Цифровая фабрика будущего. Технологии «Фабрик Будущего. «Технет»: планы в России

Фабрики Будущего - это определенный тип системы бизнес-процессов, способ комбинирования бизнес-процессов, который имеет следующие характеристики:

создание цифровых платформ, своеобразных экосистем передовых цифровых технологий. На основе предсказательной аналитики и больших данных платформенный подход позволяет объединить территориально распределенных участников процессов проектирования и производства, повысить уровень гибкости и кастомизации с учетом требований потребителей;

разработка системы цифровых моделей как новых проектируемых изделий, так и производственных процессов. Цифровые модели должны обладать высоким уровнем адекватности реальным объектам и реальным процессам (конвергенция материального и цифрового миров, порождающих синергетические эффекты);

цифровизация всего жизненного цикла изделий (от концепт-идеи, проектирования, производства, эксплуатации, сервисного обслуживания и до утилизации). Чем позже вносятся изменения, тем их стоимость больше, а потому центр тяжести смещается в сторону процессов проектирования, в рамках которых закладываются характеристики глобальной конкурентоспособности или высокие потребительские требования.

На этапе формирования Фабрик Будущего происходит и формирование новых ключевых компетенций, например:

быстрая кастомизация отклика на запросы Рынка или Заказчика;

использование системных подходов (системный инжиниринг), когда необходимо в каждый момент времени держать в поле зрения всю систему, все ее взаимодействующие компоненты;

формирование многоуровневой матрицы целевых показателей и ограничений как основы нового проектирования, значительно снижающего риски, объемы натурных испытаний и объемы работ, связанных с «доводкой изделий и продукции на основе испытаний»;

разработка и валидация («сравнение с экспериментами») математических моделей с высоким уровнем адекватности реальным объектам и реальным процессам - так называемые «умные» модели;

управление изменениями на протяжении всего жизненного цикла;

«цифровая сертификация», основанная на тысячах виртуальных испытаний как отдельных компонентов, так и всей системы в целом.

Фабрики будущего. Ключевые понятия

Цифровые фабрики (Digital Factory) - системы комплексных технологических решений, обеспечивающие в кратчайшие сроки проектирование и производство глобально конкурентоспособной продукции нового поколения от стадии исследования и планирования, когда закладываются базовые принципы изделия, и заканчивая созданием цифрового макета (Digital Mock-Up, DMU), «цифрового двойника» (Smart Digital Twin), опытного образца или мелкой серии («безбумажное производство», «всё в цифре»). Цифровая фабрика подразумевает наличие «умных» моделей продуктов или изделий (машин, конструкций, агрегатов, приборов, установок и т. д.) на основе новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования Smart Digital Twin - [(Simulation & Optimization) Smart Big Data]-Driven Advanced (Design & Manufacturing).

«Умные» фабрики (Smart Factory) - системы комплексных технологических решений, обеспечивающие в кратчайшие сроки производство глобально конкурентоспособной продукции нового поколения от заготовки до готового изделия, отличительными чертами которого является высокий уровень автоматизации и роботизации, исключающий человеческий фактор и связанные с этим ошибки, ведущие к потере качества («безлюдное производство»). В качестве входного продукта «Умных» фабрик, как правило, используются результаты работы Цифровых фабрик. «Умная» фабрика обычно подразумевает наличие оборудования для производства - станков с числовым программным управлением, промышленных роботов и т. д., а также автоматизированных систем управления технологическими процессами (Industrial Control System, ICS) и систем оперативного управления производственными процессами на уровне цеха (Manufacturing Execution System, MES).

Виртуальные фабрики (Virtual Factory) - системы комплексных технологических решений, обеспечивающие в кратчайшие сроки проектирование и производство глобально конкурентоспособной продукции нового поколения за счет объединения Цифровых и (или) «Умных» фабрик в распределенную сеть. Виртуальная фабрика подразумевает наличие информационных систем управления предприятием (Enterprise Application Systems, EAS), позволяющих разрабатывать и использовать в виде единого объекта виртуальную модель всех организационных, технологических, логистических и прочих процессов на уровне глобальных цепочек поставок (поставки => производство => дистрибьюция и логистика => сбыт => послепродажное обслуживание) и (или) на уровне распределенных производственных активов.

