Cyfrowy wątek jako kluczowa koncepcja Przemysłu 4.0

Sylwester Oleszek
Ekspert współpracujący z FPPP

Proces rozwoju nowego produktu oraz proces jego zmiany stawia przed przedsiębiorstwami szereg wyzwań. Jednym z największych jest konieczność pracy w multidyscyplinarnych zespołach działających w rozproszonych systemach. Koncepcja Przemysłu 4.0 umożliwia wprowadzenie znaczących usprawnień w tym zakresie, dzięki inteligentnemu połączeniu wielu technologii IT. W efekcie uzyskuje się ciągły przepływ i dostępność informacji na każdym etapie cyklu życia produktu, co umożliwia ich efektywne wykorzystanie. Jednym z najbardziej innowacyjnych sposobów realizacji powiązania danych z wielu dyscyplin oraz śledzenia ewolucji produktu od pomysłu do ostatnich etapów jego cyklu życia jest koncepcja określana jako cyfrowy wątek.

Wprowadzenie

Proces rozwoju nowego produktu (New Product Development, NPD) oraz proces jego zmiany (Engineering Change Management, ECM) stawia przed przedsiębiorstwami szereg wyzwań. Jednym z największych jest konieczność pracy w multidyscyplinarnych zespołach działających w rozproszonych systemach. Często prace nad opracowywaniem wymagań, budowaniem modeli funkcjonalnych i logicznych, czy też fizyczną strukturą produktu prowadzone są niezależnie i w osobnych, odseparowanych od siebie, systemach informatycznych. Taki sposób działania powoduje generowanie dodatkowych nakładów pracy oraz nadmierne zużycie zasobów (over-processing) na koordynację, nadzorowanie oraz utrzymanie spójności danych.

Technologie związane z koncepcją Przemysłu 4.0 umożliwiają wprowadzenie znaczących usprawnień w tym zakresie. Inteligentne połączenie wielu technologii IT używanych w przedsiębiorstwach pozwala na powiązanie rzeczywistego świata produkcji z cyfrowym światem wirtualnym. Efektem tego połączenia jest ciągły przepływ i dostępność informacji na każdym etapie cyklu życia produktu. W artykule przedstawiono cyfrowy wątek (Digital Thread), czyli innowacyjny sposób powiązania danych z wielu dyscyplin oraz śledzenia ewolucji produktu od pomysłu do ostatnich etapów jego cyklu życia.

W pierwszej części tekstu wyjaśniono znaczenie koncepcji cyfrowego wątku oraz omówiono powiązane technologie i koncepcje, które umożliwiają jego praktyczną realizację. Dalsza część poświęcona jest aspektom związanym z wdrożeniem cyfrowego wątku w przedsiębiorstwie produkcyjnym. W artykule przedstawiono także przykład tworzenia środowiska systemowego, które umożliwia integrację danych produktowych i wykorzystanie ich na różnych etapach cyklu życia produktu. W przykładzie zastosowano wyłącznie rozwiązania systemowe jednego producenta – firmy PTC. Tekst kończy podsumowanie.


Koncepcja cyfrowego wątku

Koncepcja cyfrowego wątku ma swoje źródło w inicjatywach Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych (United States Air Force, USAF). Koncepcja ta określa sposób budowy środowiska systemowego aplikacji oraz systemów stosowanych na przestrzeni całego cyklu życia produktu. W opracowanym w 2013 roku przez USAF raporcie pt. „Global Horizons” cyfrowy wątek określony został jako użycie cyfrowych narzędzi oraz reprezentacji do projektowania, oceny oraz zarządzania cyklem życia produktu[1]. Najbardziej znana definicja[2] określa tę koncepcję jako rozszerzalny, konfigurowalny oraz rozciągnięty na skalę całego przedsiębiorstwa szkielet analityczny (analytical framework), który przyśpiesza kontrolowaną interakcję z wiarygodnymi danymi, informacjami oraz wiedzą zawartą w opartych na wiedzy systemach informacyjnych osobom podejmującym decyzje na przestrzeni całego cyklu życia produktu. Zadanie to jest realizowane poprzez integrację standardowo rozproszonych i niepowiązanych ze sobą danych, przekształcanie ich w przydatne informacje oraz zapewnienie do nich dostępu.

