1 devoino. information in engineering systems

Confidential. © 2018 IHS MarkitTM. All Rights Reserved.Confidential. © 2018 IHS MarkitTM. All Rights Reserved.
Информатизация технических систем
Игорь Девойно
к. т. н.
ТРИЗ Мастер
Product Analysis and Design Associate Director
idevoino@gmail.com

Confidential. © 2018 IHS MarkitTM. All Rights Reserved.
Эволюция техники
Техника 50-х Современная техника
Эволюция ТРИЗ
3 000 операций в сек
200 x1015 операций в сек
2

ЗРТС и информация
ЗАКОН «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ПРОВОДИМОСТИ» СИСТЕМЫ
Необходимым условием принципиальной
жизнеспособности технической системы
является сквозной проход энергии по всем
частям системы.
Следствие:
Чтобы часть технической системы была
управляемой, необходимо обеспечить
энергетическую проводимость между этой
частью и органами управления.
В задачах на измерение и обнаружение
можно говорить об информационной
проводимости, но она часто сводится к
энергетической, только слабой.
Г. С. Альтшуллер
3

Закон наличия связей между частями системы и
системы с над системой
В системе необходимо обеспечить различные виды
связей: вещественные и полевые
(энергетические и информационные).
Связи бывают внутренние и внешние. Внутренние
связи обеспечивают связи между подсистемами в
системе, а внешние связи – системы с
надсистемой.
Вещественные связи обеспечивают механическую
работоспособность и сборку системы.
Энергетические связи обеспечивают энергией
систему, подводя энергию к необходимым элементам.
Информационные связи необходимы для
обеспечения контроля и управления системой.
Викиучебник ТРИЗ
4

В. М. Петров
5

6
Нам важны подробности
Зачем?
Понять закономерности увеличения эффективности работы ТС за счет
насыщения информацией
Зачем?
Иметь знания для создания методик совершенствования ТС

Модель ТС
тс
Изделие
Управлять
Обрабатывать
Система
управления
7
Опыт, знания,
принятие решений
Документы
Информация
Оператор управляет ТС на основании опыта
Система управления передает управляющие действия в подсистемы ТС
Оператор получает информацию (сигналы) об изделии и ТС путем
наблюдения и через органы чувств

Модель ТС
8
Потребность:
точная информация о системе и об обрабатываемом изделии
тс
Изделие
Управлять
Система
Опыт, знания,
принятие решений
Документы

тс
Изделие
Управлять
Система
Формирование каналов информации
9
Д
Д
Оператор управляет ТС более эффективно с учетом поступившей
информации
Сформированы каналы информации от изделия и ТС к оператору
Сигналы превращаются в «данные (data)»
Железо
Появляется инфраструктура доставки
• “Физические” индикаторы
• Датчики
• Каналы связи
• Преобразователи
• Индикаторы

Тренд
• Индикация с использованием ресурсных
веществ и полей
• Аналоговая информация
• Цифровая информация
10
Индикатор давления в шинахИндикатор износа протекторов Панель управления в автомобиле
тс
Изделие
Управлять
Система управления
Д
Д
Навигатор в автомобиле

Формирование каналов информации – увеличение степени полноты информации
11
Эволюция парктроников
тс
Изделие
Управлять
Система управления
Д
Д
Тренд
• Полнота доставляемой
информации возрастает до
оптимального для принятия
решений уровня

12
Потребность:
• преодоление ограничений оператора
• физиологических
• физических
• интеллектуальных
• временных
• ...
• снижение затрат оператора
тс
Изделие
Управлять
Система
Д
Д

Сохранение и обработка информации
тс
Управлять
13
Изделие
Система управления:
Обработка информации
Принятие решения
Выработка команд
Д
Д
Инф модель изделия
Инф модель ТС
Управлять
Формируются информационные модели изделия и ТС в системе
Система управаления выполняет часть функций управления, снимая их с
оператора
• Система управления начинает
• Сохранять информацию
• Анализировать информацию
• Принимать решения
• Управлять (частично) ТС
Железо
В ТС дополнительно появляются:
• хранилища информации
• процессоры

