Индустриализация на основе роботизации: варианты постановки задачи создания (внедрения) технической системы

Лагута В.С.1, Калиниченко С.В.2
1 Общество с ограниченной ответственностью «Институт производственных исследований»
2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Статья в журнале

Вопросы инновационной экономики
Том 12, Номер 3 (Июль-сентябрь 2022)

Цитировать:
Лагута В.С., Калиниченко С.В. Индустриализация на основе роботизации: варианты постановки задачи создания (внедрения) технической системы // Вопросы инновационной экономики. – 2022. – Том 12. – № 3. – doi: 10.18334/vinec.12.3.115001.

Аннотация:
В статье рассмотрены организационные аспекты создания производственных роботизированных систем и варианты постановки этой задачи. Сформулированы основные цели внедрения и вероятные рыночные ограничения этого процесса. На примере строительного робототехнического комплекса (РТК) приведены результаты анализа вариантов постановки задачи роботизации, в том числе даны стоимостные и временные оценки концептуальных вариантов технических решений.

Ключевые слова: автоматизация рабочих мест; аспекты роботизации; оценка вариантов технических решений; принятие решений

JEL-классификация: O31, O32, O33



Введение

В настоящее время мы наблюдаем ускорение темпов внедрения результатов интеллектуальной деятельности в экономику России. Активно обсуждается и соответственного "обрастает" программами, регламентами и другими руководящими материалами так называемая "новая индустриализация" как перспектива формирования производственной основы рыночной экономики [1]. Один из актуальных инструментов этого процесса - автоматизация рабочих мест с использованием робототехники. С развитием технических возможностей замены ручного труда на роботизированные решения для современной экономики появляются дополнительные требования и ограничения. Поскольку широкое внедрение роботизации и интеллектуальных систем в производственную практику России все-таки еще "в начале пути" соответствующие аспекты этого процесса только начинают оформляться, например:

- социальный аспект - вероятное увеличение числа безработных среди неквалифицированной рабочей силы,

- налоговый аспект - снижение поступлений в социальные фонды;

- политический аспект - реноме производственного сектора страны;

- информационный аспект - широкое распространение информационных роботов (ботов) в сферах услуг;

- правовой аспект - мера ответственности в различных производственных ситуациях;

- этический аспект - совместная работа робота и человека (коллаборативная робототехника).

Эти вопросы уже сейчас находят отражение в том числе в нормативных регламентирующих документах не только в странах-лидерах по созданию автоматизированных производств, но и в России [2,3,4].

Цель настоящего исследования - организационный аспект создания в России подобных систем, а именно - кто и в каком случае может выступить заказчиком в задании на разработку, проектирование, финансирование и внедрение. И как следствие, какие варианты постановки подобной задачи возможны при внедрении роботизации в действующие производственные процессы хозяйствующих субъектов.

Основная часть

Рассмотрим подробнее постановку подобной задачи для условий хозяйственного комплекса России в обобщенном виде [1]:

Первый подход - на основе ранее отработанных решений по роботизации отдельных составляющих производственного процесса в целом;

Второй подход - на основе требований, предъявляемых к перспективной технической системе с использованием промышленных роботов эксплуатантами в предметной области;

Третий подход - на основе предельной (лимитной) стоимости роботизации "подъемной" для потенциального потребителя (или "первого Заказчика").

В первом случае в качестве Заказчика может выступить организация (производственная или исследовательская), располагающая соответствующими наработками в указанной области. Целью вложения средств в этом случае выступает не получение непосредственно прибыли, но достижение косвенного эффекта - расширение возможностей (а соответственно рыночного потенциала!) выпускаемой технологической линейки оборудования, продвижение соответствующей марки на рынке профильных инжиниринговых услуг и т.д. К сожалению это не наш вариант, поскольку в России нет заметных производителей (производств) промышленной робототехники. Но в качестве примера приведем зарубежный опыт представленный в отечественных публикациях: экспериментальный РТК укладки кирпичей [5], перемещения строительных материалов [6] и многие другие [7]. Источником финансирования здесь являются как собственные средства предприятия (большая часть), так и различные гранты, привлекаемые соисполнителями подобных разработок.

