Endüstri 4.0 Tasarım İlkeleri

Her değişim döneminde olduğu gibi, Dördüncü Sanayi Devrimi ve Endüstri 4.0 da sosyal ve ekonomik yaşamda yer alan aktörler için bazı risk ve tehditleri gündeme getirirken aynı zamanda yeni ürün, hizmet ve iş modeli fırsatları sunuyor. Risklerden korunmak ve fırsatları değerlendirmek için değişimin yapısı ve akışı konusundaki enformasyona hâkim olmak gerekiyor. Yeni teknolojilerle ilgili olarak pazara yeni sunumlar yapmak isteyen işletmeler ve geliştiriciler öncelikle pazarın ve müşterilerin –açıklanmış veya açıklanmamış– çözüm bekleyen yeni problem ve ihtiyaçlarını anlamak zorundalar. Ayrıca bir başka seçenek olarak yeni teknolojiler sayesinde geleneksel çözümlerin (ürünlerin, hizmetlerin, iş yapma biçimlerinin) daha kolay kullanımlı, hızlı, kaliteli ve uygun maliyetli olanları gerçekleştirilebilir. Diğer Endüstri 4.0 gibi bünyesinde çok fazla yeni veya gelişen teknoloji barındıran değişimler sadece bir iş-işletme evrimleşmesi yaratmakla kalmıyor; oyunun kuralları kadar pazardaki oyunun kendisini de değiştiriyor. Her çözümün son tahlilde bir tasarım konusu olması nedeniyle tasarımda ilkesel olarak nelerin değiştiğine odaklanılması gerekiyor.

Endüstri 4.0’ın Dayanakları
Endüstri 4.0’la ilgili literatür ve araştırmalar incelendiğinde dayanak teknolojilerin “Akıllı ve Bağlantılı Nesneler”, “Otonom Robotlar (Akıllı Makineler)”, “Siber-Fiziksel Sistemler (Simülasyon)”, “Sistem Entegrasyonu”, “Nesnelerin İnterneti (Endüstriyel İnternet)”, “Büyük Veri ve Analitikler”, “Hizmetlerin İnterneti (Bulut Bilişim)”, “Siber Güvenlik”, “Eklemeli Üretim (Katmanlı Üretim, 3 Boyutlu Baskı)” ve “Artırılmış Gerçeklik” gibi alanlarda toplandığını görürüz. Endüstri 4.0 senaryoları açısından firma yöneticileri, akademisyenler, araştırmacılar ve uzmanlar arasında yapılan bir araştırma bunlardan “Siber-Fiziksel Sistemler”, “Nesnelerin İnterneti”, “Hizmetlerin İnterneti” ve “Akıllı Fabrika” gibi temaların öne çıktığı sonucuna varıyor. Bu teknolojilerin pazardaki problem ve ihtiyaçlarla ilişkilendirilmesi ile yeni ürün, hizmet, süreç, iş yapma biçimi ve iş modelleri için şu tasarım ilkelerinin öne çıktığı görülüyor: Birlikte işlerlik, sanallaştırma, merkezsizleşme, gerçek zamanda çalışma yeteneği, entegrasyon (hizmet yönlendirme), modülerlik (tak-çalıştır) özelliği.

Endüstri 4.0 Tasarım İlkeleri
Birlikte işlerlik; Endüstri 4.0’ın bir sistem olarak kurulması için en önemli kolaylaştırıcılardan biridir. Bu ilke çerçevesinde akıllı ve bağlantılı makineler ile insanlar arasında Nesnelerin İnterneti ve Hizmetlerin İnterneti etkileşimi gerçekleşir. Bu noktada karşımıza otomasyonun ilk uygulamaya konduğu yıllardan başlayarak her geliştirici ve üretici şirketin farklı iletişim ve bağlantı standartları tercih etmesi ve bunda ısrarcı olması sorunu çıkar. Dolayısıyla siber-fiziksel sistemlerin ve diğer cihazların birbirleri ile iletişiminde ortak standartların ve protokollerin varlığı vazgeçilmezdir. Birlikte işlerlik; işletmede (fabrikada) var olan makinelerin, robotların, cihazların, taşıyıcı hatların, montaj istasyonlarının ve hatta ürünlerin yerel ağlar ve İnternet üzerinden birbirleri ile haberleşebilmesini (etkileşebilmesini) ifade eder.

Fabrikadaki akıllı ve bağlantılı sistemler gömülü bilişim – iletişim donanımı yanında ortam değişkenlerini ölçebilmesini sağlayan sensörler içerir. Bunlar sayesinde kendi durumları ve çevredeki şartlar hakkında veriler elde ederler. Bu verilerin bilgisayar sistemlerine iletilmesi ile bilişim ortamında fiziksel sistem ve süreçlerin sanal benzerlerinin oluşturulması mümkün olur. Sanallaştırma; siber-fiziksel sistemlerle ilgili süreçlerin izlenmesi için imkân yaratır. Sensör verileri; bilişim ortamında sanal tesis modelleri ve simülasyon modelleri oluşturmak için kullanılır. Dolayısıyla gerçek dünyanın dinamik bir kopyası bilgisayar üzerinde yaratılmış olur. Bu sanal model üzerinde fiziksel sistemi izlemek, denetlemek ve yönetmek imkânı sağlanır. Fiziksel sistemin arıza ve bakım durumu veya işleyiş parametrelerinin değiştirilmesi ihtiyacı uzaktan gözlenebilir. Yeni parametreler bilgisayardan ağ bağlantısı aracılığı ile fiziksel sisteme iletilerek çalışma durumu değiştirilebilir. Böylece giderek karmaşık hale gelen sistem ve makineler bilgisayardaki yapay zekâ uygulamaları ile daha kolayca yönetilebilir.

