Aktuální oblasti výzkumu a vývoje v automatizační technice

Aktuální oblasti výzkumu a vývoje v automatizační technice

Ve dnech 4. až 8. července 2005 se bude v Praze konat 16. světový kongres Mezinárodní federace pro automatické řízení – IFAC (International Federation of Automatic Control). Světové kongresy IFAC se konají jednou za tři roky. O tom posledním, který se uskutečnil v Barceloně, se mohli naši čtenáři dočíst v [1]. Kongresy jsou významnou příležitostí k představení nových směrů výzkumu a vývoje v oblasti teorie řízení, řídicí a automatizační techniky a k prezentaci aplikací výsledků výzkumné a vývojové činnosti v praxi. Účastníci pražského kongresu, kterých by podle předpokladů organizátorů mělo být okolo dvou a půl tisíce, budou moci vyslechnout množství plenárních přednášek, zhlédnout několik prezentací v přednáškové i posterové sekci a v rámci panelových diskusí rozmlouvat se špičkovými odborníky z celého světa. Počet přihlášených příspěvků je rekordní a pohybuje se na hranici toho, co je organizační a programový výbor vůbec schopen zvládnout: každý příspěvek musí být posouzen několika lektory, autor vyrozuměn o výsledku a vybrané příspěvky potom sestaveny do logicky členěných sekcí. Při počtu příspěvků řádově v tisících je to obrovské množství práce.

Součástí kongresu budou také tutoriály a workshopy, které umožní účastníkům i zájemcům z řad studentů i z praxe seznámit se s novými principy, metodami, postupy a technickými prostředky vyvinutými v posledních několika letech.

Jaká témata budou v Praze projednávána?

Připomeňme, že posláním IFAC je propagovat vědu a techniku zabývající se řízením systémů všech druhů: inženýrských, fyzikálních, biologických, sociálních i ekonomických, a to jak v teoretické rovině, tak v rovině aplikační. Nezanedbává se ani otázka dopadů aplikace řídicí techniky na společnost. (Podrobněji se o federaci IFAC, o jejích cílech a organizační struktuře psalo v článku [2].)

O konkrétních tématech, na něž se v současné době soustřeďují výzkumné a vývojové aktivity světové komunity v oblasti automatického řízení, se hovořilo na semináři IFAC, který se konal v loňském roce v Rotterdamu (Nizozemí). Účastníci semináře, tj. členové technických výborů IFAC a vybraní představitelé průmyslu, byli vyzváni, aby vyslovili svůj názor na klíčová témata výzkumu a vývoje. Po jejich zpracování a diskusi byly významné oblasti, na než se především soustředí úsilí vědců a výzkumníků, shrnuty do tezí, jež jsou uvedeny v tab. 1 [3].

Tab. 1. Významné oblasti vývoje v teorii i praxi automatizační techniky

Pro následnou panelovou diskusi, která proběhla za účasti širšího fóra (účastnili se jí i mnozí návštěvníci souběžně pořádaného sympozia IFAC o identifikaci systémů SYSID a členové národní nizozemské organizace IFAC), bylo vybráno pět nejdůležitějších témat.

Integrované a vestavné řídicí systémy

Významný pokrok v určitých oblastech techniky v uplynulém desetiletí umožňuje v praxi uplatnit novou architekturu řídicích systémů. Jde o moderní snímače a akční členy (mnohé z nich využívají mikroelektromechanické systémy – MEMS), o zvyšování výkonu počítačů, mikropočítačů a digitálních signálových procesorů a o obrovský pokrok v komunikační technice. Výsledkem jsou dva základní vývojové trendy. První je integrace strojového vnímání (senzorů, měřicí techniky) do řídicích modulů nebo akčních členů. Dvě původně oddělené funkce – snímání a řízení – se tak spojují v jediném zařízení, které může snímat, co se děje, rozhodovat, co má udělat, a potom vykonat potřebný zásah.

Druhý trend je vytváření distribuovaných řídicích systémů využívajících kromě konvenčních komunikačních sítí stále více i bezdrátový přenos dat. Komunikační prostředky spojující vestavěné řídicí moduly umožňují snadno a kvalitně realizovat vazby v rozlehlých regulačních obvodech.

Integrované a vestavné (embeded) řídicí systémy jsou důležité v medicíně, pomáhají optimalizovat spotřebu energie, používají se při řízení dopravních prostředků a jsou stále častěji používány v mnoha zařízeních denní potřeby.

Distribuované řídicí systémy a komunikační sítě

Současný vývoj v teorii řízení, v automatizační technice i vývoj softwaru umožnily, aby se distribuované řídicí systémy staly běžnou součástí automatizační praxe. Početné subsystémy, každý se svou oblastí autonomie (jež se ovšem vzájemně nepřekrývají), mohou být integrovány do rozsáhlých velmi komplexních řízených soustav. Jak se rozvíjejí distribuované řídicí systémy, stává se pravidlem, že si různé typy zařízení mezi sebou vyměňují informace pomocí komunikačních sítí. Nové možnosti v této oblasti otevírá rozvoj bezdrátových komunikací.

Ačkoliv teorie řízení, teorie informace a teorie komunikace jsou vyspělé a dlouhodobě sledované disciplíny, mnohé problémy, které se vyskytují v distribuovaném řízení a mají velký vliv na jeho efektivitu, zatím nejsou uspokojivě vyřešeny (konflikt rozhodnutí, alokace zdrojů, problém mrtvého bodu atd.). Teorie řízení se musí věnovat vlivu zpoždění, které vzniká v komunikačních kanálech, na kvalitu regulace, chybám vznikajícím kvantováním signálů, vlivu šumu, vlivu náhodné ztráty informace, manipulacím s daty a bezpečnosti a spolehlivosti systémů. Pozornost musí být věnována také konstrukci kodérů, dekodérů, estimátorů, filtrů a dalších přenosových prvků.

