options
search icon
email icon
EU
rrss gif icons
twitter icon
linkedin icon youtube icon
shape

A Holistic DLT Architecture for Industry 4.0

Denis Ionut Stefanescu


13/12/2023

  • ZUZENDARIAK:  Juan José Unzilla Galán y Leticia Montalvillo Mendizabal 
  • UNIBERTSITATEA: UPV/EHU

LABURPENA

Laugarren industria-iraultza, Industria 4.0 izenez ezagutzen dena, sortzen ari diren hainbat teknologia batzen dituen terminoa da, hala nola Gauzen Internet-a (ingelesez, Internet of Things (IoT)), Adimen Artifiziala (AA), Big Data, errealitate areagotua, robotika aurreratua, hodei-konputazioa eta zibersegurtasuna. Industria-iraultza honen helburu nagusia egungo industria-prozesuak hobetzea da, produkzio eta logistika prozesuen digitalizazioa eta interkonexioa sustatuz.

Industria 4.0-ren esparruan dauden fabriketan, sistemak eta ekoizpen-prozesuak haien kasa optimizatu, erregulatu eta diagnostikatu daitezke, datuak denbora errealean bilduz eta aztertuz. Produktuak makineriarekin ere komunikatu daitezke, nola fabrikatu behar diren beren kabuz zehazteko; sistemek, berriz, beren kabuz ikas dezakete ekoizpenaren eraginkortasuna eta kalitatea nola hobetu.

Industria 4.0-ren alderdi nabarmen bat geruza anitzeko egitura da, piramide baten antzekoa, askotan “piramide industriala” deitzen dena. Oinarrian, IoT Industrialeko (IIoT) gailuek datuak makina-mailan sortzen dituzte, eta piramidean gora egin ahala, datuak homogeneizatu eta prozesatu egiten dira lantegi barruan, azkenik, enpresa-mailako erabakiak hartzeko eta negozio-prozesuetan erabiltzeko.

Industria 4.0-k produktuak eta zerbitzuak ekoizteko modua eraldatzeko ahalmena dauka, produktuen eraginkortasun, malgutasun eta pertsonalizazio handiagoa ahalbidetuko lukeena. Hala ere, hainbat erronka ere planteatzen ditu, hala nola datuekin lotutako segurtasun eta pribatutasun arazoak, datu-bolumen handiak prozesatzeko beharraren ondorioz sortzen diren errendimendu eta hazkunde arazoak, datu eta sistema heterogeneoen interakzioek sortzen dituzten estandarizazio eta bateragarritasun arazoak, baita prozesu automatizatuak eta lotutako kostuak gauzatzeko ere. Guzti honek aldaketa esanguratsuak eskatzen ditu enpresen azpiegitura eta prozesuetan.

Aipatutako erronken ondorioz, gero eta ikertzaile eta aditu gehiagok aztertzen dute industria-inguruneetan Erregistro Banatuko Teknologiak (ingelesez Distributed Ledger Technologies (DLT)) aplikatzeko erak. DLTa informazioa gordetzeko eta partekatzeko modua irauli nahi duen teknologia da. DLTen faktore bereizgarri nagusia haien egitura deszentralizatua da. Transakzioak administratzeko eta egiaztatzeko erakunde zentralizatua behar duten erregistro edo datu-base tradizionalek ez bezala, DLTek hainbat parte-hartzaileren sare baten informazioa modu seguru eta eraginkorrean erregistratzea, partekatzea eta egiaztatzea ahalbidetzen dute, agintaritza zentral baten beharra ezabatuz. Oro har, DLTek nodoen bidez funtzionatzen dute, eta nodo horietako bakoitzak erregistroaren kopia bat gordetzen du, eta DLTan egiten diren transakzioak balioztatzen laguntzen du. DLTen ezaugarri nagusia gardentasuna da, sareko parte-hartzaile bakoitzak transakzio guztiak ikus ditzakelako. Gainera, DLTek oso segurtasun handia eskaintzen dute, transakzio bakoitza sareko partaideen arteko adostasunarekin berresten delako, eta transakzio bakoitza baieztatzen denean, ezin delako aldatu edo ezabatu. Ezaugarri horiek direla eta, DLTen segurtasuna bortxatzea oso zaila da, lan horrek sareko nodo gehienak kontrolatzea eskatuko lukeelako.