Фабрики будущего. Испытательные полигоны (Testbeds)

Для того чтобы формировать Фабрики Будущего, отбирая и комплексируя различные лучшие в мире технологии с добавлением собственных кросс-отраслевых интеллектуальных ноу-хау, необходимо иметь место, где их можно было бы опробовать на практике, в среде, отвечающей реальным условиям. Для этих целей дорожной картой «Технет» в 2017-2019 гг. предусмотрен запуск трех испытательных полигонов (TestBeds):

Испытательного полигона для генерации Цифровых, «Умных», Виртуальных Фабрик Будущего на базе первого в России Института передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ;

Экспериментально-цифровых центров сертификации на базе Сколковского института науки и технологий и МГУ им. М.В. Ломоносова

Благодарим редакцию журнала «Трамплин к успеху» НПО «Сатурн» за предоставление данного материала.

Таким образом, первым шагом к цифровому предприятию была разработка в цифровом виде продукта производства. И достаточно быстро появился и был удовлетворен запрос инженеров, последовавший за персональными системами автоматизированного проектирования, на средства поддержки коллективной разработки, разработку систем инженерного анализа, создание системы компьютеризированной технологической подготовки.

Появились новые попытки осмыслить возможности компьютеров (рост мощности которых уверенно следовал закону Мура) через новые методы прикладных систем - появилась концепция PLM (Product Lifecycle Management - управление жизненным циклом продукта), которая была призвана перевести в цифровой вид всю «жизнь» продукта от разработки до утилизации. Естественно, что при этом в качестве продукта обсуждаются сложные дорогостоящие изделия с длительным сроком эксплуатации. Здесь важно отметить, что достижение реального полного внедрения PLM-системы в тот момент близко к невозможности, учитывая сложности в поддержании цепочки поставок, где за каждым звеном возникновения информации скрывается самая сложная из природных систем - человек, со своими, присущими исключительно ему, навыками, устремлениями, опытом, проблемами…

Тем не менее, цифровое проектирование вместе с компьютерным расчетным моделированием сложных процессов (газодинамика, термодинамика и др.) позволило значительно сократить время вывода на рынок новых продуктов - таким примером стал газотурбинный двигатель SaM146.

Сейчас на предприятии мы имеем хорошую цифровую базу по продукту - от конструкции до техпроцессов с программами ЧПУ, но что это изменило в производстве? Улучшено взаимодействие между конструктором и технологом, между ними передаются цифровые модели ДСЕ, что практически исключает изготовление «устаревших» (без учета изменений) деталей, обеспечивает актуальность и соответствие конструкции и физического облика детали, но как это может повысить эффективность именно производственных процессов?

Еще одним фактором, влияющим именно на производственные процессы, стало появление методологий MRP, MRP-II, ERP и поддерживающих их разнообразных систем. Они позволяют, используя нормативные данные о составах изделий, маршрутах, нормах материалов и времени обработки, рассчитывать планы-графики изготовления, определять, когда и что необходимо для выполнения конкретных операций, выявлять ограничения - «узкие места», координировать деятельность производственных подразделений между собой. Но, однако, ожидания оправдались далеко не полностью. За конкретными действиями, событиями и решениями стоит человек, способный на ошибки. В постановку задач так же человек закладывает логику работы системы, зачастую выдавая желаемое за действительное. В результате - ошибки, недоверие к системам, «ручное» управление.

Возможной панацеей может стать концепция цифрового предприятия. Какие новые технологии смогут помочь в разрушении барьеров доверия производственников к результатам работы информационных систем?

Во-первых, в производственной системе может быть минимизирован человеческий фактор через внедрение неких сенсоров, которые позволят решить проблему с однозначностью информации о том, где находится деталь, в каком количестве она прошла через необходимые операции, выполнены ли они все, где задержалась и по каким причинам.

При этом возникает новый слой информации - реальная детальная информация о состоянии незавершенного производства в цехах. На этом может быть построена вторая технология цифровой фабрики - аналитика больших данных с элементами машинного обучения и искусственного интеллекта.

Третья идея - плотная информационная связка с оборудованием. Уже сейчас большое количество станков оснащено числовым программным управлением. В бортовых компьютерах этих станков содержится информация по выполненным программам, отработанному ресурсу и многому другому. Следовательно, в цифровой фабрике для оборудования могут быть реализованы два мощных результата:

интеграция информации о детали и режиме выполнения операции над ней, что позволит «размотать» возможный источник несоответствия при обнаружении такового (опять же аналитика больших данных);
переход от обслуживания станков «по ресурсу» на обслуживание «по состоянию» (используя большие данные и разработанные прогностические модели).

