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Canales Sectoriales
Automatización en la industria 4.0
Existe una tendencia a la revitalización de las competencias industriales y de fabricación en los países más industrializados

‘Visual Computing’ como tecnología facilitadora clave para la Industria 4.0

Jorge Posada, Carlos Toro, Iñigo Barandiaran, David Oyarzun Vicomtech-IK4 Foundation23/02/2016
En este trabajo se presenta una visión completa de la importancia que desempeñan las tecnologías relacionadas con Visual Computing en la materialización de los nuevos paradigmas de Industria 4.0 o Internet industrial.

Existe una tendencia mundial, en los países con altos índice de industrialización, en tratar de definir cómo serán las fábricas del futuro y como revolucionar los productos y los procesos que se desarrollen en ellas. Esta nueva revolución esta apoyada en el desarrollo de Internet de las cosas, lo que facilita el desarrollo y configuración de sistemas ciber-físicos en combinación con otras tecnologías clave. Entre dichas tecnologías cabe destacar las relacionadas con ‘Visual computing’, que además juegan un papel importante como ‘factor aglutinante’ en soluciones completas.

1. Introducción

Hay una tendencia clara en algunas de las economías más avanzadas del mundo hacia la revitalización (y la revolucionación) de las competencias industriales y de fabricación, gracias a los últimos avances en las TIC. Esta tendencia establece que el peso relativo de las TIC en los nuevos enfoques de fabricación irá creciendo en los próximos años, ganando cada vez mayor relevancia. Los gobiernos ltanto locales como regionales son conscientes de la importancia de las TIC en la industria y por esta razón están surgiendo nuevos programas e iniciativas. Iniciativas como Internet industrial y la Advanced Manufacturing Partnership en EE UU, la Industria 4.0, la Nouvelle France Industrielle, etc., son sólo algunos ejemplos de esta visión. Incluso las regiones más pequeñas con una larga tradición en fabricación están siguiendo también esta tendencia desarrollando su propia perspectiva local (por ejemplo, la política de especialización inteligente RIS3 de Euskadi en Manufactura Avanzada).

Totalmente complementaria con los campos de Internet de las cosas y de Internet industrial, pero más centrado en aspectos cercanos a la automatización; la conectividad y la información ubicua, la gestión del ciclo de vida del producto, las tecnologías semánticas y el Industrial Big Data y las tecnologías comprendidas en Visual Computing (VC) proporcionan un soporte viable para las nuevas iniciativas antes mencionadas, como por ejemplo, en la visión alemana de Industrie 4.0 [6], que se utiliza también como visión de referencia en este trabajo.

Algunos de los aspectos fundamentales abordados por el paradigma de Industria 4.0 son: (i) la personalización masiva de los productos facilitada por TICs, en los que la producción debe adaptarse a lotes muy cortos o incluso a lotes unitarios, (ii) la adaptación automática y flexible de las cadenas de producción debido a requisitos cambiantes (iii) la trazabilidad y el self-awareness de piezas y productos y su comunicación con las máquinas y con otros productos, (iv) la mejora de los paradigmas de interacción hombre-máquina (incluyendo la convivencia con robots o con formas radicalmente nuevas de interactuar y operar en la fábrica), (v) la optimización de la producción debido a las capacidades de comunicación habilitadas para la IoT en la Fábrica Inteligente, y (vi) la aparición de nuevos tipos de servicios y modelos de negocio que contribuyan a la aparición de nuevas formas de interacción en la cadena de valor. Como se explica en [6], gracias a la introducción de Internet de las Cosas y Servicios, los sistemas ciberfísicos —CPS— son centrales a esta visión, abriendo la posibilidad al desarrollo de máquinas inteligentes, así como plantas de producción capaces de intercambiar información con autonomía e inteligencia y capaces de decidir y desencadenar acciones.

Para lograr esta visión, tal y como se indica en [11], es necesario capturar, analizar e interactuar tanto con el nivel físico de producción, como con el nivel digital, virtual o IT, con un alto nivel de precisión en todas las dimensiones. Desde esta perspectiva, la aplicación de la informática gráfica o las tecnologías relacionadas con Visual Computing juegan un papel determinante en el desarrollo del paradigma de Industria 4.0. En este artículo se analizan en detalle cómo las tecnologías de Visual Computing actúan como facilitadoras, y eventualmente son determimates, en la materizalizacion de Industria 4.0 e Internet industrial.

