facebook
Tematické sekce
 
Branžové sekce
Přehledy
 
Tematické seriály
 

GDPR

General Data Protection Regulation zásadně mění zpracování osobních údajů a zavádí nové povinnosti...

články >>

 

Jak uřídit IT projekt a nezbláznit se

Užitečné tipy a nástroje pro řešení problémů řízení inovací a vývoje produktů...

články >>

 

Industry 4.0

Průmysl 4.0

Jaký vliv bude mít čtvrtá průmyslová revoluce na výrobu a výrobní firmy?

články >>

 

Komplexní svět eIDAS

O nařízení eIDAS již bylo mnoho řečeno i napsáno. A proto jediné, o čem...

články >>

 

Trendy v CRM

Systémy pro řízení vztahů se zákazníky (CRM) prochází v posledních letech výraznou změnou. Zatímco dříve...

články >>

 

Příručka úspěšného IT manažera

Dnes je řada IT manažerů opomíjena. Úspěšní bývají brouci Pytlíci a Ferdové...

články >>

 
Partneři webu
AEC
IT SYSTEMS 1-2/2019 , Logistika

Digitální dvojče jako klíčový nástroj Logistiky 4.0

Od simulace k inteligentnímu řízení

Peter Bílik


Nástroj Logistiky 4.0Logistika a řízení dodavatelsko-odběratelského řetězce představují rozsáhlý a komplexní ekosystém pod neustálým vlivem mnoha variabilních faktorů. I to je jeden z důvodů akcelerace jejich digitální transformace a inovačních procesů. Jako nezbytná technologie pro efektivní optimalizaci řízení vnitropodnikové logistiky a dodavatelského řetězce se potvrdilo digitální dvojče. Stoupající význam této technologii připisuje i prestižní mezinárodní analytická společnost Gartner, která jej vzhledem k jejím možnostem a rozsahu funkčnosti zařadila na čtvrtou příčku top technologických trendů pro rok 2019.


Internet věcí (IoT), velká data (Big Data) i samoučící se algoritmy (Machine Learning) představují významné technologie pro logistiku a průmysl v digitálním věku. Všeobecně jsou považovány za základní nástroje inovačních a transformačních iniciativ podniků. Již méně probíraná, ačkoli stejně nenahraditelná technologie v inventáři Průmyslu 4.0 je právě digitální dvojče. Vzhledem na rozsah funkčnosti této technologie jako i její zvýšenou přidanou hodnotu pro podnik předpokládá společnost Gartner, že téměř 50 % velkých průmyslových podniků ji adaptuje v horizontu nadcházejících tří let. Podniky zařazující digitální dvojče do své inovační strategie očekávají, že zabezpečí nejméně 10% nárůst jejich efektivity. Podle průzkumu z roku 2018 potvrdilo 48 % podniků implementujících IoT řešení do svých procesů, že používají nebo v nejbližším období plánují použít digitální dvojče. Stejný průzkum také ukázal, že počet společností využívajících tuto technologii by se měl do roku 2022 ztrojnásobit.

Nicméně koncept digitálního dvojčete předchází éru Průmyslu 4.0 jako i samotný digitální věk. Kořeny sahají až do sedmdesátých let, kdy NASA pracovala na projektu Apollo. Během mise Apollo 13 došlo k explozi kyslíkové nádrže, která vážně poškodila servisní modul a tím neohrozila jenom misi samotnou, ale i životy celé posádky. Tým inženýrů na Zemi musel promptně najít efektivní řešení, jak minimalizovat negativní dopad nečekaného poškození. Jelikož měli na Zemi k dispozici věrnou repliku kosmické lodi i s technickými detaily, mohli důvěryhodně nasimulovat nebezpečnou situaci a otestovat možná řešení. Právě možnost fyzicky vyzkoušet hypotetické postupy zachránila posádku. Navíc NASA koncept dvojčete, už ne analogového, ale digitálního, využívá dodnes.

