Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Понятие «умных» сред и систем





 

Повышение эффективности работы промышленности и инфраструктуры за счет применения интеллектуальных электронных систем — так называемых «умных» сред (smart environments) — является одним из наиболее известных направлений технологического развития в данных сферах. На сегодняшний день существует множество концепций применения «умных» сред в различных предметных областях: проекты «умных» транспортных систем (intelligent transportation system), «умного» производства (smart manufacturing), «умных» домов (smart houses), «умных» городов (smart cities) и т. д.

Общим маркером для всех подобных проектов является использование слов «умный» и «интеллектуальный», причем какие-либо ясные стандартные определения степени интеллектуальности систем отсутствуют. Однако общая идея, стоящая за концептами «умных» систем, состоит в использовании распределенных сетей сенсоров и вычислительных устройств, взаимодействующих между собой для максимального обеспечения удобства и безопасности человека (в сфере инфраструктуры) или высокоэффективного производства (в сфере производства).

В профильной литературе проблематика интеллектуальных распределенных систем описывается с использованием трех взаимосвязанных понятий:

Всепроникающая компьютеризация (Ubiquitous computing / Pervasive Computing). В 1991 году исследователь лаборатории Xerox PARC Марк Вейзер выдвинул концепцию будущего мира, «богато и незаметно насыщенного сенсорами, дисплеями и вычислительными элементами, соединенными в единую сеть и являющими неотъемлемые элементы предметов быта»1. Физическая возможность осуществления этого прогноза появилась к концу 2000-х годов по мере тотального распространения дешевых миниатюрных мобильных устройств, беспроводных сетей и спутниковой навигации.

Окружающий интеллект (разум) (Ambient Intelligence, AmI). Под окружающим интеллектом понимается «электронная среда, активно и разумно помогающая человеку в быту»2.

«Умные» среды (Smart Environments). «Умная» (интеллектуальная) среда определяется как физическая инфраструктура (сенсоры, исполнительные механизмы и сети), позволяющаяфункционировать окружающему интеллекту3 (определение Х. Накасимы и Х. Агаяна). Согласно другому определению, «умная» среда представляет собой электронную среду, способную получать и использовать информацию об окружающей реальности, а также приспосабливаться к нуждам пользователей для улучшения их взаимодействия с внешней средой4.

Следует отметить, что в тематических публикациях (в особенности неисследовательского характера) понятия «окружающий интеллект» и «умные» среды часто используются как синонимы, что вносит определенную путаницу.

В качестве отличительных черт «умных» сред выделяются следующие5:

1. Удаленный контроль устройств. Возможность контролировать устройства дистанционно или автоматически является базовым свойством «умных» сред. Под дистанционным контролем понимается как беспроводная связь, так и традиционные стандарты соединения через электропроводку (X10).

2. Коммуникация между устройствами. Распространение и улучшение технологий беспроводных сетей и промежуточного программного обеспечения позволили усложнить взаимосвязь между устройствами «умной» среды, обеспечивая возможность построения более сложной модели состояния среды и ее обитателей, как за счет обмена информацией между устройствами, так и за счет привлечения информации из внешних источников через Интернет.

3. Получение информации через «умные» сенсорные сети и ее распространение.

Распространение и улучшение сенсорных технологий позволили организацию сетей, в рамках которых сенсоры осуществляют обмен информацией и принимают простые решения, что позволяет подстраивать среду под нужды пользователя. Примерами использования таких систем могут служить системы, отключающие газ в случае протечек, системы настройки освещения и пр.

4. Сложный функционал устройств. Современные «умные» сети часто насыщены отдельными устройствами, имеющими сложный функционал. Высокая технологичность таких устройств еще более усиливается в случае использования возможностей сенсорной сети и внешних источников информации. Примерами использования таких устройств служат бытовые приборы, контролируемые через Интернет или выстраивающие свою работу, исходя из дневного цикла.

5. «Предсказательные» способности и способности к принятию решений. Несмотря на значительные возможности «умных» сред, традиционно непосредственное принятие решений остается за пользователем. Однако наиболее современные «умные» среды обладают способностями к автоматическому принятию решений на основе изученной информации о пользователе и способностями к «предсказанию» состояния среды и поведению пользователя.

6. Развитые стандарты сети. Для осуществления взаимодействия (как во внутренней сети, так и через Интернет) между различными элементами «умной» среды (компьютерами, сенсорами, камерами и иными приложениями) необходимы четкие и качественно регулируемые сетевые стандарты. В настоящее время в мире существует значительное число различных стандартов, каждый со своими преимуществами и недостатками, и осуществление четкой координации между ними будет требовать значительных усилий со стороны разработчиков «умных» сред и отраслевых регуляторов.

