Научная
деятельность
Университет ИТМО

Проект для Индустрии 4.0: студенты Университета ИТМО вместе с немецкими коллегами разрабатывают модель полностью автономного предприятия

По оценкам Всемирного Банка и компании General Electric, «Индустрия 4.0», о которой в последние годы говорят в контексте «цифрового предприятия» и «промышленного интернета вещей», может принести мировой экономике до 30 трлн. долларов. И хотя пока полностью автономные заводы, где роботы и агенты системы без участия человека обеспечивают весь цикл производства, – это скорее утопия, отдельные европейские технологические гиганты уже внедряют принципы «Индустрии 4.0». В разработке модели мультиагентной системы совместно с Университетом Emden/Leer принимают участие студенты кафедры технологии приборостроения Университета ИТМО. О процессе разработки участники проекта рассказали ITMO.NEWS.

Что такое мультиагентные системы

Это системы, образованные несколькими взаимодействующими интеллектуальными агентами. При этом такие агенты имеют ряд важных характеристик. Во-первых, они автономны — полностью или частично. Во-вторых, ни у одного из агентов нет представления о всей системе, или же система слишком сложна, чтобы знание о ней имело практическое применение для агента. И наконец, ни один агент не может управлять всей системой.

Задача мультиагентной системы — поиск оптимального решения без внешнего вмешательства. Кроме того, одним из достоинств таких систем является гибкость. Мультиагентная система может быть модифицирована без переписывания значительной части программы. Также благодаря достаточному запасу компонентов и самоорганизации такие системы обладают способностью к самовосстановлению, а также устойчивостью к сбоям.

Обычно в мультиагентных системах исследуются так называемые программные агенты. Однако составляющими таких систем могут также выступать роботы, люди или команды людей. Агенты могут обмениваться полученными знаниями, используя специальный язык и подчиняясь установленным правилам «общения» (протоколам) в системе.

Как это может выглядеть на практике? Например, если говорить о применении мультиагентной системы в информационных системах, то она может выступать как инструмент поддержания в актуальном состоянии информации или программных комплексов, которые используются в распределенной структуре предприятия на всех стадиях производства. Интегрируясь с системами управления производством и системами управления проектами и персоналом, такая система может в автоматическом режиме проверять доступность потенциально требующейся информации, работая при этом как с плановыми процессами, так и процессами, которые изменяются во времени.

Источник: controlengrussia.com
Источник: controlengrussia.com

Индустрия 4.0: «умные» заводы, которые работают без вмешательства человека

Но может ли мультиагентная система стать основой для функционирования всего предприятия? Еще в 2011 году на одной из промышленных выставок в Ганновере правительство Германии заговорило о необходимости более широкого применения информационных технологий в производстве. Тогда же в Европе в обиход входит термин «Индустрия 4.0», а также начинается разработка концепций по превращению производственных предприятий в «умные».

Сегодня термин «Индустрия 4.0» используется как синоним четвертой промышленной революции. Ее суть — в создании новых киберфизических комплексов, объединенных в одну цифровую экосистему. Одним из направлений трансформации промышленности становится не только роботизация и автоматизация, но больше интеллектуализация процессов и этапов жизненного цикла изделий – от цифрового проектирования изделий до автономной и совместной работы оборудования и роботов, отслеживания финансовых процессов, закупочной деятельности, мониторинг рынков сбыта и так далее.

Какое будущее внедрение таких систем обещает предприятиям? Дальнейшее развитие индустриальных киберфизических систем (Industrial Cyber Physical Systems, - ICPS) ставит под сомнение конкурентоспособность традиционных способов организации производства, поскольку «Индустрия 4.0» позволяет получить ряд преимуществ, недоступных существующим моделям организации производства, отмечают специалисты. Например, развивая парадигму ICPS, компании могут быстро обеспечить индивидуальный подход к персонализации заказов согласно предпочтениям клиентов. Так, на заводе Fujitsu Siemens в немецком городе Аугсбург есть возможность выпускать компьютерные системы и серверы под конкретного заказчика небольшими партиями.

При этом затраты на выпуск продукции по индивидуальному заказу на предприятии с глубокой автоматизацией невелики: если в прошлом под каждый штучный товар пришлось бы перенастраивать оборудование вручную, при помощи человеческого вмешательства, то сегодня это делает компьютерная система, причем самостоятельно и буквально за считанные секунды.

Команда разработчиков российско-немецкого проекта
Команда разработчиков российско-немецкого проекта

Модель промышленной компании на основе мультиагентной системы — совместный проект студентов Университета ИТМО и Университета прикладных наук Emden/Leer

Одним из мировых лидеров развития «Индустрии 4.0» является Германия, где создан, своего рода, аналог Кремниевой долины — Intelligent Technical Systems OstWestfalenLippe. Соответствующая научная деятельность и разработка мультиагентных систем ведется и в Университете прикладных наук Emden/Leer (Hochschule Emden/Leer), партнером которого является Университет ИТМО.

Совместная работа началась с визита представителя немецкого вуза, профессора Макио Юхо (Juho Mäkiö), который вместе с группой студентов посетил кафедру технологии приборостроения Университета ИТМО. Результатом встречи стало начало реализации ряда задач, в том числе проекта «Smart Mason», в основе которого лежит создание модели различных технологических процессов с помощью мультиагентной системы.

