Цифровые двойники в складской логистике

Издание itWeek опубликовало статью Андрея Казачкова, руководителя отдела автоматизации производства и складов компании «Формат Кода». Андрей рассказал, что понимают под цифровыми двойниками склада, какие виды двойников существуют и как понять, нужны ли они вашему предприятию.

Четвертая промышленная революция (industry 4.0), которую мы сейчас переживаем, в очередной раз переворачивает привычную нам жизнь. Новый подход к производству, основанный на промышленном «Интернете вещей» (IIoT), внедрение информационных технологий во всех сферах жизни, масштабная автоматизация бизнес-процессов и повсеместное распространение искусственного интеллекта уже стали частью нашей реальности.

Огромное количество решений, призванных связать этот кибермир с нашей действительностью, развивается семимильными шагами. «Интернет вещей», автоматизированные транспортные и энергетические системы, роботизация производства, «умные» дома и «умные» города — все эти киберфизические интеллектуальные системы используют компьютерные алгоритмы для мониторинга и управления физическими объектами. Все они в чем-то схожи по архитектуре и используют схожие элементы для связи или получения данных, но, конечно же, сильно отличаются по функционалу и сложности.

Одной из областей, где технологии автоматизации наиболее востребованы, является управление складом. Конечно, это не новая идея, и существует немало решений от различных поставщиков, предлагающих автоматизировать складские процессы. Задачи обслуживания всего комплекса систем управления складом активно решаются различными разработчиками таких систем, предлагающими методы и программное обеспечение для различных задач автоматизации. Как мы уже рассказывали, программный комплекс управления складом состоит из нескольких уровней, включающих целый ряд программных модулей или продуктов, таких как ERP, WMS, MFC и т. п. А для обслуживания складского комплекса разнообразные SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition) осуществляют непрерывный мониторинг работы склада, что позволяет в режиме реального времени не только отслеживать ситуацию и собирать данные, но и сигнализировать о всевозможных сбоях и неполадках.

Однако, сбор и анализ полученных разноформатных данных зачастую остается сложной задачей, так как требуется не только их интерпретировать, но и быстро принять оптимальное в каждой конкретной ситуации решение. И в некоторых случаях человеческий фактор не дает необходимой оперативности принятия решений. Здесь на помощь приходят технологии industry 4.0 — искусственный интеллект и машинное обучение. Предполагается, что для их использования необходимо создание цифрового двойника — виртуальной модели склада. Этот программный аналог использует данные в реальном времени и позволяет смоделировать поведение объектов в различных условиях. Конечно, создание цифровых двойников может использоваться и для управления бизнес-задачами, в том числе для управления потоками товаров, поэтому их применяют в части WMS.

Но, будучи логическим развитием систем SCADA, всегда ли нужен цифровой двойник, и насколько точно и детально он должен копировать объект реального мира?

Давайте разберемся.

Виды цифровых двойников

К созданию цифровых двойников существует множество подходов, отличающихся в зависимости от уровня интеграции и потока данных, но в управлении складом в основном применяют три:

1. Цифровая тень — это модель реального объекта, которую можно использовать только для мониторинга и диагностики текущего состояния оборудования и конкретных объектов. Т.е. воздействовать на реальный объект через его цифровую тень невозможно, но можно использовать полученные данные для последующего компьютерного анализа (математического, статистического и т.д.). Такие цифровые двойники подключены к реальному оборудованию и получают от него информацию о состоянии и процессах в реальном времени.
2. Цифровой двойник с визуализацией. Двойники этого типа способны сформировать условия эксплуатации и предсказать поведение оборудования в разных ситуациях. Она предназначена для того, чтобы дать живому человеку возможность в реальном времени понимать ситуацию и анализировать ее самостоятельно с точки зрения своего опыта, интуиции и т. п. Это может быть очень полезно при модернизации склада, обучении персонала или прогнозировании эффективности процессов в зависимости от различных условий.
3. Цифровой двойник с полноценной обратной связью. Такой виртуальный двойник полностью моделирует работу системы — например, оператор может управлять сложным транспортным средством, находясь за сотни километров от склада.