Мощным эффектом от технологий цифровой фабрики может стать новое качество ERP-систем, которые должны стать не только инструментами планирования и мониторинга, но и механизмом предсказания состояния производственной системы - «предиктивного менеджмента» - перехода от интуитивного принятия решения производственными менеджерами к решениям, поддержанным ИТ-системой на основе многофакторного анализа и прогноза развития ситуации.

Дальнейший переход к виртуальной фабрике должен быть сопряжен с созданием цифрового двойника производства в виртуальной среде. По аналогии с инженерными суперкомпьютерными расчетами, позволяющими смоделировать поведение физических объектов, возможно создание имитационной модели производственного предприятия для обеспечения «бесплатной» (с точки зрения инвестиций) отработки новых методов изготовления, оптимизации расположения станков, корпусов для улучшения логистики, анализа сценариев «что-если» по повышению пропускной способности.

Важным результатом реализации виртуальной фабрики становится проектирование изделий на заданную себестоимость, когда появляется возможность наложить конструктивный облик детали на реальные условия производства.

Ключевыми технологиями виртуальной фабрики станут технологии индустриального Интернета, позволяющие получать полную обратную связь от всех компонентов производственной цепочки. Возникнут новые требования к пакетам инженерных расчетов, в параметры оптимизации которых будут включены факторы технологичности изготовления, а это вызовет новый виток повышения требований к используемым суперкомпьютерным мощностям. Таким образом, виртуальная фабрика станет мощным драйвером развития нового программного обеспечения, обрабатывающего реально огромные массивы данных, возможно слабо структурированных, о реальной жизни предприятии. Эффективность использования этих новых инструментов даст возможность реально снизить эффект масштаба (точнее, перевести этот масштаб в термины массового производства индивидуализированных продуктов вместо большого тиража одинаковых). Безусловно, новые методы роботизированного производства, аддитивных технологий дадут эффект на конкретных рабочих местах либо технологических линиях, но кумулятивный, синергетический эффект от этих производственных технологий может быть достигнут только совместно с внедрением технологий виртуализации управления такими сложными передовыми производственными технологиями совместно с использованием уже существующих методов и оборудования.

Новые вызовы, поставленные четвертой промышленной революцией, подлежат решению в рамках проекта «Фабрика Будущего», определенного в дорожной карте «Технет» для реализации лидерских позиций нашей страны на рынке мирового высокотехнологичного производства. Описанные выше цифровые подходы организации производства предполагаются к разработке и апробации на Испытательном полигоне «Фабрики Будущего» для определения возможности и методов их дальнейшего внедрения и использования в НПО «Сатурн» и других предприятиях АО «ОДК» и ГК «Ростех».

Четвертая промышленная революция уже провозглашена, весь мир разными темпами движется к Индустрии 4.0, одним из результатов которой должна стать цифровая фабрика будущего, основанная на новом понимании эффективного производства. Согласно исследованиям Grand View Reseach, мировой рынок промышленного интернета вещей (IIoT) в 2016 году достиг $109 млрд, и ожидается, что к 2025 году он вырастет до $933,62 млрд.

Мировые промышленные гиганты на собственном опыте убедились, что фабрика нового образца - это сокращение расходов и повышение производительности за счет информатизации производства. Россия пока находится в самом начале этого пути, что, однако, не мешает ей совершить рывок и вырваться в лидеры. Отечественные компании выгодно отличаются от других игроков международного рынка сплавом научного инженерного подхода и серьезным промышленным базисом - наследием индустриального прошлого страны. Главное сейчас - не бояться перемен.

Мы движемся от встроенных систем к киберфизическим, которые позволят собирать и передавать информацию в любой форме и объеме из любого места. Это базис для так называемой сетевой культуры, которая лежит в основе цифрового производства.

Но что такое цифровое производство? Трактовок термина много. Эксперты определяют его и как автоматизацию производственного процесса, и как создание цифровых двойников продукта и процессов его производства, и как многоуровневую систему с датчиками, контроллерами, средствами передачи собираемых данных, аналитическими инструментами и др.

Я думаю, цифровое производство подразумевает диджитализацию промышленности, в результате которой решения основных задач, волновавших промышленников еще начиная с появления первых мануфактур, должны выйти на новый уровень. Среди них - снижение процента брака, уменьшение ошибок, вызванных человеческим фактором, оценка качества произведенного продукта и главное - массовое производство продукции по индивидуальным заказам. Для этого на предприятии должны быть полностью автоматизированы все производственные процессы: конструкторская разработка, технологическая подготовка производства, снабжение материалами и комплектующими, планирование производства, изготовление продукции и сбыт.