Год назад несколько студентов кафедры технологии приборостроения совместно с немецкими студентами приступили к созданию упрощенной модели производственного цеха, в рамках которой роботы могли бы взаимодействовать не только между собой, но и с остальными элементами модели. Результатом стала подготовка как виртуальной модели (интерфейса, который давал представление пользователю о функционировании роботов внутри цеха), так и физической модели, использующей роботы LEGO Mindstorms. В сентябре этого года четыре студента Университета ИТМО Семен Миронов, Александр Ушаков, Максим Генько и Никита Гулевич, а также студенты из Университета прикладных наук Emden/Leer продолжили работу над проектом, расширив его масштаб и круг задач.

«Стоит отметить, что сейчас мы разрабатываем упрощенную модель, не связанную с реальным производством. Было бы очень самонадеянно считать, что мы сделаем модель, предложим ее в производство, и все будет работать. Ведь, несмотря на внедрение в производство мировыми промышленными гигантами действительно прорывных технологий: Internet of Things, Big Data, облачных вычислений и других: все-таки большинству реальных предприятий еще очень далеко до реализации идей Индустрии 4.0. Часто за выдаваемыми успехами стоит рекламный подход это понимают и признают многие мировые исследователи. Как правило, такие проекты реализуются в университетских лабораториях или очень состоятельных компаниях в результате пилотных проектов, грантов и так далее – часто они носят рекламный характер. Очень сложной в Индустрии 4.0 является конструкторская и технологическая подготовка производства. В реальности эта деятельность еще долго будет являться прерогативой человека, несмотря на высказываемые фантастические идеи. Поэтому в настоящей работе мы только набираемся опыта по разработке таких систем, отрабатываем некоторые идеи, подходы, изучаем технологии, на основе чего, как мы предполагаем, мы сможем впоследствии поставить задачи для взаимодействий с реальным производством, в рамках пилотного проекта. Мы пытаемся решать задачи поэтапно. Например, если в прошлом году нашей целью было создание модели цеха и, в частности, разработка модели транспортной линии, то в этом году мы сконцентрировались на построении модели целого предприятия, в которой учитываются такие элементы, как финансовая деятельность, закупки, продажи и так далее. Таким образом, мы включили свои прошлые наработки в новую систему», — рассказывает Александр Ушаков, студент четвертого курса кафедры технологии приборостроения.

Работа над проектом с Университетом Emden/Leer
Работа над проектом с Университетом Emden/Leer

Работа над проектом заняла три месяца. В начале работы были организованы группы российских и немецких студентов. На первом этапе работы согласовывались требования, разрабатывалась архитектура системы, затем некоторые участники приступили к работе над созданием графического интерфейса, а другие – сконцентрировались на разработке модели, объединяющей агентов системы, включая агента закупок и продаж, финансового агента, а также агента производства, в задачи которого входит контроль (мониторинг) действий физических роботов и других агентов.

«Работу модели можно объяснить, используя аналогию с компьютерной игрой: на вход мы подаем данные, которые в проектируемой системе являются заказом. Используя входные данные, агенты системы вступают во взаимодействие, используя переговорные процессы. При этом мы можем следить за процессом: определять изменение параметров, наблюдать за действиями каждого агента во всей цепочке, а на выходе – получать результаты. Дальнейший интеллектуальный анализ накопленных данных можно было бы использовать для поиска, добычи новых, “скрытых” знаний и использовать их для прогнозных моделей, которые еще предстоит создать. В какой-то степени проект позволит нам лучше разобраться в современных технологиях и подходах для построения и функционирования ICPS, а также наглядно продемонстрирует некоторые идеи Индустрии 4.0», — говорит Семен Миронов, студент первого курса магистратуры кафедры технологии приборостроения.

Промежуточные результаты работ были представлены российскими студентами в Университете прикладных наук Emden/Leer. Итоговую презентацию проекта планируют провести в мае.

Перспективы проекта

В будущем студенты хотят развивать полученные результаты: в перспективе, как добавляет Семен Миронов, в проекте может появиться и нейронная сеть, которая поможет решить задачу по автоматическому формированию алгоритмов технологических процессов.

«Прежде чем создать технологический процесс, необходимо детально проработать все операции, переходы и так далее. В настоящий момент я не знаю о реальных примерах, когда на основе 3D-модели изделия, самостоятельно, без участия человека, автоматически разрабатывается технологический процесс для станка с ЧПУ и далее станок самостоятельно изготавливает изделие. Я думаю, что в перспективе необходимо будет использовать машинное обучение, нейросетевые подходы и другие технологии искусственного интеллекта для автоматизации творческих процессов, включая разработку конструкции изделия и автоматическое формирование технологических алгоритмов и управляющих программ для станков с ЧПУ», — объясняет он.

В Университете Emden/Leer
В Университете Emden/Leer

Проект выполняется на кафедре «Технологии приборостроения» Университета ИТМО в рамках работ международной лаборатории «Лаборатория нелинейных и адаптивных систем управления» мегафакультета компьютерных технологий и управления. Разрабатываемая система может стать основой для комплекса лабораторных практикумов совместных международных магистерских программ.

Добавим, что Университет ИТМО сотрудничает с Университетом прикладных наук Emden/Leer по нескольким направлениям: помимо краткосрочных стажировок и подготовки совместных проектов, студенты обоих вузов могут отправиться в вуз-партнер на обучение на весь семестр.