Industry 4.0

Začíname už v prvom ročníku, kde si študenti osvoja pojmový aparát v oblasti IoT (Internet of Things – internet vecí), IIoT (Industrial IoT – priemyselný IoT) a moderného priemyslu (Industry 4.0). Tento predmet je povinný, takže všetci študenti v programe inteligentné systémy musia úspešne realizovať projekty a vykonať skúšku. Študentom je vysvetlená referenčná architektúra Industry 4.0 (RAMI 4.0), ktorej hlavnou úlohou je decentralizácia a plná distribúcia výpočtového výkonu v priemysle, k tejto distribúcii, samozrejme, patria výpočty na hrane siete [2].

Laboratórne cvičenia a projektové práce sú smerované aj ku cloudovým systémom. Študenti vytvárajú vlastné riešenia, ktorými sú jednoduché fyzikálne modely (obr. 1) riadené pomocou ESP8266 (jednočipový mikropočítač), ktorý komunikuje s cloudom a posiela naň všetky nazbierané dáta. Aktívnejší študenti zrealizujú obojsmernú komunikáciu, a tak môžu svoj model riadiť na diaľku. V tomto prípade môžeme považovať zariadenie ESP8266 za zariadenie na hrane siete, ktoré má jednoduchú úlohu, a to preposielanie nazbieraných dát na cloud.

Po úspešnom absolvovaní predmetu majú študenti možnosť získať certifikát od spoločnosti CISCO, konkrétne certifikát Introduction to IoT, a to za podmienky, že vykonajú certifikačnú skúšku na požadovaný počet bodov.

Inteligentný priestor a IoT

V druhom ročníku v tejto myšlienke pokračujeme a študentov viac vnárame do tematiky IoT a inteligentného priestoru. Prednášky tohto predmetu sú zamerané na referenčný model IoT, kde každá jedna úroveň je podrobne prebratá a jednou z týchto úrovní je aj hrana siete. Druhá polovica prednášok je zameraná na inteligentný priestor [3], ktorý je definovaný a následne sa preberajú základy späté s inteligentný priestorom, ako jeho hardvérové vybavenie, navigácia, lokalizácia, súradnicové systémy atď. Tento predmet je povinne voliteľný, čo znamená, že si ho vyberajú iba študenti, ktorí majú záujem.

Laboratórne cvičenia a projektové práce riešia práve výpočty na hrane siete, a to na báze jednočipového mikropočítača ESP8266 alebo jednodoskového počítača Raspberry Pi. Študenti môžu svoj predchádzajúci fyzikálny model z predmetu Industry 4.0 vylepšiť o edge computing alebo si môžu postaviť nový model. Komunikácia zariadenia na hrane siete s cloudom je založená na RESTful API, kde majú študenti za úlohu naprogramovať klientsku aj serverovú časť. Inteligentný priestor sa demonštruje na laboratórnom modeli inteligentného domu pod názvom CASTLE (obr. 2).

Aj pri absolvovaní tohto predmetu majú študenti možnosť získať certifikát od spoločnosti CISCO, tentoraz certifikát zo skupiny IoT Fundamentals, a to Connecting Things.

Inteligentné kyberfyzikálne systémy s podporou IoE

Tento predmet je voliteľný, takže študenti si ho môžu vybrať ako predmet nad rámec svojich povinností, a to v druhom ročníku bakalárskeho štúdia. Náplň je zameraná na inteligentné human-cyber-physical systémy (HCPS). Kyberfyzikálne systémy (CPS) sú spojením fyzikálneho a kybernetického sveta a keď do toho ešte vnoríme človeka, pre ktorého je to všetko vytvárané, vzniká HCPS. Počas prednášok sa objasňujú aj vízie týchto systémov, porovnávajú sa ekosystémy HCPS, IoT, IIoT, Industry 4.0, Health 4.0 a veľa ďalších, o ktorých môžu v odbore počuť.