 

Функционирование «умных» сред невозможно без ряда ключевых элементов:

Сенсоров (датчиков) и актуаторов: они позволяют «умной» среде собирать информацию о своем окружении, подобно органам чувств живых организмов. Распределенное расположение сенсоров является необходимым условием для того, чтобы система считалась «средой», а не единичным устройством.

Существует значительное число определений понятия «сенсор», во многом благодаря тому, что к сенсорам можно отнести огромное число устройств, в том числе практически все измерительные приборы, начиная с самых простых, таких как отвес или термометр. Здесь определением сенсора может служить следующее: «Сенсор представляет собой устройство, преобразующее изменения в объекте наблюдения в информацию для пользователя».

Существует значительное число классификаций сенсоров, однако наиболее базовой является классификация по типу измеряемых явлений. В рамках этой классификации сенсоры делятся на механические, электрические, акустические, электромагнитные, физико-химические, оптические и пр. Свое применение в рамках «умных» сред могут найти все виды сенсоров, из которых наиболее актуальны так называемые интеллектуальные сенсоры, т. е. сенсоры, способные, за счет наличия микроконтроллера, осуществлять сложную обработку информации, изменять режимы своей работы и активно воздействовать на объект наблюдения.

К примерам интеллектуальных сенсоров можно отнести значительное число устройств, начиная от электронных термометров и датчиков давления и заканчивая электронными эхолотами и сенсорами для сейсмической разведки. Значительное снижение стоимости и миниатюризация микросхем сделало возможным их масштабное «всепроникающее» использование во многих стационарных и мобильных системах. Примерами таких систем являются автоматические двери и системы автомобильной сигнализации.

Помимо сенсоров элементами «умных» сред могут являться актуаторы (также называемые исполнительными устройствами). Актуатор определяется как «устройство, которое реагирует на поданный сигнал, совершая какое-либо действие». В самом широком смысле актуаторами являются и человеческие мышцы (реагирующие на сигналы из мозга), и электродвигатель.

Сетевых и спутниковых технологий: интеграция систем сенсоров и актуаторов в «умные» среды обеспечивается развитыми системами компьютерных сетей. В рамках различных проектов создания «умных» сред используются различные виды как проводных, так и беспроводных сетей. Однако, в силу тенденции к обеспечению мобильности различных элементов «умной» среды и удешевление связи между ними, в профильных исследованиях акцент делается в основном на беспроводные сети.

Для реализации различных видов «умных» сред необходимыми являются практически все виды беспроводных сетевых технологий. Технологии персональных беспроводных сетей (Wireless Personal Network, WPAN), такие как Bluetooth, ZigBee и IrDa, востребованы в сфере взаимодействия между элементами «умной» среды и системами управления и диагностики «умной» среды (обычно на базе карманных компьютеров или мобильных телефонов) на ближнем расстоянии. Координация работы «умных» сред средних масштабов (от промышленного предприятия и здания до небольшого участка транспортной сети) обычно осуществляется с помощью беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network, WLAN), таких как Wi-Fi. При применении «умных» сред в сфере управления транспортными потоками используются беспроводные сети масштаба города (Wireless Metropolitan Area Networks, WMAN) — WiMax и беспроводные глобальные сети (Wireless Wide Area Network, WWAN) —GPRS и EDGE.

Помимо собственно беспроводных сетевых технологий, для организации «умных» сред важными являются технологии, связанные с функционированием сотовых телефонов и мобильных компьютеров, а также спутниковой навигацией. В ряде проектов развития «умных» сред информация, поступающая от сенсоров и вычислительных узлов, должна передаваться на личное мобильное устройство пользователя, причем в случае проектов «умных» сред в промышленности пользователь также может отдавать команды системе при помощи своего мобильного устройства. Подобная ориентация на многофункциональные мобильные устройства ставит значительные вызовы в области совместимости различных операционных систем. Системы спутниковой навигации (подобные системе GPS) в «умных» средах используются в основном в сфере транспорта. Отличие от уже существующих практик (снабжение данными отдельных пользователей) состоит в создании динамических карт загрузки транспортных сетей на основе данных систем, которыми могут пользоваться как учреждения, ответственные за организацию дорожного движения, так и индивидуальные водители.