Na rys. 1 przedstawiono integrującą rolę cyfrowego wątku w cyklu życia produktu. Diagram pokazuje trzy główne sekwencje działań realizowanych przez przedsiębiorstwa produkcyjne, powiązane z cyklem życia produktu. Są to:

  • Łańcuch wartości – na który składają się funkcje w dużej mierze zapewniane przez systemy klasy ERP (Enterprise Resource Management).
  • Łańcuch produktu – obejmuje działania związane z rozwojem produktów realizowane przede wszystkim w systemach klasy PLM.
  • Łańcuch zasobów – obejmuje procesy i działania związane z dostarczaniem, montażem, obsługą i utrzymaniem aktywów przemysłowych.

Na przecięciu łańcucha wartości i łańcucha produktów znajduje się obszar wytwarzania obsługiwany przez System Realizacji Produkcji (Manufacturing Execution System, MES) służący do zarządzania rzeczywistymi procesami produkcyjnymi.

Rys. 1. Powiązanie cyfrowego wątku z cyklem życia produktu[3]

Jak pokazano na rys. 1, cyfrowy wątek przechodzi przez cały cykl życia produktu, integrując dane wytworzone w łańcuchu produktów z obszarem wytwarzania oraz łańcuchem zasobów. Umożliwia to przepływ danych oraz dostępność modeli cyfrowych na każdym etapie cyklu życia produktu. Wytworzony w efekcie zintegrowany widok danych produktowych jest dostępny na wszystkich etapach cyklu życia produktu – od projektowania, poprzez produkcję, po eksploatację, a kończąc nawet na etapie wycofania produktu z użycia[4].


Powiązane technologie i koncepcje

Projektowanie systemów oparte na modelach

Inżynieria systemów (Systems Engineering, SE) jest stosunkowo nową dziedziną wiedzy. Jej podstawy teoretyczne zostały określone w ramach ogólnej teorii systemów, która zajmuje się badaniem „zorganizowanych całości” odizolowanych od środowiska, w którym działają.

Metodyka określana jako inżynieria systemów oparta na modelach (Model-based Engineering, MBSE), która jest podzbiorem SE, stanowi jeden z fundamentów koncepcji cyfrowego wątku. Cechą charakterystyczną metodyki MBSE jest zastosowanie modeli komputerowych w celu ułatwienia wymiany informacji (w odróżnieniu od tradycyjnego podejścia, w którym głównym nośnikiem informacji były dokumenty)[5]. Przykładami modeli stosowanych w metodyce MBSE są[6]:

  • wirtualne modele 3D (stosowane w projektowaniu mechanicznym, architektonicznym oraz w projektowaniu układów elektronicznych),
  • modele tworzone z użyciem obiektowych języków modelowania systemów, np. w języku UML (Unified Modelling Language) lub SysML.

Standard Oasis OSLC

Jedną z najważniejszych technologii umożliwiających praktyczną realizację cyfrowego wątku jest Standard Oasis OSLC, określany w skrócie jako OSLC (Open Services for Lifecycle Collaboration). Został on zaprojektowany w celu powiązania danych wytwarzanych na przestrzeni całego cyklu życia produktu i pochodzących z różnych domen, niezależnych heterogenicznych aplikacji oraz organizacji. Umożliwia to tworzenie spójnych i kompleksowych procesów, które działają na przestrzeni całego cyklu życia, co oznacza możliwość realizacji koncepcji cyfrowego wątku. Standard OSLC stanowi narzędzie do uzyskania interoperacyjności, czyli spójności danych pomiędzy różnymi, dotychczas niekompatybilnymi ze sobą systemami, używanymi do różnych celów, na różnych etapach cyklu życia produktu.

Założeniem standardu OSLC jest brak zcentralizowanej platformy integracyjnej. Jako główną zasadę przyjęto architekturę, na której oparte jest działanie Internetu, co umożliwia osiągnięcie praktycznie nieograniczonej skalowalności oraz elastyczności. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie technologii internetowych do integracji łańcucha aplikacji stosowanych na przestrzeni cyklu życia produktu niezależnie od konkretnej platformy.

