Архитектура цифрового производства

Современные рыночные условия диктуют свои требования к промышленности и производству. Рынок труда требует новых высококвалифицированных специалистов, которые могут использовать в своей трудовой деятельности современные инструменты IT-технологий. Таким образом, рынок и производство участвуют в оптимизации структуры и состава взаимоотношений в направлении развития промышленности, системы образования, и в подготовке кадров. Информационный рынок выступает в качестве платформы выстраивания рыночных отношений. Общее информационное пространство обеспечивает прозрачность сделок и позволяет сформировать стратегию развития различных направлений в промышленности. Для того чтобы продукция, поставляемая на рынок, имела статус «конкурентоспособная» каждое предприятие стремится обеспечить свое преимущество за счет внедрения современных информационных и цифровых технологий, которые способны оперативно перенастроить производство под требования новых отечественных и международных стандартов (ГОСТ, ISO, IEK и др.) [1].

Для обладания конкурентными преимуществами необходимо иметь задел перспективных разработок на несколько поколений вперед относительно действующих стандартов. Чаще всего речь идет о повышении качества продукции и снижении затрат на производство. Такой подход разработок на перспективу обеспечивает, за счет проектных решений, снижение затрат и повышение эффективности уже имеющегося производства на 5-10%. Эффект повышения качества продукции и снижение затрат на производство за счет включения в технологию элементов перспективных разработок позволяет естественным путем реализовать цифровую трансформа- цию в экономике и промышленности. Для плановой реализации перехода к цифровой трансформации рассмотрим два основных показателя: высококвалифицированный персонал и цифровое производство. Основная концепция «Индустрия 4.0» заключается в объединении предприятий в сетевую структуру и организация работ по единым стандартам с учетом принятой эталонной архитектурой предприятия. Необходимо отметить, что предполагаемая трансформация к цифровому производству позволит расширить номенклатуру и повысить загрузку предприятия. Предполагается, что цифровое производство за счет автоматизации и гибких модульных производств позволит выпускать продукцию характерную как для единичного, так и для массового производства. Такой показатель универсальности производства возможен только при наличии мощных вычислительных центров и высоких скоростях: выполнения технологических операций, и переналадке производства. Для разработки и внедрения цифровых технологий предлагается рассмотреть производство и систему подготовки кадров, как два основных элемента взаимосвязанной системы [2,3,4].

Цель исследования: в рамках научного изыскания и учебного процесса раскрыть содержание и дать определение архитектуре цифрового производства в перспективе развития промышленности «Индустрия 4.0» и внедрения новых стандартов качества. Наглядно рассмотреть и выявить все преимущества и сложности в реализации цифрового производства, а также наметить оптимальные пути его реализации.

Материалы и методы исследования

За период более чем три десятилетия понятие «Архитектура предприятия» (АП) менялось и расширялось с учетом развития технологии и в своем определении от- ражает управленческие и технологические стандарты и комплексы информационных систем, что позволяет представить общую архитектуру совместного использования общих ресурсов для достижения целей и задач предприятия [5,6].

Предмет анализа архитектура цифрового производства в целом, которая по мнению К. Шваб, будет трансформироваться из иерархической структуры к моделям, в большей степени, определяемой сетевым распределением по различным признакам [7]. Кроме того, отмечено, что сетевая структура распределения команд, сотрудников и производства будут концентрироваться около соответствующих центров, при этом поддерживая непрерывный обмен данными между собой [7,8,9].

Архитектура предприятия (АП) обозначает, как некоторый объект управления, обеспечивающий в бизнесе общий взгляд и взаимоувязку частей в единое целое, так и дисциплину, возникшую на основе этого объекта [5]

Цифровое производство предполагает организацию производственного процесса на основе автоматизации всех операции, использования станков с числовым программным управлением и роботизированного оборудования [8].

Цифровой организацией предлагается называть такую организацию, у которой наиболее изменчивым комплементарным активом организации являются активы компьютерного капитала [10].

Учитывая современные знания в области цифрового производства и АП [5,10,11], предлагается архитектуру цифрового производства (архитектура ЦП) представить в качестве некоторых объектов управления, увязывающие в единое целое все управленческие и технологические системы с различной структурой и высокой степенью автоматизации и/или роботизацией.

Свойства и требования к архитектуре цифрового производства [3,8,12] авторами предлагается дополнить и представить таблицей 1.

Таблица 1

Свойства и требования к архитектуре цифрового производства

№	Свойство/требование	Описание
1	Моделирование	Возможность разработки подробной виртуальной модели ЦП и систем управления;
2	Проектирование под целевые функции	Возможность проектирования архитектуры ЦП для обеспечения нескольких целей;
3	Единое цифровое пространство	Обеспечение коммуникаций со всеми участниками производства;
4	Стандартизация	Соответствие архитектуры ЦП требованиям принятых стандартов с возможностью трансформации под новые условия;
5	Загрузка и синхронизация мощностей	Максимальная загрузка и синхронизация имеющихся мощностей за счет применения гибких модульных производств, автоматизации и роботизации;
6	Онтологический инжиниринг	Возможность моделировать и реализовывать новые характеристики и свойства архитектуры ЦП;
7	Реализация общих архитектурных принципов в т.ч. и многоуровневость	Построение архитектуры ЦП с применением общих принципов построения всех систем производства;
8	Ориентация на потребителя	Обеспечение качества продукции/услуги с оптимизацией издержек на производство и логистику;
9	Многофункциональность	Возможность работать с широкой номенклатурой общего и специального ПО в зависимости от целей производства;
10	Энергоэффективности	Обеспечение снижения энергозависимости;
11	Экологичность	Обеспечение безотходного производства.
12	Универсальность	Возможность выпуска широкой номенклатуры продукции с учетом различных типов производств