Celý tento ekosystém musí komunikovať s okolitým svetom, preto sa na týchto laboratórnych cvičeniach a projektových prácach zameriavame na inteligentné brány, čím prenášame inteligenciu na hranu siete [4], [5]. Úlohou študenta je vytvoriť bránu, ktorá bude spracúvať dáta pomocou riadiacich algoritmov alebo algoritmov strojového učenia. Tieto údaje sa potom budú posielať na cloud alebo späť do systému (obr. 3). V tomto prípade sa dostávame ku komunikácii ako M2M (machine to machine – stroj so strojom), D2D (device to device – zariadenie so zariadením) alebo M2P (machine to people – stroj s človekom).

Študenti, ktorí neabsolvovali predmet inteligentný priestor a IoT, a majú oň záujem, môžu získať certifikát IoT Fundamentals: Connecting Things. No príprava na certifikačnú skúšku je založená na plnom samoštúdiu s tým, že materiály sú študentom dodané.

Inteligentné systémy a robotika

Tento predmet je zameraný na tvorbu inteligentných systémov a programovanie robotov v týchto systémoch. Väčšina robotov nemá dostatočný výpočtový výkon, aby mohli mať inteligentné rozhodnutia alebo výstupy. Preto tento výpočtový výkon musí byť distribuovaný, či už na cloud alebo na zariadenie, ktoré sa nachádza na hrane siete. ROS (Robot Operating System) nemusí byť spustený len priamo na robote, tento špecializovaný operačný systém môže riadiť robota aj na diaľku alebo z iného zariadenia z lokálnej siete na hrane siete. Predmet je povinne voliteľný v druhom ročníku bakalárskeho štúdia.

Počas laboratórnych cvičení a projektových prác študenti pracujú s ROS-om a majú na výber z takzvaných turtlebotov (obr. 4) – sú to kolieskové mobilné roboty vybavené senzormi, ktorými vedia rozpoznávať prekážky v okolí alebo mapovať priestor. Vďaka inteligentnému priestoru ich možno ľahko lokalizovať v priestore (laboratóriu). Študenti prichádzajú do kontaktu okrem robotov aj s inými prvkami inteligentných systémov, ktorými sú ďalšie senzory, akčné členy a riadiace jednotky. Tieto jednotky môžu použiť ako výpočtové zariadenie na hrane siete na riadenie robotov.

Architektúry priemyselných informačných systémov

V inžinierskom štúdiu máme ďalší povinný predmet v programe inteligentné systémy, a to hneď v prvom ročníku zimného semestra. Tento predmet je povinne voliteľný aj v odporúčanom študijnom programe hospodárska informatika. Náplň predmetu už dáva podrobnejší pohľad na referenčné architektúry priemyselných riešení ako RAMI 4.0, IIRA (Industrial Internet Reference Architecture), IoT referenčný model a iné, pričom dôraz je na servisne orientovanej architektúre (SOA) všetkých modulov informačných a riadiacich systémov (IaRS).

Úlohou študentov počas laboratórnych cvičení a projektovej práce je vytvorenie minimálne dvoch služieb podporujúcich IaRS podniku, ktoré spolu komunikujú pomocou REST (REpresentational State Transfer) alebo SOAP (Simple Object Access Protocol). Týmito modulmi (službami) môže byť napríklad WMS (Warehouse Management System), CRM (Customer Relationship Management), simulácia výrobnej linky, e-shop (obr. 5), podporná služba pre Scrum v IT podniku atď. Na spresnenie, nejde o moduly pre reálne podniky, ale pre podniky, ktoré vymysleli študenti. No úlohy každého jedného systému sa na prednáškach vysvetľujú, takže každá jedna služba spĺňa náležitosti daného systému, ako by išlo o reálny podnik. Spojením s výpočtami na hrane siete je práve zber a predspracovanie dát z výroby, ktoré študenti riešia simulačne, ale algoritmy, ktoré používajú, sa dajú použiť je pre edge zariadenie.

