Vladimír Mařík z okna své kanceláře v pražských Dejvicích sleduje, jak na okraji Vítězného náměstí postupně roste nová budova Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT. Instituce, jíž šéfuje, se po třech letech od svého vzniku konečně dočká vlastní budovy. "Nebudu to mít z CertiConu daleko, to ještě uběhám," usmívá se na otázku, kterou židli zvolí. Muž, jenž řídil tým odborníků připravující národní iniciativu Průmysl 4.0 a který se automatizací a decentralizací řízení výrobních procesů roky zabývá, dál povede nejen IT společnost CertiCon, ale především postupně sílící institut v rámci ČVUT. Ten už dnes řeší řadu výzkumných projektů, které přímo souvisejí s realizací Průmyslu 4.0. Připravuje i otevření prvních společných laboratoří s průmyslem, kde si mohou firmy složité systémy řízení výroby před jejich nasazením vyzkoušet.

Jednou z hlavních myšlenek nastupující průmyslové revoluce je decentralizace řízení výroby. Jak tyto takzvané distribuované systémy fungují?

Princip decentralizace spočívá v tom, že každá jednotka funguje relativně autonomně a s ostatními komunikuje, jen když je třeba. Představte si výrobní halu, dopravní pásy, které převážejí polotovary od stroje ke stroji, nebo dělníka, jenž přemisťuje něco z pásu ke stroji. Nad tím je mistr, který všechno řídí. Informace o tom, co se děje u jednotlivých strojů nebo pásů, jdou k němu. Když se třeba pás pokazí, mistr rozhodne: Opravte pás a mezitím převážejte polotovary ke strojům jinak. To je klasické, hierarchické centrální řízení − mistr má nad sebou ředitele úseku, ten zase ředitele výroby a tak dále.

V distribuovaném systému má každý stroj svůj řídicí počítač, který kontroluje všechny subsystémy stroje a za normálního chodu nikam nic nehlásí. Když však třeba zjistí, že mu nepřicházejí polotovary, automaticky zavolá předchozímu stroji a ptá se: "Proč mi nic neposíláš?" A ten mu odpoví: "Já vyrábím, nevím, proč to k tobě nechodí." Tak se zeptají dopravníku, který ohlásí: "Mám poruchu, přetrhl se pás." A stroj zavolá vozík, který je nejblíž, aby polotovary navozil k němu, ale také třeba na vedlejší pás, pokud bude mít volnou kapacitu. Tak se stroje rozhodují samy a domlouvají mezi sebou, aniž by někdo musel detailně sledovat, co se ve výrobní hale děje.

Vladimír Mařík (64)

ředitel Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT a předseda představenstva společnosti CertiCon

◼ Absolvoval Elektrotechnickou fakultu ČVUT v roce 1975. Habilitoval se v roce 1984, profesorem v oboru technická kybernetika byl jmenován v roce 1990.
◼ Působil jako vedoucí katedry kybernetiky na FEL ČVUT od roku 1999, kdy tuto katedru založil, do roku 2013. Katedra v roce 2000 získala prestižní titul výzkumného Centra excelence EU.
◼ V roce 1992 byl jmenován výkonným ředitelem Rockwell Automation Research Center Praha, které posléze zaměstnávalo přes 50 výzkumníků a 40 inženýrů s expertními znalostmi především v oblasti diagnostiky systémů, multiagentních systémů, inteligentních řídicích systémů a vývoje a testování softwaru. Rockwell Automation opustil na vlastní žádost na konci roku 2009.
◼ V lednu 2010 převzal pozici předsedy představenstva společnosti CertiCon, kterou v roce 1996 spoluzakládal jako spin-off ČVUT. CertiCon zaměstnává přes 300 výzkumníků a inženýrů v Praze, Plzni a Ostravě a je zapojen do transferu technologií z univerzitního prostředí do průmyslu. V roce 2010 společnost vstoupila jako partner do rakouské laboratoře Christian Doppler Lab. ve Vídni.
◼ Hlavní odborné zájmy profesora Maříka zahrnují umělou inteligenci, multiagentní a znalostní systémy, softcomputing a aplikace plánování a rozvrhování výroby.