В настоящее время ключевые элементы «умных» сред находятся на различных стадиях технологической зрелости и в зависимости от этого по-разному влияют на трансформацию производственных систем и инфраструктур.

Рисунок 1.

Стадии технологической зрелости ИТ-решений, критически важных для внедрения «умных» систем

 

Понятие «умных» производств

 

«Умные» производства, «умные» заводы, «умные» предприятия (smart factory) как термин используется в разных смыслах в зависимости от контекста. Иногда под этим понимается любая роботизированная система производства; изготовители оборудования склонны добавлять прилагательное «умный» (intelligent, smart) в описание своих станков, когда речь идет лишь об исключительных характеристиках скорости работы, точности или производительности6.

Более фундаментальное определение дают исследователи из Штутгартского университета, понимающие под «умным» предприятием такую производственную систему, которая, будучи осведомленной о контексте, помогает сотрудникам и оборудованию в выполнении своих заданий7. По их мнению, концепт «умного» предприятия является одной из размерностей многошкального производства, предполагающей использование самых передовых инструментов и технологий повсеместной компьютеризации. Эта точка зрения опирается на представление об «умном» предприятии как о среде производства, способной справляться с турбулентностью производственного процесса в режиме реального времени посредством использования децентрализованной информационно-коммуникационной структуры для управления производственным процессом.

В Белой книге промышленной политики Фландрии 8 центральное место в структурных изменениях экономики отведено именно предприятию будущего (factory of the future). В документе под этим понимается концепция организации производства, сфокусированная на кооперации, повышении экологичности и новых трудовых отношениях. В рамках этой концепции стираются границы между производственной площадкой и поставщиком, между потребителями, сотрудниками и исследователями, между производством и обслуживанием.

Предприятие будущего служит хабом, объединяющим в себе три стратегических элемента политики трансформации экономики: 1) процессные и продуктовые инновации; 2) направления трансформации в зависимости от типа промышленности (производство, обработка, наукоемкая промышленность, переработка сырья); 3) характерный для системы подход на уровне цепочки создания стоимости.

Нередко Smart Factory используется как полный синоним словосочетания Factories of the Future, что не совсем верно. Последнее более объемно и включает в себя не только «умные» предприятия, но и виртуальные и цифровые компании. Э. Филос, координатор ИКТ-проектов в Factories of the Future седьмой Рамочной программы Европейского союза по научно-технологическому сотрудничеству 9, разделяет эти три вида компаний по цели создания, средствам достижения цели и акценте в работе10. Так, «умные» предприятия имеют своей целью более широкое использование средств автоматизации, улучшенный контроль и оптимизацию процессов. Виртуальные компании создаются с целью управления цепочками поставок, а также для того чтобы создавать ценность посредством объединения продуктов и услуг. Иной вариант интерпретации виртуальных компаний — это объединение виртуальных активов и виртуальных способов управления11. Цифровые предприятия, в свою очередь, стремятся «увидеть» продукт до того, как он будет реально произведен.

Для достижения своих целей «умные» предприятия используют специализированное программное обеспечение, лазеры и устройства с искусственным интеллектом, встроенные в машины, и инфраструктуру предприятия. Виртуальные организации задействуют для работы ПО, чтобы единообразно обеспечивать взаимодействие между распределенными в пространстве производственными активами и осуществлять управление этими активами; кроме того, предлагаются новые бизнес-модели и идеи создания ценности. В частности, возможен переход от реального компонента к виртуальному по нескольким характеристикам, например характер продукции/услуги, взаимосвязь с клиентами и проч. Цифровые компании используют ПО в целях цифрового представления (визуализации) и тестирования продуктов и процессов перед их реальным производством или осуществлением.

Акценты в каждом из типов предприятий распределяются следующим образом. Smart factories делают упор на производительности всей организации (уменьшение отходов, потребления электроэнергии, сокращение времени вывода нового изделия на рынок, повышение качества). Виртуальные предприятия акцентируют внимание на производительности цепочки поставок (продукты с высокой ценностью, сохранение рабочих мест в своем регионе, прозрачность процесса, защита прав интеллектуальной собственности, снижение выбросов CO2). Цифровые компании стремятся к повышению эффективности разработки и дизайна нового изделия (снижение числа ошибок разработки, более эргономичные товары, меньше отходов и

доработки, сокращение времени вывода нового изделия на рынок).

Таким образом, можно разграничить «предприятия будущего» (factories of the future) и «умные» предприятия, которые соотносятся как общее и частное.

