар­тин Шваб назвал происходящие в экономике изменения четвертой промышленной революцией (Индустрией 4.0) и охарактеризовал ее место в экономической истории сле­дующим образом: «Первая промышленная революция на­чалась во второй половине XVIII века, когда появилась возможность при помощи воды и пара перейти от ручного труда к машинному. Вторая характеризовалась развитием массового конвейерного производства, связанного с освое­нием электричества. Мы живем в эпоху пока еще третьей промышленной (или цифровой) революции, начавшейся во второй половине прошлого века с создания цифровых компьютеров и последующей эволюции информационных технологий. Сегодня она постепенно трансформируется в четвертую промышленную революцию, которая характе­ризуется слиянием технологий и размытием граней меж­ду физическими, цифровыми и биологическими мирами» [SchwabK., 2016].

С момента возникновения термина концепцией заинтере­совались многие ученые, они углубились в изучение аспек­тов новой промышленности. Критики же указывают на то, что никакой революции в классическом понимании не про­исходит, что текущие изменения - это не более чем углублен­ная автоматизация, а сам термин является трендовым назва­нием [PolicydepartmentA, 2016].

Для того чтобы применить данную концепцию к россий­ским реалиям и сформулировать конкретные инициативы по развитию промышленности, необходимо ответить на сле­дующие вопросы:

• Где заканчивается третья промышленная революция и начинается четвертая?
• Какие отличительные особенности и элементы харак­теризуют Индустрию 0?
• Каких изменений ожидают отрасли промышленности и предприятия?

КОНЦЕПЦИЯ ИНДУСТРИИ 4.0: ПОНЯТИЕ И ОСНОВНЫЕ АТРИБУТЫ

Чтобы дать ответ на вопрос, где заканчивается третья промышленная революция и начинается четвертая, необхо­димо четко обозначить границы «Индустрии 4.0». Концеп­ция интенсивно развивалась на протяжении последних лет, сейчас есть возможность на основании ряда исследований изучить обязательные атрибуты и ключевые технологии «Индустрии 4.0». В таблице собраны определения.

От предыдущих революций Индустрию 4.0 отличают следующие обязательные признаки:

• Цифровизация и вертикальная интеграция по це­почке создания стоимости. «Индустрия 4.0» пред­усматривает цифровизацию и интеграцию процессов по вертикали в рамках всей организации, начиная от разработки продуктов и закупок и заканчивая про­изводством, логистикой и сервисным обслуживани­ем. Все данные об операционных процессах, их эф­фективности, управлении качеством и операционном планировании доступны в режиме реального времени в едином информационном пространстве, оптимизи­рованы под различные платформы [BauerH., Patel М., VeiraJ., 2016; Трачук А.В., 2014].
• Цифровизация и горизонтальная интеграция не­скольких цепочек создания стоимости. Горизон­тальная интеграция выходит за пределы деятельности одного предприятия и охватывает поставщиков, потре­бителей и всех ключевых партнеров по цепочке соз­дания стоимости. Используются инструменты инте­грированного планирования, учитывающие входящие параметры от партнеров (смещения сроков поставок, изменения объемов производства и др.), что позволя­ет оперативно корректировать планы [GeissbauerR., SchraufS., Kochetal., 2014; Трачук А.В., Лин­дер Н.В., 2016 а].
• Цифровизация продуктов и услуг. Цифровизация товаров предполагает дополнение имеющихся продук­тов интеллектуальными датчиками или устройствами связи, совместимыми с инструментами анализа дан­ных. Благодаря внедрению новых методов аналитики у компаний появляется возможность получать данные об использовании продуктов и дорабатывать эти про­дукты в соответствии с новыми требованиями конеч­ных пользователей [BauerH., Patel М., VeiraJ., 2016; Трачук А. В., Линдер Н.В., Убейко Н. В., 2017].
• Цифровые бизнес-модели и доступ клиентов. Веду­щие отраслевые компании также расширяют спектр предоставляемых ими услуг, предлагая революци­онные цифровые решения, например комплексное персонифицированное обслуживание на основе дан­ных и интегрированные платформы [GeissbauerR., SchraufS., Kochetal., 2014; Трачук А.В., Лин­дер Н.В., Антонов Д. А., 2014].
• Новые цифровые бизнес-модели зачастую направле­ны на получение дополнительной выручки от цифро­вых решений, оптимизацию взаимодействия с клиен­том и улучшение доступа клиентов. Цифровые товары и услуги часто предназначены для обслуживания кли­ентов путем предоставления им комплексных решений в обособленной цифровой экосистеме [«Индустрия 4.0», 2016].
• Развитая технологическая платформа. Предприятия используют высокотехнологичные машины и оборудо­вание, информационно-коммуникационные решения и киберфизические системы, обеспечивающие циф­ровизацию и интеграцию. Без развитых технологий проблематично реализовать все предыдущие атрибуты с практической точки зрения [Geissbauer R., Schrauf S., KochV. et al., 2014; Линдер Н.В., Арсенова Е.В., 2016; Трачук А.В., 2013].

