Как «виртуальные фабрики» управляют роботами

Ключевым направлением цифровизации предприятий стало использование «виртуальных фабрик», в рамках которых автоматизация, роботизация, искусственный интеллект — инструменты, а не самоцель.  

Текст | Вячеслав СОЛОПОВ, директор департамента консалтинга «Консист Бизнес Групп»

Эйфория по поводу роботизации и искусственного интеллекта сменяется более здравым отношением к их возможностям, которые в отдельных случаях действительно выдающиеся, хотя в целом пока больше подходят для точечного применения. Особенно с учетом немалых затрат на эти инструменты.

Современная тенденция цифровизации, в первую очередь для предприятий с типом производства, которое не может быть целиком передано автоматическим линиям, — использование систем оптимизации производственных процессов и производственной среды. Это цифровые системы экономического и пространственного моделирования virtual factory. Их представил ряд вендоров.

«Виртуальные фабрики» предлагают не просто задействовать роботов и ИИ, но и совершенствовать производственные процессы, улучшать условия труда сотрудников и характеристики изделий. Их важное достоинство: они помогают резко повысить эффективность даже «старого», доцифрового производства.

Сложность современных предприятий вышла за пределы знаний и опыта главных инженеров и начальников производства. Они оперируют своим опытом, но в цифровой экономике этот опыт быстро устаревает, и часто прорывные идеи получаются именно там, где ставят под сомнение традиционные подходы к проектированию, конструированию и производству. В этом смысле «виртуальные фабрики» незаменимы, поскольку позволяют выйти за пределы традиционных представлений.

При этом стоят они как один роботизированный станок, что делает их весьма привлекательными для компаний. Это немного по сравнению с затратами на оборудование. Стоимость человеческих ошибок из-за неэффективной расстановки оборудования, потери в производительности и неверно сделанных инвестиций гораздо выше, что стоимость такого ПО. К тому же правильно рассчитанное роботизированное рабочее место может сэкономить тысячи человеко-часов ручного труда.

Эти системы берут данные о производственных процессах из систем оперативного планирования производства, из ERP-систем, складских систем. В них также загружается информация о размещении производственных мощностей, включая видеоинформацию о работе этих систем в реальном времени.

«Виртуальные фабрики» анализируют их, в том числе с помощью механизмов искусственного интеллекта, сопоставляющего сложившуюся ситуацию с лучшими мировыми практиками такого производства, а также имеющиеся на рынке решения. Производители систематически обновляют информацию как о практиках, так и о стоимости и характеристиках решений с применением роботов и искусственного интеллекта.

Вот каковы направления использования «виртуальных фабрик» на предприятиях:

Оптимизируйте процессы. На машиностроительном предприятии в Челябинской области производство было устроено традиционно — на специализированных по определенным операциям производственных участках.

Изделие приходилось носить и возить на специальном транспорте по участкам и цехам, разбросанным на огромной территории одного из производственных комплексов — 100 тыс. кв. м. Терялись минуты и даже часы, которые можно было бы использовать на изготовление продукции.  

Производственный процесс и сам производственный комплекс были перепроектированы с помощью «виртуальной фабрики». За основу взяты лучшие западные практики аналогичного производства.

Система собрала статистику по времени транспортировки заготовок от одного станка к другому. Станки, выполнявшие последовательные операции, перенесли в одно помещение и поставили рядом. Выяснилось, что, если устанавливать оборудование хотя бы парами, время на транспортировку сокращается на 80%, а простои оборудования снижаются на 50%.

Группировка оборудования определялась удобством рабочих и техникой безопасности. Так, удалось ликвидировать большинство логистических петель и сэкономить порядка 40% производственных площадей. Время на изготовление конечной продукции сократилось в общей сложности на 5—7 дней, а высвободившиеся цеховые автопогрузчики были переведены трудиться на склад.

Оптимизируйте применение роботов. Одно из судостроительных предприятий внедрило методологию оценки стоимости использования живой или цифровой рабочей силы для внедрения роботов на тех участках, где это экономически наиболее оправданно.

Рассчитываются затраты на рабочего: это не просто затраты на зарплату, различные отчисления за него, но и, например, усталость, утомляемость, которая нарастает в течение рабочего дня, накапливается с годами и пересчитывается в коэффициент брака и затраты предприятия на оплату больничных листов. В созданной компьютерной модели производственного процесса рабочий должен поднимать заготовку весом 12 кг на 40 см над землей и в течение 5 секунд держать, устанавливая на место крепления.

Рассчитали, что за смену он поднимает заготовку более полусотни раз, выполняет эти операции изо дня в день. У него функционируют определенные мышцы, нагружаются суставы. Через пять лет с высокой вероятностью возникают воспаления, грыжи, протрузии, и рабочего приходится переводить на другой участок, выплачивать компенсацию за испорченное здоровье.

