Sistemi Ciberfisici e macchine collaborative in Industria 4.0

Quali sono le tre fasi sequenziali abilitate dai sistemi ciberfisici?
I sistemi ciberfisici abilitano tre fasi sequenziali: generazione e acquisizione dei dati, computazione ed aggregazione dei dati precedentemente acquisiti ed, infine, supporto al processo decisionale.

Sempre più si parla di macchine senza operatore locale, in grado di essere connesse alla rete e di effettuare operazioni a distanza, in relazione a comandi forniti da operatori, ma anche da altre macchine.

Nello stesso tempo si parla di macchine autonome in grado di decidere in modo locale quali scelte effettuare e quali informazioni inviare al mondo esterno.

In altre parole sempre più sentiamo parlare di sistemi ciberfisici. In questo articolo facciamo il punto della situazione

Indubbiamente stiamo assistendo nel mondo dell’industria ad una rivoluzione che sta modificando profondamente, non solo i processi produttivi, ma anche il ruolo che le macchine devono ricoprire all’interno di questi ultimi.

Ci si focalizza sempre di più sugli aspetti dell’integrazione delle tecnologie digitali, ma ci si dimentica che anche le macchine e le automazioni possono essere dei microcosmi digitali, dotati di capacità di analisi e di intelligenza artificiale.

In altre parole le macchine o i processi, ognuno con una sua fase automatizzata, sono degli insiemi organizzati in grado di funzionare in modo isolato o in collaborazione con altri sistemi.

Non si tratta solamente di produrre o effettuare lavorazioni, ma cambia in modo sostanziale il rapporto tra macchina ed operatore e, nello stesso tempo, anche il rapporto tra le macchine stesse.

Si parla sempre di più di macchine senza operatore locale, in grado di essere connesse alla rete e di effettuare operazioni a distanza, in relazione a comandi forniti da operatori, ma anche da altre macchine.

Nello stesso tempo si parla di macchine autonome in grado di decidere in modo locale quali scelte effettuare e quali informazioni inviare al mondo esterno. In altre parole si parla sempre di più di sistemi ciberfisici, per indicare questa complessa rete di intelligenza distribuita dove la qualità della lavorazione resta un punto fisso, ma non più sufficiente a determinare il successo sul mercato di utensili evoluti.

E forse i sistemi ciberfisici sono proprio uno degli aspetti che più hanno caratterizzato l’Industria 4.0, per lo meno nel modello tedesco (Industria 4.0 Strategia e Scenari di innovazione).

Guardando con attenzione, è il tema della collaborazione (uomo macchina, macchina-macchina, macchina-sistema gestionale) a fare da leitmotiv all’integrazione tra le tecnologie dell’automazione tradizionale e il mondo del digitale e della robotica, soprattutto nel contesto della Industria 4.0 e dei sistemi ciberfisici.

Questi ultimi sono visti come il fine ultimo di questa rivoluzione: come stormi di uccelli, tali sistemi sono dotati di una intelligenza collettiva coordinata con le proprie capacità di controllo e volta al raggiungimento di un obiettivo comune, senza nessuna supervisione.

Se si pensa, infatti, al comportamento degli stormi di uccelli si riesce ad avere una chiara visione di cosa si intende per sistema ciberfisico: uno o più uccelli possono comunicare tra di loro, coordinarsi per effettuare un compito in relazione con il contesto in cui si trovano come per esempio costruire un nido, sfamare un piccolo.

Questo è molto simile al concetto di collaborazione machine to machine dove i sistemi sono in grado di comunicare tra loro e svolgere il proprio compito in funzione delle condizioni dell’altro.

Ma quando dalla collaborazione fra qualche individuo si passa a considerare un intero stormo di uccelli, emerge un’intelligenza collettiva: è lo stormo a compiere una azione, dove gli individui si sincronizzano in maniera più o meno tacita al fine di muoversi in una unica direzione.

I macchinari, i robot e le persone in questo senso costituiscono uno stormo (community) e operano sincronizzati al fine di autoregolarsi verso l’obiettivo della community stessa.

Quando si parla di smart cities, smart grids o smart communities questi concetti sono centrali, così come lo stanno diventando per il mondo industriale.

E’ una nuova visione dell’intelligenza artificiale, non solo rivolta alla robotica, ma a sistemi molto più complessi.

I Sistemi Ciberfisici o Cyber Physical Systems (CPS) sono considerati una delle innovazioni tecnologiche chiave (Key Enabling Technology – KET) della quarta rivoluzione industriale, anche se in realtà sono un insieme di differenti tecnologie abilitanti, le quali generano un sistema autonomo, intercomunicante e intelligente e, pertanto, capace di facilitare l’integrazione tra soggetti diversi e fisicamente distanti.

Questo sistema abilita tre fasi sequenziali: generazione e acquisizione dei dati, computazione ed aggregazione dei dati precedentemente acquisiti ed, infine, supporto al processo decisionale.

L’introduzione dei sistemi cyber fisici abilita dei modi di uso dove macchinari e processi sono sempre più collaborativi ed in grado di autoregolarsi ed apprendere in modo autonomo.

Inoltre, è riconosciuto che essi sono particolarmente appetibili come abilitatori di nuovi modelli di business e di opportunità per operatori vecchi e nuovi del digitale[1].

Peraltro, le tecnologie che rendono possibile tutto questo sono quelle dell’IoT, dell’edge computing e degli smart sensors.

Nello stesso tempo si delinea sempre di più uno scenario dove le macchine possono diventare uno strumento per decidere come e quando produrre, quali strategie di efficienza energetica mettere in atto e quando è ora di ripararsi o farsi riparare.

Per fare questo è necessario che le macchine abbiano occhi e orecchie ben aperte sul mondo che le circonda, diventando esse stesse elementi sensibili.

La convergenza tra il mondo fisico ed il mondo digitale inizia, infatti, con i sensori che permettono di automatizzare e quantificare l’analisi del comportamento del bene lavorato, ma anche del macchinario stesso. E sono proprio questi dati alla base della nuova economia digitale basata sull’industrial Internet.

Il risultato di questo processo di convergenza è quello di sistemi meccatronici che interagiscono tra di loro tramite lo scambio di informazioni e grazie alla capacità di autonomia, mobilità e flessibilità sono in grado creare ecosistemi autonomi in grado di eseguire compiti di complessità varia governati da intelligenza artificiale, di tipo distribuito (si parla di swarm intellingence o intelligenza degli sciami) come mostrato in Figura 1.

In questa figura l’esempio riportato mostra i sistemi a guida autonoma sono forme sofisticate e complesse di automazione, in grado di movimentare i beni all’ interno della fabbrica, nella forma più vicina all’idea romantica del robot, molto più che i robot antropomorfi stessi. Amazon ci ha insegnato che a partire da un ordine remoto alla sua spedizione, il processo passa attraverso una automazione complessa dove i Kiva (simpatici veicoletti autonomi) sono in grado di compiere il loro compito in modo autonomo e perfettamente coordinato con gli altri.

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Figura – Un esempio di sistema ciberfisico: le macchine collaborative (fonti varie: elaborazione autore)

L’idea di fondo è che digitalizzazione, automazione e intelligenza artificiale sono sempre di più gli ingredienti della nuova visione del mondo, i loro rispettivi confini sono sempre più labili, sono caratterizzati da contaminazioni nel mondo del consumer, presentano nuove potenzialità, modelli di uso e settori applicativi, in modo che la fabbrica si estende ben al di là dei confini tradizionali e si appropria di spazi nuovi come quelli dell’agricoltura e delle città.


Giambattista Gruosso
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