Człowiek – maszyna – robot

Na początku był człowiek… Później zaczęto konstruować maszyny. Rozwój technologiczny na przełomie XIX i XX wieku sprawił, że bezduszne, choć sterowane przez ludzi urządzenia, zaczęły odgrywać ogromną rolę w rozwoju przemysłu. Dzisiaj bariery pomiędzy ludźmi a maszynami zanikają, natomiast sztuczna inteligencja i cybernetyka wykraczają swym zasięgiem daleko poza typowe procesy produkcyjne odbywające się w fabrykach. Człowiek okazuje się najsłabszym ogniwem procesów, ale czy bez udziału ludzi możliwy byłby dalszy rozwój?

Rewolucje przemysłowe – od XIX wieku do Przemysłu 4.0
Pierwsza rewolucja przemysłowa została zapoczątkowana w połowie XIX wieku w Anglii. Wówczas obserwowalismy przejście z rolnictwa i manufaktur na mechaniczną produkcję w fabrykach. Przemysł został zasilony dużą liczbą wynalazków, z których największe zastosowanie miało wykorzystanie maszyny parowej w przemyśle włókienniczym oraz górniczym. W tym ostatnim koks zastąpił węgiel drzewny, a miało to miejsce przy okazji wytopu stali. Proces uprzemysłowienia został nazwany industrializacją.

Przełom wieków XIX i XX przyniósł kolejne, innowacyjne rozwiązania stosowane z powodzeniem do dzisiaj. Swoich „odbiorców” znaleźli dynamit i karabin maszynowy, miłośnicy wieczornego czytania zaczęli korzystać z żarówki (początki elektryfikacji), a do codziennego użytku weszły takie przedmioty jak odkurzacz, aparat fotograficzny, rower, telefon, radio, czy też maszyny do szycia i pisania. Nastąpił szybki rozwój motoryzacji, a popularność zdobywały pomysły Rudolfa Diesla w zakresie wykorzystania silników do celów komunikacyjnych oraz przemysłowych.

Kolejna rewolucja została zapoczątkowana niedługo po zakończeniu II wojny światowej. Początek lat 50-tych XX wieku przyniósł wiele zmian związanych przede wszystkim z wykorzystaniem nowych źródeł energii, jak energetyka jądrowa, ale również automatyzacją procesów produkcyjnych, poprawą jakości środków telekomunikacyjnych, czy też transportowych, a także komputeryzacją, która była bazą do rozwoju informatyki i cybernetyki. O jej efektach napiszę więcej w dalszej części artykułu.

Tymczasem zatrzymajmy się jednak na chwilę przy trzeciej rewolucji przemysłowej. O ile pierwsza faza rozwoju wielu dziedzin, w tym opisanych powyżej, wymagała ingerencji ludzkiej (pracowników linii produkcyjnych, operatorów komputerów, kierowców pojazdów mechanicznych, pilotów statków powietrznych), o tyle dzisiaj wykonywanie wszystkich kluczowych czynności związanych m.in. z technologią i transportem jest możliwe wyłącznie za pomocą zespołu maszyn lub poprzez autonomiczne pojazdy. Czwarta rewolucja przemysłowa, zwana też Przemysłem 4.0 jest konsekwentnie wdrażana w życie, co widać na przykładzie fabryk, sterowanych częściowo za pomocą inteligentnych czujników. Zaawansowaną technologię mają tworzyć wielkie, bezprzewodowe sieci, zintegrowane z maszynami i transferujące dane, a także systemy cyberfizyczne, wspierające utrzymanie ruchu.

Ryzykowne maszyny
Wobec takiej rzeczywistości musimy zadać sobie pytanie, czy dzisiaj, mając do dyspozycji najnowsze zdobycze technologii materiałowej, supernowoczesne techniki obróbki mechanicznej, cieplnej i chemicznej, sterowniki wykorzystujące sztuczną inteligencję możliwe jest posiadanie niezawodnych, bezawaryjnych maszyn? Teoretycznie tak! Spełnienie tego warunku może być jednak po prostu nieopłacalne ekonomicznie. Maszyna niezawodna oprócz wielu zalet odznaczałaby się bardzo wysokim kosztem budowy. Produkowałaby ten sam wyrób w całym okresie użytkowania przy tych samych parametrach eksploatacyjnych, tj. zużyciu energii i wydajności. Kolejnym problemem będzie możliwość ingerencji w parametry sterownicze urządzenia. Urządzenia są wpięte w sieć internetową, która z jednej strony pozwala na serwis „on-line”, bez konieczności przyjazdu techników np. zza granicy, z drugiej zaś jest narażona na ataki hakerskie. Może więc lepiej liczyć się z tym, że niektóre elementy czy podzespoły maszyn będą ulegały uszkodzeniom w ciągu całego okresu eksploatacji i wybrać kompromis pomiędzy jej możliwościami technicznymi, niezawodnością i ceną?
Zakładając, że usterki maszynowe mimo wszystko będą się zdarzały skupię się na istotnych czynnikach mających wpływ na wystąpienie ryzyka awarii.