Сохранение и обработка информации
14
Круиз контроль в автомобиле Статически неустойчивые самолеты Ducati Multistrada 1200 S
Взаимодействие 4-х процессоров:
• ABS на каждом колесе
• Активная подвеска
• «Активная» рама
тс
Управ
лять
Изделие
Д
Д
Управлять

Увеличение полноты моделей в ТС - «изучение» изделия
Увеличивается полнота информации в моделях
за счет более полного извлечения информации
об изделии и ТС
15
тс
Управлять
Изделие
Д
Д
Управлять

Накопление «опыта» - возможность персонализации
ТС накапливает информацию и, как результат, настраивается
более точно на обработку каждого изделия
16
Адаптивная автоматическая коробка передач в автомобиле.
Адаптирует:
• Разгонную динамику (разгон спокойный или ускоренный)
• Режимы движения. При неизменном положении педали газа,
более высокая передача – экономия топлива
• Режимы ускорения. При резких разгонах включается
спортивная программа
• Режимы торможения. При резких режимах торможения
(спортивное торможение) АКПП переходит «вниз» сразу на
несколько передач.
тс
Управ
лять
Изделие
Д
Д
Управлять

Накопление «опыта» - возможность персонализации
17
Пользователь залогинилсяАнонимный пользователь
тс
Управ
лять
Изделие
Д
Д
Управлять

Накопление «опыта»
18
Потребность
Обобщение информации о бОльшем количестве изделий
тс
Управлять
Изделие
Д
Д
Управлять

Увеличение полноты моделей в ТС - «опыт» однотипных систем
19
• Появляются надсистемные системы управления
• Собирается информация от однотипных ТС
• Развиваются алгоритмы анализа данных
• Формируется надсистемная информационная модель
Центральная система
• Накопление информации
• Обработка информации
Обобщенная инф модель
Управлять
Железо
Поддержка систем типа «клиент-сервер»
Появляются дополнительные:
• Источники сигнала
• Каналы внешней связи
тс
Изделие
Д
Д

Увеличение полноты моделей в ТС - «опыт» однотипных систем
20
С этой книгой часто покупают
Яндекс.Навигатор
Play Market
Тренд систем обработки информации:
• Аналитические системы
• Описательные
• Диагностические
• Прогностические
• Предписывающие
• ИИ системы
Рекомендательные системы
управления:
• Накопление
• Обработка
Управлять
тс
Издели
е
Обработка
Д
Д

Увеличение полноты моделей в ТС - prediction
21
Запрос в Google Контекстная реклама на
следующий день
управления:
• Накопление
• Обработка
Управлять
тс
Издели
е
Обработка
Д
Д

Увеличение полноты моделей в ТС - локальные натренированные модели
22
Модели тренируются на корпусах данных
Натренированная нейронная сеть
Корпус
данных
ТС может использоваться автономно
Как использовать ТС локально, но иметь все
преимущества «опытных» систем
Управлять
тс
Изделие
Д
Д
Натренированная
нейронная сеть

23
Интеллектуальные системы
Распознавание сцен в телефонах
• Интеллектуальные системы принимают решения сами
• Могут автоматически дообучаться на базе действий
оператора
Google Clips camera
тс
Изделие
Д
Д
Натренированная
нейронная сеть

24
Потребность
Увеличить эффективаность обработки за счет данных из:
• других операций
• других этапов жизненного цикла
В результате должна повыситься эффективность всех
процессов
Управлять
тс
Д
Изделие Д

Увеличение полноты моделей в ТС - информация из процессов
Увеличивается полнота информации в
моделях за счет информации из других
операций технологического процесса
25
• Аналитика
• Управление информаций
Digital twin
тс
Д
Изделие n
тс
Д
Изделие n -1
тс
Д
Изделиe n +1
Технологическая
операция N -1
операция N
операция N+1

Digital Twin
26
Термин Digital Twin предложен Михаилом
Гривсом (Dr. Michael Grieves).
Требования к виртуальному двойнику (by Dr. Michael Grieves):
1. Проверка на соответствие внешнего вида впоть до соответствия оценки
восприятия всеми органами чувств.
Виртуальный визуальный анализ включает в себя разбор продукта на части и
детальный осмотр всех его составных частей.
2. Виртуальный продукт должен вести себя реалистично при проведении
различных испытаний, например, таких как продувка в цифровой
аэродинамической трубе или анализ напряжений.
3. Возможность получения информации от виртуального продукта с помощью
физической экспертизы, как если бы пользователь мог проверить реальный
продукт, например, определение величины расхода топлива двигателем.

