Második munkaszakasz - 2018.11.01 - 2019.10.31

A hivatkozott, és a Labor további kapcsolódó publikációi itt elérhetők.

A témákban készült demonstrációs videók itt megtekinthetők

FF3: Kooperatív és adaptív termelési és logisztikai hálózatok tervezése és működtetése

FF3/1 rész-téma - Az I4.0 kommunikációs lehetőségeit kihasználó kooperatív üzleti modellek, protokollok és elosztott döntési mechanizmusok.

Eredmények rövid összefoglalása

• Nemzetközi együttműködésben került sor a globális termelési hálózatok elemzésére. Feltárásra kerültek azok a tényezők és kihívások, amik döntő módon meghatározzák ezek működési feltételeit, és olyan tervezési elvek és követendő minták kidolgozása történt meg, amelyek alkalmazásával a történetileg kialakult struktúrák úgy alakíthatók, hogy a hálózatok működése hatékony, egyszersmind fenntartható legyen [7].
• A Laborban olyan módszereket dolgoztunk ki, melyek a termelési és logisztikai hálózatok hatékonyságát, robusztusságát és komplexitását együttesen képesek minősíteni és kezelni, egyensúlyra törekedve ezen aspektusok között [19], [44].
• Megtervezésre, és prototípus szinten implementálásra került egy általános beszállítói hálózat szimulációs modellje magas szintű döntések hatásainak vizsgálatára. A rendszer nagyszámú önálló szereplő által alkotott bonyolult hálózati működés vizsgálatára ad lehetőséget, bizonytalan környezeti viszonyokat feltételezve (pl. kereslet, ellátási és erőforrás zavarok), mind pénzügyi, mind termelési, mind szolgáltatási szempontból, és lehetőség van a szimulálandó hálózat automatikus felépítésére is. A bizalom, mint az együttműködés feltétele, a modell fontos része [19], [41].

FF3/2 rész-téma - Elosztott termeléstervezés hálózatokban, együttműködést ösztönző módszerek kidolgozása és szimulációja.

Eredmények rövid összefoglalása

• Elosztott gyártórendszerekben a gyártó vállalatok közötti kommunikáció és együttműködés során kialakult bizalom és reputáció szerepének modellezésére és elemezésére került sor a teljes rendszer hatékonysága szempontjából [15], [41]. Egy implementációval is kísért multi-ágens modell megvalósítására is sor került, decentralizált, autonóm gyártási erőforrások megosztására, és javaslat készült a megbízható szolgáltatások analógiájának alkalmazására a versenyképes, ugyanakkor fenntartható gyártás dilemmájának feloldása érdekében.
• Modell készült egy automatizált biológiai gyártórendszer leírására, ahol a termékekből és technológiából adódóan a gyártási időket nagyfokú bizonytalanság jellemzi. A validált rendszert nagyméretű szimulációs futtatások során megerősítéses tanulási algoritmussal került irányításra, amivel 15-20%-os javulást lehetett elér kihozatalban a valós gyártórendszerben használt irányításhoz képest [18].