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Технологии - основа «Индустрии 4.0», без них невоз­можна трансформация промышленного производства [Тра­чук А.В., Линдер Н.В., 20176]. Часть ключевых технологий активно внедряется, часть пока проходит предварительные испытания в научно-исследовательских центрах, но их эф­фективность уже надежно доказана практикой применения.

Анализ больших данных. Цели применения: повышение качества продукции, энергосбережение и усовершенствова­ние порядка обслуживания оборудования. Для эффективного применения важна интеграция данных из нескольких инфор­мационных систем, в том числе управления производством, учета ресурсов, управления отношениями с клиентами и др.

Автономные роботы. Современные роботы настраи­ваются и конструируются так, чтобы взаимодействовать между собой и с сотрудниками, самостоятельно обучаться и оптимизировать собственные операции. Например, компа­ния Kuka создает автономных роботов, которые могут моди­фицировать и корректировать свои действия в зависимости от следующего продукта на линии. Сенсоры и панели кон­троля позволяют им взаимодействовать с человеком. Компа­ния ABB запускает робота YuMi с двумя манипуляторами, предназначенного для сборки продукции (например, потре­бительской электроники). Манипуляторы и компьютерное зрение позволяют роботу безопасно взаимодействовать с че­ловеком и распознавать детали.

Симуляция (моделирование). Виртуальное моделиро­вание продуктов, материалов и процессов уже применяется на этапе инженерных разработок, в будущем его примене­ние расширится для имитации полного цикла операционных и производственных процессов. Эти модели будут извлекать данные в режиме реального времени для создания виртуаль­ной копии реального производства с участием машин, про­дуктов и сотрудников. Это позволит операторам тестировать и оптимизировать настройки оборудования для следующего продукта на линии при помощи виртуальной модели до вне­сения изменения непосредственно на физическом произ­водстве. В качестве примера можно привести Tecnomatix от Siemens PLM Software - семейство программных про­дуктов, предназначенных для автоматизации решения задач в области подготовки и оптимизации производства от ком­пании Siemens PLM Software. В семейство входят продукты для симуляции процессов в трехмерном пространстве, ими­тационного моделирования, программирования промыш­ленных роботов в режиме оффлайн, виртуальной пускона­ладки линий и анализа собираемости с учетом размерных отклонений.

Интеграция ИТ-систем. Во многих компаниях, в том числе в России, информационные системы не интегрирова­ны между собой либо интегрированы частично. Также край­не редко между собой интегрируются предприятия-произво­дители, поставщики и клиенты. Индустрия 4.0 предполагает, что функциональные подразделения в рамках одной компа­нии и целые компании образуют общее универсальное ин­формационное пространство с целью автоматизировать сра­зу несколько цепочек создания ценности. Например, Dassault Systemes и Boost AeroSpace запустили единую платформу для взаимодействия участников европейской космической и оборонной индустрии. Платформа AirDesign является об­щим рабочим пространством для дизайна и сотрудничества при создании летательных аппаратов. Платформа доступна в качестве услуги в частном «облачном» информационном пространстве. Платформа позволяет нескольким партнерам управлять производственными процессами и обмениваться данными.

Промышленный интернет вещей. В настоящее время только некоторое оборудование на производстве использует межмашинное подключение (М2М) и использует встроен­ные вычислительные мощности. Промышленный интернет вещей предполагает оснащение встроенными датчиками все большее количество производственных объектов и даже не­завершенную продукцию. Это позволит передавать большие объемы данных как между машинами, так и централизо­ванным системам контроля, осуществить децентрализацию систем аналитики и принятия решений, обеспечивая работу в режиме реального времени. Компания BoschRexroth ос­настила оборудование для производства клапанов (и сами клапаны) специальными радиочастотными метками (Radio Frequency IDentification, RFID), чтобы рабочее оборудование «понимало», какие шаги нужно выполнить и как адаптиро­вать каждую отдельную операцию.

