Киберфизическая система как развитие автоматизации на всех этапах жизненного цикла деятельности предприятия на основе внедрения цифровых технологий

2) Сохраненная документация синхронизируется с системой управления данными об изделии (Product Data Management - PDM), где проходит ее согласование и утверждение.

3) После согласования и утверждения данные, содержащие актуализированную спецификацию, синхронизируются с ERP системой, где происходит экономическая оценка.

Кибер-физические системы благодаря глубокой интеграции процессов проектирования (производства) с операционной деятельностью предприятия обеспечивают возможность оценки экономического эффекта, на ранних стадиях принятия решений.

Список литературы

1. Информационные системы в экономике: учебник для академического бакалавриата / Под ркд. В. Н. Волковой и В.Н. Юрьева. М.:: Юрайт, 2017. 402 с.

2. Тарасов И.В., Попов Н.А., Индустрия 4.0: трансформация производственных фабрик // Стратегические решения и риск-менеджмент, №3 (108), 2018, С. 38-53.

3. Цветков В.Я., Управление с применением кибер-физических систем // Перспективы Науки и Образования. 2017. 3 (27) pnojournal.wordpress.com/archive17/17-03/ Дата публикации: 1.07.2017 № 3 (27). С. 55-60.

4. Шваб К. Четвертая промышленная революция. М.: Эксмо, 2019. 208 с.

УДК 1082-004

Кудрявцева Арина Сергеевна,

аспирант

КИБЕРФИЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КАК РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ НА ВСЕХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, arinkin94@mail.ru

Аннотация. В настоящее время на предприятиях повышается сложность автоматизации процессов, вследствие чего возникает необходимость в распределенных автоматизированных системах, необходимых для работы в условиях ограничения управления в режиме реального времени и связи в процессах производства. Кибер-физические системы подразумевают полностью синергетическую интеграцию вычислений и управления с физическими устройствами и процессами. Более того, внедрение киберфизической системы в автоматизированные системы предприятия поможет объединить автоматизированное управление технологическими процессами и автоматизированное управление производством и предприятием в целом, поможет создать управляемую систему, от заказа до реализации. В данной статье рассматривается киберфизический подход к проектированию распределенной автоматизированной системы, позволяющей интегрировать управление, связь, вычисления на всех этапах жизненного цикла продукции. Базисом киберфизической системы является внедрение цифровых технологий, так как все инновации обеспечиваются и совер-

шенствуются за счёт вычислительной мощности и аналитики данных. Для оценки полезности внедрения технологий для создания киберфизической системы предлагается использовать информационные оценки А. А. Денисова.

Ключевые слова: киберфизическая система, автоматизация процессов, жизненный цикл продукции, инновации, цифровые технологии, информационные оценки А.А.Денисова, четвертая промышленная революция.

Arina S. Kudriavtceva,

Postgraduate student

CYBER-PHYSICAL SYSTEM AS THE DEVELOPMENT OF AUTOMATION PROCESSES AT ALL STAGES OF THE LIFE CYCLE OF THE ENTERPRISE THROUGH THE INTRODUCTION OF DIGITAL TECHNOLOGIES

Russia, Saint-Petersburg, Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University. arinkin94@mail.ru

Abstract. Nowadays the complexity of automation processes is increasing. As a result, there is a need for distributed automation systems that are necessary for work in conditions of limited control in real time and communication in production processes. Cyber-physical systems imply a fully synergistic integration of computing and control with physical devices and processes. Furthermore, the introduction of the cyber-physical system into the enterprise's automation systems will help to combine automation process control and automation production control and the enterprise as a whole, will help create a controlled system, from order to implementation. In this paper, a cyberphysical approach to the design of a distributed automation system is considered. This approach allows integrating control, communication, and calculations at all stages of the product life cycle. The basis of the cyber-physical system is the introduction of digital technologies, as all innovations are provided and improved by computing power and data analytics. To assess the usefulness of introducing technologies for creating a cyber-physical system, it is proposed to use informational assessments by A.A. Denisov.

Keywords: cyber-physical system, process automation, product life cycle, innovations, digital technologies, informational assessments of А.А. Denisov, The Fourth Industrial Revolution.

Введение

Мы находимся на пороге четвертой промышленной революции, ключевым понятием которой становится «киберфизическая система». Четвертая промышленная революция характеризуется синтезом новейших технологий (от расшифровки информации, записанной в человеческих генах до нанотехнологий, от возобновляемых энергоресурсов до квантовых вычислений) и их взаимодействие в физических, цифровых и биологических системах [6].