Konstrukcja
Zagrożenia odnoszące się do konstrukcji maszyn mogą wynikać z błędów w obliczeniach, w wykonaniu dokumentacji technicznej, użyciu niewłaściwych materiałów bądź nieprawidłowego wytworzenia odlewów. W urządzeniach prototypowych błędy niewykryte na etapie produkcyjnym z pewnością ujawnią się w czasie eksploatacji. Często usterki stwierdzane są po upływie gwarancji producenta. Nawet pomimo stosowania nowoczesnych metod testowania nie zawsze udaje się uniknąć takich problemów. W tym przypadku należy sobie tylko życzyć, aby usterki nie były przyczyną groźnej awarii, a zostały wykryte podczas kolejnych przeglądów kontrolnych.

Warunki techniczno – eksploatacyjne
Niezwykle istotne jest to, czy urządzenia narażone są na działanie wysokich ciśnień lub próżni, niskich lub wysokich temperatur, oddziaływania elektryczne lub posiadają części wirujące. Wybuchem lub implozją wskutek działania wysokiego ciśnienia lub stanu próżni zagrożone są nie tylko zbiorniki, ale również wszelkie urządzenia ciśnieniowe stosowane w procesie technologicznym. Awarie wskutek działania wysokich temperatur zdarzają się, mimo że elementy i podzespoły narażone na działanie ciepła wymieniane są po upływie określonej liczby przepracowanych godzin (zgodnie z zaleceniem producenta) niezależnie od stopnia ich zużycia. Urządzenia elektryczne w wyniku przepływu prądów zwarciowych mogą zostać uszkodzone poprzez oddziaływania termiczne i dynamiczne. Najczęściej przepięcia elektryczne skutkują uszkodzeniami izolacji elektrycznej. W elektrowniach cieplnych ze względu na posiadane elementy wirujące i działanie sił odśrodkowych na bardzo poważne uszkodzenia narażone są turbiny i generatory. Ten rodzaj szkód nie występuje zbyt często, jednak w każdym przypadku prowadzi do zniszczenia samej maszyny oraz uszkodzenia mienia znajdującego się w najbliższym otoczeniu, sąsiednich urządzeń lub elementów budynku.
Kolejnym ważnym czynnikiem mówiącym o ryzyku uszkodzenia maszyn jest liczba przepracowanych godzin. Dla urządzeń energetycznych przepracowane godziny określane są jako godziny ekwiwalentne. Liczba wyliczonych ekwiwalentnych godzin pracy urządzeń bloku zależy między innymi od liczby rzeczywistych godzin pracy, startów i wyłączeń z różnych poziomów mocy, wyłączeń awaryjnych, gdy energia kinetyczna wirnika maszyny „wytracana” jest w materiale, zrzutów mocy itp.
Dla wielu z nas data produkcji urządzenia kojarzona jest z jego stanem technicznym. Stan techniczny urządzenia nowego uznaje się za dobry, zaś w przypadku urządzeń „wiekowych” bardziej prawdopodobny jest zły stan techniczny. W wielu przypadkach takie podejście jest mylące. Można przyjąć, że podzespoły szczególnie wrażliwe na uszkodzenia zostały wymienione podczas kolejnych remontów planowych lub modernizacji. Jeżeli znamy zakres przeprowadzonych dotychczas remontów i wiemy, że był on znaczący, możemy być spokojni o bezpieczną eksploatację danej maszyny.

Proces technologiczny
W każdym procesie technologicznym istotne są zagrożenia wynikające przede wszystkim z nieprawidłowego działania aparatury monitorującej oraz zabezpieczeń technologicznych i elektrycznych. Dużą rolę odgrywa również sposób sterowania urządzeniami. Sterowanie ręczne stwarza możliwość popełnienia błędu przez obsługę, co w połączeniu z nieprawidłowym działaniem zabezpieczeń może być przyczyną awarii. Zagrożenie błędami podczas sterowania jest znacznie mniejsze, gdy odbywa się z wykorzystaniem systemów elektronicznych i urządzeń automatyki. Niestety potwierdza to, że w tego typu procesach najsłabszym ogniwem jest człowiek.