Když se stroje nejsou schopny domluvit, protože mají své kapacity třeba vyčerpané nebo není v dosahu vozík, který by polotovary přepravil, pak teprve zavolají mistra, že mají problém, který bude vyžadovat pomoc sousední dílny. Nebo se dokonce samy se stroji v sousední dílně spojí. Lokálně autonomní systémy tedy pracují samostatně a komunikují s okolím, jen když je potřeba. Ve složitém systému, kde může být třeba tisíc strojů a jen jeden mistr, se stroje mezi sebou dohodnou nebo si vyžádají zásah údržby lokálně a vůbec nezatěžují centrum.

Stroje se tedy mezi sebou domlouvají samy?

Nejen stroje. Do tohoto systému aktivně vstupuje ještě další prvek, který byl dosud pasivní − polotovar, budoucí produkt. I ten může mít svou softwarovou reprezentaci na internetu a jejím prostřednictvím vyjednávat s obdobnou softwarovou reprezentací strojů o svém dalším zpracování. Například: "Jsem v bedně číslo XY a potřebuji vyvrtat díru o průměru šest milimetrů. Kdo to může udělat?" Když najde volný stroj, dohaduje se s vozíky, který z nich ho ke stroji nejrychleji doveze. Ve výrobní hale tak spolu interagují stroje, dopravníky i produkty. To už nemůže zvládnout žádná centrální jednotka.

Stejný princip můžeme ale přenést i jinam, například do energetiky. Současná elektrická rozvodná síť je hierarchická. Centrála rozděluje, kdy kterými dráty poteče kolik proudu. Ale třeba každý okres může v budoucnu fungovat jako soběstačná jednotka. A to tak, že každá elektrárna jako výrobce a každá továrna jako spotřebitel se budou dohadovat mezi sebou navzájem a optimalizovat se tak, že každý komunikuje s každým, ale centrálně na to nikdo nedohlíží.

V čem je tento způsob řízení výhodnější? Co když se stroje mezi sebou nedohodnou?

My musíme zajistit, aby byly schopny se dohodnout. Aby nedospěly k závěru, že nejlepší je neposílat proud nikam, nic nevyrábět a nic neodebírat. To je takzvané nečekané emergentní chování, proti němuž se můžeme stanovením různých omezení ve vyjednávacích procesech mezi stroji bránit. Jakmile máme jistotu, že jsou stroje schopny se dohodnout, směřuje jejich dohadování k optimu. Dohadují se totiž aukčním principem. Továrna říká: "Chci v příštích hodinách tolik megawattů energie, kdo mi je nabídne nejlevněji?" Okolní elektrárny nabídnou objemy a ceny podle svých aktuálních možností a továrna si vybere nejvýhodnější nabídku. Je to tedy lokální optimalizace, která může vést dokonce i k optimu. Také elektrárny třeba někdy budou prosit, že mají přebytek energie, ať továrny ještě vyrábějí. Budou se tedy vzájemně vyvažovat a hledat synergie právě lokální optimalizací. Když to nedokážou lokálně, budou do optimalizace zatahovat další a další prvky. Když okres nebude schopen uspokojit všechny požadavky, přeskočí dotazy do sousedního okresu. A z takových autonomních systémů se dá samovolně složit celá soustava.

To je výhodné, protože malé systémy, řekněme na úrovni okresů, se budou snažit v maximální míře spotřebovat vše, co lokálně vyrobí, a snižovat potřebu centrálního zdroje. Když centrální zdroj vypadne, nenastane blackout, ale autonomní systémy dál izolovaně poběží − maximálně přejdou na nějaký nouzový režim. Něco se odpojí, ale životně důležité systémy zůstanou v provozu.

Co brání přechodu na takové systémy?

Technologicky máme vše potřebné k dispozici, ovšem jsou s tím spojené velké investiční náklady. Továrny bude potřeba pro podobný systém řízení upravit a firmy se obávají, že jim to nepřinese dostatečný efekt. Spíše proto budeme stávající provozy upravovat krůček po krůčku a podle principů Průmyslu 4.0 stavět nové továrny na zelené louce. Výhoda je, že je možné decentralizovat současné výrobní provozy postupně, dokonce bez přerušení výroby, s využitím simulací.

Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky

◼ Vysokoškolský ústav ČVUT byl založen v červenci 2013. Je mezinárodně uznávaným výzkumným pracovištěm podílejícím se na řešení evropských i národních grantů i na výchově doktorandů.
◼ V současné době má zhruba 110 zaměstnanců, cílově jich bude až 300, především výzkumníků a doktorandů.
◼ Výzkumné týmy se zabývají řadou témat přímo zaměřených na potřeby Průmyslu 4.0. Jde například o robotiku a systémy spojené s počítačovým vnímáním, spolupráci robotů a člověka s robotem, mobilní robotiku či vývoj algoritmů a metod pro roboty se schopností vnímat okolní prostředí. Dalšími směry jsou plánování a rozvrhování výroby, vývoj softwarových autonomních systémů, algoritmů pro vestavěné počítačové systémy, kyberneticko-fyzikální systémy a internet věcí, algoritmy strojového učení nebo zpracování dat.

Principy decentralizovaného autonomního řízení se ale uplatní v mnoha dalších oblastech. V některých zemích například hovoří o Zdravotnictví 4.0, v němž se pacient chápe jako autonomní systém, který si vše sám vyjednává s dalšími autonomními subsystémy − klinikami, laboratořemi či ordinacemi. V Zemědělství 4.0 se na půdu díváme jako na výrobní systém − je třeba ji vhodně zavlažovat, hnojit, obdělávat a sklízet, vše lze decentralizovaně řídit podle stejných principů jako v průmyslu. I chytrá města jsou složitý systém, který lze organizovat stejně jako chytrou výrobu. Autonomní subsystémy zapojené do dopravy, energetiky, výroby nebo odpočinku ve městě spolu budou interagovat a hledat optimální řešení přímo v místě, například dynamicky měnit jízdní řády.

V průmyslu se myšlenky decentralizovaného řízení uplatňují jako první, protože je technologicky přichystán. Později ale proniknou všude, proto na to musíme lidi připravit. Musí vědět, že síla není v důsledném centralizovaném řízení jako za komunismu, ale naopak v tom, že každý bude optimalizovat ve svém okolí zdroje, potřeby a spotřebu. Ve školách dnes vychováváme budoucí zaměstnance, ale my musíme vychovávat lidi, kteří budou umět rozhodovat a nést odpovědnost za svá rozhodnutí, byť třeba jen ve svém malém okolí. Budou schopni chápat způsob činnosti autonomních systémů propojených počítačovou sítí a interagovat s nimi. Vždyť sami budou hrát v té síti roli autonomní jednotky.

Měl by se tedy změnit systém školství?

Vzdělávání bude největší prioritou a zároveň výzvou. Musíme změnit inženýrské myšlení. Dnešní inženýři přemýšlejí hierarchicky, ale my se musíme na výrobní systémy i na celý svět dívat také z pohledu složitých distribuovaných systémů, jež v extrémním případě ani nemají žádný centrální prvek. To samozřejmě bude mít hluboký dopad na ekonomiku, ale především na to musí být připraveno myšlení lidí. Školství dnes neodpovídá potřebám Průmyslu 4.0, jako by se v té výchově k novému způsobu myšlení trochu zastavilo. A nejde zdaleka jen o technické obory, ale možná ještě více o společenskovědní, ekonomické či filozofické obory a takzvané měkké dovednosti. To vše bude potřeba propojit.

V čem spočívá to nové myšlení?

Velmi zjednodušeně řečeno − všechno souvisí se vším. Ty systémy jsou tak složité, že když třeba zvýšíme někde výrobu, zvýšíme spotřebu energie, změníme logistiku, z dlouhodobého pohledu ovlivníme budování sídel a tak dále. Když postavíme větší továrnu, vznikne řada implikací, které bychom už od začátku měli mít na paměti a vzájemně je optimalizovat. Už když budeme tu továrnu plánovat, měli bychom brát v úvahu, jaké budou potřeba změny v oblasti energetických a lidských zdrojů, dopravy nebo třeba odpadů. Jednotlivé kroky nesmíme vidět izolovaně, ale musíme je dopředu modelovat, brát v úvahu interakce všech dalších subsystémů. Optimalizace může přinést ekonomické úspory, ale i větší spokojenost lidí a zdravější životní prostředí.