FF3/3 rész-téma - Aggregált előrejelzési és robusztus termeléstervezési módszerek integrálása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Gyorsan változó, széles termékválaszték iránti, mennyiségben szélsőséges (ún. high-mix low-volume) igények kielégítésének kulcsproblémája az ígért szállítási határidők betartása. Olyan munkafolyamat definiálása történt meg. amely a pontosságot leginkább befolyásoló tényezők meghatározására, és az ön-felügyelt gépi tanulásnak az igények egy olyan aggregálását tartalmazza, amivel a gyártórendszer részletes szimulációja hatékonyan futtatható [2].
• Nagytömegű termelési adatok analízisén alapuló előrejelzési módszerek kidolgozására került sor, és ezek verifikálása szimuláció segítségével az átfutási idők meghatározására [24], lokalizálásra [25], ütemezésre [22] és minőségi jellemzők becslésére [35]. Valamennyi módszer hozzájárul az adott gyártórendszer megbízhatóbb működéséhez, ami a hálózatbeli együttműködés egyik alapfeltétele. A rugalmas adatgyűjtési, tárolási és feldolgozási rétegeken túl az architektúra támogatja az adatok és eredmények valós idejű megjelenítését, valamint az eredmények visszavezetését a vállalati döntéstámogatási folyamatokba [26].
• Egy egzakt vegyes egészértékű programozási megközelítés, valamint egy hatékony lokális keresés bevezetésére került sor a termék-, folyamat- és gyártórendszer tervezési feladatok integrált megoldására a precíziós szerelés területén, ahol a gyártási, szerelési, és beruházási költségek jelentős része a termék egyes méretláncainak a megkívánt tűréssel történő előállításához kapcsolódik. Az integrált tervezési módszer a Hitachi céggel a korábban „jól szerelhető” termékek tervezése, és a szerelő rendszerek konfigurálása terén folytatott kétoldalú kutatás eredményeire alapul. Az új eredményeket a cég által szolgáltatott ipari esettanulmányon verifikáltuk. [Belső tanulmány, Tsutsumi et al. 2019].

FF3/4 rész-téma - Gyártó és logisztikai rendszerek ütemezési problémáinak megoldása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Egy járműflotta járműveinek irányítási célja, hogy minél több feladatot elvégezése történjen meg időben, miközben az üresjáratban megtett út költségét, és a sürgőssé vált feladatok miatt felmerült extra költségeket minimalizáljuk. Erre a problémára történt meg egy új, valószínűségi elemzésen alapuló, és igen gyors megoldás kidolgozása [3], ami a tesztek alapján sok esetben lényegesen jobban teljesít, mint a szakirodalomból ismert legjobb módszer. Ehhez a feladathoz kapcsolódik az az eredmény is, ahol egy AGV járműflotta konfliktusmentes irányítása került megoldásra [42]. Új egzakt módszer megadására került sor a jármű flotta és a járművezetők optimális beosztására, ahol cél a hozzárendelés által indukált költségek minimalizálása volt [5].
• A termelésütemezés területén egy fontos szempont az anyagkorlátok figyelembe vétele a gyártási program elkészítése során. A probléma elméleti vizsgálata és bonyolultságának és approximálhatóságának elemzése történt meg a [4] cikkben. Ütemezési problémák optimális megoldásait mutatják be a [8] és [6] cikkek, valamint a [43] konferencia előadás, és számos fenti eredményt tárgyal a [46] PhD értekezés.

FF3/4 rész-téma - Gyártó és logisztikai rendszerek ütemezési problémáinak megoldása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Egy járműflotta járműveinek irányítási célja, hogy minél több feladatot elvégezése történjen meg időben, miközben az üresjáratban megtett út költségét, és a sürgőssé vált feladatok miatt felmerült extra költségeket minimalizáljuk. Erre a problémára történt meg egy új, valószínűségi elemzésen alapuló, és igen gyors megoldás kidolgozása [3], ami a tesztek alapján sok esetben lényegesen jobban teljesít, mint a szakirodalomból ismert legjobb módszer. Ehhez a feladathoz kapcsolódik az az eredmény is, ahol egy AGV járműflotta konfliktusmentes irányítása került megoldásra [42]. Új egzakt módszer megadására került sor a jármű flotta és a járművezetők optimális beosztására, ahol cél a hozzárendelés által indukált költségek minimalizálása volt [5].
• A termelésütemezés területén egy fontos szempont az anyagkorlátok figyelembe vétele a gyártási program elkészítése során. A probléma elméleti vizsgálata és bonyolultságának és approximálhatóságának elemzése történt meg a [4] cikkben. Ütemezési problémák optimális megoldásait mutatják be a [8] és [6] cikkek, valamint a [43] konferencia előadás, és számos fenti eredményt tárgyal a [46] PhD értekezés.