Koncepcja RFLP

Klasyczne systemy klasy PLM działają w oparciu o fizyczną reprezentację produktu i w głównej mierze koncentrują się na obszarze mechanicznym. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że definicja produktu przedstawiana przez te systemy odnosi się do tego, co możemy zobaczyć w świecie fizycznym. Jednakże w przypadku bardzo złożonych produktów mechatronicznych, składających się z wielu połączonych, zintegrowanych i współpracujących ze sobą systemów z różnych dziedzin inżynierii, konieczne jest zapewnienie wsparcia dla działań z obszarów innych niż mechaniczny, jak również dla zależności funkcjonalnych, które mogą być wyrażone na wyższym poziomie abstrakcji. Stopień złożoności tych produktów nie wynika wyłącznie z liczby połączonych ze sobą fizycznych komponentów, ale także z zależności funkcjonalnej pomiędzy ich systemami. Często jedna zaawansowana funkcjonalność realizowana jest poprzez skoordynowane działanie wielu systemów składowych. Innymi słowy, zaawansowane produkty, takie jak samolot lub samochód, działają poprawnie tylko wtedy, gdy wszystkie ich systemy razem działają poprawnie[7].

Koncepcja określana skrótem RFLP (Requirements/Functional/Logical/Physical) została opracowana w celu umożliwienia metodycznej i usystematyzowanej realizacji tego procesu i zapewnienia możliwości realizacji złożonych czynności z użyciem narzędzi specyficznych dla wszystkich wymaganych obszarów inżynierii. Jest to nowy sposób organizacji definicji struktury produktu, wedle której tradycyjna – fizyczna – definicja produktu (P) uzupełniona jest wymaganiami dotyczącymi definicji systemu (R), definicji funkcjonalności produktu (F) oraz połączeń logicznych (L). Uwzględniane są zatem poziomy abstrakcji wyższe niż tylko fizyczny [8].

Postępując zgodnie z tą koncepcją, na początku definiowane są wymagania. W drugim kroku tworzony jest projekt architektury systemu, który jest niezależny od konkretnej implementacji. W kolejnym kroku określana jest architektura logiczna, która umożliwia powiązanie elementów architektury funkcjonalnej z najbardziej szczegółową warstwą fizyczną produktu. Komponenty architektury logicznej reprezentują rozwiązania fizyczne na wyższym poziomie abstrakcji. Określają funkcjonalności, właściwości oraz interfejsy, które są wspólne dla dużej grupy fizycznych obiektów (np. silniki spalinowe z doładowaniem i wolnossące o podobnych parametrach).

Na najniższym poziomie projekt definiowany jest z najwyższym poziomem szczegółowości. Dodawane są wszystkie szczegółowe informacje, możliwie jak najdokładniej określa się komponenty, uwzględniane są konkretne rozwiązania techniczne oraz wskazywany jest dostawca, rozmieszczenie przestrzenne i wszystkie pozostałe detale[9].

Jedną z głównych korzyści środowiska zorganizowanego zgodnie z koncepcją RFLP jest powiązanie wymagań z elementami systemu na wszystkich poziomach abstrakcji oraz możliwość ich śledzenia przez cały proces cyklu życia produktu. Pozwala to na sprawdzenie i zrozumienie, jak te wymagania są implementowane i w jakim stopniu są spełniane na poszczególnych etapach[10].

System PLM działający zgodnie z założeniami tej koncepcji powinien umożliwiać realizację procesu rozwoju produktu w jednym zintegrowanym środowisku systemowym, z zastosowaniem narzędzi z wielu różnych, również odległych od siebie, dziedzin, takich jak np. mechanika, elektryka, elektronika, wytwarzanie oprogramowania, inżynieria sprzętu (hardware engineering) oraz systemów wbudowanych (embedded systems)[11].


Praktyczna realizacja koncepcji cyfrowego wątku

W praktycznej realizacji cyfrowego wątku najczęściej stosowany jest jeden system stanowiący bazę danych produktowych (określany jako data backbone). Następnie z tym systemem integrowane są pozostałe systemy, które realizują cząstkowe funkcje rozszerzonego cyklu życia produktu. Mogą to być rozwiązania, które już istnieją w organizacji, bądź też nowe narzędzia, dostępne w portfolio wybranych producentów. Najczęściej systemem bazowym jest system klasy PLM, który zawiera w sobie moduły wspierające działania związane z rozwojem produktu (np. zarządzanie danymi produktowym, projektowanie konstrukcyjne, zarządzanie projektami, zarządzanie procesami produkcyjnymi). W ramach integracji dołączane są systemy innych klas zapewniające wsparcie działań na pozostałych etapach cyklu życia. Mogą to być systemy:

  • zarządzania cyklem życia aplikacji (Application Lifecycle Management, ALM),
  • służące do realizacji projektowania systemowego według metodyki MBSE,
  • zarządzania cyklem życia usług (Service Lifecycle Management, SLM),
  • umożliwiające realizację paradygmatu Internetu Rzeczy (Internet of Things, IoT) lub przemysłowego Internetu Rzeczy (Industrial Internet of Things, IIoT),
  • rzeczywistości rozszerzonej (Augmented Reality, AR) lub wirtualnej (Virtual Reality, VR),
  • ERP, CRM, MES itd.

Przykład praktycznej realizacji

W niniejszym podrozdziale przedstawiono architekturę systemową, w oparciu o którą możliwe jest utworzenie środowiska systemowego, które zapewni funkcjonalność cyfrowego wątku. Przyjęto założenie, że zostaną zastosowane komponenty znajdujące się w portfolio produktów jednego producenta – firmy PTC.

Podstawą środowiska systemowego jest system PLM – PTC Windchill. W systemie tym zawarte są moduły: PDM, MPM, zarządzania projektami, SLM oraz wspierający zarządzanie jakością (Quality Management Solution, QMS). System PLM jest natywnie zintegrowany z narzędziem klasy CAx – PTC Creo Parametric, ale korzystając z modułu integracyjnego o nazwie Workgroup Manager (WGM), który pełni funkcję warstwy pośredniej, stosunkowo łatwo mogą zostać dołączone systemy klasy CAx innych producentów, takich jak np. SOLIDWORKS lub Inventor.

W przedstawionym przykładzie system PLM został zintegrowany, za pomocą protokołu OSLC, z systemem klasy ALM, którym w portfolio PTC jest Windchill RV&S. Jego możliwości obejmują zarządzanie wymaganiami, a także różne aspekty zarządzania cyklem życia aplikacji, takie jak: zarządzanie konfiguracją oprogramowania, zarządzanie kodem źródłowym, zarządzanie testami czy zarządzanie zmianą.

Kolejnym elementem składowym, zintegrowanym z systemami PLM oraz ALM z użyciem protokołu OSLC, jest rozwiązanie klasy MBSE – PTC Windchill Modeler. Przy jego użyciu realizowane jest projektowanie architektury dowolnego systemu przy użyciu ustandaryzowanego języka modelowania, którym jest język SysML.

Do realizacji działań na dalszych etapach cyklu życia produktu, zastosowano rozwiązanie klasy IoT/IIoT. W ten sposób osiągnięto połączenie strategii PLM i IoT. W przedstawionym przykładzie przyjęto, że dane odczytywane są z maszyny wyposażonej w zestaw czujników i poprzez sterownik PLC przekazywane przez warstwę pośrednią (PTC Kepware) do systemu IIoT, czyli PTC ThingWorx. Dzięki integracji pomiędzy systemem PLM oraz IIoT dostęp do informacji o stanie maszyny, które są przechowywane w platformie IIoT, może zostać uzyskany z poziomu systemu PTC Windchill.

Wszystkie dane przechowywane w bazie środowiska zintegrowanego mogą zostać użyte w zintegrowanej aplikacji rozszerzonej rzeczywistości, którą w portfolio PTC jest Vuforia. Dzięki temu – po przetworzeniu i zespoleniu z innymi danymi, pochodzącymi z innych źródeł – informacje mogą być wyświetlane w odpowiednim kontekście i we właściwym miejscu w środowisku AR za pomocą urządzeń mobilnych (np. smartfon lub tablet) lub nagłownych, których przykładem jest MS HoloLens.

Do utworzonej w ten sposób architektury dołączony został (poprzez wbudowany w system PLM moduł integracyjny o nazwie PTC Windchill ESI) system klasy ERP – SAP. Pozwala to dołączyć do cyfrowego wątku dane generowane w łańcuchu wartości.