DLTak Blockchain teknologiari esker hedatu dira, Blockchain-a DLT-en mota konkretu bat da eta. "Blockchain" terminoak teknologia partikular honek datuak nola antolatzen dituen adierazten

du. Transakzioak modu arbitrarioan multzokatu beharrean, blockchainetan datuak bloketan antolatu eta kronologikoki antolatzen dira, blokeen “kate” bat sortuz, hortik “blockchain” izena.

Blockchain-ek DLT-en ezaugarri asko hartzen dituzte, deszentralizazioa, gardentasuna eta segurtasuna, adibidez. Baina ezaugarri bereziak ere baditu, adibidez, kate-bloke bakoitzak aurreko blokearen laburpen kriptografiko bat dauka. Honi esker, bloke bateko edozein aldaketak haren laburpen kriptografikoa aldatuko luke, eta horrek, era berean, hurrengo blokea aldatuko luke, eta aldaketa guzti horiekin, kate osoa baliogabetuko litzateke. Ezaugarri horri esker, blockchain-a ia aldaezina da.

Blockchain-en lehen aplikazioa eta ospetsuena Bitcoin da, diru digitalaren kontzeptua irauli zuen kriptotxanpona, finantza-transakzioetarako plataforma deszentralizatua eta segurua eskaintzen baitzuen. Hala ere, Bitcoin asmatu zenetik, blockchain-entzako erabilera askoz gehiago aurkitu dira, kontratu adimendunetatik hasi eta hornidura-katearen jarraipeneraino, ekonomiaren eta gizartearen hainbat sektore eraldatzeko duen ahalmena erakutsiz.

Horregatik, azken urteotan, gero eta ikertzaile eta aditu gehiagok aztertu dute blockchain teknologia edo beste DLT batzuk Industria 4.0-ko inguruneetan ezartzeko aukera. Teknologia horien abantailak argiak dira etorkizuneko industrian dauden erronkei aurre egiteko orduan, baina teknologia horiek ezartzeak erronka ugari ditu.

Erronka garrantzitsuetako bat datuen prozesu osoa jarraitzen duen DLTetan oinarritutako arkitektura bat ezartzea da. Arkitektura honek datuak hainbat mailatan tratatu beharko ditu, makina-mailan datuaren sorreratik hasita, gero lantegi mailan prozesatu eta homogeneizatzeko, eta kanpo-mailako negozio-logiketarako ustiapenarekin amaituz, non enpresa oso ezberdinen arteko lankidetzak ugariak diren. Gainera, lehendik dauden DLTek errendimendu- eta eskalagarritasun-erronka ugari dituzte, eta horrek zaildu egiten du DLT hauek makina-mailan ezartzea; izan ere, makinetan datu ugari sortzen dira, eta arin prozesatu behar dira. Lantegiari dagokionez, DLTek haien artean lan egiteko mekanismo aurreratuak behar dituzte, eta alderdi hori gaur egun ez dago behar bezain aurreraturik. Datuak negozio-mailan ustiatzerakoan, enpresa desberdinen arteko elkarrekintzak dauden inguruneetan, kontratu digital seguruak eta automatizatuak egitea ahalbidetuko duten mekanismoak ezarri behar dira, baita datuen pribatutasuna bermatuko duten beste mekanismo batzuk ere. Azkenik, garrantzitsua da DLT teknologiei lotutako kostuak ere kontuan izatea; izan ere, DLTetan egiten diren transakzioen balidazioen kostuak altuak izan daitezke, baita balidazio prozesu hauek erabiltzen duten energiaren kostea ere.

