P4
1.1. Scurta incursiune si explicatii
Istoric vorbind, societatea industrială a fost precedată de societatea agricolă care a început să dispară la sfârșitul secolului al XVIII-lea.
Tehnologiile de prelucrare a materialelor au evoluat disruptiv de la apariţia lor până în prezent, putând fi definite patru mari revoluţii industriale (denumite în literatură Industry 1 până la Industry 4)[1]. Prima revoluţie industrială, care a început în ultimele decade ale secolului al XVIII-lea, este caracterizată de introducerea echipamentelor mecanice de producţie acţionate de forţa apei sau a aburului. A doua revoluţie industrială a debutat la sfârşitul secolului al XIX-lea. Specific acestei revoluţii este utilizarea acţionării electrice a echipamentelor de producţie şi realizarea unei producţii de masă bazată pe divizarea muncii. A treia revoluţie industrială a demarat în deceniul 8 al secolului al XX-lea odată cu apariţia Controlerelor Programabile Logice (PLC). Caracteristica de bază a acesteia este utilizarea sistemelor electronice şi a tehnologiei informaţiei în automatizarea producţiei. În momentul de faţă, ne găsim în perioada de început a celei de-a patra revoluţii industriale (Industry 4.0), caracterizată de utilizarea sistemelor cyber-fizice în procesele de producţie. Revoluţia Industry 4.0 prevede că produsul care urmează să fie fabricat este capabil să interacţioneze cu echipamentele de fabricaţie (maşini şi roboţi) şi să transmită acestora cerinţele pentru următoarea fază a procesului de prelucrare, realizându-se, astfel, conectivitatea între elementele procesului. Se realizează, astfel, un sistem inteligent de producţie capabil să comunice şi să ia decizii optime în mod autonom. O prezentare grafică a celor
patru revoluţii industriale[2] este reprezentată în Figura 1.
Fig. 1. Evoluţia tehnologiilor de la prima la a patra revoluţie industrială [2].
Dacă privim istoria tehnologiilor din punctul de vedere al adaptării la cerinţele consumatorului[3], o putem periodiza în următoarele patru etape (Fig. 3).
– Perioada dinaintea primei revoluţii industriale (cea a producţiei artizanale) este caracterizată prin aceea ca fiecare produs era proiectat şi realizat pentru un anumit client (încălţămintea, hainele, harnaşamentele pentru cai etc.).
– Revoluţia industrială din secolele XVIII si XIX a condus la o creştere a productivităţii şi a volumului de producţie pe variante de produs, ceea ce a făcut ca, la începutul secolului al XX-lea, să se treacă la o altă paradigmă, aceea a producţiei de masă (introdusă de Ford în fabricaţia modelului de automobil Ford T). În această etapă sunt fabricate un număr limitat de produse, acestea fiind realizate într-un număr foarte mare (de masă), presupunându-se că vor fi suficienţi cumpărători pentru ele. Anul 1955 se consideră a fi caracteristic pentru producţia de masă, fiind anul cu volumul cel mai mare de producţie pentru o anumită variantă de produs. Începând cu acest an, de cotitură, varietatea produselor creşte, iar numărul de produse pe o variantă începe să scadă.
– Anul 1980 este anul trecerii într-o nouă etapă, aceea a personalizării de masă (mass customization), în care clientul selectează produsul dorit, dintr-o listă de opţiuni, înaintea realizării acestuia (exemplu clasic este cel al alegerii configuraţiei autoturismului de către client pe baza unei liste de variante şi apoi lansarea acestuia în producţie).
– Cea de-a patra etapă tehnologică este aceea a producţiei personalizate care începe în prima decadă a secolului XXI. În această perioadă, opţiunile produsului sunt alese de către client, cumpărate de la producător şi apoi realizate cu sisteme avansate de prelucrare. Un rol esenţial la saltul tehnologic în inovări tehnologice, care au fost aplicate la scară industrială: tehnologiile rapid prototyping, denumite mai nou, tehnologii de tip Additive Manufacturing, cloud manufacturing (termen adoptat prin similitudine cu termenul de cloud computing), realitatea augmentată, simularea stohastică etc.
Fig. 2. Evoluţia ciclică a fabricaţiei de la prima la a patra revoluţie industrială.