FF4: robosztus kooperatív kontrol kiber-fizikai rendszerekben.

FF4/1 rész-téma - Robusztus kooperatív és koordinált irányítási módszerek gyártórendszer orientáltságú kiber-fizikai rendszerekben.

Eredmények rövid összefoglalása

• Egy új számítási architektúra kidolgozására került sor, amiben a kiber-fizikai gyártórendszerek érzékelési, beavatkozási, számítási és hálózati szolgáltatásai egységes absztrakciós modellben leírhatók [1], [30], [40]. A fluid számítási paradigmát adaptálása a rendszer informatikai komponenseire és egy új réteggel való kibővítése történt meg, biztosítva a feldolgozandó adatok zökkenőmentes áramlását az ún. „Fluid Manufacturing Architecture” vezérlő architektúra különböző rétegei között. A fenti modell alapul szolgált a kísérleti mintarendszer továbbfejlesztéséhez.
• A SZTAKI győri telephelyén létrehozott I4.0 demonstrációs mini gyártó- és logisztikai mintarendszerben került sor az Ipar4.0 Intelligens Gyártás Végrehajtási és Támogatási Rendszer (MESS) kooperáció-orientált továbbfejlesztésére. A továbbfejlesztett MESS rendszer lehetőséget adott az egyetemi labor korábbi rendszerelemeinek OPC UA szabvány szerinti csatlakoztatására, a kiber-fizikai rendszer fizikai és virtuális elemeinek párhuzamos működtetésére, a virtuális elemek állapotának fizikai jellemzők alapján való frissítésére, létrehozva azok digitális ikermását (ún. digital twin).
• Az ágens-technológia ipari elterjedését akadályozza az autonóm rendszerek előre ki nem számítható viselkedésétől való félelem, ezért egy olyan modell létrehozása történt meg, amiben az ágensek dinamikus viselkedése számon kérhető. Ennek validálása különböző kéziszerszámok szimulált gyártásra alapozott szcenáriókban valósult meg [Belső tanulmányok].

FF4/2 rész-téma - Ember-robot kooperációt támogató módszerek, különös tekintettel az ember biztonságára.

Eredmények rövid összefoglalása

• Nemzetközi együttműködésben felmérésre kerültek a szerelési feladatok megoldásra jelenleg alkalmas ember-robot együttműködést támogató technológiák, ezek szabványai és korlátai. Az elemzés célja az ember-robot együttműködés gyakorlatának meghaladása, új, ún. szimbiotikus kommunikációs, tervezési, vezérlési és monitorozási módszerek kidolgozása, melyek az ember biztonságának garantálás mellett hatékonyabb, és mind fizikai, mind kognitív terhelés szempontjából könnyebb munkavégzést tesznek lehetővé [11], [27]. Mindezek alapvető feltétele, hogy a tervező rendszerek pontos digitális ikermodell segítségével leképezzék a valós környezetet [12]. Ennek érdekében a Laborban olyan módszerek kidolgozására került sor, amik szenzor információk alapján (pontfelhő, erőszenzor, kamera) pontosítják a környezet reprezentációját [20], [51], [52].
• A pontos digitális ikermodellből kiindulva végrehajtható szerelési tervek automatikus előállítása történt meg, és ezek lejátszásához kidolgozásra került egy multi-modális interfész [28], [47]. Az ipari robotokkal végzett szerelési, anyagmozgatási, és megmunkálási műveletek automatikus tervezésének alapvető eleme a robot mozgáspályájának tervezése, illetve ennek során az ütközésvizsgálat a robot és környezete között. Szoftverkönyvtár létrehozása valósult meg, amely ipari robotos munkaállomások geometriai és kinematikai modellezésére, a cellában végzett hatékony ütközésvizsgálatra, illetve ennek segítségével akár közel valós idejű pályatervezésre alkalmas [37], [55]. Az eszközkészlet tesztelése és demonstrációja különféle pakolási és szerelési feladatok (gömbcsap, munkahenger) megoldásával történt meg [29], [38], [39], [56].
• A témakörben folytatott kutatás több ipari projektet generált. Ezek közük kiemelendő a Hitachi Ltd. Yokohama Research Laboratory-val való együttműködés, mely az után jött létre, hogy a cég magas szintű képviselői 2018 decemberében megtekintették a SZTAKI győri Ipar4.0 mintarendszerét. A jelenleg is folyó kétoldalú kutatás beleillik abban a magas szintű német-japán tudományos együttműködési programba, melynek célja az ipari automatizálás adaptálása a munkában részt vevő emberek képességeihez és pillanatnyi diszpozíciójához.