‘Visual computing’ se entiende como el campo de la adquisición, análisis y síntesis de los datos visuales mediante ordenadores que proporcionan herramientas útiles y pertinentes al dominio de aplicación [29]. Entre las tecnologías más destacadas de ‘Visual Computing’ se puede citar la Visión por Ordenador, que incluye, entre otras, la interacción Hombre-Máquina, que a su vez está demostrando ser una herramienta instrumental en muchas de las soluciones consultadas.

En este artículo se presenta una conceptualización basada en las principales tecnologías de computación visual dentro del contexto de Industria 4.0. Además, se identifican tecnologías y retos clave que se abordarán por parte de la comunidad científica, acerca de la realización de los conceptos centrales de Industria 4.0. Nuestra propuesta se fundamenta en la opinión común y las experiencias acumuladas de varios centros de referencia de investigación aplicada en Europa y América.

Este trabajo está estructurado de la siguiente manera: en la sección II se presenta una serie de conceptos centrados en los paradigmas de Internet industrial e Industria 4.0, especificando brevemente como éstos muestran la necesidad del empleo de tecnologías de Visual Computing. En la sección III se expone la relevancia de las técnicas de Visual Computing como tecnología central en ambas visiones. Por último, en la sección IV se describen las conclusiones generales de este artículo.

2. Industria 4.0 e Internet industrial como tendencias globales con necesidad de computación visual

La Manufactura Avanzada se define como el tipo de fabricación que implica una rápida transferencia de nuevos conocimientos a los procesos y productos industriales [15]. Está ampliamente aceptado que las TIC son tecnologías clave que aceleran y mejoran la productividad en la industria manufacturera. El despliegue de las TIC en los sistemas de producción al final de la década de los 60 supuso todo una revolución industrial. Las fábricas competitivas de hoy en día no se pueden concebir sin la integración de una pirámide de automatización industrial que incluya PLC, MES, ERP y otras tecnologías clave como ejes principales de la producción, o sin la gestión del ciclo de vida del producto, con el apoyo de herramientas avanzadas de CAD/CAM/CAE, por mencionar sólo unos pocos casos.

La evolución reciente de las TIC está abriendo nuevas y revolucionarias posibilidades para la fabricación y la producción, siendo la más importante la aplicación de las últimas tecnologías relacionadas con Internet. Debido a diferentes razones tanto técnicas, como de mercado y/o culturales, la industria es, paradójicamente, uno de los últimos nichos en ser conquistado por los avances asociados con Internet de las Cosas y sus servicios asociados.

En EE UU, el llamado ‘Industrial Internet - the Third Wave’ es un término acuñado por General Electric en su visionario artículo [1] y que ya es ampliamente aceptado en muchas entidades académicas estadounidenses como NSF I/URCC Center for Intelligence Maintenance Systems (IMS), así como por amplios actores industriales en EE UU. Este término tiene un marcado enfoque centrado en un mayor y mejor grado de inteligencia en la producción, apoyado sobre tecnologías de computación avanzada, así como en nuevos y mejores niveles de conectividad facilitada por Internet [23]. Tres elementos clave caracterizan esta visión: (i) las máquinas inteligentes, (ii) la analítica avanzada, (iii) personas en el trabajo.

En la propia definición del ciclo de datos de Internet industrial [1] se mencionan 5 pilares fundamentales, algunos de ellos directamente relacionados con la computación visual; tales como: análisis de grandes volúmenes de datos, visualización centralizada y remota, o big data analytics.

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Figura 1. Conceptos clave de la Industria 4.0 e Internet industrial. ‘Visual Computing’ tiene relevancia para ambas visiones (visualización, análisis visual, HMI, etc.)

Por otro lado, la iniciativa estratégica Industria 4.0 (cuyo leitmotiv es tan ambicioso como ‘Asegurar el futuro de la industria manufacturera alemana’ [6], ha creado un punto de referencia internacional (y no solo para Alemania), centrado en establecer la visión, oportunidades tecnológicas y retos científicos relacionados con la entrada de la nueva generación de tecnologías TIC, incluido Internet de las Cosas y los sistemas de ciber-físicos (o CPS) [10,16], en los sistemas de producción industriales. El término CPS fue acuñado en los Estados Unidos entre 2006-2008 por Lee et al. [7]. Este concepto ha sido adoptado rápidamente en Europa por Alemania en la iniciativa Industria 4.0 y más tarde por la Unión Europea en su programa marco de investigación H2020 [5]. CPS se refiere a la convergencia del mundo físico y el mundo digital. Cuando este término se aplica a un contexto de producción, CPS se especializa en CPPS o sistemas de producción ciber-físicos. Incluso teniendo en cuenta que hay algunas críticas con respecto a cierta vaguedad y excesiva comercialización del término [4], es ampliamente aceptado que la visión y las tecnologías relacionadas de Industria 4.0 han establecido ya un impacto real en los sistemas de fabricación industrial actuales y futuros [22]. La idea básica detrás de esta iniciativa es que estamos frente a una cuarta revolución industrial (ver figura 2).