Din cele de mai sus rezultă că tehnologiile de fabricaţie au parcurs o dezvoltare ciclică, de la producţia artizanală personalizată (orientată pe individ), la producţia de masă (orientată pe produs), apoi la cea personalizată de masă (orientată pe grupuri de consumatori) şi revenind înapoi la producţia personalizată (orientată pe consumatorul individual).
Concluzie:
Prima revolutie industriala s-a produs atunci cand puterea apei si puterea aburului au pus in miscare mecanizarea manufacturarii. A doua revolutie industriala a inceput odata cu introducerea energiei electrice, a benzii rulante si a productiei in masa, iar a treia revolutia industriala s-a bazat pe introducerea automatizarilor si a mijloacelor IT in procesele de productie. Industria 4.0 introduce conceptul de fabrica inteligenta (“smart factory”), asemanator cumva cu conceptul de oras intelligent (“smart city”), in care un ecosystem modular de sisteme cyber-fizice monitorizeaza procesele fizice, creaza o copie virtuala a acestora si iau decizii descentralizate[4].
1.2. Tema:
1. Urmariti va rog urmatorul clip video referitor la istoria Industriei 4.0. https://www.youtube.com/watch?v=v9rZOa3CUC8
Rog notati elementele esentiale!
2. Raspundeti la urmatoarele intrebari (o singura varianta corecta):
2. Industria 4.0
2.1. Istorie si termeni.
Iniţiativa Industrie 4.0 a fost introdusă de guvernul german în anul 2011, în cadrul târgului de la Hanovra. La scurt timp, această iniţiativă a fost urmată de alte state sub diferite denumiri: Factory of the Future (Franţa şi Italia), Catapult (UK), «Smart Manufacturing» în US, respectiv «Made in China – 2025» în China sau «Innovation 2025» în Japonia. Termenul a devenit extrem de popular odată cu iniţiativa Forumului Economic Mondial de a organiza o dezbatere pe această temă în cadrul unei întâlniri la Davoz, organizată în ianuarie 2016 de catre Klaus Schwab, fondatorul şi coordonatorul acestei organizaţii. Industry 4.0 este caracterizată de automatizarea, digitizarea şi interconectarea tuturor componentelor din procesele de producţie.
2.1.1. Caracteristicile fundamentale ale Industry 4.0 sunt[5]:
(1) IA și Machine Learning;
(2) Blockhain;
(3) IIOT, Internetul lucrurilor în industrie;
(4) realitatea virtuală;
(5) realitatea augmentată;
(6) realitatea mixtă sau hibridă;
(7) roboții și coboții;
(8) mașinile autonome.
Fig. 3. Tehnologiile specifice celei de-a patra revoluţii industriale, Industry 4.0.
2.1.2. Concepte specifice:
1. IA și Machine Learning. Prin IA computerele pot înțelege limbajul uman, pot recunoaște obiecte, sunete, culori și alți stimuli din mediul exterior, pot să învețe, să planifice și să rezolve probleme. Gartner definește rețeaua digitală inteligentă ca fiind interacțiunea dintre persoane, dispozitive, conținut și servicii. Machine Learning (ML) este o modalitate prin care se obține IA; ML descrie procesul prin care un sistem computerizat învață din datele pe care le accesează fără să fie programat pentru această sarcină. Cele mai cunoscute aplicații ale ML sunt: estimarea cursului acțiunilor la bursă și decizii privind tranzacții și investiții; diagnosticare în medicină; analiza datelor generate de vehicule în dinamică, identificând tipare de comportament pentru fluidizarea traficului; identificarea preferințelor consumatorilor și personalizarea reclamelor și recomandărilor.
2. Conceptul Blockchain. Blockchain a câștigat popularitate după 2009, odată cu apariția monedei Bitcoin. Stuart Haber și W. Scott Stornetta au creat conceptul de blockchain (Internetul valorilor), date stocate în blocuri înlănțuite și securizate criptografic. În 2009, tehnologia blockchain a devenit soluția pentru tranzacții rapide, securizate și descentralizate. Tehnologia Blockchain redefinește conceptul de tranzacție. În absența unei entități centrale care păstrează, administrează și taxează informația, respectiv valoarea, tehnologia păstrează în ecuație doar subiecții tranzacției, inițiatorul și beneficiarul, eliminând părțile terțe. În cazul tehnologiei blockchain nu există costuri de tranzacție, doar costuri de infrastructură; blockchain redefinește conceptul de schimb, excluzând intermediarii tranzacției, există doar emițător (producător) și destinatar (utilizator).