Zasady eksploatacji
Zagrożeniem dla bezpieczeństwa maszyn podczas eksploatacji są:
•    błędy w obsłudze urządzeń – niezależnie od podjętych środków bezpieczeństwa nieprawidłowości w obsłudze mogą wystąpić w dowolnym czasie, wyrządzając poważne szkody;
•    nieprawidłowo prowadzone przeglądy i naprawy bieżące – ważne jest, aby czynności konserwacyjne, w tym również przeglądy okresowe, co do zakresu i częstości były wykonywane zgodnie z instrukcją eksploatacji opracowaną na podstawie zaleceń producenta, obowiązujących przepisów, np. branżowych oraz własnych doświadczeń;
•    nieprawidłowo organizowane remonty planowe – dawniej organizacja remontów planowych opierała się przede wszystkim o zalecenia zawarte w dokumentacji techniczno-ruchowej maszyny oraz na obowiązujących przepisach państwowych lub branżowych. Obecnie często się zdarza, że remonty okresowe planowane są głównie w oparciu o stan techniczny maszyny określany na podstawie badań diagnostycznych bądź informacji uzyskanych z poprzednich remontów oraz uwag wynikających z bieżącej eksploatacji. Skutkiem takiego działania jest wydłużanie okresów pomiędzy remontami planowymi. Pracownicy działów utrzymania ruchu uzasadniają to… względami ekonomicznymi.

Awaria pod kontrolą
Zapobieganie awariom sprowadza się do zmniejszenia prawdopodobieństwa wystąpienia awarii i ograniczenia jej skutków, jeśli jednak do niej dojdzie. Awaryjność maszyn możemy ograniczyć stosując środki techniczne i organizacyjne.
Stosowanie właściwych metod diagnostycznych sprowadza się do określenia czego będziemy poszukiwali, czym i w jakich miejscach. Badania diagnostyczne mogą być prowadzone podczas okresowych przestojów lub w czasie pracy maszyn. Część parametrów może być kontrolowana we wspomnianym wcześniej systemie „on-line”, przez zainstalowane na stałe urządzenia pomiarowe. Dokładna lokalizacja usterki lub nieprawidłowej pracy maszyny jest możliwa w wyniku rozszerzenia zakresu badań o badania termowizyjne (wykrycie lokalnych miejsc przegrzania), badania RTG lub ultradźwiękowe (znajdowanie wad materiałowych), badania endoskopowe lub kontrolę drgań (za pomocą sensorów).

Człowiek czy robot?
Przy rozważaniach dotyczących ryzyka awarii maszyn zwróciłem uwagę na rolę osób odpowiedzialnych za sterowanie ręczne urządzeń w procesie produkcyjnym, czy za interpretację parametrów kontrolnych w komputerze podczas pracy automatów. Błędy ludzkie popełniane w ramach wykonywania tych czynności skutkują często poważnymi awariami urządzeń oraz utratą surowców bądź wyrobów gotowych, które nie spełniają wymagań jakościowych fabryki i klienta. Do zmniejszenia ich sprawności i trwałości poprzez organizację przeglądów i remontów pośrednio mogą przyczynić się także pracownicy odpowiedzialni za zespoły maszyn.
Jednak i tutaj zagrożenia są już stopniowo eliminowane za sprawą sztucznej inteligencji. Robotyka powoli wypiera ludzi z wielu dziedzin życia. Statystyki pracowników Oxford Martin School dowodzą, że 47% miejsc pracy w Stanach Zjednoczonych w ciągu dekady lub dwóch "jest zagrożonych komputeryzacją". Dotyczy to nie tylko obsługi urządzeń, ale również przykładowo tworzenia algorytmów do analizy danych sprzedażowych, materiałów naukowych do tworzenia czytelnych i zrozumiałych teksów, czy też do ultraprecyzyjnych zabiegów chirurgicznych w medycynie.
Część osób wykonujących w pracy nieskomplikowane i powtarzalne zadania, będąc narażona na szkodliwe czynniki, może zostać zastąpiona na swoich stanowiskach pracy przez roboty. Pozostali będą musieli poszerzać kwalifikacje (aby nadal pracować w przemyśle) lub przekwalifikować się na stanowiska niezwiązane ze stosowaniem maszyn.
Rola pracownika będzie ewoluowała w kierunku zarządzania czynnościami wykonywanymi przez współpracujące z nim roboty. Łączenie kontekstowego podejmowania decyzji przez człowieka z precyzją i systematycznością robotów ma być źródłem wzrostu produktywności. W inteligentnej fabryce z pewnością znajdzie się miejsce zarówno dla robotów, jak i odpowiednio wyedukowanych inżynierów, którzy będą zajmować się informatyką, utrzymaniem ruchu, czy cyberbezpieczeństwem.

Realny science-fiction
Kiedyś mogliśmy sobie to tylko wyobrażać, dziś to, co jeszcze kilka lat temu należało do science-fiction dziś jest już rzeczywistością. Funkcjonują w niej m.in. bezobsługowe magazyny ze specjalnymi trasami dla autonomicznych środków transportu wewnętrznego. Wózki widłowe z laserową precyzją przekładają towar w wyznaczone miejsce, nie uszkadzając przy tym bram i ścian. Nikt nie jest ranny w wyniku nieuwagi pracownika poruszającego się popularnym „widlakiem”, a regały nie noszą znamion uszkodzeń, przez co ryzyko „złożenia się” ich konstrukcji praktycznie nie istnieje.

