Nguồn gốc của sản xuất thông minh

Sản xuất tự động hóa hiện nay có nguồn gốc từ cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 3 với sự ra đời của công nghệ thông tin (CNTT), tự động hóa trong quá trình tổ chức và quản lý sản xuất. Được xúc tác bởi chất bán dẫn, siêu máy tính, laptop (1970 và 1980), Internet (thập niên 1990) trung tâm và khởi nguồn từ Mỹ.

Sự tiến bộ trong công nghệ máy tính và chế tạo máy đã hình thành nền sản xuất tự động hóa từ mô hình sản xuất hàng loạt. Trong sản xuất tự động hóa, vật liệu, linh kiện trong quá trình sản xuất được vận chuyển tự động, lưu trữ trong hệ thống và được truy xuất thông tin tự động khi cần thiết.

Các công cụ máy chủ yếu được điều khiển bởi máy tính, ít được điều khiển trực tiếp bởi con người. Tùy thuộc vào phạm vi và mức độ tự động hóa của quá trình sản xuất, các thuật ngữ khác nhau được sử dụng để mô tả về sản xuất tự động hóa như: buồng sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Cells) từ những năm 1980; hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Systems); sản xuất tích hợp với máy tính (Computer Integrated Manufacturing).

Vào khoảng năm 1990, thuật ngữ sản xuất thông minh được xuất hiện, cũng với việc phát hành và xuất bản chính thức “Tạp chí Sản xuất Thông minh” (Journal of Intelligent Manufacturing) và cuốn sách “Hệ thống Sản xuất Thông minh” (Intelligent Manufacturing Systems). Tạp chí sản xuất thông minh là diễn đàn quốc tế duy nhất cho các nhà phát triển hệ thống sản xuất thông minh.

Thông qua hoạt động xuất bản các bài báo có chất lượng cao được giới thiệu về ứng dụng của công nghệ thông tin, đặc biệt là trí tuệ nhân tạo trong sản xuất, tạp chí là kênh liên kết quan trọng giữa cộng đồng nghiên cứu và các nhà sản xuất về hoạt động sản xuất thông minh.

Cùng vào thời điểm đó, vào năm 1995, Nhật Bản bắt tay nghiên cứu sản xuất thông minh và ghi dấu ấn trong lịch sử thông qua việc hình thành Chương trình Hệ thống sản xuất thông minh (Intelligent Manufacturing Systems, IMS) để hỗ trợ phát triển công nghiệp. IMS là một chương trình nghiên cứu của Nhật Bản tập trung vào lĩnh vực công nghiệp dựa trên các công nghệ sản xuất tiên tiến. Nhật Bản đã triển khai IMS trong tổng cộng 15 năm, trong "Giai đoạn 1" (từ 1995 đến 2005) và "Giai đoạn 2" (từ 2005 đến 2010).

Trong giai đoạn 1, tập trung nghiên cứu các quy trình sản xuất, Nhật Bản đã đạt được kết quả quan trọng trong các lĩnh vực từ lập kế hoạch và thiết kế sản phẩm đến xử lý sản phẩm. Trong giai đoạn 2, Nhật Bản đã đề xuất một khung mới, được gọi là "Nền tảng công nghệ sản xuất" (Manufacturing Technology Platform, MTP). MTP đã có những đóng góp cho hoạt động của IMS ở các góc độ khác nhau, là tiền đề để hình thành khung IMS trong tương lai.

Sản xuất thông minh tích hợp các thiết bị sản xuất với các cảm biến dựa trên nền tảng điện toán, truyền thông, mô hình hóa dữ liệu, điều khiển, mô phỏng và kỹ thuật dự đoán... Với các công nghệ “hệ thống thực ảo”, internet vạn vật, điện toán đám mây, điện toán phục vụ, trí tuệ nhân tạo và khoa học dữ liệu... sản xuất thông minh chính thức trở thành trụ cột quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4.

Doanh nghiệp áp dụng mô hình, công cụ, giải pháp sản xuất thông minh trở thành doanh nghiệp sản xuất thông minh. Mô hình doanh nghiệp sản xuất thông minh được minh họa dưới đây.