Актуальность рассматриваемой проблемы подтверждает президент Всемирного экономического форума К.Шваб. В своей книге «Четвертая промышленная революция» (2016, 2017) [6] он подробно описывает изменения технологий, которые происходят в наше время. В своем иссле-

довании К. Шваб ориентируется на концепцию Индустрии 4.0. Четвертую промышленную революцию еще называют цифровой. Отличительная черта революции - сближение технологий и стиранию граней между цифровыми, биологическими и физическими сферами. Industry 4.0 - это совокупность технологий: PLM, Big Data, Smart Factory, Cyber-physical systems[5], Internet of Things, Interoperability, позволяющих создать эффективную бизнес-модель предприятия.

Строить и улучшать базовую стратегию необходимо для повышения конкурентноспособности предприятия [5], а для предприятий федерального уровня - для повышения экономики страны. Высокая эффективность достигается главным образом за счёт рационального управления системами автоматизации физических операций производства и сопутствующих процессов, интегрированных в единое информационное пространство.

Приоритет развития промышленных предприятий на базе использования цифровых технологий в настоящее время является ключевым. В нашей стране разработаны и реализуются соответствующие документы, регламентирующие внедрение цифровых технологий и киберфизических систем: «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 2017 - 2030 годы» (утверждена Указом Президента РФ от 9 мая 2017 г.), Программа «Цифровая экономика Российской Федерации» (утверждена распоряжением Председателя Правительства РФ от 28 июля 2017 г.). Перечисленные указы необходимо исполнять, в том числе и на промышленных предприятиях.

С внедрением цифровых технологий существенно меняются производственные отношения, происходит синергетическая интеграция вычислений и управления с физическими устройствами и процессами [10]. Вследствие чего порождается киберфизическая система.

Существует ряд проблем их применения CPS, которые исследуются разными авторами. Во-первых, методика моделирования для программного обеспечения распределенной автоматизации с интегрированными физическими процессами [7]. С точки зрения проектирования, модели программного обеспечения должны охватывать различные аппаратные платформы, семантику исполнения и связь с полевой шиной [10]. Во-вторых, проблема оценки инновационных технологий, которые будут составлять основу киберфизической системы.

Существуют различные трактовки понятия «кибрфизическая система». В данной статье рассматривается использование киберфизиче-ской системы для развития автоматизации на всех этапах жизненного цикла деятельности предприятия на основе внедрения цифровых технологий, и предлагаются оценки для выбора инновационных технологий для ее создания.

1. Киберфизическая система для развития автоматизации на всех этапах жизненного цикла деятельности предприятия на основе внедрения цифровых технологий

На рис. 1 приведены основные технологии, которые могут стать основой создания киберфизической системы для развития автоматизации на всех этапах жизненного цикла деятельности предприятия на основе внедрения цифровых технологий.

Рис. 1. Технологии Индустрии 4.0

Одной из самых важных работ, позволяющих понять суть и структуру киберфизической системы, является книга работа Lee E.A. and Se-shia S.A. «Введение во встроенные системы. Киберфизический системный подход» [9]. Упрощенно киберфизическую систему предприятия, по мнению авторов, можно изобразить схематично, как показано на рис. 2.

Структура CPS состоит из трех частей. Первая часть - физический уровень - физическая часть киберфизической системы, которая в своей реализации не использует компьютерные или цифровые сети. На промышленном предприятии за этот уровень могут отвечать механические части или люди-операторы. Во вторую часть киберфизической системы включены: одна или несколько вычислительных платформ, которые состоят из сенсоров, исполнительных механизмов, одного или несколько компьютеров, и, возможно, одной или несколько операционных систем. Третья часть - это сетевая структура, которая обеспечивает механизмы взаимодействия компьютеров. Вместе платформы и сетевая структура представляют собой «кибер» часть киберфизической системы [9].

На рис. 2. изображены две сетевые платформы, каждая из которых имеет свои собственные датчики и/или исполнительные механизмы. Действия, выполняемые исполнительными механизмами, влияют на данные, предоставляемые датчиками через физический уровень. На рисунке Платформа 2 управляет физическим уровнем с помощью Привода

1. Она измеряет процессы на физическом уровне с использованием Датчика 2. Блок Вычисление 2 реализует закон управления, который на основе данных датчика определяет, какие команды подать на привод. Такой цикл называется контуром управления с обратной связью. Платформа 1 выполняет дополнительные измерения с использованием датчика 1 и отправляет сообщения на платформу 2 через сетевую структуру. Вычисление 3 реализует дополнительный закон управления, который объединен с Вычислением 2, возможно, вытесняя его.

