Průmysl 4.0 a udržitelný rozvoj územních celků

Při diskusi o konceptu Průmyslu 4.0 je nutno si uvědomit, že žádný výrobní závod nemůže existovat odděleně od svého okolí. Přístup Průmyslu 4.0 nepovede pouze ke změnám samotných výrobních procesů, ale zásadně ovlivní prostředí obklopující výrobní podniky.

Proměna čeká energetické, bezpečnostní či dopravní systémy a systémy vodního a odpadového hospodářství. Očekávat lze nové trendy územního plánování, změny v rozložení sociální struktury obyvatel, a také aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 na samotné chytré město a region.

Dopad Průmyslu 4.0 na okolní systémy

Město, region nebo další urbanistické struktury můžeme v prvním přiblížení chápat klasickým způsobem, tedy „pouze“ jako pozadí pro „revoluci“, odehrávající se v průmyslovém sektoru. Bude nutno se soustředit na vylepšení městské infrastruktury, uspokojování společenské objednávky obyvatel, distribuci energií, zboží, informací nebo pracovních sil.

Optimalizace výroby a její decentralizované řízení jsou podmíněny vysokou bezpečností, spolehlivostí a dostupností telekomunikačního a informačního prostředí včetně datových center, a to jak uvnitř, tak i vně výrobního procesu, protože bude třeba v reálném čase sledovat jednotlivé komponenty i výsledné produkty. Každá komponenta výrobního procesu bude obsahovat inteligentní jednotku, která bude zaznamenávat její digitální stopu a vyvolávat požadavky například na její manipulaci.

Aby celý koncept Průmyslu 4.0 měl garantované parametry, musí být zajištěna například logistika vstupních komponent, a to s ohledem na aktuální potřeby výrobního procesu. To si vyžádá detailní informaci o celém dopravním systému města, regionu či dálniční sítě, protože různé komponenty budou do výrobního procesu přepravovány alespoň v prvopočátku stávajícími dopravními prostředky. V budoucnu se počítá s nasazením autonomních vozidel, která budou plně zaintegrována do celého výrobního procesu. Jejich pohyb po dopravní infrastruktuře bude řízen v reálném čase. Touto oblastí se již dnes zabývá obor inteligentních dopravních systémů (ITS – Intelligent Transport Systems), jehož význam se v kontextu Průmyslu 4.0 ještě zvýší.

Další požadavky budou kladeny na energetický systém, který i v případě mimořádných událostí musí být velmi odolný. Stejně jako u dopravních systémů dochází k vzájemné synergii energetického systému města či regionu s výrobním závodem. Chytré energetické sítě (SG – Smart Grids) budou schopny pomocí pokročilého řízení optimalizovat spotřebu, ukládání či poskytování energie na úrovni jednotlivých uzlů s ohledem na dostupné informace. Koncept Průmyslu 4.0 umožňuje díky detailní znalosti výrobního procesu dodávat informace pro chytré řízení energetických soustav vyšších celků a aktivně přispívat ke stabilitě celé energetické soustavy.

Obdobně tomu je při řešení zbytkových materiálů, které jsou v rámci konceptu Průmyslu 4.0 považovány za vstupní komponenty pro následný výrobní proces. Dále nevyužitelné a nezpracovatelné zbytkové materiály tvoří odpad. Předpokládá se existence řady míst pro svoz odpadů s tím, že každé místo samo určuje, kolik odpadu a v jakou dobu je ochotno přijmout podle schopnosti recyklace odpadů, případně dalších omezení. Vzhledem k on-line informacím o vytvořených odpadech vzniká cílená poptávka po službě přepravy obdobně jako např. v případě inteligentních popelnic, které hlásí své naplnění a žádají o odvoz. Za předpokladu proměnného množství odpadu ve výrobním procesu (poptávka po službě odvozu odpadu) a zároveň proměnného množství/typu přijatého odpadu na daném místě (nabídka svozu odpadu) je možno řešit dopravně-přepravní procesy odpadního hospodářství, a to s ohledem na aktuální dopravní situaci, případně další parametry. Přeprava odpadu nemá vysokou prioritu a lze ji odložit na jiné časové období mimo dopravní špičku.

Průmyslu 4.0 také umožňuje lepší využití lidského potenciálu. Jelikož převažuje vysoce kvalifikovaná pracovní síla, která ovládá řadu dálkově řízených výrobních postupů, je možno vytvářet virtuální pracovní týmy, které mohou vzájemně komunikovat prostřednictvím moderních informačních a komunikačních systémů. Tento přístup lze zvolit jak ve fázi návrhu produktu, tak při jeho výrobě. Díky Průmyslu 4.0 vznikne řada nových pracovních míst, které nebudou vyžadovat dopravu do výrobního areálu a umožní výkon práce z alternativní lokality (teleworking, telecommuting).

Aplikace konceptu Průmysl 4.0 ve stavebnictví

Bavíme-li se o chytrých městech, nelze opomenout stavebnictví, které je významným odvětvím průmyslu. Na tomto příkladu je možno demonstrovat, že koncept Průmyslu 4.0 je aplikovatelný například při logistice objednávání a dodávky jednotlivých typických i netypických stavebních prvků v době přípravy i v době průběhu stavby.