Jak by se mělo školství změnit, aby absolventi dokázali uvažovat komplexně?

Musíme přejít od encyklopedického učení faktů k systémovému myšlení. Dívat se na problémy z pohledu právě těch distribuovaných složitých systémů se vzájemnými souvislostmi. Druhým důležitým aspektem je mezioborovost. Dnes vychováváme odborníky, kteří jsou úzce zaměřeni. Jdou do velké hloubky svého oboru, ale nevědí, co je metr nalevo nebo napravo. Musíme studenty naučit nejen zavrtat se do hloubky, ale podívat se i z nadhledu. Jestli třeba lidé, kteří vrtají kolem, nám nemohou dát nějakou novou myšlenku, jestli nemůžeme někde něco propojit nebo zda něco zbytečně neopakujeme.

Co dalšího Česku chybí, aby v průmyslové revoluci uspělo?

Kromě změny ve vzdělávání by stát měl především vytvořit vhodnou infrastrukturu − komunikace, rychlý internet − a zajistit bezpečnost. Další rolí státu je upravit legislativu tak, aby byla v souladu s potřebami průmyslové revoluce. Velmi důležitá je také podpora výzkumu. Nepotřebujeme významně vyšší podporu než dnes, ale chceme nasměrovat finance určené na výzkum především do projektů, které podpoří zavádění Průmyslu 4.0. O všechno ostatní už se musí průmysl postarat sám − je to jeho revoluce. Stát by také měl dát národu určitou vizi, kam směřujeme, kam se civilizovaná, průmyslově vyspělá společnost posouvá. Měl by dokázat lidem vysvětlit: Chceme dosáhnout toho a toho, a proto nastanou bolavé změny ve školství, budeme muset dát víc peněz z daní na infrastrukturu a podobně.

Citlivou oblastí bude trh práce. Stát bude muset pomoci v přeškolování lidí, protože se očekává, že až 60 procent lidí v příštích 15 až 20 letech změní svou profesi. Sníží se například počet dělníků ve výrobě, ale zvýší se počet pracovníků, kteří budou na výrobu dohlížet. Z dělníků se tak stanou například operátoři zabezpečovacích systémů.

Jsou na změnu připraveny firmy?

Náš průmysl bohužel o takové systémy zatím velký zájem nejeví a spíše se bojí investic, které jsou s tím spojené, a že by přechod na nový systém výroby mohl na počátku produkci zbrzdit. Jedním z důvodů je, že si firmy nemohou tak složité systémy nejprve někde odzkoušet. Ve světě se proto v souvislosti s Průmyslem 4.0 budují tzv. testbedy, prototypové zkušební dílny, jež vznikají obvykle v akademickém prostředí nebo ve výzkumném oddělení velké firmy. V takové malé výrobní hale se ukazuje, jak lze systémy propojovat, jak rekonfigurovat výrobu nebo jak autonomní rozhodování přenášet na další prvky. To nám zatím v Česku chybí, proto se snažíme za pomoci společnosti Siemens postavit první takovou dílnu na půdě nového Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT.

Malé a střední firmy si nemohou dovolit vyvíjet takové systémy samy a tyto testovací provozy by jim umožnily spolupracovat na vývoji s dalšími podniky i akademiky. Německá vláda podpoří vznik zhruba dvacítky podobných testovacích provozů. Myslím, že aspoň tři takové by Česku také slušely.

Stát by tedy měl podpořit budování testbedů?

Stačí, aby správně nasměroval prostředky, které už dává na výzkum. Přicházejí další obrovské prostředky z evropských operačních programů a stát by měl umožnit vybudování takových center. Průmysl 4.0 souvisí i s celkovou strukturou a způsobem financování našeho výzkumu. Ten se musí změnit a jedním z našich doporučení vládě je i budování národních center kompetence, kde se budou sdružovat prostředky a odborníci, aby mohli pracovat na větších projektech.