Řízení za spolupráce (collaborative control)

Distribuované řídicí systémy jsou typicky složeny z mnoha různých subsystémů nižší úrovně, které mají své vlastní řídicí funkce a svou vlastní odpovědnost za určitou část celého systému. Spolupráce mezi těmito vzájemně provázanými subsystémy je základní podmínkou pro to, aby bylo možné optimálně využít jejich společný potenciál.

Trend vytvářet kooperující řídicí systémy je patrný u všech druhů systémů.

Za prvé, kooperují spolu stroje. Například pro týmy robotů (včetně např. mikrorobotů a nanorobotů) jsou vyvíjeny stále nové metody řízení za spolupráce, metody, které dokážou eliminovat selhání nebo chyby jedinců a řídit jejich interakce. Jsou vyvíjeny protokoly pro komunikaci a řízení odolné proti chybám.

Za druhé, kooperují také stroje s lidmi. Kvalita řízení se zlepšuje v důsledku lepšího pochopení procesů, které se odehrávají při sdílení úkolů mezi strojem a člověkem. Pochopení těchto procesů potom vede k dokonalejšímu respektování lidského faktoru a také k lepšímu učení (adaptaci) strojů. Do této oblasti patří i vývoj stále dokonalejších zobrazovačů, nových typů ovládacích zařízení a snímačů a akčních členů lépe přizpůsobených lidskému uživateli.

A za třetí, kooperují mezi sebou také lidé. Výkonnost lidských týmů může být podpořena softwarovými systémy s integrovanými metodami, jež usnadňují týmové rozhodování. Koordinaci činností mezi členy týmu zlepšují nové komunikační nástroje, např. internetové telekonference. Využití metod řízení za spolupráce v lidských týmech umožňuje lépe rozdělit úkoly a zamezit přetěžování některých členů týmu.

Hybridní systémy a systémy diskrétních událostí

Teorie spojitých (a diskrétních) dynamických systémů a systémů, v nichž se pracuje s diskrétními událostmi (tj. systémů diskrétních událostí), se v podstatě vyvíjely nezávisle na sobě. Avšak při řízení procesů se oba typy systémů často vyskytují současně. Příklady lze najít ve strojní výrobě, při náběhu nebo odstavení linek spojité výroby nebo v autonomních a distribuovaných systémech řízení. Specifickým případem je např. radarový zaměřovač: je třeba dynamicky odhadovat, zda je či není přítomen cílový objekt, zda a jak manévruje, a předpovídat jeho pohyb. Typické řešení je „sekvenční“: nejprve se detekuje cíl, potom je klasifikován, odhadují se jeho manévry atd. Je zřejmé, že takový postup je suboptimální. V budoucnu se zde budou jistě používat kombinovaná řešení s hybridními systémy.

Potřeba hybridních řídicích systémů vyrůstá z požadavku na zvyšování efektivity řízení a na lepší využívání kapacity řídicích prostředků. V této oblasti probíhá intenzivní teoretický výzkum, a jak roste výkon, spolehlivost a autonomie, roste i počet aplikací hybridních systémů. Hybridní řídicí moduly pravděpodobně budou plnit stále složitější úlohy a vývoj řídicích metod pro ně bude vyžadovat spojení poznatků z různých oblastí a účelné sloučení různých vývojových přístupů.

Autonomní systémy

V současných dopravních prostředcích se používá mnoho systémů, které asistují řidiči při řízení vozidla: ABS, ESP, detekce vzdálenosti, pasivní řízení tlumičů, autodiagnostika, ovládání prvků pro zlepšení pohodlí (klimatizace, osvětlení, nastavení sedadel, zábava) a přesné řízení činnosti motoru a automatické převodovky. Nově se objevují systémy pro asistenci při parkování, varování před kolizí, plně elektronické řízení a brzdění, detekce přítomnosti chodců před vozidlem, aktivní řízení tlumičů, omezení hluku a vibrací a telematické aplikace (navigace, informační služby atd.). Tyto prostředky zlepšují bezpečnost vozidel, a jsou-li spojeny s dopravní infrastrukturou, mohou být využity pro inteligentní řízení dopravy.

Vývoj dopravních prostředků řízených lidskou obsluhou je katalyzátorem vývoje v oblasti plně automatických vozidel bez řidiče, která mohou pracovat např. v nebezpečném prostředí. Takové dopravní prostředky a autonomní zařízení si samy plánují svou cestu, samy se řídí, a jestliže narazí na neočekávanou překážku nebo dojde k jiné nenadálé události, musí samy vyvinout alternativní strategii své činnosti. Koncepce, použitá u autonomních vozidel, může být s úpravami použita i u nemobilních autonomních strojů, výrobních linek a celých továren pracujících autonomně bez lidské obsluhy.

Další informace o kongresu IFAC

To, že se světový kongres IFAC bude konat v České republice, je velkou ctí nejen pro českou vědeckou a odbornou komunitu, ale i pro české firmy a podniky, které působí v oboru automatizace.

Aktuální informace o kongresu IFAC, včetně možností účasti (pasivní i aktivní), jeho sponzorování a prezentace na něm, najdou zájemci na webové stránce http://www.ifac.cz. Také časopis Automa bude o přípravě kongresu a jeho doprovodných akcích pravidelně informovat.

Petr Bartošík