3. Internetul lucrurilor în industrie (Industrial Internet of Things – IIOT). În domeniul industrial, IoT integrează mașinile inteligente, datele avansate și oamenii într-un ecosistem performant și fluent.
4. Realitatea virtuală (Virtual Reality/VR). Tehnologia RV emulează experiența interacțiunii cu mediul înconjurător, aducând-o cel mai aproape de realitatea cunoscută. RV ne permite să părăsim mediul real și să devenim parte integrantă dintr-o realitate alternativă, să interacționăm cu elementele care o compun; tehnologia creează o versiune a realității pe care creierul o percepe ca fiind reală deși ea nu există cu adevărat.
5. Realitatea augmentată (Augmented Reality/AR). Tehnologia AR seamănă cu RV însă nu are același efect de captivitate, utilizatorul nu pierde contactul cu mediul înconjurător. RA construiește o realitate alternativă pornind de la mediul real pe care-l îmbogățește cu elemente generate de computer.
6. Realitatea mixtă (Mixed reality/MR) sau hibridă este o tehnologie mai nouă decât AR și VR, care creează spații predominant virtuale, în care obiecte și oameni din lumea reală se integrează dinamic cu lumi proiectate, producând astfel medii și realități noi, unde obiecte digitale și fizice coexistă și interacționează.
7. Roboții și co-roboții sau coboții (roboți colaborativi creați după teoria jocurilor) industriali dispun de IA, capacități autonome de cogniție, decizie, învățare și adaptare. Sunt echipați cu senzori, tehnologii și sisteme inteligente, care îi conectează cu alte ecosisteme. Datorită senzorilor și funcțiilor de ML coboții sunt conștienți de prezența oamenilor, a gradului de proximitate, a locului și contextului în care se află.
8. Mașinile autonome (Driverless). Tehnologia drinerless oferă utilizatorilor un grad înalt de autonomie, mașina este complet autonomă.
Fabrica inteligentă se află în centrul Industriei 4.0. Scopul este crearea unei producții autonome în care oamenii, mașinile, plantele și produsele să comunice independent între ele. Așa-numitele sisteme cyber-fizice fac producția mai flexibilă și mai eficientă, modificand structura obisnuita a unui lant de proces (5), ceea ce conduce in final la implementarea dorințelor individuale ale clienților la costuri care anterior erau posibile numai în producția de masă.
Fig. 4. Structura lanţurilor de proces (4)
Pentru o înţelegere mai uşoară a diferenţei dintre structurile lanţurilor de proces într-un sistem de fabricaţie clasic şi unul specific pentru Industry 4.0, acestea s-au reprezentat sugestiv în Fig. 4 [5]. În sistemul classic, procesul de producţie se desfăşoară într-un flux de fabricaţie bine definit, între celule de lucru independente, aşa cum se vede în Fig. 4.a. În noul concept Industry 4.0 există un flux atât al produselor, cât şi al datelor, integrate între ele (Fig.4.b).
Câteva caracteristici specifice noului concept de fabricaţie sunt: o comunicare integrată de-a lungul întregului ciclu de lucru (1); un mare grad de automatizare, ceea ce va duce la înlocuirea operatorilor care efectuează munci cu grad scăzut de calificare cu roboţi (2); creşterea numărului de persoane cu calificare înaltă pentru monitorizarea şi managementul luxului de fabricaţie (2); un grad ridicat de comunicare între maşini (Machine to Machine-M2M) respectiv între maşină şi om (Machine to Human-M2H) (3); optimizarea întregului lanţ de proces prin utilizarea unor programe de inteligenţă artificială în fiecare structură a lanţului tehnologic
2.2. Makerspace-urile și producția aditiva
Una din caracteristicile Industriei 4.0 este accentul pe produse complexe din punct de vedere tehnologic care sunt realizate de către echipe mici și creative de experți cu educație transdisciplinară. Imprimantele 3D fac posibilă producția aditivă, care este mult mai eficientă din punct de vedere economic decât cea substractivă.