Z operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace se vybudovala výzkumná centra po celé republice, která jsou dnes do značné míry nevyužitá a žijí významně z další státní dotace v podobě fondu udržitelnosti. Kromě toho stát financuje centra kompetence a excelence. Vedle sebe tady živoří dvě infrastruktury: jedna původně placená ze strukturálních fondů, druhá ze státního rozpočtu. Myšlenka národních center kompetence propojuje to nejlepší z obou systémů. Je potřeba jednotlivé týmy smysluplně spojit a hodnotit jejich výkony nejen podle kvality publikovaných článků, ale i podle užitečnosti pro ekonomiku.

Obstojí český výzkum a vývoj v mezinárodní konkurenci?

Určitě ano. Například ve výzkumném středisku Rockwell Automation v Praze jsme už zhruba před dvanácti lety spolu s ČVUT vyvinuli systém autonomního agentového řízení přesně podle principů dnešního Průmyslu 4.0. Byla to tehdy jedna z prvních realizací takového systému na světě. Na obdobných algoritmech ale u nás pracují i další firmy, například Eaton či Honeywell. První firmou, která podobný systém v Česku začala využívat, byla Škoda Auto. Nechala si od nás vyvinout už před 10 lety systém pro plánování a rozvrhování montáže motorů, který umožňoval dynamicky reagovat na různé nečekané změny ve výrobě. Pak se o našem systému dozvěděla společnost Airbus a požádala nás, abychom vstoupili do evropského projektu plánování a rozvrhování montáže letadel. Systém dynamického rozvrhování montáže trupu Airbusu A350, který je v pilotním zkušebním provozu v továrně v Hamburku, jsme s nimi vyvíjeli tři roky. Ukazuje se, že právě ten dynamický přístup v souladu s principy Průmyslu 4.0 může zkrátit dobu montáže trupů až o 12 procent.

Současná revoluce v průmyslu sice teprve začíná, ale přesto: tušíte už, co přijde po ní?

Další revoluce v průmyslu nastane, až si stroje začnou uvědomovat samy sebe. Dnes jsou relativně autonomní díky tomu, že jsme je nějak naprogramovali. V budoucnu se ale začnou programovat a učit samy. A z toho můžeme mít i obavy − aby stroje nakonec nebyly moc samostatné. Abychom nedospěli do stadia, které se nazývá Kurzweilova singularita, kdy stroje převezmou moc a člověk jim bude sloužit. Nejlepší způsob, jak se před tím ochránit, bude mít pod kontrolou energetické zdroje, jejich napájení. Každý stroj má vypínací tlačítko, a to si lidé musí udržet pod kontrolou. Tak jako musíme dnes v kybernetickém prostoru najít ochranu před hackery, budeme muset najít ochranu, aby se stroje neobrátily proti nám.

jarvis_576bd312498e36098b7f1e12.jpeg
"V průmyslu se myšlenky decentralizovaného řízení uplatňují jako první, protože je technologicky přichystán. Později ale proniknou všude, proto na to musíme lidi připravit."
Foto: HN – Libor Fojtík
jarvis_576bd312498e36098b7f1e16.jpeg
"Náš průmysl se bojí toho, že by přechod na nový systém výroby mohl na počátku produkci zbrzdit."
Foto: HN – Libor Fojtík
Související
Newsletter

Byznys podle HN

Nechcete, aby vám uniklo to nejdůležitější?

Pro naše čtenáře připravujeme každý týden newsletter o byznysu a finančních trzích. Stačí zde zadat svůj email a každý pátek od nás dostanete souhrn událostí, které byste neměli minout. A přidáme osobní tipy čtyř osobností newsroomu Hospodářských novin. Píše Martin Jašminský, Luděk Vainert, Luboš Kreč a Petr Kain.

Přihlášením se k odběru newsletteru souhlasíte se zpracováním osobních údajů a zasíláním obchodních sdělení, více informací ZDE. Z odběru se můžete kdykoli odhlásit.

Přihlásit se k odběru