Jde o autonomní rozhodovací procesy na nižších úrovních, reagující na změny vyžádané investorem nebo budoucím uživatelem v průběhu realizace jednotlivých částí stavby nebo při koordinaci budoucích pohybů na stavbě, a to v závislosti na změnách počasí. Jako příklad lze uvést realizaci fasády, izolačních vrstev a dalších na počasí citlivých procesů, dočasné uzavírky okolní dopravy v návaznosti na reálnou situaci na stavbě nebo řešení případné krizové situace.

Obdobným způsobem je možno využít autonomní technologie při organizaci materiálů a jednotlivých elementů na samotném staveništi. Staveništní doprava může být zajišťována pomocí autonomních vozidel a některé dodávky stavebních prvků, jako jsou například části fasády, mohou být montovány automaticky skupinou dronů, které dohromady spolupracuji jako hejno létajících robotů (MAV – Micro Aerial Vehicles).

Chytré město jako koncept Průmyslu 4.0

Aby byla zajištěna dostatečná funkčnost lidských sídel, potřebuje být neustále obnovován, rozvíjen a zhodnocován potenciál jejich fyzické struktury. To se děje i díky postupnému napojování jednotlivých prvků a částí urbanizovaných systémů do sítě internetu věcí (IoT – Internet of Things), a také díky jejich vzájemnému vertikálnímu (hierarchickému) i horizontálnímu propojování.

Součástí chytrého města / regionu je již dnes velké množství senzorů, aktorů a různých služeb, které jsou již běžnou součástí všech mobilních i stacionárních prvků. Ty jsou rozšířeny mezi stále větší část lidské populace, obyvatele měst, kteří se tak vědomě i nevědomě stávají zdrojem velkého množství dat (BigData).

S postupným zdokonalením a rozšířením Informačních a komunikačních technologii (ICT – Information and Communication Technologies) v řídicích systémech měst se větší část komunikace mezi jednotlivými subjekty postupně přenáší do virtuálního světa. Díky implementaci chytrých elementů do všech struktur města se fyzická struktura a různé systémy města postupně mění na kyberneticko-fyzický systém (CPS – Cyber Physical System) s nově přidanou sociální vrstvou (CSPS – Cyber Social Physical System). Chytré město můžeme v tomto pojetí chápat jako jednu velkou chytrou továrnu, ve které může být implementován koncept Průmyslu 4.0.

Mechanismus rozvoje městských systémů a distribuce informací uvnitř i vně městských částí se odehrává v kybernetické rovině paralelního virtuálního prostředí. Rozvoj fyzických struktur města je v přímé závislosti na procesech simulovaných a kontrolovaných pomocí virtuálního modelu. Obdobným způsobem je možno sledovat procesy, vztahy a transakce mezi velkými městskými strukturami, menšími městy a vesnickými osídleními, různými urbanistickými strukturami umístěnými podél dopravní infrastruktury a rurální krajinou.

Představme si město jako „chytrou“ továrnu, včetně vytvořeného paralelního virtuálního modelu, který slouží k řízení procesů podle konceptu Průmyslu 4.0, a popišme jeho šest základních principů:

• Interoperabilita – Město jako chytrá továrna má propojené jednotlivé části svého kyberneticko-sociálně-fyzického systému (CSPS), jako jsou budovy, inženýrské sítě, integrovaný systém dopravy, prvky veřejných prostor jako je veřejného osvětlení, kontejnery tříděného odpadu, komplexy škol, nemocnic, ubytovacích kapacit, infrastruktury rozvodu vody, energií, sociálních sítí obyvatel, obchodních či logistických zásobovacích center.
• Virtualizace – Město je vizuálně zrcadleno ve své virtuální kopii. V té je možno monitorovat fyzické procesy města díky senzorům, přímo propojeným na tento virtuální model. Jednotlivé činnosti mohou být simulovány na jednotlivých fyzických úrovních.
• Decentralizace – Možnost decentralizace řízení umožňuje v rámci města činit samostatná rozhodnutí a vytvářet aliance různých inteligentních komponent pro řešení různých situací.
• Rozhodování v téměř reálném čase – Řídicí systémy města mají schopnost na základě získávaných dat a jejich okamžité analýzy vytvářet rozhodnutí v téměř reálném čase.
• Orientace na služby – V rámci interakce mezi jednotlivými částmi města, obyvatel, návštěvníků a byznysů je aktivní nabídka služeb zásadním obchodním artiklem, který je nabízen pomocí sítě služeb (IoS – Internet of Sevices).
• Modularita – Flexibilní adaptace města na změnu objednávky směrem od klienta je řešena výměnou nevyhovujícího individuálního modulu či přidáním nových modulů splňujících nové požadavky, například v dopravě nebo dodávce energií.

Význam často používaného slova „smart“ je možno spatřovat ve vyvážené vazbě mezi člověkem a technickými systémy. Chytrá řešení musí činit města, regiony, výrobní závody atd. lidsky přívětivějšími, ne pouze technologicky vyspělými.

Připravovaný koncept Průmyslu 4.0 přispěje nejen k efektivnější organizaci výrobních procesů, stavební činnosti, ale také k lepší organizaci života ve městech či regionech. Obecně platí, že vzájemné propojování dílčích komponent složitého systému přináší nové, doposud nepředpokládané přínosy. Teprve následný vývoj ukáže jejich úplný význam pro další udržitelný rozvoj naši společnosti. Nejde v žádném případě o rychlý jednorázový projekt, ale o dlouhodobou systematickou činnost na dalších několik desítek let.