Yeni ihtiyaçlar kadar farklılaşma ve inovasyon güdüleri pazardaki ürün ve hizmetlerin büyük bir hızla çoğalıp çeşitlenmesine yol açıyor. Diğer yandan cihaz ve ürünlerin yeni teknolojiler sayesinde daha karmaşık hale gelmesi bu ‘renkli kalabalığı’ merkezi olarak yönetmeyi zorlaştırıyor. Örneğin bir fabrikanın üretim hattında yer alan çok sayıdaki karmaşık özellikli tezgâhı merkezi bir şekilde geleneksel usullerle izlemek, denetlemek ve yönetmek artık mümkün görünmüyor. Bu bağlamda geleneksel üretim metodolojilerinin de yeterli olmayacağı anlaşılıyor. Bir başka gelişme ise ürünlerin giderek daha kişisel hale gelmesi –ürün partilerinin küçülmesi– ile birlikte iş süreci ve tezgâha iş ataması olarak imalatın merkezi yönetiminin zorlaşmasıdır.

Akıllı ve bağlantılı cihazlar gömülü halde içerdikleri bilişim – iletişim donanımı ile ilişkilendirildikleri sensörler sayesinde yapay zekâ ve iletişim uygulamaları gerçekleştirebiliyor. Fiziksel olarak iş adımının gereklerini yerine getirirken aynı zamanda işin sanal gösterimin bilgisayarda izlenebildiği bu tür ikili (dual) yapılara “siber-fiziksel sistem (SFS)” adı veriliyor. SFS’ler sensörlerden gelen verileri gömülü bilişim donanım ve yazılımı ile değerlendirerek bazı kararları kendi başlarına (operatör müdahalesinden bağımsız olarak) yerine getirebiliyor. Bu türden “merkezsizleşmiş (desantralize) çalışma” şartlarında operatör müdahalesi ancak SFS’nin arıza veya bakım ihtiyaçları oluştuğunda veya çalışma parametrelerinin değiştirilmesi gerektiğinde gündeme geliyor. Merkezsizleşmiş çalışma konumunda makinelerin ve tezgâhların ihtiyaç duyduğu iş ve ürün özelliklerinin iletilmesinde programlanabilir RFID etiketleri de yardımcı oluyor.

Endüstri 4.0 teknolojilerinin tasarım ve üretim süreçlerine getirdiği en önemli yeniliklerden biri karar ve operasyonların daha büyük oranda “gerçek zamanlı” yapılmasıdır. Günümüzde iş-işletme görevleri toplanan verinin gerçek zamanlı olarak analiz edilmesini, sonuçların karara ve dolayısıyla eyleme dönüştürülmesini gerekli kılıyor. Örneğin arızalanan bir makineye derhal müdahale edilmesi veya arıza ihtimali yükselen makinenin bakıma alınması ya da üretim hattında kısa sürede üretim planı ve ürün değiştirilmesi gerçek zamanlılık ile yakından ilgilidir.

Endüstri 4.0 temalı olarak kurulmuş bir işletme, bağlantılılığı farklı şekillerde gerçekleştirir. Öncelikle; işletme içindeki tüm fiziksel varlıklar, örgütsel birimler ve çalışanlar birbirlerine ile yerel ağ ve İnternet aracılığı ile bağlıdır. Böylece işletme bir bütün olarak iş yapma düzeyine terfi eder. Buna “dikey entegrasyon” adı verilir. Aynı zamanda işletme kendi ekosistemindeki tasarımcılar, ar-ge kuruluşları, geliştiriciler, tedarikçiler, test merkezleri, müşteriler vb. gibi paydaşlarla bağlantı halindedir. Buna ise “yatay entegrasyon” adı verilir. Gerek dikey gerekse yatay entegrasyon arayüzleri –ortak standartlar ve protokoller nedeniyle– birbirine uyumlu olacak biçimde geliştirilir.

Yatay entegrasyon nedeniyle bir işletmenin hizmetlerine, sistem ve cihazları ile çalışanlarına –yetkilendirme olmak koşuluyla– başka paydaşlar tarafından erişilebilir. Ağ üzerinden işletmenin ürettiği hizmetler fiziksel sınırların yaratabileceği sorunlar olmadan iç ve dış müşteri veya paydaşlara sunulabilir. Siber-fiziksel sistem tabanlı altyapının kullanımı bir ağ hizmeti olarak yetkilendirilmiş hizmet alıcılarına arz edilebilir.

Endüstri 4.0 tasarım ilkelerinden bir başkası modülerliktir. Modüler sistemler değişen şartlara kolayca uyum sağlama özelliğine sahiptir. Dolayısıyla bu tür yapılanmaya sahip fabrikalar mevsimsel dalgalanmalardan veya ürün değişiklikleri nedeniyle zaman ve kaynak kaybından daha az etkilenir. Endüstri 4.0 modülerliği, “tak-çalıştır” özelliğine sahiptir. Fabrika sisteminden cihazlar kolayca ayrılabilir, yeni cihazla sisteme büyük bir hız ve kolaylıkla eklenebilir. Standart özelliklere sahip donanım ve yazılım arayüzleri yeni modüllerin sisteme entegre edilmesinde ek kaynak harcamalarına gerek bırakmaz.

Yukarıda özetlenen ilkeleri benimseyen işletme ve fabrika yapılarının Endüstri 4.0 teknolojilerinden daha fazla yarar sağlaması beklenir. Yatırımın geri dönüşünü hızlı biçimde sağlayabilmek için yapısal dönüşüm planlarında bu ilkelerin dikkate alınması önemlidir.

Gürcan Banger