Кибербезопасность. В управлении и на производстве многие компании по-прежнему полагаются на ИТ-решения, которые являются закрытыми и не соединенными с внеш­ним миром. При увеличении соединений и использовании стандартных протоколов соединений, которые предполагает Индустрия 4.0, становится очевидной потребность в защите ключевых производственных систем и линий от киберугроз. Поэтому безопасные подключения и надежные подходы к управлению доступом к системам являются неотъемле­мым условием развития корпоративных информационных систем.

Облачные вычисления. Многие компании уже исполь­зуют программное обеспечение и системы анализа на ос­нове облачных платформ. Индустрия 4.0 предполагает уве­личение потоков обмена данными, выходящих за пределы отдельно взятой компании. Растет и вычислительная мощ­ность облачных платформ. В дальнейшем производствен­ные системы мониторинга и контроля, возможно, перейдут на облачные платформы.

Аддитивное производство (ЗО-печать). Компании по­степенно начинают применять инструменты аддитивного производства, например ЗО-печать. Сейчас основная область применения - это прототипирование и создание отдельных компонентов. В Индустрии 4.0 инструменты аддитивного производства могут применяться более широко, в том чис­ле для производства небольших партий кастомизированной продукции.

Дополненная реальность. Системы дополненной ре­альности оптимизируют работу на складе и подбор комплек­тующих, направляют инструкции на мобильные устройства производственных рабочих во время ремонта оборудования путем направления. В рамках Индустрии 4.0 сфера их при­менения будет расширяться с целью упростить работу про­изводственного персонала и обеспечить поддержку приня­тия решений.

Например, при помощи очков виртуальной реальности инструкции по ремонту (порядок замены отдельных дета­лей) будут проецироваться в режиме реального времени прямо на конкретное производственное оборудование. Со­трудник получит подсказку - порядок замены тех или иных деталей.

Компания Siemens разработала виртуальный трениро­вочный модуль для своего ПО Comos. При помощи 3D-MO- дели и очков дополненной реальности модуль помогает персоналу справляться с экстренными ситуациями в режиме виртуальной симуляции. В этом виртуальном мире операто­ры учатся взаимодействовать с оборудованием при помощи цифровой презентации, изменять параметры оборудования и отображать операционные показатели и инструкции по ре­монту.

***

Совокупность технологий, обеспечивающих взаимодей­ствие между виртуальным и физическим миром, называет­ся киберфизическими системами (рис. I). Применительно к промышленности используется термин «киберфизические производственные системы» [TheFactory, 2016]. Компания IBM определяет киберфизические системы как системы, в которых вычислительные элементы взаимодействуют с датчиками, которые обеспечивают мониторинг киберфи­зических показателей, и с исполнительными элементами, которые вносят изменения в киберфизическую среду. За­частую киберфизические системы ориентированы на то, чтобы каким-либо образом управлять окружающей средой. Киберфизические системы объединяют информацию от ин­теллектуальных датчиков, распределенных в физической среде, для лучшего понимания среды и выполнения более точных действий. В физическом контексте исполнительные элементы на основе получаемых данных вносят изменения в среду обитания пользователей. В виртуальном контексте киберфизические системы применяются для сбора данных о виртуальных действиях пользователей, оборудования и ма­шин [Дзанни А., 2015].

Современные технологии находятся в процессе непре­рывного развития, и предприятия разных отраслей отдают приоритет развитию разных технологий, поэтому приведен­ный выше перечень не является исчерпывающим. В него также включают квантовые компьютеры, нанотехнологии, композитные материалы и др. Все они являются важными драйверами развития современной промышленности.

