Una breve introduzione a Fabbrica 4.0:
Rischi e opportunità per le PMI.
Cos'è?
Fabbrica 4.0 è un'iniziativa che mira a rivoluzionare l'attuale modello produttivo, basato sulla produzione in serie di manufatti standardizzati, passando alla fabbricazione su scala industriale di esemplari personalizzati, cioè conformi ai desideri dei rispettivi acquirenti.Fabbrica 4.0 non è quindi una tecnologia quanto, piuttosto, una tendenza dell’automazione industriale ad integrare alcune nuove tecnologie produttive, basate sui concetti di intelligenza artificiale (IA) e Internet delle Cose (IoT), allo scopo di conseguire la possibilità di soddisfare le richieste dei clienti realizzando dei pezzi unici.
Un po' di storia
Il termine Fabbrica 4.0 riprende il tedesco Industrie 4.0, dal nome di uno studio promosso dal governo di quel paese allo scopo di promuovere la digitalizzazione dell'industria manifatturiera, immaginando come sarebbero potute essere le fabbriche del futuro.Lo studio portò ad individuare l'obiettivo della personalizzazione di massa e a formulare una strategia per conseguirlo basata sull'idea di officine intelligenti, in cui la presenza umana avrebbe dovuto essere ridotta al minimo grazie al massiccio impiego di stazioni di lavoro autonome, capaci di coordinarsi fra di loro e con il mondo esterno per mezzo di connessioni IoT.
Facciamo un esempio
Poiché numerose persone sono contemporaneamente appassionate di cinematografia e di automobili, non è infrequente che alcune di loro si lascino prendere dalla smania di acquistare la replica di un veicolo apparso in qualche film, come la Pontiac K.I.T.T o i maggiolino Dudù.Supponendo di essere interessati a possedere una copia della Volkswagen apparsa nelle pellicole della Disney, oggi come oggi bisognerebbe innanzitutto procurarsi un normale esemplare di serie e poi rivolgersi ad un carrozziere per farlo modificare in modo che somigli alla macchina dei film.
I fautori dell'iniziativa Fabbrica 4.0 si propongono di rendere possibile il soddisfacimento dei desideri del cliente intervenendo sui processi produttivi della catena di montaggio, eseguendo alcune operazioni in deroga all'assemblaggio standard.
Le tecnologie
Lo studio iniziale prevedeva la possibilità di conseguire un simile risultato in maniera del tutto automatica avvalendosi di officine intelligenti (Smart-Factory) riducendo al minimo l'intervento umano nel contesto produttivo. Conseguentemente si sviluppò l'idea di fare ampio ricorso ai cosiddetti cyber-physical systems (CPS), intesi come organismi di controllo cibernetico dotati di sufficiente “intelligenza” e flessibilità da essere capaci di gestire autonomamente istruzioni complesse coordinandosi con le stazioni di lavoro adiacenti per mezzo di connessioni M2M, senza richiedere la supervisione di una unità centrale, tanto meno di operatori umani.Prescindendo dagli obiettivi ideali, non è difficile accorgersi che anche dotando i CPS di intelligenza artificiale questi non sarebbero comunque in grado di gestire un obiettivo come la riproduzione di una copia di Herbie o di Dudù per mancanza di informazioni.
E' infatti improbabile che nell'ambito di uno stabilimento si possa risalire ad informazioni come il numero dipinto sulla carrozzeria del maggiolino in un particolare film o il colore degli occhi della fidanzata dell'acquirente; nel caso in cui questi avesse richiesto degli interni in tinta.
Se si vuole perseguire l'obiettivo della personalizzazione bisogna consentire l'interscambio di informazione fra l'interno dello stabilimento e il mondo esterno.
Tale requisito comporta diversi problemi innanzitutto per quanto concerne la sicurezza (visti i precedenti di stuxnet) ma anche e sopratutto perché le reti di automazione aziendali si basano sui bus di campo ovvero su soluzioni tecnologiche completamente diverse dai protocolli Internet indispensabili per comunicare esternamente.
Come vedremo, problemi analoghi si pongono in senso inverso quando si tratta di redigere la documentazione o nel caso in cui sia necessario accedere al progetto per fini diagnostici.
La riorganizzare le reti aziendali basata sull'adozione di soluzioni All-IP e delle tecnologie IoT è una premessa indispensabile per la transizione dalla produzione alla personalizzazione di massa.
Supponendo ipoteticamente di avere risolto i problemi concernenti l'automazione di officina, si potrebbe spostare l'attenzione all'esterno degli stabilimenti, dove si presentano delle possibilità molto interessanti, per quanto concerne una serie di attività che sino ad ora erano precluse.