Перспектива с точки зрения функциональных областей

Процессы

Оргструктура

Информация

Информационные систем

ЗАКУПКИ

ЛОГИСТИКА

ПРОИЗВОДСТВО

ПРОДАЖИ

МАРКЕТИНГ

C

B

E

А

ID

Рис. 1. Функциональные области архитектуры предприятия с центрами развития компетенций (A, B, C, D, E)

Исследования авторов [4,13,14] подтверждают, что экономический эффект от реализации практических решений во многом зависит от использования научных знаний во всех процессах жизненного цикла проекта. Новые знания и изыскания в направлении трансформации экономики и архитектуры ЦП безусловно невозможны без подготовки высококвалифицированных специалистов. Тем не менее изучение архитектуры предприятия или архитектуры ЦП позволяют выявить и устранить разрывы между теоретическими знаниями и практическим опытом пусконаладочных работ на производстве [15].

Известно, что ученые Евросоюза предложили эталонную универсальную архитектуру модели для Industrie 4.0 (RAMI 4.0) [16]. Однако при детальном рассмотрении выявлена сложность понимания и реализации стандарта в современных условиях. Кроме того, экономические издержи на переход к новым стандартам, могут превышать полученную прибыль, поскольку во многих странах уровень технологий и экономики может значительно отличаться.

По мнению экспертов в области «Индустрия 4.0» [7] Архитектура ЦП будет представлена распределенным сетевым взаимодействием всех участников производства и рынка. Поэтому на перспективу развития цифрового производства предлагается рассмотреть архитектуру предприятия с традиционными функциональными областями [5], которые будут сгруппированы вокруг центров развития компетенций (рисунок 1).

Под центрами развития компетенций будем понимать технологические или управленческие системы и т.п., цель которых является развитие и реализация специфических компетенций в перспективе развития цифрового производства отросли или направления.

Рассматривая архитектуру ЦП с точки зрения производства можно выявить и перспективные направления развития и усовершенствования бизнес-процессов. Поскольку для каждого предприятия, в настоящее время, проблематично подготовить и удержать высококвалифицированные кадры, то центры развития компетенций позволят обеспечить требуемый результат трансформации и организации цифрового производства за счет того, что в распределенной сетевой структуре будут взаимоувязаны эксперты и специалисты из различных направлений науки и техники [2,15]. Для формирования подобных центров компетенций необходимо обеспечить условия взаимодействия между учебными, научно-исследовательскими и производственными организациями [2,17]. Подобное взаимодействие обеспечивается за счет единого цифрового пространства и соответствующих регламентов. В качестве примера рассмотрим архитектуру цифрового производства предприятия технического сервиса по ремонту автомобилей (рисунок 2).

Принимая во внимание, что сегодня в мировой практике трансформация к цифровому производству различных промышленных кластеров выстраивается в двух основных направлениях:

• 1)    производствено-технологические объекты с высоким уровнем автоматизации

и роботизации в различных сферах и процессах (немецкий подход);

• 2)    глобальная цифровая экосистема промышленности, основанная на интернет-тех-нологиях, в различных отраслях экономики (американский подход).

Кроме того, для наглядного изучения и ознакомления разрабатываемыми стандартами Консорциум промышленного интернета (The Industrial Internet Consortium, IIC из США) предоставляет доступ различным организациям (здравоохранения, промышленности, транспорта, энергетики и др.) к стендами с базовыми и перспективными наработками технологий под стандартизацию [18]. Предполагаем, что для обеспечения цифрового производства высококвалифицированным персоналом предстоит провести реинжиниринг учебно-методических материалов и баз практик образовательных учреждений, и организацию на их базе центров компетенций, которые будут участвовать в изучении и запуске перспективных разработок с учетом мировых практик [17,18].

Рис. 2. Схема организации цифрового производства на предприятии технического сервиса с центрами развития компетенций (А – закупка-логистика; B – логистика;

С – производство-продажа-маркетинг; D – продажи; E – продажи-маркетинг)

На наш взгляд в каждом центре компетенций необходимы собственные учебные и научно-исследовательские департаменты, основная миссия которых будет заключаться в разработке перспективных технологий и синхронизации знаний между всеми участниками цифрового производства. Подразумевается, что образовательные департаменты на базе центров компетенций также должны перейти на технологию 4.0. В частности, для выпускников старших курсов ВУЗов необходимо обеспечить дистанционное обучение непосредственно с производства или рабочей площадки, с автоматическим сопровождением учебного процесса для каждого слушателя индивидуально. Кроме того, необходимо обеспечить возможность асинхронного изучения курсов дисциплин, что позволит привлечь академическую аудиторию для решения нетривиальных и практических задач цифрового производства.

Заключение

Рассматривая архитектуру цифрового производства необходимо отметить, что современные условия требуют детальной и скорейшей проработки архитектуры цифрового производства. Цифровое производство, как новый стандарт, предъявляет требования и необходимость обеспечить высокотехнологичным оборудованием и высококвалифицированными специалистами. Причем высокая квалификация специалистов требуется для проектирования и наладки производства. Учитывая, что ЦП стремится к снижению ручного труда, безлюдному и экологичному производству, то следует учитывать этот факт при разработке архитектуры ЦП в перспективе. Общие результаты:

• 1.    Рассмотрены общие вопросы и даны определения цифровой архитектуры производства. Представлены перспективы и сложности перехода к новым стандартам;

• 2.    Рассмотрены свойства и требования к архитектуре цифрового производства;

• 3.    Представлена обобщенная схема проекта архитектуры ЦП для рассмотрения переходных процессов (трансформации) к новым стандартам.

• 4.    Определены общее направление развития учебного и научно-исследовательских департаментов в структуре центров компетенций.