Na tomto predmete majú študenti možnosť získať certifikát IoT Fundamentals: Big Data & Analytics tiež od spoločnosti CISCO.

Záver

Vďaka rýchlemu napredovaniu IoT a IT technológií sa náplň predmetov každoročne mení, ako obsah prednášok, tak aj hardvérové prostriedky v laboratóriách. Preto sú študijné materiály dostupné pomocou webových stránok a aplikácií, aby sa mohli rýchlo aktualizovať. Vysoký podiel v záverečnom hodnotení má projektová práca, ktorá tvorí až 25 % z celkového hodnotenia. Preto dbáme aj na túto činnosť, študenti pracujú v skupinách, pričom si osvojujú agilné metódy vývoja aplikácií a projektov, najčastejšie ide o metódu Scrum, ale poznajú aj iné metódy, napríklad IBM Garage.

V tejto časti sme sa venovali výučbe predmetov na našej katedre, ktorých náplň sa úplne alebo čiastočne venuje téme Smart/Intelligent Edge. Tieto predmety sú súčasťou študijného programu inteligentné systémy. Náplň ďalších predmetov odporúčaného študijného plánu je na portáli MAIS (Modulárny akademický informačný systém – https://mais.tuke.sk/) v sekcii študijné programy. Touto sériou sme chceli čitateľom ukázať, aké sú možnosti riešení na hrane siete. Od návrhu architektúr, algoritmov cez hardvérové a softvérové možnosti, poskytovateľov týchto služieb, prípadové štúdie až po vzdelávanie Smart/Intelligent Edge na KKUI FEI Technickej univerzity v Košiciach.

Poďakovanie

Publikácia bola podporená projektom KEGA 033TUKE-4/2018 AICybS – Smart Industry/Architektúry inteligentných informačných a kybernetických systémov.

Referencie

[1] Papcun, P. – Čupková, D. – Kajáti, E. – Zolotová, I. (2019). Smart/Intelligent edge – prípadové štúdie. In: ATP Journal, roč. 26, č. 8, s. 40 – 41. ISSN 1335-2237.

[2] Zolotová, I. – Sinčák, P. – Paralič, J. (2017). Priemysel 4.0 na Katedre kybernetiky a umelej inteligencie FEI TU v Košiciach. In: Progresívne prístupy a metódy zvyšovania efektívnosti a výkonnosti organizácií. Bratislava: SAPRIA, 2017, s. 203 – 220. ISBN 978-80-972847-0-1.

[3] Vaščák, J. – Kajáti, E. – Zolotová I. (2018). Concept of Intelligent Space in Education of IoT Applications in Robotics. In: ICETA 2018: Proceedings: 16th IEEE International Conference on Emerging eLearning Technologies and Applications. Danvers (USA): Institute of Electrical and Electronics Engineers. s. 629 – 634. ISBN 978-1-5386-7912-8.

[4] Papcun, P. – Čupková, D. – Kajáti, E. – Zolotová, I. (2019). Smart/Intelligent edge – kritériá výberu a hodnotenia parametrov riešení na hrane siete. In: ATP Journal, roč. 26, č. 5, s. 64 – 65. ISSN 1335-2237.

[5] Papcun, P. – Kajáti, E. – Čupková, D. – Mocnej, J. – Miškuf, M. – Zolotová, I. (2019). Edge – enabled IoT gateway criteria selection and evaluation. In: Concurrency and Computation: Practice and Experience. Dostupné na: https://doi.org/10.1002/cpe.5219 (v tlači).

prof. Ing. Iveta Zolotová, CSc.
Ing. Peter Papcun, PhD.
doc. Dr. Ing. Ján Vaščák
Technická univerzita v Košiciach, FEI
Katedra kybernetiky a umelej inteligencie
Centrum inteligentných kybernetických systémov
http://ics.fei.tuke.sk