Основные направления технологических разработок, поддерживаемые на государственном или наднациональном уровне (например, Еврокомиссией в рамках седьмой Рамочной программы ЕС по научно-технологическому сотрудничеству), охватывают три сферы: энергетическая эффективность, производство не наносящих ущерба окружающей среде товаров и экономичность производства.

В «умных» предприятиях данные приоритетные направления находят отражение в использовании таких технологических и управленческих инструментов, как (в той же последовательности): роботизированное производство, применение лазеров, автоматизация и оптимизация процессов и использование ИКТ и сенсоров для достижения энергоэффективности.

Использование подобного рода инструментов позволяет программным приложениям «умного» предприятия действовать в зависимости от контекста производственного процесса. Под контекстом понимается любая информация, которая может быть использована для описания ситуации, в которой находится рассматриваемый объект12. Объектами являются предметы реального мира, т. е. необходимо соотносить виртуально проистекающие процессы с реальными объектами, которые имеют физические характеристики (в т. ч. положение в пространстве). Технологии производства микроскопических сенсоров и беспроводных коммуникаций позволяют собирать больше информации об объектах реального мира. В свою очередь вызываемые реально произошедшими событиями автоматические сбор и распределение информации, знаний и задач между всеми рабочими местами обусловливают становление идеи «умного» предприятия.

Вышеописанное позволяет определить цель функционирования «умных» машин как прогнозирование и предупреждение о возникновении условий, которые потенциально могут снизить производительность, точность или качество производства. Это означает, что такое оборудование должно вести себя так же, как человек с опытом выполнения определенного процесса, т. е. определять отклонения от нормального выполнения процесса (для этого оно

должно быть чувствительно к силовому воздействию, вибрации и температуре) и предлагать возможные пути решения1.

В качестве отличительных черт «умных» производств выделяются следующие:

1. Способность к «умному» действию и «умному» реагированию, максимально увеличивающим техническую эффективность, эффективность затрат и выгоду благодаря планированию, постоянному мониторингу операций и непрерывному обучению.

2. «Оперативные активы» — работники, завод, оборудование, операционные модели и базы данных — интегрированы и осведомлены о своем состоянии благодаря системе сенсоров. Периферийные устройства, исполнительные механизмы и производственное оборудование обладают способностями к обработке информации и оснащены сенсорами для автоматического самоанализа. Каждое устройство способно определить свое состояние и сообщить об этом всем связанным с ним устройствам.

3. Оборудование «умного» производства способно обнаружить внештатные ситуации и приспособиться к ним. Благодаря постоянному мониторингу и применению полученного знания, система обладает способностью адекватно функционировать в зависимости от меняющихся обстоятельств, таких как внезапное прерывание рабочих процессов, изменений в свойствах получаемого сырья и т. п.

4. Оборудование обладает полным доступом к необходимой информации в любое время работы.

5. Для предотвращения аварий в рамках «умного» производства осуществляется сбор информации в реальном времени.

6. Система обладает способностью к оперативному реагированию на изменения в технологическом процессе и неполадки.

7. «Умное» производство является экологически устойчивым, использует рециклинг и обладает минимальным воздействием на окружающую среду.

8. Необходимой чертой «умного» производства является высококвалифицированная рабочая сила.

9. Система обладает пониманием границ автоматического действия и снабжает всей необходимой информацией операторов и управленцев для принятия необходимых решений.

10. Работники «умного» производства обучены для осуществления действий,

обеспечивающих стратегическую эффективность предприятия.

Ряд упомянутых выше элементов свойственен лучшим практикам лидирующих производств. Отсутствие полномасштабных промышленных образцов «умных» сред в производстве делает концепцию «умного» производства во многом идеальной ситуацией, нежели каким-либо стандартом. Такая ситуация, скорее всего, сохранится до первичного распространения «умных» сред в промышленности, после чего это понятие сможет быть более точно определено.

С технической и организационной точки зрения для реализации «умных» производств должен быть выполнен ряд условий14:

• Дальнейшее улучшение, удешевление и автономизация «умных» устройств.

• Развитие сетевых протоколов, в частности переход от IPv4 к IPv6.

• Развитие мобильных устройств, позволяющих осуществлять распределенные вычисления (без опоры на центральные серверы). Архитектура мобильных устройств должна быть способна к улучшениям без перепрограммирования всей производственной системы.

• Развитие системы открытых стандартов связи, поддерживаемых всеми производителями устройств, а также стандартов взаимодействия между электронными устройствами и автоматическими системами планирования (CAD, CAM, CAE…).


 







Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.