За последние 25 лет в экономически развитых странах достигнуты значительные успехи в направлении цифрового производства. Завод Philips по производству бритв в Голландии работает в темном помещении, где находятся 128 роботов. Завод Harley-Davidson сократил среднее время производства мотоциклов под заказ с 28 дней до 16 часов.

Надо перенимать подобный опыт зарубежных компаний, но, конечно, с учетом российских реалий.

Для многих отечественных промышленников сейчас фраза «цифровая фабрика будущего» звучит как плод разыгравшейся фантазии. Да, где-то на Западе есть заводы, на которых работают роботы, где-то оборудование используется на 90%, где-то система менеджмента завязана на производстве - где-то, но не у нас. В России, по нашему опыту, средняя загрузка оборудования - 30%. И живем, как работаем, - на те же 30%. А с чего начинать, чтобы запустить маховик перемен, непонятно - слишком уж большой разрыв.

На самом деле, если разложить весь путь к Индустрии 4.0 на логические этапы и начать последовательно двигаться вперед, у России есть все шансы не только догнать Запад, но и выбиться вперед, аккумулируя весь накопленный опыт и адаптируя его под себя. На мой взгляд, для перехода к Индустрии 4.0 необходимо, в первую очередь, выполнить три условия:

Компьютеризировать рабочие места и производственное оборудование;
Использовать современное программное обеспечение по подготовке производства (CAD/CAM/CAE/PDM), управлению производством (ERP, MES) и управлению ресурсами (ЕАМ, ТОиР);
Создать на промышленном предприятии единое информационное пространство, с помощью которого все автоматизированные системы управления предприятием, а также промышленное оборудование, производственный персонал смогут оперативно и своевременно обмениваться информацией.

Первым шагом для объединения всего вышеперечисленного в единую инфраструктуру может и должно стать использование систем MDC (Machine Data Collection - сбор машинных данных), которая позволяет мониторить работу всех производственных объектов (оборудование, рабочие места основных рабочих, сервисные службы и т. д) в целях управления производством. Это и есть фундамент для перехода к цифровому производству (компания автора, «Станкосервис», поставляет подобные системы. - Forbes ).

Системы мониторинга позволяют обходить «журнальные» методы получения информации, эти процессы автоматизируются, и станки, можно сказать, сами отчитываются о своей работе. В России до сих пор многие предприятия зависят от человеческого фактора - например, «лояльности» одного технолога или оператора. Наши люди привыкли работать на свой карман, а не на благо организации. MDC - это способ повысить эффективность и увеличить прибыль за счет контроля и прозрачности всех действий.

Внедрение системы мониторинга не требует больших финансовых и временных ресурсов. Оснастить парк из 100 станков, по нашему опыту, можно за 3-4 недели. Из российских предприятий, развивающих «цифровое производство» я бы выделил ПАО «ПКО Теплообменник» (Нижний Новгород), ВГУП ВНИИА им. Духова (Москва)», АО «Редуктор-ПМ» именно потому, что эти компании начали с MDC и сейчас ясно видят, куда двигаться дальше.

Начав с малого, можно перестроить всю систему. Но не стоит хвататься за что попало, это должен быть логичный и полноценный переход к концепции не столько цифрового производства с его отдельными решениями, сколько к цифровой компании. Нужно понять, что это не очередной этап совершенствования промышленной автоматики, а трансформация всего бизнеса: от процедуры изготовления деталей до способов привлечения клиента. Тут показателен опыт одного из наших клиентов - компании «Вертолеты России». Их грамотный переход к Индустрии 4.0 через формирование единого цифрового пространства с мониторингом работы и людей, и оборудования привел к изменению психологии труда - появилось понимание механизмов слаженной работы предприятия на результат, в которой важна синергия человеческого капитала и новых технологий.

Очевидно, что с переходом на цифровом производство будет уменьшаться необходимость в промежуточном менеджменте на производстве. Если раньше было много контролеров и мастер участка, отчитываясь мастеру цеха за срыв сроков, мог свалить вину на сервисные службы, а мастер цеха, отчитываясь начальнику производства, мог утверждать, что виновато старое оборудование… и т. д, то теперь благодаря системе мониторинга становится все прозрачно. Исказить реальность не получится. Объективная информация с производства доходит до руководителей быстро и без искажений. Далее, связывая воедино все производственные системы, большая часть решений будет приниматься автоматически, без участия человека. Конечно, это серьезно затронет организационную структуру предприятий и требования к квалификации новых кадров.