Tanto en EE UU como Europa se han creado instituciones de investigación para respaldar, a largo plazo, el compromiso con estas visiones: El Industrial Internet Consortium se constituyó en 2014 y el Industria 4.0 Plattform en 2013.

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Figura 2. Industria 4.0–La 4a Revolución Industrial con CPS [6].

En la figura 3 se muestra una conceptualización de Industria 4.0 y las tecnologías de interacción que estos paradigmas podrían llegar a proporcionar. La convivencia y la interacción mutua del mundo físico y el mundo digital, con el uso de las TIC emergentes, abre nuevas posibilidades tales como:

(i) El aumento en la cooperación hombre-máquina, incluyendo la interacción de los humanos con los robots y máquinas inteligentes.

(ii) El concepto de Redes de máquinas conectadas, siguiendo paradigmas de conectividad a Internet y redes sociales. Un ejemplo interesante propuesto por un productor líder de herramientas de la máquina puede encontrarse en [9].

(iii) La aparición de cadenas de valor descentralizadas y en red. Y finalmente, (iv) La aparición de redes de producto-servicio basado en productos inteligentes y servicios asociados.

Como se muestra en la siguiente sección, los conceptos tecnológicos que siempre figuran relacionados con Industria 4.0 carecen de una cierta cohesión entre ellos. Diferentes tecnologías tales como Big Data, Advanced HMI, Modelado 3D, Simulación, Cloud Computing, Sistemas ciber-físicos, Internet de las Cosas y sus Servicios, comunicciones máquina a máquina (M2M), y Smartization [8] son aplicables e integrables en las soluciones Industria 4.0. Por separado no parecen tener ninguna relación evidente, pero cuando se usan de manera conjunta en un contexto de aplicación industrial su valor añadido aporta nuevas posibilidades.

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Figura 3. Posibilidades de interacción en un escenario de producto máquina-línea-planta inteligente.

En este trabajo proponemos que las tecnologías de ‘Visual Computing’ son una tecnología habilitadora clave que podría actuar como un ‘factor de unión’ capaz de actuar como elemento de cohesión entre varias de dichas tecnolpogías en muchas aplicaciones relacionadas con Industria 4.0 e Internet industrial. A pesar de que en varios escenarios de Industria 4.0 no existe un papel específico para Visual Computing, en muchos casos su papel es determinante como facilitador e integrador de otras tecnologías, mejorando sensiblemente la aplicación final. Como ejemplo significativo de este hecho podrían presentarse, por ejmplo, soluciones de analítica visual que permiten enlazar el procesamiento de grandes volúmenes de datos industriales y su minería, con las tecnologías semánticas y las tecnologías de gestión del ciclo de vida del producto. Cada tecnología por separado tendría un impacto más limitado.

3. ‘Visual Computing’ como tecnología clave facilitadora de la siguiente revolución industrial

Una de las áreas de aplicación de los Gráficos por ordenador de mayor éxito ha sido la industria y la manufactura. Para señalar un ejemplo muy significativo, todo el campo del CAD 3D / CAM / CAE es una consecuencia directa de la aplicación estratégica de los gráficos de ordenador al sector industrial en el momento apropiado. La investigación relacionada con CAD que se inició a finales de los años 60 ha sido decisiva para la competitividad de muchos sectores industriales, donde sobresale la automoción, la aeronáutica, o los sectores de máquina-herramienta. En el caso de la Visión por ordenador, el sector industrial tiene también una gran importancia, especialmente cuando se aplica al control de calidad e inspección de los productos manufacturados, y más recientemente aplicada para el control robótico. Casi todas las industrias manufactureras tienen a día de hoy este tipo de sistemas integrados. Estos ejemplos, complementados por muchos otros, muestran cómo las tecnologías visuales de la computación tienen una posición muy fuerte en la fabricación digital moderna. Consideramos que Visual Computing será también una tecnología habilitadora clave en la nueva generación de Internet industrial e Industria 4.0, junto con otras tecnologías como la automatización industrial.