Рис. 2. Упрощенная структура киберфизической системы

Постоянно отслеживая обратную связь в реальном времени от физических процессов, системы управления должны реагировать на действия в рамках ограничений в реальном времени, чтобы подключить интеллект на уровне устройства [5].

Итак, выше представлена и подробно описана упрощенная структура киберфизической системы. Однако, для промышленного предприятия интерес представляет проектирование и внедрение такой системы. Lee E.A. and Seshia S.A. представляют создание киберфизической системы, как показано на рис. 3. Процесс составляют три основные части: моделирование, проектирование и анализ. Моделирование - это процесс более глубокого понимания системы посредством построения ее упрощенной структуры. Модели имитируют систему и отражают ее свойства. Модели показывают, как ведет себя система. Проектирование - это структурированное создание артефактов. Он определяет, как система делает то, что делает. Анализ - это процесс более глубокого понимания системы посредством анализа. Он указывает, почему система делает то, что она делает (или не может делать то, что, по структуре модели, она должна делать). Таким образом, процесс проектирования киберфизиче-

ской системы итеративно перемещается между перечисленными тремя частями.

Если раньше информационные технологии использовались для автоматизации управления предприятием и технологическими процессами, то с использованием цифровых технологий возможно объединить автоматизированное управление технологическими процессами и автоматизированное управление производством и предприятием в целом. Путем внедрения цифровых технологий во все сферы деятельности предприятия возможно создать единую управляемую систему, от заказа до реализации.

Внедрение отдельных элементов современных ИТ-систем также может позволить добиться повышения производительности персонала. Современные системы позволяют сократить количество допускаемых сотрудниками ошибок за счет оптимальной подачи сырья, обеспечить более полную загрузку производственного оборудования, сократить отходы производства и др. [3].

2. Применение при выборе инновационных технологий для CPS информационных оценок А.А. Денисова

Для создания киберфизической системы необходимо выбирать и внедрять инновационные технологии. Зачастую нововведения внедряются не по одному, а совместно с другими технологиями, вследствие чего происходит наслаивание технологий. Объединение технологий приводит к эмерджентному эффекту, а сами технологии называются эмерджент-ными [8]. Термин эмерджентные технологии (emerging technologies, от emerge - появляться), означает появление новых свойств в результате

Рис. 3. Модель создания встраиваемых систем

объединения технологий. использование таких технологий принесет новые результаты в производстве.

Для получения и обработки экспертных оценок предлагаемых инновационных технологий предлагается использовать информационные оценки А.А. Денисова. В работах А.А. Денисова предлагаются основы анализа разнородных систем произвольной структуры, базирующиеся на последовательном диалектическом раскрытии материально-информационного дуализма всего сущего. Автором рассматривается подход и метод для дальнейшего самостоятельного системного познания мира [3].

Главным достоинством метода является возможность получить оценки от единичных экспертов по каждому оцениваемому нововведению, которые предлагают его и лучше знают его возможности. Применить традиционные экспертные оценки, основанные на организации коллективной экспертизы и усреднении мнений экспертов, невозможно. Такое применение может приводить к одному из недостатков коллективных оценок, которые нивелируют узкосубъективные черты оценок, но усиливают коллективно субъективные. Более того, сформировать группу специалистов, одинаково хорошо знающих все оцениваемые технологии и способных их сравнить, также невозможно.

В основу информационных оценок положены 3 модели.

Применение информационных моделей 1-го вида основано на оценке степени влияния технологии на реализацию целей предприятия в анализируемый период развития. В соответствии с информационным подходом для оценки каждой технологии вводятся оценки степени целе-соотвествия р{ (т.е. вероятности достижения цели) и вероятности использования q, и вычисляется потенциал (значимость) технологии:

п

н=-Е qi 1о§

г=1

Информационные модели 2-го вида основаны на сравнительном анализе сложных систем в течение определенного начального периода их проектирования (внедрения, развития) путем сопоставления изменения информационных оценок во времени. При этом оценки получают от единичных экспертов, компетентных в соответствующей области деятельности предприятия.