Princip zůstává nezměněn, jelikož se jedná o virtuální model fyzického objektu, který umožňuje neustále monitorovat stav skutečného objektu na dálku, jakož i modelovat (simulovat) různé situace s přesnými a reálnými daty. NASA označuje využití digitálního dvojčete za paradigmatický posun, nakolik konvenční metody již nejsou postačující na vyhovění náročným požadavkům pro projekty nové generace. )

Digitální dvojče jako virtuální model

Termín digitálního dvojčete se dostal do širšího povědomí v roce 2002, kdy ho zadefinoval Michael Grieves v souvislosti s řízením životního cyklu výrobku. Koncept digitálního dvojčete tehdy zavedl jako virtuální reprezentaci vyrobeného produktu a měl sloužit k porovnání produktu s jeho inženýrským návrhem. Tato definice se posléze rozšířila a ujala mimo původní záměr Michaela Grievese. V současnosti představuje digitální dvojče především virtuální kopii fyzických objektů, jako výrobních a přepravních zařízení, procesů, systémů i pracovníků nebo celých prostředí. Digitální duplikát tak již není pouze zrcadlový obraz reálného protějšku, ale dynamický nositel dat a stavových informací získaných prostřednictvím množství senzorů a snímačů propojených internetem věcí.

Nejrozšířenější využití digitálního dvojčete vychází z jeho kořenů a slouží k monitorování fyzických objektů a procesů v reálném prostoru a čase, jelikož tato technologie umožňuje vytvářet velmi detailní virtuální model se skutečnými daty. Její využití v komplexních simulačních modelech zrychluje a ulehčuje rozhodovací procesy, kde dochází přímo k identifikaci možných následků změn, jakož i klíčových vzorců chování v jednotlivých procesech. Tahle forma implementace přináší nejenom hlubší poznatky o kauzalitě jednotlivých složek v procesech a prostředích, ale i schopnost odhalovat slabá místa, která je nutné stabilizovat a optimalizovat, aby došlo k udržitelnému nárůstu výkonnosti procesů a posilnění robustnosti prostředí.
V oblasti logistiky se nejčastěji využívá virtuální model materiálových toků, který umožňuje podnikům efektivněji řídit jednotlivé části dodavatelsko-odběratelského řetězce. V takovém modelu jsou k dispozici reálná data nejenom o konkrétních materiálech, ale i ostatních relevantních činitelích (vozidlech, povětrnostních nebo dopravních podmínkách, odběratelských zadáních apod). V součinnosti s geografickými informačními systémy (GIS) a jejich mapovými podklady tak podniky získávají okamžitý přehled například o aktuální situaci flotily a poloze jejích jednotlivých vozů, který je uživatelsky srozumitelný a mnohdy i nezbytný pro správné dispečerské řízení (například systém řízení dopravy – TMS).

Mimo externí prostředí dodavatelského řetězce má digitální dvojče přímé uplatnění i ve vnitropodnikové logistice. Především umožňuje sledovat, modelovat a simulovat materiálové toky napříč celým procesem od příjmu, naskladnění, vyskladnění, obsluhování výrobních linek, přemísťování výrobních polotovarů, svážení hotových výrobků do expedičních skladů až po expedici. Navíc podniky můžou využít simulační funkce digitálního dvojčete k optimalizaci zásobovacích tras, plánování zásobovacích cyklů nebo efektivnímu vytěžování přepravních zařízení, jakož i skladových prostorů. V této oblasti je hnacím motorem využívání digitálního dvojčete rozvoj automatických logistických systémů, jakými jsou automatické skladové systémy, automaticky řízené vozíky (AGV) nebo Smart Industry systémy zabezpečující dynamický Milk Run nebo operativní Kanban.
Uvedené funkce spadají pod kategorizaci digitálního dvojčete, jež je možné označit jako pasivní profil, jelikož poskytuje výhradně virtuální obraz fyzického objektu nebo prostředí. Takováto kopie, nebo simulační model, disponuje přesnými daty sledovanými v reálném čase, jakož i daty historickými, nicméně samo digitální dvojče ale do procesů ve fyzickém prostředí nezasahuje, jenom je simuluje a interpretuje.