Tanto en el paradigma europeo Industria 4.0, como en la visión Americana de Industrial Internet, junto con iniciativas similares, es coincidente en la enumeración de un conjunto de tecnologías clave para la realización de dicho paradigma. Sin duda, Internet de las Cosas es la tecnología clave central [2]. Sin embargo, es también cierto que otras tecnologías adicionales son realmente necesarias para obtener soluciones completas, como la ciberseguridad o las tecnologías semánticas [17]. Una visión exhaustiva de estas tecnologías, desde el punto de vista de un organismo competente autorizado, se pueden encontrar en el capítulo 4 de [27]. En este trabajo simplificamos dicha visión integral en la figura 4, señalando la importancia de las tecnologías de Visual Computing en este contexto.

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Figure 4. ‘Visual Computing’ como parte de las tecnologías que conforman la Industria 4.0.

Con el fin de lograr los sistemas ciberfísicos para la industria, procedimientos tales como la simulación virtual de productos y procesos, antes y durante la operación, son un aspecto clave para el logro de objetivos fundamentales en la configuración del producto y la flexibilidad de la producción. El modelado y simulación de procesos que abarcan el ciclo de vida completo del producto (desde el diseño hasta su eliminación) es un aspecto muy relevante, sobre todo con la aparición del concepto de equivalencia cyberfísica o Cyber-Physical Equivalence (CPE), acuñado por Lukas y Stork [11]. Este concepto se refiere al hecho de que las dimensiones y entidades físicas y virtuales coexisten de manera sincronizada en el tiempo. Esta equivalencia, dada en términos de gemelos digitales, ofrece características muy interesantes puesto que ambos pueden solaparse e intercambiar datos entre ellos de manera transparente. CPE es relevante en nuestro enfoque porque el conjunto de herramientas que permitirá dicha equivalencia entre el objeto real y su gemelo digital necesita técnicas avanzadas de gráficos por ordenador para su ejecución en un escenario real. Esta equivalencia puede darse no solo a nivel de producto si no también a nivel de proceso, máquina o planta. Los mecanismos de simulaciones virtuales de procesos deben estar preparados para hacer frente a estrategias de control y producción basadas en auto-organización [21]. Este es un claro ejemplo de la vinculación de Product-Lifecycle-Management, automatización industrial y tecnologías semánticas [20], en el que Visual Computing juega un papel central.

Además de avanzar en las tecnologías de soporte para desarrollar y favoreder la equivalencia cyber-física se necesita una nueva generación de mecanismos de Interacción Hombre-Máquina, aplicado a la industria para optimizar la configuración de trabajos de fabricación, incluyendo no sólo el funcionamiento de las máquinas y líneas de producción, sino también los aspectos relacionados con la formación. Por ejemplo, hay proyectos de investigación relacionados con HMI financiados por el Gobierno alemán en el programa ‘Técnicas virtuales para la Fábrica del Futuro - Una contribución a la Industria 4.0’, [3]. Muchos de dichos proyectos abordan el desarrollo de HMI con un enfoque especial en la utilización de dispositivos móviles personales para la interacción con diferentes entidades CPS de naturaleza diversa y heterogénea. Los mecanismos tradicionales de operación con las máquinas se pueden orientar en el futuro hacia nuevas formas de interacción. Estos nuevos mecanismos relacionados con HMI son por sí mismos una parte esencial de los sistemas de fabricación de hoy en día y que están presentes, cada vez mayor frecuencia, en las líneas de fabricación actuales. Las nuevas tecnologías de HMI como la interacción multi-tácil o la generación de menús contextuales, categorizados por roles de usuario o estados de producción, son nuevos enfoques, tanto desde el punto de vista técnico como desde el punto de vista conceptual, que están empezando a integrarse en algunos de los catálogos de proveedores de máquina-herramienta. Es evidente que el desarrollo de las tecnologías de HMI aplicadas al sector industrial debe estar dirigido hacia la interacción con entidades CPS, para la recogida y análisis de datos, orientadas a que los operadoras puedan disponer de herramientas más cómodas y eficaces que les ayuden en sus procesos de toma de decisiones.

Un último ejemplo está relacionado con el Big Data Industrial y la necesidad de desarrollo de nuevas capacidades de apoyo para la toma de decisiones. El potencial de Visual Analytics; un importante campo científico en computación visual, está sirviendo actualmente como factor aglutinante para unir tecnologías como Industrial Big Data, la IoT-Cloud o tecnologías semánticas, tecnologías que de otra manera permanecerían aisladas e inconexas. El sector industrial es uno de los escenarios más exigentes para la aplicación de técncias de Visual Analytics: como se indica en [18] el orden de productos individuales que ciertas industrias pueden producir al año pueden alcanzar varios millones. Además, el nivel de información proporcionada por las máquinas y líneas de producción más modernas puede ser de muy altas órdenes de magnitud. Una sola máquina compleja puede tener cerca de dos mile de sensores, que en algunos casos se deben leer en tiempos de ciclo muy cortos (milisegundos), proporcionando muchos miles de millones de lecturas por año. Esto requiere no sólo de nuevas formas de manejar la enorme cantidad de información, sino también de nuevas formas de organización de la información de manera que pueda ser fácilmente digerible y compresible por operadores humanos y que, por tanto, les facilite la tarea de toma de decisiones.