Digital Twin
27
Definition Authors
“A Digital Twin is an integrated multi-physics, multi-scale,
probabilistic simulation of an as-built vehicle or system that uses
the best available physical models, sensor updates, fleet history,
etc., to mirror the life of its corresponding flying twin”
Glaessgen & Stargel, (2012)
“Coupled model of the real machine that operates in the cloud
platform and simulates the health condition with an integrated
knowledge from both data driven analytical algorithms as well as
other available physical knowledge”
Lee, Lapira, Bagheri, an Kao, (2013)
“digital twin is a real mapping of all components in the product life
cycle using physical data, virtual data and interaction data
between them”
Tao, Sui, Liu, Qi, Zhang, Song, Guo, Lu & Nee, (2018)
“a dynamic virtual representation of a physical object or system
across its lifecycle, using real-time data to enable understanding,
learning and reasoning”
Bolton, McColl-Kennedy, Cheung, Gallen, Orsingher, Witell & Zaki,
(2018)
“Using a digital copy of the physical system to perform real-time
optimization”
Söderberg, R., Wärmefjord, K., Carlson, J. S., & Lindkvist, L.
(2017)
"A digital twin is a real time digital replica of a physical device" Bacchiega (2017)

Digital twin – цифровой двойник
28
2016 2017 2018

Цифровые близнецы и цифровые потоки (digital thread)
29
DIGITAL TWIN
Processes
DIGITALTREAD
…
Development
Launch
Manufacture
…
System life cycle
https://searcherp.techtarget.com/definition/digital-thread
Digital thread is a communication framework
that connects traditionally siloed elements in
manufacturing processes and provides an
integrated view of an asset throughout the
manufacturing lifecycle. In addition to
technology, the establishment of a digital
thread requires business processes that help
weave data-driven decision management into
the manufacturing culture

Цифровые близнецы и цифровые потоки
Развитие ТС сопровождается увеличением доли операций с
информационной моделью (3d модели, сборка,
моделирование и пр) по отношению к операциям с реальной
системой
30
Компьютерная симуляция нагрузок на деталь
DIGITAL TWIN
Processes
DIGITALTREAD
…
…
System life cycle

Системы автоматического управления производством
31
Системы автоматического управления производством
DIGITAL TWIN
Processes
DIGITALTREAD
…
…
System life cycle

Увеличение полноты информационных моделей - согласование
32
Распределение удобрений
Ценральный сервер
• Статистика
• Прогноз
• Планирование
Уборка урожая
Точное земледелие
Урожайность Влажность Карта высот Карта внесения удобрений
DIGITAL TWIN
Processes
DIGITALTREAD
…
…
System life cycle

Упреждающее техобслуживание
33
Швейцарская компания, выпускающая станки и двигатели,
реализовала мечту производственных инженеров — проведение
упреждающего техобслуживания (ТО).
Более 5000 единиц оборудования на производственных
площадках подключили к IoT-платформе изготовителя,
сигнализирующей о необходимости ТО для профилактики
возможной поломки. Несколько лет назад компания
командировала выездные бригады техников для диагностики
на местах.
Упреждающее техобслуживание (ТО)
DIGITAL TWIN
Processes
DIGITALTREAD
…
…
System life cycle

Техническая система
34
Потребность НС
Поднять эффективность работы надсистемы за счет
• Обмена информацией между системами, входящими в НC
тс
Управлять
Изделие
Д
Д
Управлять

Выход в надсистему
35
К технической системе подсоединяется
виртульный агент
Устанавливаются связи между разнородными
объектами надсистемы
Появляются алгоритмы обработки информации,
поступающей от разнородных объектов,
исключающие решения человека
TC 1
TC 2
TC 3
TC 4
TC 5