ТЕХНОЛОГИИ ИНДУСТРИИ 4.0 И РЕЗУЛЬТАТИВНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПАНИЙ

Внедрение любых средств автоматизации, в том числе технологий Индустрии 4.0, оправдано, если это даст эконо­мический эффект по сравнению с принятыми формами про­изводства и бизнес-процессов [Трачук А.В., Линдер Н. В., 2017в]. Практика ряда компаний показывает, что комплекс инструментов четвертой промышленной революции позво­ляет достигать экономически значимых результатов. Так, например, компании Nova Chemicals (Канада) приходилось ежегодно обрабатывать более 20 000 заказов на техниче­ское обслуживание в каждом из 11 цехов по производству химикатов и пластмасс. Чтобы улучшить планирование об­служивания, компания внедрила передовые системы ана­литики и облачных вычислений в сотрудничестве с SAP. Сегодня программное обеспечение SAP EAM (Enterprise Asset Management - решение для управления активами пред­приятия) формирует полноценную картину проведения тех­нического обслуживания в NovaChemicals. Это облегчило процессы планирования, выполнения работ и обеспечения материальными ресурсами. Все ключевые стейкхолдеры мо­гут получить доступ к имеющейся в системе информации. Например, бизнес-пользователи могут получать ежедневный и еженедельный отчет о запланированных работах, приори­тетах, требуемых ресурсах, возможных конфликтах в гра­фиках работ по техническому обслуживанию и текущий прогресс в их выполнении. Результаты улучшенной коорди­нации и интеграции планирования технического обслужива­ния очень заметны:

• количество незапланированных отключений оборудо­вания значительно сократилось;
• время, затрачиваемое на реактивную, аварийную рабо­ту, сократилось на 47%;
• время, затрачиваемое на проактивное, профилактиче­ское обслуживание, увеличилось на 61%;
• соблюдение графика обслуживания, включая пилот­ные проекты, улучшилось на 22% в течение года.

Концерн Siemens AG (Еермания) разработал цифровую копию одного из своих заводов посредством сбора данных с датчиков на оборудовании. Эта инициатива позволила сни­зить время настройки оборудования в среднем на 80%.

Данные улучшения на производстве существенно влия­ют на финансовые результаты деятельности компаний. Ос­новные эффекты, полученные по итогам трансформации ряда производств как в иностранных компаниях, так и в рос­сийских, приведены на рис. 2.

ТРЕНДЫ НА РЫНКАХ В РАМКАХ ИНДУСТРИИ 4.0

Рост инвестиций в новые технологии. Индустрия 4.0 предполагает значительный рост инвестиций в основные средства и нематериальные активы. Это можно увидеть, если выделить инвестиции в описанные технологии И4.0. На рис. 3 приведены совокупные инвестиции Германии [HoffmarmR., 2016], которая еще в 2011 году обозначила при­оритетность технологического развития страны.

Рост количества слияний и поглощений и стратеги­ческих альянсов. Поскольку современные технологии раз­виваются феноменальными темпами, компании не успевают развивать все необходимые компетенции самостоятельно. В промышленном секторе можно отметить тренд на увели­чение количества слияний и поглощений (рис. 4) [Technology, [s.a.]].

РОСТ РЫНКА ПРОДАЖ РЕШЕНИЙ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ

Очевидным следствием является рост рынков и объемов продаж всех обеспечивающих технологий, что доказывает динамичное развитие Индустрии 4.0. На рис. 5 приведе­на динамика роста объемов рынка автоматизации [Global factory automation market, 2017]. Практически все сектора, создающие технологии Индустрии 4.0, продемонстрировали заметный рост. Частным примером является динамика про­даж промышленных роботов [Worldwide sales, 2017] (рис. 6). Эти и другие тренды в значительной степени формируют будущее промышленности, их следует учитывать как госу­дарству, так и бизнесу. Кроме того, приведенные тенденции свидетельствуют о росте ряда рынков, что создает новые воз­можности для компаний, нацеленных на поиск своих ниш.

НОВЫЕ МОДЕЛИ ЗАВОДОВ

В долгосрочном периоде Индустрия 4.0 не только повли­яет на существующие заводы, повысив их операционную эффективность за счет использования прорывных техноло­гий, но и приведет к формированию следующего поколения организационно-технических моделей заводов.

На сегодняшний день формируются три основные мо­дели в зависимости от подхода к удовлетворению спроса [Industry 4.0: Howtonavigate, 2015] (рис. 7).

«Умные» автоматизированные заводы нацелены на массовое производство продукции с низкой себестоимо­стью.

Ключевые технологии: полный комплекс технологий Ин­дустрии 4.0 применяется в масштабе всей производственной цепочки.