W innym miejscu można zobaczyć linie technologiczne, na których produkuje się wyroby o znacznej wartości. W ogromnej hali znajduje się zaledwie kilka osób, głównie odpowiedzialnych za kontrolowanie parametrów sterowniczych urządzeń. Na samym końcu procesu odbywa się konfekcjonowanie produktów i przekazywanie do magazynu lub transportu. Wszystkie działania prowadzone są bez ludzkiej ingerencji. Przedstawiciel jednego z takich zakładów przyznał w rozmowie, że jedna z maszyn zastąpiła pracę co najmniej sześciu osób przy dużym wzroście zdolności produkcyjnych.

Czołowa polska firma informatyczna zamierza wykorzystywać mechanizmy sztucznej inteligencji do stworzenia projektu naukowo-badawczego. Intencją przedsięwzięcia ma być usprawnienie pracy operatorów, którzy śledzą ruch morski w oparciu o kilka źródeł (m.in. zdjęć satelitarnych, systemu geolokalizacji statków, portali internetowych). Dzięki temu rozwiązaniu, gdy statek nieoczekiwanie zmieni obrany kurs, zostanie zweryfikowany powód zmiany z możliwością natychmiastowego skorygowania. Przykładów odnoszących się do wdrażania Przemysłu 4.0 w życie można zresztą przytoczyć mnóstwo.

Haker 4.0
Cybernetyczny świat nie jest idealny i pozbawiony wad. Wręcz przeciwnie – jest bardzo podatny na aktualne zagrożenia sieciowe, czyli ataki hakerskie. Do spektakularnego ataku doszło w połowie 2017 roku na Ukrainie. Głównymi celami były: system bankowy i telekomunikacyjny, rządowe sieci komputerowe, lotniska krajowe, kijowskie metro, ciepłownie, elektrownie i sieć supermarketów Auchan.
Rosja nie potrafiła oprzeć się atakom skierowanym na serwery państwowego koncernu naftowego Rosnieft, a także kontrolowanej przez koncern spółki naftowej Basznieft oraz koncernu metalurgiczno-wydobywczego Evraz. Efektem działań cyberprzestępców było przerwanie wydobycia cennych surowców i trudne do oszacowania straty finansowe.
Hakerzy „sprawdzili” także zabezpieczenia sieci komputerowej nieczynnej elektrowni atomowej w Czarnobylu, gdzie trzeba było przejść na ręczny monitoring promieniowania wokół czwartego, uszkodzonego w 1986 roku reaktora. Strach pomyśleć, jakie skutki może wywołać ingerencja internetowych włamywaczy w sterowanie pracą czynnych elektrowni jądrowych…
Zadaniem na „dzisiaj” powinno być więc zapewnienie cyberochrony wszystkich urządzeń wpiętych w sieć internetową. Powyższe przykłady to zaledwie kilka, najgłośniejszych włamań odnotowanych w ostatnich miesiącach. Według statystyk zamieszczonych na stronie www.hackmageddon.com przemysł pozostaje niezmiennie najczęstszym celem ataków hakerskich. Ten trend z pewnością będzie się utrzymywał, dlatego bardzo ważne jest zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa informatycznego na terenie każdej firmy.

Homo faber
Czwarta rewolucja zmienia spojrzenie na ocenę ryzyka awarii maszyn i podejmowanie działań prewencyjnych. Trudno jednak wyobrazić sobie rozwój przemysłu bez udziału człowieka, który nie tylko rozwija maszyny pracujące dla niego i za niego, ale też sam będzie ewoluował wraz z postępem cybernetyki. Błędy ludzkie będą stopniowo eliminowane, choć mogą się pojawiać choćby przy projektowaniu cyberurządzeń, sterowaniu nimi, czy przy interpretacji wyników przekazywanych za pośrednictwem urządzeń monitorujących do „centrum dowodzenia”. Dane zbierane np. z poziomu hali produkcyjnej będą analizowane w oparciu o nowe, zaawansowane narzędzia informatyczne: Big Data Analytics oraz Cloud Computing. Umożliwi to wykrywanie i rozwiązywanie niedostrzegalnych problemów dotyczących usterek maszyn bądź też zużycia lub uszkodzenia podzespołów.
W przepisie na Przemysł 4.0 składnikami muszą być człowiek, maszyna i robot. Proponuję w tej kolejności, bo człowiek, nawet jeśli czasem popełnia błędy, jest twórcą i motorem rozwoju.

Autor: Tomasz Tkaczyk, Hestia Loss Control