Использование на этой позиции робота-манипулятора — очень большие начальные инвестиции, затраты на запасные части и профилактику, в том числе ежемесячное обслуживание, а также на регулярные контроль и отладку роботов. Однако, как показали расчеты, за пять лет затраты окупаются, и роботы прослужат до тех пор, пока морально не устареют или конструкторы не придумают иной способ расположения деталей.

На нескольких наиболее опасных для здоровья людей участках уже закуплены и установлены роботы. Там выработка выросла на 30%, а брак оказался на уровне статистической погрешности.

Вычислите места для роботов. На этом же предприятии вычислили места для роботов. Прежде всего речь шла о замене части станков с ЧПУ.

Роботы заменяют несколько станков, как когда-то станки с ЧПУ заменяли нескольких рабочих. Аппаратный робот — дорогое удовольствие, правда, один робот в силах заменить иногда несколько десятков станков с ЧПУ, при этом значительно повысить скорость и вариативность выпуска продукции благодаря более быстрой перенастройке и большей точности: выгода может достигать 30—40%.

В этом конкретном случае приняли решение задействовать роботов на сварке прямого шва стальных листов. Такой робот способен сваривать многометровые листы с высокой скоростью и при этом почти 100%-ной гарантией качества, причем подача свариваемых листов автоматическая. Робота следует лишь с определенной периодичностью контролировать и при необходимости отлаживать. Эффект на этом участке: 0% брака, рост выработки более чем на 30%, кроме того, появились новые возможности сварки, которых раньше не имелось, без дополнительных затрат.

Другой пример, демонстрирующий применение роботов, — это специализированная автоматизированная установка, позволяющая управлять анестезией во время проведения операции. Анестезия — крайне ответственная и сложная часть практически любой операции. Специалисты подвержены стрессам и быстро устают, так как в процессе операции вынуждены контролировать мельчайшие детали и большое количество параметров одновременно. Установка помогает существенно снизить усталость и сосредоточить внимание специалиста на картине в целом, а также исключить ошибки в силу усталости или человеческого фактора. Специальные датчики считывают параметры пациента во время операции, их обрабатывает высокотехнологичная программа, которая определяет необходимые пациенту инъекции, показывает эти параметры на дисплее анестезиологу, и если он с ними согласен, то ему ничего делать не нужно. Сверхточные дозаторы введут пациенту требуемое количество соответствующего препарата. Если анестезиолог считает параметры ошибочными, он волен или скорректировать инъекции, или взять процесс на полностью ручное управление. В процессе проведения операций накапливается база данных всех состояний пациентов и проведенных манипуляций, что помогает постоянно улучшать алгоритм и совершенствовать установку.

Выберите точки применения искусственного интеллекта. На машиностроительном предприятии выявили необходимость использования модуля искусственного интеллекта в проектировании.

На предприятии ранее уже применяли цифровые системы для 3D-проектирования.

Проведенная оптимизация помогла увидеть задачу: повышение скорости и качества проектных решений. После анализа возможных путей решили внедрить специализированный модуль, основанный на технологиях больших данных и искусственного интеллекта. Он позволяет моделировать варианты решений, касающихся структуры изделий.

Конструктор рисует деталь привычным способом, но может нажать на кнопку, и компьютерная программа сама формирует и предлагает конечное представление, конечную форму изделия с учетом тысячи параметров. Или смоделировать варианты решения с учетом заданных параметров: скажем, сделать 20 кронштейнов, а не 10, так что нагрузка составит не 10 кг, а 5 кг.

Модуль дорогостоящий. Однако он за три года использования окупил себя: помог снизить металлоемкость на 30—40%, повысить качество и — самое главное — скорость проектирования на 20%, что критически важно для сохранения лидерства в отрасли.

Надо понимать, что практически любой ИИ следует обучать, четко формируя задачу, указывая затем на правильные и неправильные решения. Чем качественнее сформулирована цель, дольше и тщательнее идет обучение, тем лучше работает алгоритм. Чем больше информации имеется на входе, тем точнее и правильнее будут первые результаты. Главное — не останавливаться на достигнутом, и тогда результаты превзойдут все ожидания. Конечно, как у любой искусственной системы у ИИ существуют свои ограничения, и их необходимо учитывать при создании кибернетических систем, в которых должны взаимодействовать люди и машины.

ИИ, если к нему обратятся за помощью, гораздо быстрее проверит различные алгоритмы, предложит наиболее оптимальные решения, а также найдет такие зависимости, которые ускользают от человеческой логики и взгляда. К примеру, способен практически в онлайне выдавать оптимальное решение для большого количества постоянно поступающих логистических задач или составлять оптимальный график выполнения заказов разной продукции на производство с учетом всех его факторов. Однако предложенное оптимальное решение всегда нужно проверять на здравый смысл, принятие окончательного решения пока лучше доверить все же человеку.