FF4/3 rész-téma - Nagypontosságú beltéri 3D helyzetmeghatározási technológiák kidolgozása és rendszerbe integrálása, szenzorfúzió.

Eredmények rövid összefoglalása

• Robotizált szállítóeszközök (AGV-k) irányításának, termékek és gyártóeszközök követésének alapkövetelménye, hogy ezen objektumok abszolút pozíciója és orientációja meghatározható legyen [14]. A tapasztalatok nyomán a kiépített, egyedi azonosítást és abszolút helyzet meghatározást együttesen megvalósító mennyezeti kamerarendszert továbbfejlesztésre került: kis beágyazott egységek a kamerákkal együtt képfeldolgozási feladatokat látnak el (torzítás leszedés, markerazonosítás), míg egy központi egység küldi ki ezek felé a közös trigger jelet, majd a válaszban megkapott adatokat fésüli össze egy virtuális síkban.
• A pozicionálás meghatározására megvizsgálásra került az UWB (Ultra Wide Band) rádiós kommunikációs technológia alapú helymeghatározási módszer. Ehhez nem csak a teremben, hanem magán a roboton is több UWB egységet kellett elhelyezni [53]. Az AGV szenzorfúziós helyzetbecslésére kiterjesztett Kálmán-szűrőre épülő keretrendszer épült, amely tetszőleges számú olyan szenzor jelének fúziójára alkalmas, melyek az AGV helyzetének, ill. sebességének, szögsebességének valamely leképezését adják vissza.

FF4/4 rész-téma - Kiber-fizikai rendszerek robusztus és kooperatív irányítás- és rendszerelméleti megoldásai.

Eredmények rövid összefoglalása

• Ipari környezetben mozgó, belső logisztikai feladatokat megoldó gyártástámogató mobil robotok – különös tekintettel a kvadkopterre – dinamikus modelljének kidolgozására került sor, lokális irányítástervezési algoritmusaikkal együtt [48], [54]. Az irányítás a beltéri navigációhoz szükséges pozícionáló rendszeren alapul. A lokális irányítástervezés földi mobil robotokra is alkalmazható, ezek a pályakövetés mellett helyi közlekedési szituációk kezelésével is kiegészítésre kerültek [32]. A klasszikus irányítástervezési eljárásokat [9], [10], [36] korszerű, adatalapú gépi tanulásra épülő módszerek hozzáadása történt meg [21], [31], [33].
• A felsőszintű irányításhoz – azaz kooperatív pályatervezéshez – kapcsolódóan dinamikus útvonal tervezési eljárások megvalósítására került sor a kommunikációs modellel együtt [16], [17], [50]. Ezek hatékonyan működnek egy jól meghatározott, speciális környezetet feltételezve, ezért az optimális szabályozási stratégia gépi tanulással történő approximációja került előtérbe [23]. Cél az online optimalizálás elkerülése egy tanuló struktúra gyors kiértékelésével, az optimális irányítást közelítő beavatkozó jellel. Az optimalizálásra és gépi tanulásra épülő új eljárások lehetővé teszik a felsőszintű irányítás komplex feladatainak valósidejű megvalósítását, ezáltal támogatják a módszerek ipari környezetbe történő hatékony integrálását és telepítését.