По прогнозам некоторых экспертов, фабрика будущего должна появиться в России к 2035 году. Уже утверждена «дорожная карта» Технет Национальной технологической инициативы, определяющая план развития таких технологий, как: цифровое моделирование и проектирование, индустриальный интернет, аддитивные технологии, робототехника и мехатроника. Но фабрика будущего включает в себя не только технологический аспект - интернет вещей и бигдата не решат всех проблем без эффективного инновационного менеджмента и новых бизнес-моделей.

С наступлением эры «цифрового» производства можно переходить к новым моделям управления, о которых так много говорят сейчас в узких кругах. В этом случае фраза «станок как сервис» станет реальностью. Система мониторинга сделает все подключенные станки глобальными, доступными для приема заказов, обмена информацией о плановой загрузке и производственных возможностях. На фабрике будущего виртуальный оператор будет управлять логистикой, выбирать оборудование с лучшими показателями. Станок как «интеллектуальный» субъект производства выходит на глобальный рынок и обязан конкурировать за счет качества, скорости и стоимости работ. Мы движемся именно к этому.

Развивая историю «станок как сервис», мы приходим к пониманию, что заводу вовсе не обязательно приобретать станки и заботиться об их состоянии. Станкостроительные предприятия, обладая инструментарием удаленного мониторинга, могут предоставлять станки, как сервис, обеспечивая своевременный ремонт, поставку запасных частей и пр. Стороной, обеспечивающей финансирование этой схемы будет банк. Все три стороны будут зарабатывать процент от продажи продукции конечному покупателю, что существенно повысит эффективность бизнеса и снизит промежуточную коррупцию. Все стороны имеют возможность удаленного мониторинга производства, что существенно снижает риски и обеспечивает заинтересованность сторон в конечном результате.

В заключение стоит добавить, что инновационный менеджмент для большинства предприятий не придет так быстро, как приходят технологии. Для немцев или японцев регламент - это хорошо, а для русского человека – повод проверить систему на прочность. Действовать надо итерационно, на каждом шаге показывая результат и пользу для персонала и бизнеса. Мы долго запрягаем, зато быстро едем.

Проект «Наставники: не рядом, а вместе!»

Лидер проекта: Александра Юрьевна Телицына, исполнительный директор MOO «Старшие Братья Старшие Сестры» .

Проект ориентирован на детей, находящихся в трудной жизненной ситуации. Адаптироваться и полноценно участвовать в жизни общества таким детям помогает индивидуальное общение с наставниками. Суть проекта - привлечение в качестве наставников успешных взрослых людей - деятелей культуры и спорта, представителей бизнеса и власти. В настоящее время в проекте принимают участие директора АСИ. Программа индивидуального наставничества дает детям возможность почувствовать уверенность в своих силах, развить лидерские компетенции, сориентироваться в выборе профессии.

АСИ окажет информационную и административную поддержку, поможет наладить коммуникацию с региональными органами власти с целью тиражирования проекта.

Проект «Этномир»

Лидер проекта: Руслан Фаталиевич Байрамов, президент Международного Фонда «Диалог Культур - Единый Мир» .

Культурно-образовательный центр «Этномир» в Калужской области за десять лет существования принял полтора миллиона гостей. Этнографический парк знакомит с жизнью, традициями и культурой народов России и мира. На аутентично воссозданных дворах размещены ремесленные мастерские, дома-гостиницы, музеи, рестораны традиционной кухни, сувенирные магазины; в Центре работают образовательные программы для детей, проходят фестивали, карнавалы, выставки, конференции, концерты, связанные с культурой разных стран и народностей.

В планах проекта - сделать «Этномир» креативным городом дружбы народов. Парк рассчитывает расширить свою территорию и увеличить посещаемость до 10 миллионов человек в год.

АСИ окажет консультационную и методологическую поддержку по созданию модельной программы дополнительного образования детей на базе культурно-образовательного центра «Этномир», а также содействие в развитии международных контактов.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab ® по материалам spbstu.ru , kremlin.ru , strf.ru , minpromtorg.gov.ru и собственной информации.