Súčasná priemyselná výroba je charakterizovaná rastúcou mierou digitalizácie, automatizácie a prepojenia fyzických procesov s digitálnymi technológiami. Kyberneticko-fyzikálne systémy predstavujú významný technologický prvok tejto transformácie, keďže umožňujú integráciu výrobných zariadení, senzorov, softvérových nástrojov a dátových sietí do jednotného riadiaceho a informačného prostredia. Na ich princípoch je možné budovať koncept Cyber Manufacturing, ktorý rozširuje tradičné chápanie výroby o dátovo orientované, sieťovo prepojené a adaptívne výrobné systémy. Dôraz je kladený na úlohu kyberneticko-fyzikálnych systémov (CPS), t.j. pri prepájaní fyzického a digitálneho výrobného prostredia, podpore rozhodovania v reálnom čase a vytváraní predpokladov pre flexibilnejšie a efektívnejšie riadenie priemyselných procesov. Výsledkom je prehľad kľúčových vzťahov, prínosov a výziev, ktoré sú spojené s implementáciou týchto konceptov v podmienkach priemyselného podniku.
Digitalizácia výroby sa v poslednom desaťročí stala jedným z hlavných smerov priemyselnej transformácie. V kontexte Industry 4.0 sa dôraz presúva od izolovaných automatizačných riešení k prepojeným výrobným ekosystémom, v ktorých sa fyzické zariadenia, softvérové nástroje a dátové platformy navzájom ovplyvňujú v reálnom čase. Takýto posun je úzko spojený s nástupom inteligentnej výroby, ktorá si vyžaduje presnejšie monitorovanie, rýchlejšie rozhodovanie a vyššiu adaptabilitu výrobných procesov. V tomto prostredí nadobúdajú kyberneticko-fyzikálne systémy strategický význam, pretože predstavujú technický predpoklad pre prepojenie fyzickej a digitálnej vrstvy výroby. Zároveň sa v literatúre objavuje koncept Cyber Manufacturing, ktorý rozširuje klasické chápanie CPS smerom k širšiemu výrobnému prostrediu založenému na dátach, sieti, analytike a inteligentnej koordinácii výrobných zdrojov. Rozlišovanie týchto dvoch pojmov je dôležité, pretože CPS opisujú najmä technologickú infraštruktúru, zatiaľ čo Cyber Manufacturing označuje systémový výrobný koncept, ktorý túto infraštruktúru využíva na dosahovanie vyššej flexibility, efektívnosti a transparentnosti.
1. Súčasný stav riešenej problematiky
Koncept Cyber Manufacturing predstavuje širší pohľad na digitalizovanú a dátovo riadenú výrobu, v ktorej sa prepájajú fyzické výrobné procesy, digitálne technológie a rozhodovacie mechanizmy. V tejto kapitole je preto pozornosť sústredená na charakteristiku uvedeného konceptu, jeho postavenie v rámci Industry 4.0 a na kľúčové technológie, ktoré podporujú jeho praktickú realizáciu v priemyselnom prostredí. Cyber Manufacturing možno chápať ako širší výrobný koncept, ktorý stavia na CPS, ale presahuje jeho čistú
technologickú úroveň. V literatúre sa tento pojem spája s úplnou integráciou fyzických komponentov a výpočtových procesov v prepojenom prostredí, v ktorom sa výroba opiera o údaje, komunikáciu, analytiku a softvérové služby [1, 9]. Na rozdiel od samotného CPS, ktoré opisuje predovšetkým technickú architektúru, Cyber Manufacturing predpokladá aj širšiu organizačnú a rozhodovaciu logiku. Ide o prostredie, kde sa výrobné procesy nielen monitorujú, ale aj interpretujú, optimalizujú a riadia na základe digitálnych modelov, analytických výstupov a prepojených informačných tokov [5, 10]. Cyber Manufacturing je možné zaradiť medzi paradigmy Industry 4.0, pretože využíva rovnaké systémové princípy, ako sú konektivita, digitalizácia, dátová integrácia a decentralizované