Применение цифрового двойника склада

Цифровой двойник складской системы дает возможность промоделировать и отрепетировать большое количество различных ситуаций — например, таких:

• смоделировать совместную работу нового аппаратного обеспечения с уже имеющимся оборудованием, а также спланировать перепланировку или переезд склада;
• проводить предиктивное обслуживание аппаратного обеспечения, что особенно важно в случае редкого или дорого оборудования, а также особых условий хранения, когда поломка может иметь непредсказуемые последствия;
• отладить сложные складские процессы, например, при работе с опасными или дорогими единицами хранения, либо подразумевающие особые условия (полная темнота, низкая температура, отсутствие кислорода и т.п.);
• провести тренировку «умных» роботов в безопасной виртуальной среде;
• отработать полуавтоматические операции, требующие участия человека — например, дистанционное обучение персонала работе с новым оборудованием на примере его цифрового двойника;
• провести what-if анализ рисков и смоделировать различные внештатные ситуации на цифровой модели;
• провести более надежное тестирование перед внедрением WMS-системы;
• подготовить «шаблоны» для строительства/оснащения новых складов;
• выполнить анализ и увидеть на цифровой модели какие-то новые возможности или проблемы.

Крупная российская компания-производитель спецодежды, спецобуви и средств индивидуальной защиты «Восток-сервис» отработала на цифровом двойнике несколько гипотез по размещению оборудования хранения и грузопереработки. Моделирование позволило поменять технологию раскладки и конфигурацию автоматизированной системы хранения mini-load (рассчитать скорости, изменить количество ярусов), скорректировать размеры конвейерной системы, а также изменить количество постов выдачи.

Создание цифрового двойника помогло компании ГК «ЭФКО» изменить способ хранения товаров и скорректировать состав рабочей смены.

Быть или не быть?

Несмотря на открывающиеся возможности и перечисленные плюсы, не все так просто, и решение стоит принимать взвешенно.

Прежде всего, создание цифрового двойника — процесс дорогой, где попытка сэкономить может «свести на нет» все положительные стороны проекта и даже привести к катастрофическим последствиям. Чем детальнее вы рассмотрите и спроектируете складские процессы, тем точнее цифровой двойник будет отображать реальную ситуацию и тем меньше проблем возникнет при эксплуатации системы. Но создание качественной модели потребует внушительных вложений, ведь, помимо программного обеспечения, необходимо оборудовать склад всем необходимым с точки зрения IIoT-технологий оборудованием для обеспечения данными: датчиками, камерами и т. п.

Стоит помнить и о том, что никакая модель не отражает всех тонкостей функционирования реальной складской системы. Если доверить искусственному интеллекту (даже простым аналитическим моделям) управлять складом и всеми процессами на нем, то человек может полностью потерять контроль и перестать понимать ситуацию. Ведь чем больше решений принимает искусственный интеллект, тем сложнее человеку понять причины этих решений.

Поэтому стоит выстраивать структуру управления так, чтобы искусственный интеллект выполнял некие до разумной степени ограниченные задачи, между которыми контроль возвращался бы к человеку. Это даст персоналу контроль за ситуацией и возможность вовремя вносить необходимые изменения (например, скорректировать подход к хранению определенных типов товаров в зависимости от сезонного спроса или изменить стратегию отбора в зависимости от структуры выполняемых заказов и т.п.)

Не стоит забывать, что искусственный интеллект лишь помогает человеку, но не заменяет его. Система принимает решения на основе имеющихся в ее распоряжении данных, поэтому они всегда существенно ýже и беднее, чем решения живого человека — это может сказаться, например, при возникновении экстренной ситуации, не встречавшейся ранее. Даже если коробка всего лишь стоит вверх ногами или смята, система может зайти в тупик, если такая ситуация не отрабатывалась до этого.

Кроме того, создание «цифрового двойника» несет в себе определенные риски, связанные с информационной безопасностью. Если раньше для копирования чужой идеи конкуренту необходимо было заполучить действующий прототип, то теперь достаточно «цифрового двойника» — ведь он максимально точно повторяет оригинал и принцип его работы!

В каждой конкретной ситуации требуется разный уровень моделирования реального мира. Главное, чтобы в итоге вы получили в свое распоряжение ту систему, которая решает именно ваши задачи. И не так уж важно, будет ли это просто набор измерений и «рычагов» управления, увязан ли этот набор в единую SCADA-систему, или же созданная система станет точно имитировать управляемый объект, что даст повод назвать ее «цифровым двойником».

Необходимо правильно сформулировать бизнес-задачу и искать для нее оптимальное решение с использованием всего арсенала средств — как ультрасовременных, так и проверенных временем.