Во втором случае - это исследовательские и инжиниринговые центры ориентированные на создание перспективных технических решений и подготовку соответствующих кадров. Источником финансирования являются как правило бюджетные гранты или целевые заказы крупных госструктур, в том числе военно-промышленного комплекса. Например разработки агентства DARPA (США), SASTIND (Китай), Фонд перспективных исследований (Россия), НУЦ "Робототехника МГТУ им. Н.Э.Баумана и другие.

В третьем случае - это "коммерсанты", то есть производственные структуры [2], которые по "внутренним" экономическим соображениям соответствующего бизнеса пытаются обеспечить устойчивое развитие и получение (или сохранение) прибыли за счет индустриальных методов автоматизации производственных процессов, в том числе роботизации, например автоматический завод по производству газобетонных блоков [8], программа автоматизация группы "Черкизово" [9], Московский нефтеперерабатывающий завод [10] и многие другие [11, 12].

И если первые два случая формируют общий научно-технический задел, то последний вариант представляет воплощение индустриальных методов в практической хозяйственной деятельности предприятий, что собственно и определяет цели новой индустриализации. Именно поэтому варианты постановки задачи создания технических систем автоматизации рабочих процессов в этом случае представляют наибольший интерес.

Какие же цели преследуют предприниматели в исследуемом случае:

- повышение производительности труда - наибольшее количество внедряемых систем;

- восполнение дефицита "рабочих рук" на стадиях производственного процесса низкой квалификации - массовое производство в машиностроении, сельскохозяйственное производство, вспомогательные процессы (погрузка-выгрузка, упаковка) и др.;

- обеспечение гарантированного качества процесса (исключение "человеческого фактора");

- снижение издержек производства при сохранении текущей производительности труда - как правило в области вредных и опасных производств;

- обеспечение требований охраны труда и безопасности производств.

Попытки обеспечить достижение запланированных целей за счет автоматизации (вплоть до роботизации) рабочих процессов требуют значительных вложений, так как стоимость внедрения и эксплуатации соответствующего оборудования существенно высока. Обеспечение окупаемости предстоящих расходов в пределах рыночной целесообразности для целей снижения издержек производственного процесса, гарантированного качества и обеспечения требований безопасности просчитывается достаточно очевидно. Достаточно соотнести прогнозируемую стоимость разработки, внедрения и эксплуатации соответствующих систем автоматизации с суммами возможных затрат, в том числе штрафов, компенсаций и т.п. Моральная сторона такого расчета конечно остается на совести предпринимателя, но тем не менее все имеет свою стоимость. Кроме того зачастую требования автоматизации (роботизации) такого рода процессов выносятся непосредственно в техническое задание (ТЗ) создания соответствующих производств и поэтому сразу закладываются в стоимость конечного бизнес-продукта.

Сложнее ситуация в первых двух случаях, поскольку обеспечение окупаемости предстоящих расходов в пределах рыночной целесообразности здесь возможно только за счет соответствующего повышения производительности. Очень важно: повышение производительности автоматизируемого процесса должно приводить в итоге к увеличению выпуска конечной продукции внешнего (обеспечиваемого) бизнес-продукта. Причем этот дополнительный продукт должен иметь своего потребителя, а не затоваривать складское хозяйство.

Если автоматизируемый процесс собственно является тем самым "узким местом" производственного процесса в целом - мы можем констатировать что рынок (реализация конечного бизнес-продукта) накладывает ограничения:

1. либо на требуемую производительность автоматизируемого процесса (обозначим Q, ед. изделия/час) - то есть обеспечение плановой производительности, на основе которой рассчитана экономическая эффективность бизнеса;

2. либо на стоимость внедряемых средств автоматизации (обозначим S, млн. руб.), то есть определен лимит затрат на автоматизацию (роботизацию), который допустим в пределах расчетной экономической эффективности бизнеса [3].

Рассмотрим изложенные положения на примере исследовательских работ по оценке возможности создания РТК укладки газобетонных блоков (ГБ) в индустриальном строительстве при возведении зданий и сооружений [13, 14], для которого обеспечение расчетного план-графика возведения здания (сооружения) является одним из важнейших требований [13, с. 1452].

Поэтажная укладка ГБ достаточно трудоемкая часть общего процесса строительства, выполняемая вручную. Сокращение времени на возведение стен и межкомнатных перекрытий позволило бы существенно сократить общее время возведения объекта строительства - в рассматриваемом случае это то самое "узкое место".