rozhodovanie. Industry 4.0 v tomto zmysle vytvára rámec, v ktorom sa spája smart manufacturing, inteligentná automatizácia, priemyselný internet vecí, cloudové služby a digitálne dvojčatá [6, 10]. Z pohľadu praktickej realizácie je Cyber Manufacturing úzko spätý s konceptom digitálneho dvojčaťa. Digitálne dvojča predstavuje virtuálnu reprezentáciu fyzického systému, ktorá sa synchronizuje s reálnym prostredím prostredníctvom senzorických dát a slúži na optimalizáciu, prognózu a podporu rozhodovania. V tomto zmysle je digitálne dvojča jedným z hlavných nástrojov, ktorým sa Cyber Manufacturing technicky uskutočňuje [11, 12]. Medzi kľúčové technológie podporujúce Cyber Manufacturing patria priemyselný internet vecí, cloud a edge computing, big data analytika, digitálne dvojčatá, inteligentné senzory, kyberneticko-fyzikálne riadenie a systémy prediktívnej údržby. Tieto technológie umožňujú zhromažďovanie údajov z výroby, ich prenos do digitálneho prostredia, spracovanie a následnú podporu riadenia v reálnom čase [2, 7, 8]. Zvýrazniť treba aj úlohu bezpečnosti. Keďže Cyber Manufacturing integruje výrobné zariadenia s informačnými systémami, vytvára aj nové riziká spojené s útokmi na dáta, riadiace systémy a výrobné procesy. Z tohto dôvodu sa bezpečnosť, detekcia narušení a dôveryhodnosť dát stávajú súčasťou samotného návrhu takýchto systémov [8].
2. Vzájomný súvis medzi CPS a Cyber Manufacturing
Vzájomný vzťah medzi kyberneticko-fyzikálnymi systémami a konceptom Cyber Manufacturing možno znázorniť ako postupné prepojenie fyzického výrobného procesu s digitálnym a rozhodovacím prostredím. Fyzický výrobný proces predstavuje zdroj údajov, ktoré sú prostredníctvom CPS zachytávané, prenášané a spracúvané. Na základe týchto údajov vzniká digitálna reprezentácia výrobného systému, ktorá umožňuje podporu rozhodovania v reálnom čase a následné uplatnenie princípov Cyber Manufacturing. Tento vzťah je schematicky znázornený na obr. 1.
Obr. 1. Logika vzťahu medzi CPS a Cyber Manufacturing
Ako vyplýva z obr. 1, CPS predstavujú sprostredkujúcu vrstvu medzi fyzickým výrobným procesom a širším konceptom Cyber Manufacturing. Ich úloha nespočíva iba v zbere údajov, ale aj v zabezpečení spätnej
väzby medzi fyzickou a digitálnou vrstvou výroby. Cyber Manufacturing následne využíva tieto údaje a digitálne reprezentácie na podporu analytiky, riadenia a rozhodovania v reálnom čase. Vzťah medzi CPS a Cyber Manufacturing možno stručne formulovať tak, že CPS poskytujú technologický základ, zatiaľ čo Cyber Manufacturing predstavuje širší výrobný koncept postavený na tomto základe. CPS riešia integráciu fyzickej a digitálnej vrstvy, zber údajov, komunikáciu a riadenie, kým Cyber Manufacturing tieto funkcie rozširuje o analytiku, rozhodovanie, optimalizáciu a koordináciu celého výrobného systému [13]. Cyber Manufacturing teda nemožno chápať len ako synonymum CPS. Ide skôr o výrobný ekosystém, v ktorom CPS plnia úlohu senzoricko-riadiacej a komunikačnej infraštruktúry, zatiaľ čo vyššia vrstva využíva získané údaje na tvorbu digitálnych reprezentácií, modelovanie scénarov a rozhodovanie v reálnom čase [11]. Na základe uvedeného možno CPS a Cyber Manufacturing chápať ako navzájom prepojené, ale rozdielne pojmy. CPS predstavujú predovšetkým technologickú a infraštruktúrnu úroveň, zatiaľ čo Cyber Manufacturing zahŕňa širší systémový, organizačný a rozhodovací rámec digitálnej výroby. Základné rozdiely a súvislosti medzi týmito pojmami sú prehľadne uvedené v tab. 1.