Ostatnim komponentem wchodzącym w skład przedstawionej architektury jest komponent o nazwie PTC ThingWorx Navigate. W jego skład wchodzi zestaw aplikacji przystosowanych do konkretnych ról w przedsiębiorstwie (role-based applications). W pewnych przypadkach dołączeni mogą zostać także użytkownicy spoza organizacji. Pozwala to wyróżnić wybrane dane integrowane w ramach cyfrowego wątku i w przystępny sposób – w zależności od roli oraz danej aplikacji – udostępnić je właściwym osobom. Udostępniane dane mogą dotyczyć konkretnej czynności (np. związanej z wykonywaniem zadań w ramach zarządzania zmianą techniczną lub koniecznością dostępu do dokumentacji technicznej) lub jednego, wybranego systemu (PLM, ALM, IoT, ERP). Mogą to być również skumulowane dane pochodzące z wielu systemów, prezentowane w określony, dedykowany określonej roli sposób.

Rys. 2. Architektura systemowa umożliwiająca realizację cyfrowego wątku w oparciu o rozwiązania firmy PTC[12]

Podsumowanie

W artykule przedstawiono złożoną koncepcję integracji danych generowanych na przestrzeni całego cyklu życia produktu. Wyjaśniono jej sens, a także zdefiniowano technologie i rozwiązania wspierające jej praktyczną realizację – MBSE, OSLC oraz RFLP.

W ostatniej części tekstu opisano możliwość praktycznej realizacji cyfrowego wątku w oparciu o środowisko systemowe firmy PTC. Zastosowane systemy obejmują szeroki zakres zarządzania cyklem życia produktu. W architekturze uwzględnione zostały omówione koncepcje i technologie, czyli projektowanie systemów, architektura RFLP oraz integracja z użyciem protokołu OSLC.


[1] USAF, United States Air Force [2013], Global Horizons. Final Report.
[2] Kraft E. [2015], HPCMP CREATE™ – AV and the Air Force Digital Thread, 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting.
[3] Opracowanie własne na podstawie: ARC, ARC Advisory Group [2017], IIoT for Smart Manufacturing, IIoT for Smart Manufacturing, data dostępu: 31.10.2021. Tao F., Zhang M., Nee A.Y.C. [2019], Digital Twin Driven Smart Manufacturing, Elsevier.
[4] ARC, ARC Advisory Group [2017], IIoT for Smart Manufacturing, IIoT for Smart Manufacturing, data dostępu: 31.10.2021.
[5] Pang T.Y., Restrepo J.D.P., Cheng C.-T., Yasin A., Lim H., Miletic M. [2021], Developing a digital twin and digital thread framework for an “Industry 4.0” Shipyard, Applied Sciences 11(3):1097.
[6] Singh V. [2019], Towards a Feedback Design Process Using Digital Thread, doctoral thesis, Massachusetts Institute of Technology, Boston.
[7] Li T., Lawson C.P., Lockett H. [2020], Using Requirement-Functional-Logical-Physical models to support early assembly process planning for complex aircraft systems integration, Journal of Manufacturing Systems, vol. 54, s. 242-257.
[8] Horvath L., Rudas I.J. [2014], Systems Engineering Methods for Multidisciplinary Product Definitions, IEEE 12th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY 2014), s. 293-298.
[9] Pearce P., Friedenthal S. [2013], A Practical Approach For Modelling Submarine Subsystem Architecture In SysML, Technology & Engineering Conference 2013, s. 347-360.
[10] Chadzynski P.Z., Brown B. [2018], Enhancing Automated Trade Studies using MBSE, SysML and PLM, INCOSE International Symposium, vol. 28, s. 1626-1635.
[11] Horvath L., Rudas I.J. [2014], Systems Engineering Methods for Multidisciplinary Product Definitions, IEEE 12th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY 2014), s. 293-298.
[12] Opracowanie własne na podstawie: Gehrke I., Schauss M., Küsters D., Gries T. [2020], Experiencing the potential of closed loop PLM systems enabled by Industrial Internet of Things, Procedia Manufacturing 45 (2020), s. 177-182.

Podobne artykuły

Cyfryzacja drogą do elastyczności

Konrad Cop :: Nowoczesne procesy produkcyjne muszą stawić czoła wielu wyzwaniom o złożonym charakterze. Istnieje koncepcja umożliwiająca wyjście naprzeciw wszystkim oczekiwaniom. Tą koncepcją jest pełna elastyczność linii produkcyjnych, a narzędziem do jej realizacji jest cyfryzacja.

Skip to content