Digitální dvojče jako řídící agent

Vzhledem na funkčnost digitálního dvojčete existuje i jeho (pro)aktivní protějšek, který tvoří klíčový předpoklad pro správně fungující kyberneticko-fyzikální produkční systémy. Zatímco pasivní dvojče se primárně využívá k sběru a zpracování dat za účelem získávání poznání, aktivní forma digitálního dvojčete vstupuje do logistických a průmyslových procesů, zpočátku při automatizaci rutinních činností.
Vzhledem k operacím, jež aktivní digitální dvojče vykonává, se označuje i jako inteligentní informační agent. Pod pojmem agent ve všeobecnosti rozumíme autonomní jednotku, která je schopna plnit stanovený úkol. Přívlastek autonomní definuje schopnost agenta jednat samostatně, což znamená, že má plnou kontrolu nad svým jednáním. V nejjednodušší formě agent disponuje reakční schopností, tudíž je schopen vyvolat reakci vzhledem na podněty z okolního prostředí. Příkladem jednoduchého agenta je termostat, který (autonomně) reaguje na změny v prostředí podle předdefinovaného pravidla.

Inteligentní informační agent (aktivní digitální dvojče) je obyčejně definován jako počítačový program, který v zastoupení nějakého objektu, nebo z pověření uživatele, provádí stanovený úkol. Jelikož se jedná o sofistikovanější podobu digitálního dvojčete, může ovlivňovat ostatní činitele okolního prostředí při dosahování určeného cíle. Jako digitální dvojče se také může využívat i reaktivní typ agenta, který přijímá impulzy přes senzory, a pak spouští předdefinované chování nebo akci. V případě proaktivní formy již digitální dvojče disponuje určitou formou umělé inteligence. Vzhledem k změnám v prostředí a stanoveným cílům je takový agent schopen ujímat se iniciativy a sám ovlivňovat své prostředí a objekty v něm, jakož i samostatně rozhodovat o souslednosti operací s ohledem na zabezpečení co nejefektivnějšího výsledku.

Aktivní digitální dvojče tvoří nezbytnou technologii Smart Industry systémů, jakož i konceptu chytré továrny. V tomto případě má digitální dvojče rozšířenou funkčnost o další škálu vlastností, jakými jsou adaptabilnost, flexibilnost nebo kognitivní schopnosti (zejména schopnost učit se). Kognitivní technologie umožňují digitálnímu dvojčeti reagovat i na zcela nové situace, a to díky předcházejícím zkušenostem, respektive výsledkům předchozích rozhodnutí a jejich následné re-evaluace. Zároveň ale musí mít tento inteligentní informační agent predispozici jednat v kolektivu jiných agentů, což znamená komunikovat a kolaborovat v skupinovém zřízení neboli v jisté hierarchii, tedy aktivní digitální dvojčata jsou také nositeli sociálních vlastností.

Kolektivní inteligence, multiagentní systémy a chytrá logistika

Prostředí výrobní logistiky od procesu zásobování, přes řízení skladu, inbound a outbound logistiky až po řízení expedice představuje dynamické a nedeterministické prostředí, čili takové prostředí, v němž nemá každá akce zaručený jednoznačný výsledek. Vzhledem k povaze uvedených operací tu vzniká potřeba nasazení náročnějších řídicích systémů. Do tohoto typu prostředí se proto stále více implementují Smart Industry systémy využívající technologii aktivního digitálního dvojčete – inteligentních autonomních agentů.
Zásadní otázkou při jejich implementaci je vyvážení reaktivní a proaktivní konfigurace využívaných informačních agentů. Kupříkladu čím více je prostředí nedeterministické, tím více prvků strojového učení musí agent, a tudíž i Smart Industry systém, obsahovat. Takové prostředí se nachází v distribučních společnostech nebo e-shopech doručujících zboží přímo zákazníkům.