Tab. 1. Porovnanie CPS a Cyber Manufacturing
Z tab. 1 vyplýva, že CPS vytvárajú technický základ pre fungovanie Cyber Manufacturing, avšak samotný koncept Cyber Manufacturing presahuje úroveň technickej integrácie. Zahŕňa aj analytické, rozhodovacie a organizačné mechanizmy, ktoré umožňujú efektívnejšie riadenie výrobných procesov a ich prepojenie s hodnotovým reťazcom podniku.
3. Dátové prepojenie fyzického a digitálneho výrobného prostredia
Jadrom Cyber Manufacturing je dátový tok medzi fyzickým a digitálnym prostredím. Fyzický výrobný proces generuje údaje prostredníctvom senzorov, strojových udalostí, výrobných parametrov a prevádzkových stavov. Tieto údaje sa následne zhromažďujú, prenášajú a spracúvajú v kybernetickej
vrstve, kde vzniká digitálna reprezentácia výrobného stavu. Práve tento mechanizmus umožňuje monitoring, prognózu, simuláciu a rozhodovanie [11, 14]. Prepojenie fyzického a digitálneho prostredia má aj organizačný rozmer. V literatúre sa zdôrazňuje, že konektivita výroby neznamená iba technický prenos dát, ale aj schopnosť vytvárať služby, ktoré sa dajú pružne nasadzovať, prispôsobovať a zdieľať medzi zariadeniami, výrobnými úrovňami a podnikovými systémami [7]. CPS umožňujú, aby riadenie výroby nebolo založené len na prednastavených pravidlách, ale aj na aktuálnych údajoch a prediktívnych modeloch. To je základ pre adaptívnu výrobu, v ktorej sa výrobné rozhodnutia prijímajú v závislosti od stavu zariadení, kvality produkcie, logistických obmedzení a požiadaviek trhu [8, 13]. Cyber Manufacturing je preto vhodné chápať ako rozhodovaciu nadstavbu nad CPS. CPS zhromažďuje a prenáša údaje, digitálne modely ich interpretujú a analytické mechanizmy z nich vytvárajú odporúčania alebo automatizované zásahy. V tomto zmysle ide o výrobný systém, ktorý je schopný nielen reagovať na zmeny, ale aj ich predvídať a riadiť s vyššou mierou autonómie [8, 11]. Implementácia CPS a Cyber Manufacturing prináša vyššiu transparentnosť výrobných procesov, monitorovanie v reálnom čase a schopnosť prijímať rozhodnutia na základe údajov. V praxi to znamená lepšie riadenie kvality, rýchlejšiu reakciu na odchýlky, presnejšiu prediktívnu údržbu a zníženie prestojov. Súčasne sa zlepšuje schopnosť podniku reagovať na variabilné požiadavky trhu a na zmeny vo výrobnom prostredí [12, 15]. Významným prínosom je aj prepojenie výroby s digitálnou reprezentáciou, čo podporuje simuláciu, optimalizáciu a plánovanie ešte pred fyzickým zásahom do výroby. Tým sa skracuje čas potrebný na zmenu parametrov, zvyšuje sa flexibilita a zlepšuje sa koordinácia naprieč hodnotovým reťazcom [11, 14].
4. Limity, výzvy implementácie a zhrnutie
Napriek prínosom je implementácia CPS a Cyber Manufacturing spojená s viacerými výzvami. Medzi najdôležitejšie patrí kybernetická bezpečnosť, interoperabilita systémov, integrácia starších zariadení, kvalita a dostupnosť dát, náklady na modernizáciu a potreba špecializovaných odborných znalostí. Výskum tiež ukazuje, že bez dobre navrhnutých rozhraní medzi ľuďmi, digitálnymi systémami a fyzickou výrobou môže byť systém ťažko udržateľný a menej efektívny [3].