Сформулируем варианты постановки задачи для "развязки" этого "узкого места" за счет совершенствования процесса кладки:

1. Совершенствование рабочего процесса кладки ГБ;

2. Автоматизация части рабочего процесса кладки ГБ;

3. Исключение строителя-кладчика из рабочего процесса кладки ГБ.

Для сравнительного анализа и выбора приемлемого (возможного) варианта помимо ранее указанных факторов - производительность, Q (кол-во шт. ГБ/час) и ориентировочная стоимость, S (млн. руб.), для рассматриваемого производственного процесса укладки ГБ используем оценку фактора мобильности - М (час) - потери времени на межкомнатное и межэтажное перемещение средств автоматизации рабочего процесса кладки ГБ. Очевидно Q=F(S;М).

Для наглядности результаты анализа вариантов представим в табличном виде - табл. 1.

Таблица 1. Сравнительный анализ вариантов технических решений по автоматизации процесса кладки ГБ (составлено авторами).

Вариант
технического
решения
Совершенствование рабочего процесса
Автоматизация части рабочего процесса
Исключение кладчика из рабочего процесса
Концептуальное решение
Вариант
Использование приспособлений, инструментов, вспомогательного оборудования
(А)
Вспомогательные системы подачи ГБ для кладчика – конвейерная система подачи ГБ на позицию выдачи. (Б)
Коллаборативная система – роботизированная подача ГБ в зону кладки
(В)
Манипуляционная система кладки – строительный РТК
(Г)
Кладочная машина *
(Д)
Ориентировочная стоимость, млн. руб.
0,5 … 1,0
3,0 … 5,0
15,0…20,0
30,0…35,0
10,0…15,0
Оценка производительности,
Q (кол-во ГБ/час)

< 1,1

< 1,2

< 1,5

< 2,0

>2,0
Мобильность
Очень высокая
Средняя
Высокая
Низкая
Очень низкая
Оценка производительности с учетом перемещения по этажам

< 1,1

< 1,1

< 1,3

< 1,5

< 1,2
Проблемы создания
Отсутствуют
Необходимость привлечения проектной организации.
Необходимость привлечения проектной организации. Интегрированная система управления. Подбор робота.
Необходимость привлечения проектной организации. Интегрированная система управления.
Необходимость привлечения проектной организации. Интегрированная система управления.
Проблемы эксплуатации
Ограничения по весу ГБ. Нестабильное качество, низкая ответственность кладчика
Ограничения по весу ГБ. Нестабильное качество. Сложность установки и перемещения
Ограничения по весу ГБ. Сложность установки и перемещения. Освоение робота. Высокая квалификация персонала
Высокая квалификация персонала.
Сложность монтажа /демонтажа.
Оценка ориентировочного времени создания, Т (мес.)

< 2

8…10

до 24

до 36**

до 30**
* - конструктивное решение авторов; ** - с учетом проведения испытаний (примерно 6 месяцев)

Заказчик определил лимит на разработку и внедрение опытного образца в сумме до 10,0 млн. рублей и продолжительность проектных и опытно-конструкторских работ до полутора лет. При этом планируемое (расчетное) повышение производительности кладочных работ должно составить не менее 1,5 раза. Из таблицы видно что поставленным условиям удовлетворяют варианты А, Б, Д - по лимиту стоимости и варианты В, Г, Д - по производительности. По двум ограничениям приемлемым вариантом оказывается вариант Д - кладочная машина (КМ).

Однако проведенный анализ, результаты которого представлены выше показывает, что ожидаемое существенное повышение производительности при использовании КМ является локальным и соответствующие стоимостные преимущества оказываются бесполезными. При рассмотрении производственного процесса кладки по зданию в целом потери времени на переустановку и отладку КМ "съедают" ожидаемый выигрыш. Общий вывод исследования - для сформулированной заказчиком постановки задачи в настоящее время приемлемым остается рационализация рабочего процесса кладки за счет использования усовершенствования инструментов и приспособлений, а также увеличения количества "рабочей силы" на объекте строительства.

Проведенные исследования показали, что техническое решение, обеспечивающее требуемую производительность «с одного установа» может быть эффективным и коммерчески выгодным только для объемного малоэтажного строительства, например крупных складских комплексов, инженерных систем обеспечения и т.п. Кстати, по меркам зарубежных рынков и затраты на создание технического комплекса невелики.