Chování zákazníků je mnohokrát jen těžko předvídatelné, proto tyto podniky drží nemalé skladové zásoby nabízených položek. Na druhé straně roste tlak na co nejkratší dobu dodání nebo doplňkové služby ze strany zákazníků, zatímco konkurenční boj stlačuje ceny. Tím vytváří potřebu radikálního zvyšování efektivity procesu řízení zásob, jakož i expedice, které už není možné dosáhnout stávajícími systémy řízení skladu (WMS systémy) založenými na technologii jednoduché evidence skladových pozic, či disponibility zboží. Do popředí se proto dostávají Smart Industry systémy, kde autonomní inteligentní agenti tvoří síť decentralizované a distribuované inteligence.

Decentralizace a distribuce řízení je rovněž signifikantní v případě procesů intralogistiky výrobních podniků (výrobní logistika). Řízení flotily vozíků zásobujících výrobní linky je při stávajícím nárůstu variabilnosti a kustomizaci produktů natolik komplexní, že již není v lidských silách ho zvládnout konvenčními prostředky. Postupné nasazování AGV vede k narůstajícím požadavkům na inteligenci řídicího systému. Zejména proto, že množství údajů spadajících do rozhodovacího procesu již přesahuje lidské kognitivní schopnosti. Moderní Smart Industry systémy přicházejí s řešeními, která nabízejí využití technologie kolektivní inteligence inspirovanou principy zvířecích společenstev.

Tyto technologie jsou označovány jako multiagentní systémy a propojují jednotlivé autonomní agenty, aby vzájemně interagovali (komunikovali, koordinovali se a kooperovali) a zabezpečili dosažení stanoveného společného cíle. Decentralizované multiagentní systémy tak umožňují přidělovat agentům různé role pro plnění variabilních úkolů a tím vytvářet složité systémy s lepší odezvou na vnější vlivy a faktory. První implementace Smart Industry systémů s prvky multiagentního chování je možné již objevit v procesech třídění zásilek nebo vychystávání zboží. Vzhledem na postupující digitální transformaci logistiky a průmyslu se budou častěji implementovat i do procesů zásobování výrobních linek, kde početné flotily AGV budou zajišťovat včasné a korektní doplňování materiálu ve výrobě. Oproti stávajícím řešením již nebudou založeny na centralizovaném řízení, ale budou schopny kolektivní samo-konfigurace.

Vůdčí disruptivní technologie současnosti

Důležitost technologie digitálního dvojčete, jakož i její přínos spočívá v jeho simultánním dvojitém nastavení jako simulačního i řídicího nástroje. Vytvoření repliky materiálových toků, celé továrny, nebo dodavatelsko-odběratelského řetězce pasivním modelem digitálního dvojčete umožňuje podnikům sledovat, simulovat a testovat zavedené i hypotetické procesy. Díky tomu můžou pověření zaměstnanci odhalovat úzká hrdla, identifikovat různé anomálie nebo získávat včasná upozornění na potenciálně krizové situace a v předstihu jim předcházet a tím optimalizovat provozní náklady.
Rozšířená analytika navíc přináší využití predikčních modelů k získávání relevantního porozumění o budoucích výstupech (například výkonu, kvalitě nebo i udržitelnosti materiálových toků) v podobě tzv. prediktivního dvojčete. Digitalizace také konsoliduje a harmonizuje interní činitele v logistických procesech a minimalizuje negativní dopady vnějšího prostředí. V neposlední řadě pasivní forma digitálního dvojčete otevírá možnosti pro neustálou optimalizaci napříč celým dodavatelsko-odběratelským řetězcem. Mimo jiné, digitální kopie toků umožňuje simulovat inovační postupy a řešení, které by byly za běžných okolností příliš nákladné pro realizaci formou pilotních projektů.