Internet of Things
36
Термин Internet of Things впервые был использован
Кевином Эштоном (Kevin Ashton) в 1999 году.
Эштон был ассистентом бренд-менеджера в Procter & Gamble в 1997 году,
когда заинтересовался использованием технологии RFID (Radio-frequency
identification – радиочастотная идентификация) для управления цепочкой
поставок.
Эта работа привела его в MIT (Massachusetts Institute of Technology –
Массачусетский технологический институт), где он организовал RFID-
исследовательский консорциум, названный Auto ID Center.
Впоследствии Эштон стал вице-президентом по RFID компании ThingMagic,
а позже – одним из основателей и генеральным директором компании
Zensi, которая была приобретена Belkin International в апреле 2010 года.
Около 4 лет Эштон являлся Генеральным менеджером подразделения
Belkin, где под его руководством была разработана и запущена серия
устройств для умного дома WeMo.
http://wi-fi.ru/desktop/news/8/377566

Интернет вещей - архитектура
37
http://www.controlengrussia.com/internet-veshhej/eurotech-iot/

Выход в надсистему - интернет вещей: области применения
38
Дополнительные
возможности снижения
затрат

Выход в надсистему - интернет вещей: умный дом
39

Выход в надсистему - интернет вещей – тренды
41
• Увеличение количества и разнообразия устройств, подключенных к IoT
• Развитие сетей на базе Low Power Wide Area Networks (LPWAN), таких как
NB-IoT, Sigfox и LoRaWAN для обеспечения связи на больших расстояних и
увеличения времени автономности
• Развитие периферийных вычислений с возможностью мониторинга в
режиме реального времени
• Развитие технологий искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения

Групповое поведение
42
Устанавливается задача-функция для всей группы
Появляются алгоритмы группового поведения:
• Обмен информацией
• Определение поведеченческих ролей
• Выработка стратегии и тактики выполнения
функции
• Реагирование на изменение обстановки
• ...

43
http://robo-war.ru/58-roj-robotov-dronov.html
Проект "Распределённый летающий строй" (Distributed Flight Array — DFA).
Этот рой роботов, которые могут передвигаться самостоятельно, а потом –
при необходимости собираться в одну большую конструкцию
• Гибкое поведение
• Надежность за счет передачи ролей другим
«особям» роя в случае неработоспобности

44
AVERT - группа роботов для перемещения
автомобиля на парковке или в гараже
Рой ARSENL вырос до 50 беспилотников.
Операторы не управляют каждым устройством по отдельности -
большую часть решений дроны принимают самостоятельно,
ориентируясь на команды, получаемые “лидером” от
оператора. Единый интерфейс придает устройствам большую
автономность, дроны принимают часть решений самостоятельно.
Прибывшая по вызову автоматическая платформа
выпустит восемь, по два на каждое колесо, небольших
плоских роботов, которые возьмут на себя парковку
автомобиля в труднодоступном месте и в целости и
сохранности переместят его в условиях ограниченного
пространства..

Информатизация технических систем
45
Наращивание информационной инфраструктуры ТС
• Формирование каналов информации
• Формирование информационных моделей изделия и ТС
• Формирование центральной системы управления
• Формирование инфраструктуры связи моделей с
однородными ТС
разнородными ТС
• В рамках технологического процесса
• В рамках этапов жизненного цикла
разнородными объектами в надсистема
Информация:
• Сигнал
• Данные
• Алгоритмы
• Аналитические системы
• Описательные
• Диагностические
• Прогностические
• Предписывающие
• ИИ системы
Управление ТС системой
• Оператор
• Частичная передача управления ТС
• Полная передача управления ТС (опционально)
• Общий центр управления
• Децентрализация управления
Результат развития ТС
• Повышение эффективности одной ТС
• Повышение эффективности технологического процесса
• Повышение эффективности НС

Методики наращивания информации в ТС – в каком направлении думать...
46
Что делает ТС?
...
Какая информация должна быть доступна оператору?
...
Что должна делать ТС вместо оператора?
...
Какой «опыт» от таких же систем важен для повышение эффективности ТС?
...
Какая информация от других этапов жизненного цикла важна для текущей функциональности,
...

Какую информацию хочет знать «оператор»-рыболов?
Поплавок
Есть ли рыба около наживки и цела ли наживка?
https://42.tut.by/492979
https://www.youtube.com/watch?v=tulqaqXJ-3s

Накопление «опыта» - predictive analytics

50

1 devoino. information in engineering systems

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to 1 devoino. information in engineering systems

Similar to 1 devoino. information in engineering systems (20)

1 devoino. information in engineering systems