Beraz, tesi honen ardatz nagusia Industria 4.0rako DLT arkitektura integrala diseinatzea da, eremu horretan dauden erronka nagusiei eraginkortasunez erantzungo diena, eta prozesu osoa barne hartuko duena, datua makina-mailan sortzen denetik negozio-mailan prozesatu eta ustiatzen den arte. Arkitektura honek segurua den eta datuen manipulazioa ekidituko duen ingurunea sortzea du helburu, datuen pribatutasuna eta osotasuna babestuz, datuen estandarizazio eraginkorra bermatuz, sistema anitzen arteko integrazio egokia sustatuz, eta saretik kanpoko datuak eskuratzeko ahalmena duten kontratu adimendun hobetuen bidez prozesu automatizatuak lagunduz. Proposamen hau Industria 4.0ren barruan sortutako denbora errealeko datu-bolumen altuak kudeatzeko gai izango den irtenbide eskalagarri bat lortzeko sortu da, ingurumenaren gaineko eragina, eraginkortasun energetikoa eta DLTei lotutako kostuak ere kontuan hartzen dituena. Bide berean, arkitektura honen irismena

makinetan datuak sortzen direnetik, prozesatu eta helburu komertzialetarako erabiltzen diren arte hedatzen da.

Lehen aipatutako arazoei erantzuteko eta tesiaren helburuak betetzeko, hainbat ekarpen egin dira.

Lehenik eta behin, Industria 4.0ren eremua aztertu da, tesiaren abiapuntu modura. Egungo egoera hau automatizazio-piramidearen eredua jarraituz egituratu da, manufakturaren sektorean erabili ohi dena, eta lau etapatan banatzen da, industria-eragiketen maila desberdinak sinbolizatzen dituztenak. Definitutako egoera hau automatizazio-piramidearen bilakaera gisa definitzen da, industria 4.0rekin eta industria hori osatzen duten teknologia disruptiboekin loturiko erronka berriei erantzungo diena; kasu honetan, DLTak bereziki.

Lehenik, makinaren maila dago, automatizazio-piramidearen eremu eta kontrol etapetatik ateratakoa. Maila honetan, industriako gailuak optimizatu nahi dira, hala nola makinak eta sentsoreak, haien errendimendua eta eraginkortasuna hobetzeko, baita kontrol-sistemekin integratzeko ere.

Ondoren, ekoizpen-lerroaren maila aurkezten da, automatizazio-piramidearen gainbegiratze-mailan oinarrituta. Maila honetan, ekoizpen-lerro guztiak hobetu nahi dira, hainbat elementu koordinatzen denbora hilak murrizteko, eta produktibitatea eta produktuaren kalitate handiena bermatzeko.

Hirugarren maila lantegiarena da, automatizazio-piramidearen “Management Execution System” (MES) mailarekin lerrokatua. Hemen, helburua da industria-lantegi osoen eraginkortasuna hobetzea da, ekoizpen-lerroen datuak, baliabideen erabilera eta hondakinen murrizketa administratuz, beste hainbat lanen artean.

Azkenik, partzuergo mailak, piramidearen Enterprise Resource Planning (ERP) mailan oinarrituta, hainbat industria-lantegi Industria 4.0ren negozio partzuergo bakar baten batzeko aukera aztertzen du. Maila honek lankidetza handiagoa, datuen trukea eta baliabideen optimizazioa sustatzen ditu.

Hurrengo urrats gisa, tesi honetan literaturaren berrikuspen sistematiko bat egiten da (ingelesez Systematic Literature Review (SLR)), IoT-arekin lotutako aplikazioetan DLT arkitekturak erabiltzeari buruzkoa, Industria 4.0n batez ere. DLTek baliabide mugatuak dituzten gailuekin lan egiteko egoeretan jasaten dituzten errendimendu eta eskalabilitate murrizketak ikusita, ikerketaren zati handi bat egungo lanetan zentratu da, baldintza horietan eraginkorrak izango diren konponbideak garatzera bideraturik. SLR erabiliz, sakon aztertu dira arkitektura horiek, haien ezaugarriak eta ebaluazioak nabarmenduz.