Ďalším problémom je potreba spoľahlivej dátovej infraštruktúry v reálnom čase. Ak sú údaje neúplné, oneskorené alebo nekonzistentné, narúša sa presnosť analytiky aj kvalita rozhodovania. Preto sa pri implementácii Cyber Manufacturing kladie dôraz nielen na technológiu, ale aj na dátovú správu, štandardizáciu a organizačnú pripravenosť podniku [7, 8]. Koncept Cyber Manufacturing nadväzuje na možnosti CPS, ale presahuje ich technickú úroveň. Možno ho chápať ako širšie systémové prostredie inteligentnej, prepojenej a dátovo riadenej výroby, v ktorom sa údaje z fyzických procesov využívajú na tvorbu digitálnych reprezentácií, analytiku, podporu rozhodovania a adaptívne riadenie výrobných procesov. Z tohto hľadiska CPS vytvárajú základnú sprostredkujúcu vrstvu medzi fyzickými zdrojmi a digitálnymi službami, zatiaľ čo Cyber Manufacturing predstavuje nadstavbu, ktorá tieto údaje a technológie využíva na komplexnejšie riadenie výroby.
Význam uvedeného vzťahu sa prejavuje najmä v možnostiach monitorovania výrobných procesov v reálnom čase, podpory prediktívnej údržby, zvyšovania transparentnosti, pružnejšej reakcie na zmeny a lepšieho rozhodovania na základe údajov. Zároveň však implementácia CPS a Cyber Manufacturing prináša aj viaceré výzvy, medzi ktoré patria najmä interoperabilita systémov, integrácia starších zariadení, kvalita a spoľahlivosť dát, kybernetická bezpečnosť, investičná náročnosť a potreba odborných znalostí. Úspešné zavádzanie týchto konceptov si preto vyžaduje nielen technologické riešenia, ale aj organizačnú pripravenosť podniku a systematický prístup k riadeniu dát [11, 14].
Poďakovanie: Tento článok vznikol v rámci projektov 014TUKE-4/2025 Internacionalizácia štúdia ako základný nástroj zvyšovania konkurencieschopnosti a uplatniteľnosti študentov Fakulty výrobných technológií Technickej univerzity v Košiciach so sídlom v Prešove a 1/0210/25 Digitálne paradigmy životného cyklu plastových výrobkov a ich aplikácia do strojárskeho priemyslu za podpory Ministerstva školstva, výskumu, vývoja a mládeže SR.
RESUMÉ V ANG. JAZYKU
Cyber Manufacturing in industrial production conditions
Current industrial production is characterized by an increasing level of digitalization, automation, and interconnection between physical processes and digital technologies. Cyber-physical systems represent an important technological element of this transformation, as they enable the integration of production equipment, sensors, software tools, and data networks into a unified control and information environment. Based on these principles, the concept of Cyber Manufacturing can be developed as an approach that extends the traditional understanding of manufacturing towards data-driven, networked, and adaptive production systems. Emphasis is placed on the role of CPS in connecting the physical and digital manufacturing environments, supporting real-time decision-making, and creating the conditions for more flexible and efficient management of industrial processes. The result is an overview of the key relationships, benefits, and challenges associated with the implementation of these concepts in an industrial enterprise.
Autori: Ing. Maksym Karakai, Ing. Daniel Bobko a doc.Ing. Lucia Knapčíková, PhD., Ing. Paed. IGIP, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove, Bayerova 1, Prešov
Príspevok lektorovala: doc. Ing. Darina Dupláková, PhD., Ing.Paed.IGIP, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií.