Заключение

По мнению авторов такая предварительная проработка проблемной части производственного процесса позволяет еще "в начале пути" определиться со степенью автоматизации на которую может "замахнуться" инвестор (владелец бизнеса). Что в свою очередь не только минимизирует стоимость будущих проектно-внедренческих работ, но и избавит инвестора от иллюзий упрощенного подхода к внедрению средств автоматизации, в том числе робототехники.

Анализ показывает, что для современных экономических условий России шансов на широкое внедрение робототехники в индустриализацию производственных процессов рыночного сектора на основе отечественных разработок практически нет. Основная причина по-прежнему та же - отсутствие конкурентоспособной технологической базы создания роботизированных систем с одной стороны, и отсутствие экономических условий для ее создания , с другой. Но этот вывод скорее руководство к действию, в том числе в плане реализации государственной политики по индустриализации. Продуманная постановка задач, разносторонняя поддержка частной инициативы в этом направлении должны изменить положение дел.

[1] в настоящем материале мы не рассматриваем разработку и внедрение информационных роботов (ботов), а также робототехнику, создаваемую для непроизводственной сферы применения (спорт, развлечения и т.п.)

[2] имеются в виду действующие индустриальные производства рыночного сектора экономики

[3] без учета экономики тиражируемости создаваемых технических решений


Источники:

1. Лагута В.C. Новая индустриализация в России как часть общемировой тенденции развития производственного сектора // Компетентность. – 2021. – № 8. – c. 32-35.
2. European Parliament resolution of 16 February 2017 with recommendations to the Commission on Civil Law Rules on Robotics.
3. Report of COMEST on robotics ethics SHS/YES/COMEST-10/17/2 REV.
4. Распоряжение Правительства РФ от 19 августа 2020 г. № 2129-р «Об утверждении Концепции развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники на период до 2024 г.».
5. Арзуманов А.А., Окунева К.В. Использование робота-каменщика в строительстве // Воронежский научно-технический Вестник. – 2019. – № 1(27). – c. 128-131.
6. Наумов И.И., Тертышникова В.Р., Моторин Д.М. Анализ мехатронных систем для перемещения материалов на объектах строительства. / В сборнике: Научная весна-2021. Технические науки. Сборник научных трудов: научное издание. - Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ в г. Шахты, 2021. – 205-213 c.
7. Столярова Т.А., Ломиногин А.С., Туковская Л.А., Коротаев В.С. Зарубежный опыт разработок роботов для применения в строительстве // Строительство. – 2020. – № 2(6). – c. 35-40.
8. Лагута В.С., Малыхин А.Ю., Филипов А.А. Концепция открытого проекта цеха по изготовлению газобетонных блоков // Компетентность. – 2015. – № 8. – c. 22-25.
9. TADviser - Портал выбора технологий и поставщиков. [Электронный ресурс]. URL: https://www.tadviser.ru//index.php/Проект: Завод_Черкизово_в_Кашире_ (производство_без_людей) (дата обращения: 25.05.2022).
10. RoboTrends: Информационный портал. [Электронный ресурс]. URL: https://robotrends.ru/pub/2037/robota-ronavi-h1500-ispytali-na-moskovskom-npz (дата обращения: 25 мая 2022).
11. Хабр: Информационный портал. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/403323/ (дата обращения: 25.05.2022).
12. Промышленная робототехника, 2021, № 3, Ноябрь.
13. Лагута В.С., Калиниченко С.В., Кузнецов В.Э. Оценка возможности и целесообразности создания строительного РТК укладки газобетонных блоков // Вестник МГСУ. – 2020. – № 10. – c. 1450-1460.
14. Лагута В.С., Калиниченко С.В., Кузнецов В.Э. Разработка концепции строительного робототехнического комплекса по укладке газобетонных блоков // Вестник машиностроения. – 2021. – № 3. – c. 86-88.
15. Лагута В.С., Малыхин А.Ю., Филипов А.А. Концепция открытого проекта цеха по изготовлению газобетонных блоков // Компетентность. – 2015. – № 9. – c. 60-63.

Страница обновлена: 30.06.2022 в 18:13:42