Il concetto di “personalizzazione di massa” presuppone la capacità di accettare ordini molto più estrosi di quanto fosse possibile in precedenza, per cui si pone il problema dell'interpretazione dei desideri del cliente espressi in linguaggio naturale; un problema difficile che presuppone tutta una serie di competenze linguistiche, nonché una profonda conoscenza del mondo.
Sebbene già altri si stiano interessando del problema, per cui non occorre occuparsene nell'ambito di Fabbrica 4.0, purtroppo le soluzioni auspicate non sono ancora disponibili (e non lo saranno per parecchio tempo), per cui è giocoforza ripiegare su alternative meno eleganti ma già disponibili, come il ricorso a programmi di configurazione on-line.
I configuratori sono già da tempo impiegati nei più disparati contesti. Molte case automobilistiche permettono agli acquirenti di ordinare la loro vettura on-line scegliendola pezzo a pezzo (entro i limiti delle alternative offerte da una palette standard). Analogamente alcune catene di Pizzerie americane consentono ai loro clienti di disporre gli ingredienti sulla pizza per mezzo del mouse garantendo la consegna, in un tempo minimo, del risultato richiesto. Lo stesso discorso si applica alle miscele di muesly o altre tipologie di prodotti costituiti da un mix di ingredienti aromatici.
Supponendo di volere approfittare della flessibilità delle smart-factory per fare di meglio accettando degli ordini più originali, si porrebbe immediatamente il problema di verificare la consistenza degli stessi. Bisogna infatti ricordare che il cliente, non essendo un esperto del settore applicativo, potrebbe ignorare l'esistenza di vincoli tecnici, salvo poi lamentarsi nel momento in cui dovesse scoprire che il prodotto ordinato non funziona.
La produzione industriale sino ad ora si è concentrata sulla fabbricazione in massa di modelli standard, che erano stati progettati da tecnici esperti, solo dopo una lungo una trafila di prove, test e collaudi.
Supponendo di avere la capacità tecnica di fabbricare una replica di Dudù in un tempo minimo, si pone il problema di stabilire se un simile veicolo possa funzionare correttamente in condizioni di sicurezza.
Per sfruttare la flessibilità produttiva delle smart-factory è necessaria innanzitutto una revisione delle procedure di progetto, allo scopo di consentire la verifica automatizzata della consistenza delle richieste presenti nell'ordine. Da ciò consegue la necessità di sviluppare nuovi strumenti di progettazione rapida e di prevedere un esteso ricorso a sistemi di simulazione, allo scopo di evitare la realizzazione di prototipi solo per testare delle soluzioni finalizzate alla realizzazione di un esemplare unico. Fabbrica 4.0 prevede anche un ampio ricorso alle tecniche di visione aumentata allo scopo di facilitare quegli operatori che si trovassero a dover gestire un gran numero di esemplari unici.
La documentazione
Il paradigma Fabbrica 4.0 impone anche la revisione delle attività a valle del processo produttivo, in particolare per quanto concerne la stesura della documentazione.In un contesto in cui la produzione di pezzi unici è la norma, non si potrà fare riferimento a manuali standard, ma bisognerà personalizzare la documentazione in modo che rispecchi le caratteristiche dello specifico manufatto.
Il tutto potrebbe risolversi ricorrendo ad un apposito programma “compilatore” che potrebbe anche solo limitarsi a redigere i manuali partendo da testi preconfezionati in conformità alla distinta dell'ordine ovvero alle istruzioni di produzione.
Si pone però il problema di compilare tale distinta partendo dal presupposto che le informazioni richieste potrebbero non essere disponibili in forma aggregata, ma disperse fra le varie stazioni di lavoro coinvolte nell'assemblaggio.
Il paradigma Fabbrica 4.0 trae vantaggio dalla capacità delle stazioni di lavoro di prendere decisioni autonome coordinandosi fra di loro, fatto che potrebbe implicare l'autorità di decidere la sostituzione di un componente esaurito con un altro disponibile, per non rallentare il processo produttivo; decisione che potrebbe ripercuotersi sulla documentazione, da cui la necessità di un interscambio di informazioni fra il computer incaricato di redigere la documentazione e i CPS coinvolti nell'assemblaggio.
Analoghe considerazioni si imporranno ogni volta che sarà necessario accedere al progetto dello specifico manufatto, ovvero alla sua descrizione, per effettuare operazioni di diagnostica e manutenzione.
In mancanza di manuali standard sarà giocoforza accedere agli schemi costruttivi, ai dati produttivi e ai verbali di collaudo del particolare esemplare considerato.
Da queste ultime considerazioni consegue la necessità di identificare univocamente non solo l'esemplare prodotto ma le sue parti componenti, in modo da consentire di risalire la filiera stabilendo delle relazioni di causa effetto, qualora se ne presentasse la necessità.
Poiché la vita operativa di varie tipologie di manufatti è calcolabile in termini di anni, se non addirittura di decenni si pone il problema di garantire la sopravvivenza della documentazione completa, per ogni esemplare prodotto.
