'Умные' среды, 'умные' системы, 'умные' производства
Реферат "Умные" среды, "умные" системы, "умные" производства
Введение
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:
. 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).
. 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.
. 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.
. 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.
. «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.
. 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:
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:
. Способность к «умному» действию и «умному» реагированию, максимально увеличивающим техническую эффективность, эффективность затрат и выгоду благодаря планированию, постоянному мониторингу операций и непрерывному обучению.
. «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.
. 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.
. Оборудование обладает полным доступом к необходимой информации в любое время работы.
. Для предотвращения аварий в рамках «умного» производства осуществляется сбор информации в реальном времени.
. Система обладает способностью к оперативному реагированию на изменения в технологическом процессе и неполадки.
. «Умное» производство является экологически устойчивым, использует рециклинг и обладает минимальным воздействием на окружающую среду.
. Необходимой чертой «умного» производства является высококвалифицированная рабочая сила.
. Система обладает пониманием границ автоматического действия и снабжает всей необходимой информацией операторов и управленцев для принятия необходимых решений.
. 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 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:
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.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.