При применении информационных моделей 2-го вида, основанных на сравнительном анализе сложных систем в течение определённого начального периода их проектирования путём сопоставления изменения информационных оценок во времени, используется два способа измерения нг:

1) через вероятность р( ;

2) посредством детерминированных характеристик воспринимаемой информации.

Последний способ включает в себя два подхода.

В статике в какой-то момент внедрения технологии

Н = —'.

п

где — - информация о количестве нововведений, измеряемая в относительных единицах, т.е.

I, =А,

' ДА,

где ДА, - минимальное количество технологий , -го вида, которое определяет единицу измерения [1].

Модели 3-ого вида описывают оценку ситуаций, описываемых информационными уравнениями с учетом взаимного влияния технологий:

Н-1 = /(Нп, Н12, Н13, ... ),

Н2 = /

Нз = /(Н31, Н32, Н33, ... ),

где Н1, Н2, Н3, ... -значимость (сущность) 1-й, 2-й, 3-й и т.д. технологии;

Н11, Н22, Н33 ... Нц, ...- собственная значимость технологий при отсутствии других технологий, влияющих на его ценность;

Н12, Н13, ... Нф ... - изменение ценности ,-й технологии при наличии 7-го нововведения [2].

Информационные оценки А.А. Денисова позволят проводить оценку технологий на уровне подсистемы и собственно системы, подцели которой инициируются собственными (внутренними) потребностями, мотивами, программами, постоянно возникающими в развивающейся системе [4].

Достоинством информационных оценок является то, что они обеспечивают удобную обработку оценок, возможность сочетать вероятностные оценки с количественными детерминированными характеристиками, что способствует повышению объективности и достоверности оценок, и, кроме того, позволяет на основе изменения измеряемых детерминированных параметров получать динамику изменения степени влияния подцелей, факторов, средств на реализацию целей предприятия (организации) [4].

Оценки p¡ в моделях А.А. Денисова получают от единичных экспертов по каждому оцениваемому нововведению, которые предлагают его и лучше знают его возможности.

Результаты полученных оценок рекомендуется представлять в виде гистограмм для дальнейшей обработки.

Заключение

В данной статье рассмотрен киберфизический подход к проектированию распределенной автоматизированной системы, позволяющей интегрировать управление, связь, вычисления на всех этапах жизненного цикла продукции. Рассмотрена упрощенная схема киберфизической системы, а также основные этапы ее проектирования. Так как базисом ки-берфизической системы является внедрение цифровых технологий, для оценки полезности внедрения технологий системы предлагается использовать информационные оценки А.А. Денисова.

Список литературы

1. Волкова В.Н., Логинова А.В., Яковлева Е.А. Модели управления инновационной деятельностью предприятий и организаций. - СПб.: Издательство Политехнического университета Санкт-Петербург, 2014. - 246 с.

2. Волкова В.Н. Леонова А.Е. Модель организации сложной экспертизы при выборе проектов для включения в план научно-производственной организации // Проблемы управления в социальных системах, 2015. - Т. 8. - № 12. - С. 220-224.

3. Денисов, А.А. Современные проблемы системного анализа : учебник. - 3-е изд. - СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2008. - 291 - 293 с.

4. Денисов А.А. Информационные основы управления. — Л. : Энергоатомиз-дат, 1983.

5. Масютин С. А. Базовая стратегия предприятия в условиях перехода к концепции «Индустрия 4.0» Доклад с заседания Комитета по литейному и кузнечно-прессовому производствам.

6. Шваб К. Четвертая промышленная революция: перевод с англ. М.: Изд-во «Э», 2017. — 208 с.

7. Eidson J., Lee E. A., Matic S., Seshia S. A. and Zou J., "Distributed Real-Time Software for Cyber-Physical Systems", Proceedings of the IEEE (Special Issue on CPS), Vol. 100, Issue 1, Page 45 - 59, January 2012.

8. Emerging Technologies | HuffPost/huffingtonpost.com>topic/emerging-technologies.

9. Lee E.A. and Seshia S.A., "Introduction to Embedded Systems, Cyber-Physical Systems Approach", http://LeeSeshia.org, ISBN 978-0-557-70857-4, 2011.

10. Vyatkin V., "IEC 61499 as enabler of distributed and intelligent automation: State-of-the-art review", IEEE Transaction on Industrial Informatics, vol. 7, no. 4, pp. 768781, Nov. 2011.