Кейс. Завод i3 (BMW, Лейпциг) демонстрирует высокую степень интеграции и цифровизации. Роботы используются на каждой стадии производства, в том числе в кузовном, по­красочном и сборочном цехах. Движение продукции по про­изводственной цепочке отслеживается в режиме реального времени с помощью радиочастотных меток (RFID). Операторы завода используют мобильные устройства (планшеты), чтобы контролировать производственные системы и об­рабатывать данные. Функция управления централизована в головном подразделении у сотрудников, принимающих управленческие решения, которые выступают своего рода «центральной нервной системой» завода.

Заводы, ориентированные на клиента, стремятся бы­стро реагировать на рыночные изменения и предполагают создание персонифицированного предложения для клиента в значительных объемах по доступной цене.

Ключевые технологии:

• приложения-конструкторы, позволяющие клиентам самостоятельно проектировать товар под собствен­ные нужны и, таким образом, выставлять требования для завода;
• системы прогнозирования колебаний спроса с макси­мальной точностью на основании больших данных;
• 3 D-сканеры;
• приложения для трехмерного моделирования и проек­тирования;
• ЗО-принтеры с высокой производительностью.

Кейс. В 2016 году производитель спортивной одежды, обуви и аксессуаров UnderArmour (США) открыл экспери­ментальный завод Lighthouse, предприятие занимается ди­зайном и производством спортивной одежды. Используются технологии, нацеленные на обеспечение максимальной ка­стомизации:

• ЗБ-дизайн и сканирование тела для фиксирования физических особенностей строения тела спортсменов для разработки максимально удобной одежды и обуви;
• ЗО-печать и быстрое прототипирование для трансфор­мации полученных трехмерных моделей в реальные образцы товаров, использование пятиосевых обраба­тывающих станков;
• пилотные линии по производству одежды и обуви для апробации в условиях промышленного производства.

Мобильные заводы нацелены на нишевые и террито­риально удаленные рынки. У них относительно небольшие объемы производства, низкие капитальные затраты и высо­кая мобильность. Такие заводы производят ограниченный ассортимент продукции, но могут быть развернуты и выве­дены на производственную мощность в сжатые сроки.

Ключевые технологии:

• модульные производственные линии, которые могут быть быстро доставлены, собраны и подключены;
• быстро подключаемые и настраиваемые сборочные роботы;
• ЗО-принтеры для производства отдельных деталей;
• гибкие логистические системы.

Кейс. KUBio - модульная фабрика для производства мо­ноклональных антител (General Electric Elealthcare). Предва­рительно подготовленные модули и технологическое обо­рудование транспортируются на выбранную площадку, где из модулей за 14-18 месяцев собирается завод. Таким обра­зом, производители медикаментов могут быстро удовлетво­рить локальный спрос на определенные препараты. KUBio сокращает операционные издержки на развертывание завода и сроки вывода продукта на рынок, позволяя обогнать кон­курентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье рассмотрены различные определения термина «Индустрия 4.0», который используется уже более 10 лет для обозначения современных инновационных подходов к организации производств. Несмотря на многообразие трак­товок, термин является устоявшимся, поскольку по резуль­татам анализа источников были выделены признаки Инду­стрии 4.0, с которыми согласно большинство экспертов.

Поскольку в основе современного производства ле­жат технологии, сформирован краткий перечень ключевых технологий, которые обеспечивают реализацию концеп­ции «Индустрия 4.0» на практике, приведены направления их использования. Драйвером трансформации производств является желание повысить эффективность и результатив­ность деятельности предприятия, что продемонстрировано при помощи взаимосвязи «применение технологии - эффект на производстве - влияние на финансовые результаты».

Разумеется, любая масштабная трансформация целых отраслей экономики оказывает значительное влияние на свя­занные рынки, что показывает краткий обзор динамики про­даж промышленных роботов, решений по автоматизации, рост сделок на рынках слияний и поглощений, рост инве­стиций.

Для дальнейшего научного исследования интересным направлением являются подходы к организации новых заво­дов. В статье рассмотрены три перспективные модели заво­дов, обеспечивающие технологии и примеры их использо­вания в конкретных компаниях. Тем не менее приведенная информация о заводах относится скорее к верхнему уровню, в первую очередь потому, что детальная информация о биз­нес-процессах, эффектах, производственной статистике за­крыта и по понятным причинам ведущие компании не рас­пространяют ее. Итак, в дальнейшем было бы интересно провести углубленный анализ конкретных кейсов цифровой трансформации производств с последующим обобщением полученных результатов.