Zoznam použitej literatúry
[1] LEE, Jay, Behrad BAGHERI a Hung An KAO. A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems. Manufacturing Letters [online]. 2015, 3, 18–23. ISSN 22138463. Dostupné z: doi:10.1016/j.mfglet.2014.12.001
[2] WANG, Lihui, Martin TÖRNGREN a Mauro ONORI. Current status and advancement of cyber-physical systems in manufacturing. Journal of Manufacturing Systems [online]. 2015, 37, 517–527. ISSN 02786125. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmsy.2015.04.008
[3] DAFFLON, Baudouin, Nejib MOALLA a Yacine OUZROUT. The challenges, approaches, and used techniques of CPS for manufacturing in Industry 4.0: a literature review. International Journal of Advanced Manufacturing Technology [online]. 2021, 113(7–8), 2395–2412. ISSN 14333015. Dostupné z: doi:10.1007/s00170-020-06572-4
[4] MONOSTORI, L., B. KÁDÁR, T. BAUERNHANSL, S. KONDOH, S. KUMARA, G. REINHART, O. SAUER, G. SCHUH, W. SIHN a K. UEDA. Cyber-physical systems in manufacturing. CIRP Annals [online]. 2016, 65(2), 621–641. ISSN 17260604. Dostupné z: doi:10.1016/j.cirp.2016.06.005
[5] ZHONG, Ray Y., Xun XU, Eberhard KLOTZ a Stephen T. NEWMAN. Intelligent Manufacturing in the Context of Industry 4.0: A Review. Engineering [online]. 2017, 3(5), 616–630. ISSN 20958099. Dostupné z: doi:10.1016/J.ENG.2017.05.015
[6] WANG, Lihui, Martin TÖRNGREN a Mauro ONORI. Current status and advancement of cyber-physical systems in manufacturing. Journal of Manufacturing Systems [online]. 2015, 37, 517–527. ISSN 02786125. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmsy.2015.04.008
[7] TAO, Fei, Jiangfeng CHENG a Qinglin QI. IIHub: An industrial internet-of-things hub toward smart manufacturing based on cyber-physical system. IEEE Transactions on Industrial Informatics [online]. 2018, 14(5), 2271–2280. ISSN 15513203. Dostupné z: doi:10.1109/TII.2017.2759178
[8] GUO, Zhengang, Yingfeng ZHANG, Xibin ZHAO a Xiaoyu SONG. CPS-Based Self-Adaptive Collaborative Control for Smart Production-Logistics Systems. IEEE Transactions on Cybernetics [online]. 2021, 51(1), 188–198. ISSN 21682275. Dostupné z: doi:10.1109/TCYB.2020.2964301
[9] WANG, Baicun, Fei TAO, Xudong FANG, Chao LIU, Yufei LIU a Theodor FREIHEIT. Smart Manufacturing and Intelligent Manufacturing: A Comparative Review [online]. B.m.: Elsevier Ltd. 1. červen 2021. ISSN 20958099. Dostupné z: doi:10.1016/j.eng.2020.07.017
[10] PIVOTO, Diego G.S., Luiz F.F. DE ALMEIDA, Rodrigo DA ROSA RIGHI, Joel J.P.C. RODRIGUES, Alexandre Baratella LUGLI a Antonio M. ALBERTI. Cyber-physical systems architectures for industrial internet of things applications in Industry 4.0: A literature review [online]. B.m.: Elsevier B.V. 1. leden 2021. ISSN 02786125. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmsy.2020.11.017
[11] NEGRI, Elisa, Luca FUMAGALLI a Marco MACCHI. A Review of the Roles of Digital Twin in CPS-based Production Systems. Procedia Manufacturing [online]. 2017, 11, 939–948. ISSN 23519789. Dostupné z: doi:10.1016/j.promfg.2017.07.198
[12] SOORI, Mohsen, Behrooz AREZOO a Roza DASTRES. Digital twin for smart manufacturing, A review. Sustainable Manufacturing and Service Economics [online]. 2023, 2, 100017. ISSN 26673444. Dostupné z: doi:10.1016/j.smse.2023.100017
[13] LEE, Jay, Behrad BAGHERI a Chao JIN. Introduction to cyber manufacturing. Manufacturing Letters [online]. 2016, 8, 11–15. ISSN 22138463. Dostupné z: doi:10.1016/j.mfglet.2016.05.002
[14] LENG, Jiewu, Dewen WANG, Weiming SHEN, Xinyu LI, Qiang LIU a Xin CHEN. Digital twins-based smart manufacturing system design in Industry 4.0: A review [online]. B.m.: Elsevier B.V. 1. červenec 2021. ISSN 02786125. Dostupné z: doi:10.1016/j.jmsy.2021.05.011
[15] LIU, Ruiqing a Yonghong WANG. Enhancing Enterprise Value Creation Through Intelligent Digital Transformation of the Value Chain: A Deep Learning and Edge Computing Approach. Journal of the Knowledge Economy [online]. 2024. ISSN 18687873. Dostupné z: doi:10.1007/s13132-024-02087-5