Aktivní forma digitálního dvojčete, čili inteligentní informační agent, zastává klíčovou roli v Průmyslu 4.0. Digitální dvojče v kombinaci s internetem věcí dokáže transformovat běžné objekty (které nemají vlastní predispozici být „smart“) na inteligentní věci. Kromě výrobních a přepravních zařízení a nástrojů, nebo materiálů a produktů, se tahle způsobilost vztahuje i na samotného zaměstnance, u kterého kombinace obou zmíněných technologií rozšiřuje jeho kognitivní schopnosti. Zaměstnanec skladu nemusí a ani nemůže znát přesné pořadí a objem úkolů, ale řídicí systém mu prostřednictvím inteligentního informačního agenta prioritizuje jednotlivá pracovní zadání v reálném čase na základě relevantních dat a aktuálních požadavků koncového odběratele.

Digitální dvojče tvoří primární předpoklad pro Smart Industry systémy zabezpečující operativní a autonomní řízení logistiky. Dynamické vnitropodnikové logistiky, neboli Intralogistiky 4.0, se dá dosáhnout kombinací internetu věcí, aktivní formy digitálních dvojčat a Smart Industry systému, který zabezpečuje nezbytnou informační infrastrukturu pro správné fungování tohoto druhu řešení. Kromě automatizace a následné autonomizace činností se díky těmto technologiím zvyšuje i agilnost jednotlivých procesů, čímž se snižuje reakční doba na vnitřní a vnější podněty.
Technologie digitálního dvojčete navíc oplývá všestranným potenciálem, nejenom pro dynamické a autonomní řízení logistiky nebo inteligentní průmysl, ale její funkčnost již dnes proniká do oblasti zdravotní péče, projektování (například pobřežních ropných plošin), maloobchodu, údržby a v neposlední řadě i digitální transformace měst (Smart City).

Ústřední postavení digitálního dvojčete vyplývá i z jeho organického provázání na ostatní technologie, jako umělá inteligence, strojové učení nebo rozšířená analytika a zpracování velkých dat (Big Data). Právě propojitelnost s technologiemi jako internet věcí, datová analytika či umělá inteligence přispívá k současnému unikátnímu postavení digitálního dvojčete navzdory padesátileté existenci jeho konceptu. Rozsáhlá funkčnost, všestranné využití a výsledný přínos a přidaná hodnota pro podnik řadí digitální dvojče mezi nejvlivnější disruptivní technologie současnosti i blízké budoucnosti.

Peter Bílik - Autor článku je Smart Industry solution designer ve společnosti ANASOFT.
Chcete získat časopis IT Systems s tímto a mnoha dalšími články z oblasti informačních systémů a řízení podnikové informatiky? Objednejte si předplatné nebo konkrétní vydání časopisu IT Systems z našeho archivu.


Inzerce

Zahrajte si s hvězdami budoucnosti

CZECH CLASSICTurnaj Czech Classic se uskuteční 16.–21. června 2019 v GR Kaskáda jako součást Pro Golf Tour, jednoho ze čtyř oficiálních satelitů European Tour. Program kromě turnaje pro profesionály a nejlepší české amatéry zahrnuje i bohatý doprovodný program včetně tradičního turnaje partnerů s nejlepšími profesionálními hráči Pro Golf Tour, tzv. Pro-Am.

Časopis IT Systems / Odborná příloha Archiv časopisu IT Systems
IT Systems 1-2/
IT Systems 12/
IT Systems 11/
IT Systems 10/
Oborové a tematické přílohy
příloha #1 1-2/
příloha #1 11/
příloha #1 10/
příloha #1 9/
Pomáháme firmám růst
Kalendář akcí