Mô hình doanh nghiệp sản xuất thông minh gồm hai lớp cơ bản (lớp thiết bị sản xuất - hay còn gọi là “hệ thống sản xuất thực”) và lớp không gian mạng (hay còn gọi là “hệ thống sản xuất ảo”), được liên kết bởi lớp giao diện. Lớp thiết bị sản xuất có thể có mức độ thông minh riêng, nhưng mức độ thông minh toàn hệ thống sản xuất thông minh của doanh nghiệp được quyết định bởi lớp không gian mạng.

Các trụ cột trong sản xuất thông minh

Về cơ bản, sản xuất thông minh có 6 trụ cột chính là (1) quy trình và công nghệ sản xuất, (2) vật liệu, (3) dữ liệu, (4) kỹ thuật dự đoán, (5) tính bền vững, (6) chia sẻ tài nguyên và kết nối mạng.

Trụ cột 1: Quy trình và công nghệ sản xuất

Trong hệ thống sản xuất thông minh, quy trình và công nghệ sản xuất sẽ được tích hợp nhiều hơn. Ví dụ: việc tích hợp các vật liệu mới, quy trình thiết kế sản phẩm và quy trình sản xuất sẽ dẫn đến việc hình thành và phát triển một loại thuốc mới, thiết bị mới và quy trình, công nghệ sản xuất thuốc và thiết bị đó. Sản xuất 3D một ví dụ về công nghệ mới thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu mới, tác động đến việc thiết kế và sản xuất các sản phẩm, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng mới như sản xuất sinh học (biomanufacturing).

Trụ cột 2: Vật liệu

Vật liệu thông minh và các sản phẩm thông minh sẽ được hình thành và đi theo con đường phát triển riêng. Sản xuất thông minh là con đường phát triển cho tất cả các loại vật liệu, bao gồm: vật liệu hữu cơ, vật liệu sinh học và các vật liệu khác cần thiết để sản xuất các sản phẩm trong tương lai. Một số vật liệu mới sẽ hình thành với các quy trình mới trong sản xuất thông minh. 

Trụ cột 3: Dữ liệu

Trong sản xuất thông minh, việc thu thập dữ liệu lớn hơn từ nhiều nguồn khác nhau, từ đặc tính vật liệu và từ thông số của khách hàng, nhà cung cấp đóng vai trò hết sức quan trọng. Dữ liệu sẽ được sử dụng hiệu quả cho tất cả hoạt động sản xuất của doanh nghiệp từ nhà máy, mạng lưới cung cấp, cửa hàng, chuỗi cung ứng… và xây dựng các mô hình dự đoán. Bên cạnh đó, dữ liệu là nguồn tốt nhất để lưu dữ các kiến thức cũ, khai thác các kiến thức mới liên quan đến sản xuất.

Trụ cột 4: Kỹ thuật dự đoán

Kỹ thuật dự đoán là một trong những bổ sung mới nhất vào hệ thống các giải pháp hỗ trợ sản xuất, qua đó, thay vì “phản ứng” các doanh nghiệp sẽ “dự đoán” và chủ động có giải pháp xử lý vấn đề. Theo truyền thống, các ngành công nghiệp sản xuất tập trung vào việc sử dụng dữ liệu để phân tích, giám sát và kiểm soát quá trình sản xuất. Ví dụ: phân tích năng suất, giám sát quá trình và kiểm soát chất lượng.

Six sigma và các công cụ nâng cao năng suất chất lượng của doanh nghiệp tập trung phân tích dữ liệu của doanh nghiệp, qua đó đưa ra các giải pháp có tác động lớn, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và dịch vụ hiện tại của doanh nghiệp. Tuy nhiên, phần lớn các giải pháp truyền thống đều chỉ tập trung vào các công cụ, giải pháp để xử lý vấn đề của quá khứ và hiện tại, chưa có công cụ, giải pháp để dự đoán và xử lý các vấn đề tương lai của các quy trình và hệ thống sản xuất.

Kỹ thuật dự đoán đưa ra các “mô hình số” (Digital Models) để dự đoán các vấn đề sản xuất của doanh nghiệp trong tương lai. Những mô hình như vậy sẽ cho phép khám phá “các không gian trong tương lai” trong đó có sự tồn tại của công nghệ hiện có và các công nghệ mới chưa từng thấy trước đây.