Producția aditivă presupune construirea de obiecte tridimensionale de orice formă prin adăugarea, nivel cu nivel, a unor straturi de material (plastic, metal etc.). În producția clasică industrială obiectele sunt realizate în mod substractiv, în sensul că se pleacă de la o cantitate mai mare de material din care este extras obiectul dorit. Exemplu: pentru realizarea unei figurine din lemn prin metode industriale, se pleacă de la o bucată mai mare de lemn din care este extrasă figurina. În cazul producției aditive, aceeași figurină poate fi realizată prin adăugarea unor straturi diferite de material extrudat (topit și modelat) de o imprimantă 3D.
Avantajele producției aditive sunt multiple, plecând de la costuri mai reduse (consum redus de material și forță de muncă) până la posibilitatea de a realiza rapid obiecte necesare pentru a menține în funcțiune instalații complexe. Spre exemplu, în cazul defectării unei componente a unui vehicul, înlocuirea piesei defecte se poate face pe loc prin imprimarea 3D a unui model predefinit. Producția aditivă aduce beneficii atât în aplicații industriale cât și în domeniul militar unde se pot produce pe loc anumite componente necesare.
Makerspace-urile sunt spații transdisciplinare în care se pot realiza în mod creativ și colaborativ obiecte complexe din punct de vedere tehnologic folosind roboți, imprimante 3D și drone. Ele sunt un fel de laboratoare ale viitorului, în care experți cu educație transdisciplinară pot opera sau construi sisteme fizico-cibernetice. Este de remarcat că una din principalele caracteristici ale makerspace-urilor este transdisciplinaritatea, care presupune gestiunea simultană a dinamicii mai multor niveluri ale lumii înconjurătoare. Makerspace-urile sunt esențiale pentru implementarea Industriei 4.0 deoarece reprezintă spațiile în care sunt realizate noile produse și servicii bazate pe tehnologii și materiale avansate. Numărul de makerspace-uri este actualmente redus, însă pe măsură ce numărul de roboți va crește, acestea vor înlocui clasicele linii de asamblare industriale. Makespace-urile vor fi în viitor principalul spațiu de producție de bunuri și servicii cu valoare economică.
Securizarea din punct de vedere cibernetic a makerspace-urilor este vitală pentru succesul comunităților care își construiesc avantajele competitive în jurul tehnologiilor avansate. Un eventual atacator nu trebuie să distrugă fizic makerspace-uri pentru a cauza daune. Este suficient să altereze sistemele software sau să extragă, în mod imperceptibil, datele care reprezintă rezultatele muncii creative a experților din makerspace-urile atacate. Neavând costuri de cercetare-dezvoltare, atacatorul va putea să arunce pe piață produse la cost mai mic realizate în makerspace-urile sale.
O importanță deosebită o au makerspace-urile educaționale deoarece copiii trebuie să învețe de mici să gândească transdisciplinar. Pentru a fi angajabili în societatea viitorului, copiii de astăzi trebuie să învețe să fie creativi tehnologic, să gândească transdisciplinar, să programeze computere, să aibă abilități critice, să stăpânească modalități de expresie a ideilor complexe prin digital storytelling.
În concluzie, putem afirma că securitatea cibernetică și inteligența artificială reprezintă domenii cheie pentru cei care doresc să fie printre câștigătorii Industriei 4.0. Securizarea sistemelor fizico-cibernetice, care vor funcționa frecvent în makerspace-uri, este un aspect esențial într-o lume în care datele și software-ul devin principalele valori economice.
2.3. Tema:
- Industry 4.0 started. Is it ready Romania for the challenges of this new revolution? – DOREL BANABIC Universitatea Tehnică din Cluj Napoca, România ↑
- W. Wahlster, Das Internet der Dinge als Innovationstreiber: Vernetzte Produktions-, Mobilitäts- und Energiesysteme, 6 Innovation – Unternehmergipfel 2012, Hannover, 13. ↑
- D. Banabic, Digitizarea fabricaţiei: a patra revoluţie industrială, Proc. Conferinţei ASTR, Târgu Mureş, 6-7 Oct. 2016 ↑
- Ce este Industria 4.0?- Ionuț Țața, CEO Iceberg ↑
- M. Ruessmann et al, Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in manufacturing Industries, The Boston Consulting Group, April 2015. ↑