Existen otros muchos ejemplos que refuerzan la tesis de la relevancia del Visual Computing en la realización de los paradigmas Internet industrial o Industria 4.0, como pueden ser los proyectos IntoSite de Ford y Siemens, donde se utilizan Sistemas de información geográfica y entornos de realidad virtual para la navegación virtual en plantas de fabricación y compartir información sobre mejores prácticas; o el Laboratorio SmartFactory desarrollado por DFKI en Kaiserslautern (Alemania), demostrando el uso de Visual Computing a través de la aplicación de dispositivos móviles y técnicas de visualización avanzadas, como la Realidad Aumentada, para el acceso y el análisis de la informacióngenerada en una fábrica inteligente.

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Figura 5. Tecnologías de ‘Visual Computing’ relevantes para el paradigma Industria 4.0 [30].

En la figura 5 se muestra un análisis de las tecnologías de ‘Visual Computing’ más relevantes, con respecto a los ejes principales entorno a los que giran las visiones Industria 4.0 e Internet industrial. La descripción de los criterios presentes en esta tabla, así como ejemplos de proyectos concretos que emplean algunas de dichas tecnologías en un contexto de Industria 4.0 están descriptos en detalle en [30]. La figura muestra una interesante confirmación de la relevancia de la computación visual con respecto a ambas visiones y al mismo tiempo representa una forma de alinear las prioridades de investigación en tecnologías específicas con respecto a las diferentes necesidades de generación de nuevos sistemas industriales basados en Industria 4.0.

4. Conclusiones

En este trabajo hemos presentado una visión del cómo las tecnologías de Visual Computing pueden convertirse en una tecnología clave para la realización de los paradigmas Industria 4.0 e Internet industrial. Estas nuevas corrientes están abriendo nuevas posibilidades para aumentar y mejorar la productividad, así como favoreciendo la aparición de nuevas posibilidades y oportunidades de negocio, que permitan asegurar el futuro de la fabricación en las economías más avanzadas. Existen principalmente cuatro razones fundamentales que permiten considerar como las tecnologías relacionadas con ‘Visual Computing’ pueden jugar un papel determinante dentro de estos nuevos paradigmas:

(i) Las raíces profundas de las teclogías 3D CAD/CAM como tecnología clave para la fabricación digital.

(ii) La capacidad de actuar como ‘factor aglutinante’ que habilita la integración entre varias tecnologías clave.

(iii) La componente ‘virtual’ en los sistemas cyberfísicos del paradigma Industria 4.0 apunta directamente en la dirección hacia la que apuntan las tecnologías de visualización, y por tanto de ‘Visual Computing’.

(iv) El factor humano y los mecanimos asociados de HMI se reconocen en ambas visiones como uno de los principales.

A pesar del claro papel central que juegan las tecnologias de ‘Visual Computing’ dentro de este contexto, los documentos de visión estratégicas actuales y literatura de investigación relacionada dan una visión un tanto dispersa y no cohesionada. Este artículo pretende demostrar el fuerte posicionamiento y el papel que desempeñarán las tecnologias relacionadas con la computación visual en los desarrollos actuales y futuros relacionados con Industria 4.0.

Referencias

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Dr. Jorge Posada is Associate Director of Vicomtech-IK4 Foundation (Spain), and President of GraphicsMedia.net. He is guest member from IK4 Research Alliance in the subgroup ‘Industry 4.0’ of acatech (German National Academy of Science and Engineering). He has published over 60 articles in Computer Graphics, virtual engineering and multimedia.

Dr. Carlos Toro is Senior Researcher at Vicomtech-IK4. He is expert in semantic technologies for virtual engineering and has chaired international conferences in the field.

Dr. Iñigo Barandiaran is Head of Department of Industry and Advanced Manufacturing in Vicomtech-IK4. His main research topics in visual computing are Computer Vision and machine learning for feature extraction and recognition.

Dr. David Oyarzun is Head of Department of 3D Animation and Interactive Virtual Environments in Vicomtech-IK4. His main research interests are Virtual and Augmented Reality.

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