Đó có thể là các mô hình có phạm vi giới hạn (ví dụ: “mô hình số” về chuỗi cung ứng) hoặc mô hình tích hợp nhiều hệ thống (ví dụ: “mô hình số” về tích hợp năng suất, chất lượng sản phẩm, năng lượng và vận chuyển) để hỗ trợ các quyết định liên quan đến sản xuất trong tương lai, đáp ứng yêu cầu của thị trường.

Trụ cột 5: Tính bền vững

Tính bền vững có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất thông minh. Mục tiêu của tính bền vững là giải quyết triệt để các vấn đề của vật liệu, quy trình sản xuất, năng lượng và chất ô nhiễm sinh ra trong quá trình sản xuất. Tính bền vững của sản suất thông minh được thể hiện trong sản phẩm và thị trường.

Các sản phẩm và quy trình được thực hiện theo các tiêu chí bền vững sẽ mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp. Thiết kế sản phẩm có tính bền vững sẽ thúc đẩy sản xuất của doanh nghiệp và ngược lại, xây dựng quy trình sản xuất bền vững sẽ tác động đến thiết kế sản phẩm có tính bền vững.

Tính bền vững không chỉ thể hiện ở sản phẩm được sản xuất, mà còn thể hiện ở cách thức sản xuất. Ví dụ, đối với sản phẩm được tạo ra từ công nghệ in 3D: tính bền vững không chỉ thể hiện ở sản phẩm mà còn được thể hiện ở quy trình sản xuất in 3D, quy trình 20.

Trụ cột 6: Chia sẻ tài nguyên và kết nối mạng

Hệ thống sản xuất thông minh đang trở thành hệ thống kỹ thuật số và ảo. Trong khi quá trình sản xuất với máy móc, thiết bị và con người ở được thực hiện ở “hệ thống sản xuất thực”, phần lớn các hoạt động sáng tạo và ra quyết định sẽ diễn ra trong “hệ thống sản xuất ảo”.

Ở một góc độ nào đó, “hệ thống sản xuất ảo” là môi trường có tính minh bạch cao, do đó, các trang thiết bị sản xuất và tài sản trí tuệ của doanh nghiệp trong “hệ thống sản xuất thực” sẽ được bảo vệ. Sự tách biệt “hệ thống sản xuất thực” và “hệ thống sản xuất ảo” này sẽ cho phép doanh nghiệp sử dụng chung các nguồn lực tài nguyên.

Với quan điểm này, sản xuất thông minh sẽ được hưởng lợi trên cơ sở chia sẻ thiết bị sản xuất, phần mềm, chuyên môn và quan trọng nhất là không gian sáng tạo cho sản xuất. Tuy nhiên, việc chia sẻ không gian sáng tạo là thách thức. Việc áp dụng các nguyên tắc chia sẻ tài nguyên thông tin, dữ liệu như của Facebook và Wikipedia cho các lĩnh vực sản xuất khác nhau là không dễ dàng. Trong sản xuất thông minh, tất cả giao dịch chia sẻ tài nguyên sẽ được thực hiện chủ yếu trong “hệ thống sản xuất ảo” nhiều hơn trong “hệ thống sản xuất thực”.

Có thể nói, vai trò của các nhà máy sản xuất tự động đã được chứng minh từ nhiều thập kỷ trước. Trong giai đoạn sắp tới, một số nhà máy thông minh sẽ được tự động hóa cao. Tuy nhiên, sản xuất thông minh không phải là về mức độ tự động hóa trong sản xuất; sản xuất thông minh là sự tự chủ, tiến hóa, mô phỏng và tối ưu hóa quá trình sản xuất của doanh nghiệp. Phạm vi mô phỏng và tối ưu hóa quá trình sản xuất sẽ phụ thuộc vào các dữ liệu và công cụ có sẵn của doanh nghiệp. Mức độ "thông minh” của một doanh nghiệp sản xuất sẽ được xác định theo mức độ ánh xạ của quá trình sản xuất của doanh nghiệp trong “hệ thống sản xuất thực” trên “hệ thống sản xuất ảo”.

Hà My

(Lược trích từ cuốn "Những vấn đề cơ bản về sản xuất thông minh” - Tổng cục TCĐLCL)