Zehazki, ikerketa honek segurtasunaren, pribatutasunaren, eraginkortasunaren eta eskalagarritasunaren erronkekin egiten du lan batez ere. DLTak erabiltzearen hainbat onura nabarmentzen dituen arren, deszentralizazioa, iraunkortasuna edota IoT-ren segurtasuna eta eskalagarritasuna hobetzeko auditoretza erabiltzearen aukera, ikerketak baliabide mugatuak dituzten inguruneetan DLTak ezartzeko zailtasunak ere azaltzen ditu. IoT gailuak ugari diren inguruneekin bateragarriak diren arkitektura arinen garrantzia azpimarratzen direlarik.

Ikerketa honek tesi-proiektuan DLTetan oinarritutako arkitektura integral bat garatzeko oinarri bat sortu du, dauden arkitekturen mugak gainditu eta oraindik aztertu gabeko ikerketa-aukerak

aprobetxatzea ahalbidetuz, datuen bizi-ziklo osoa kontuan harturik, eta ez soilik IoT makinei eta gailuei dagokizkien atalak.

Azkenik, tesi honen funtsezko ekarpen gisa, DLTetan oinarritutako geruza ugariko arkitektura aurkezten da, Industria 4.0ko benetako kasu baten datuen kudeaketa eta segurtasuna hobetzeko diseinatu dena. Arkitektura hiru geruzatan egituratzen da, industria-prozesuan zehar sistematikoki antolatuak, makineriaren lanetatik hasi eta goi-mailako enpresa-erabakietaraino.

Lehen geruza, "Data Source Layer", ekoizpen-lerroaren mailan kokatzen da, eta gailu industrialek sortzen dituzten datuez arduratzen da. Geruza honen funtzio nagusia datuak denbora errealean jaso, biltegiratu eta kudeatzea da, datuen osotasuna ziurtatuz eta makinen mailako jardueren erregistro bortxaezina eskainiz.

Bigarren geruza, "Bridge Layer", lantegi mailan kokatzen da. Geruza honetan, lehen geruzako datuen agregazioa egiten da, eta lantegi baten barruan dauden produkzio-lerro desberdinen arteko komunikazioa eta datu-trukea errazten du. Horrela, fabrikazio-ekosistema integratuagoa eta eraginkorragoa sortzen laguntzen du.

Hirugarren geruzak, "Business Layer", partzuergo eta negozio mailan jarduten du. Geruza hau eragile bakoitzaren industria-lantegietako datuak prozesatzeko, aztertzeko eta kudeatzeko arduraduna da. Enpresen erabaki estrategikoak hartzen eta beharrezko ikuspuntuak lortzen laguntzen du. Gainera, datuen segurtasuna, pribatutasuna eta trazabilitatea bermatzen ditu, partzuergoko kideek eta kanpoko interesdunek akordio automatikoak ahalik eta konfiantza handienarekin egin ditzaten.

Azkenik, arkitektura ingurune desberdinetan balioztatu da, bai simulatuetan, baita ingurune errealistago batean, IKERLAN zentro teknologikoaren eta Fagor Automation industria-enpresaren lankidetzarekin garatzen den erabilera errealeko kasu bati erantzuna emanez.

Kapitulu honetan proposatutako arkitekturak datuak kudeatzeko sistema integral, seguru eta eraginkor bat garatzen du, industri ekosistema osoa kontutan hortzen duena. Integrazio horrek komunikazioa eta informazio-trukea errazten du. Ondorioz, fabrikazio-ingurune interkonektatuagoa eta seguruagoa sortzen da. Era honetan, Industria 4.0-ren funtsezko erronkei erantzuten zaie eta enpresei eraldaketa prozesurako beharrezko pausuak errazten zaizkie.

close overlay