Un compito improbo, poiché comporta la necessità di tenere conto delle calamità naturali e/o degli eventi dolosi di cui possono essere vittime gli stabilimenti, senza contare la possibilità che un'azienda cessi la sua attività.
Date le premesse è stato introdotto il concetto di memoria di prodotto costituita da un apposito supporto di memorizzazione abbinato fisicamente al manufatto, contenente tutto ciò che c'è da sapere circa il particolare esemplare cui è associato.
Partendo dal presupposto che il supporto di memoria sia sufficientemente robusto, da durare almeno quanto l'oggetto cui è abbinato, il ricorso alla memoria di prodotto dovrebbe garantire la possibilità di usare e manutenere ciascun prodotto personalizzato, per un periodo di tempo minimo, anche in assenza di documentazione standard.
La memoria di prodotto
Dal punto di vista commerciale il concetto di memoria prodotto è ancor più interessante della possibilità di personalizzare le produzioni producendo dei pezzi unici, poiché prospetta l'opportunità di offrire tutta una serie di nuovi servizi o differenziare i prodotti semplicemente intervenendo sulle condizioni contrattuali e/o sui parametri di configurazione dei manufatti, senza modificare minimamente i processi produttivi o il disegno base dei manufatti (cioè continuando a produrre dei prodotti standard).Come si è detto, idealmente la memoria di prodotto dovrebbe accompagnare lo stesso per l'intera durata della sua vita operativa dalla produzione allo smantellamento, in maniera tale da fornire tutti i dati concernenti le caratteristiche del particolare esemplare in questione, nel caso in cui se ne presentasse la necessità, ad esempio per i classici fini manutentivi.
Dovendo effettuare la diagnostica di un malfunzionamento sarà certamente utile disporre degli schemi costruttivi, della tracciabilità e dei verbali di collaudo, ma lo sarà ancor di più disporre dei dati di utilizzo dell'apparecchio. Ne consegue l'opportunità di estendere le attività di monitoraggio alle fasi di utilizzo da parte dei clienti, registrando i comandi impartiti, le informazioni diagnostiche in presenza di malfunzionamento e di ogni altro dato significativo.
Tale messe di informazioni si presta agli impieghi più svariati: dallo sviluppo di procedure di manutenzione preventiva, che potrebbero essere offerte sotto forma di nuovi servizi, alla verifica delle condizioni di garanzia. Ma non è tutto poiché combinando i dati registrati nelle memorie di prodotto dei diversi apparecchi si potrebbe pervenire ad un quadro di insieme del modo in cui gli stessi vengono effettivamente utilizzati.
Una visione molto più precisa di quella che si potrebbe ottenere intervistando i clienti o partendo dalle scarne statistiche desunte a partire dalle risposte ai questionari.
Informazione determinanti per l'assunzione di decisioni razionali: dalla corretta pianificazione delle campagne marketing, alla definizione delle specifiche dei nuovi prodotti o nel caso in cui si volessero intraprendere iniziative volte a migliorare la qualità dei prodotti già esistenti.
Le opportunità per le piccole imprese.
Le opportunità descritte in precedenza riguardano essenzialmente le grandi aziende che potrebbero trarre giovamento dall'acquisizione della capacità di realizzare serie limitate se non addirittura esemplari unici; attività che sino ad ora sono state monopolio di artigiani o piccole imprese.Di primo acchito l'impiego dei cyber-physical systems (CPS) come premessa per la personalizzazione di massa non è di grande interesse per i piccoli produttori, in particolare per coloro che da sempre si occupano della realizzazione di prototipi o piccole serie.
Un discorso completamente diverso vale invece per l'introduzione del concetto di memoria di prodotto, da cui possono scaturire applicazioni completamente nuove. In quest'ultimo contesto le dimensioni dell'azienda contano molto meno della capacità innovativa di chi propone le soluzioni.
Chiaramente le opportunità di impiego che si presentano alle piccole imprese non sono diverse da quelle che si prospettano agli altri; tanto per fare alcuni esempi si potrebbero ricordare:
la raccolta di dati statistici circa l’utilizzo degli apparecchi, di interesse per il marketing, per la progettazione di nuovi modelli o per il miglioramento della qualità di quelli già esistenti;
verifica del rispetto delle condizioni contrattuali che determinano l’annullamento della garanzia;
monitoraggio del corretto funzionamento degli apparecchi ai fini di manutenzione preventiva;
interventi di manutenzione correttiva a distanza mediante scaricamento e installazione automatica di patch (rese possibili dal fatto che si opera in un contesto IoT);
identificazione degli utenti in modo da impedire l’utilizzo degli apparecchi da parte di persone non autorizzate;
geolocalizazione in caso di furto o di incidente;
opportunità di proporre nuovi prodotti inserendo dei messaggi promozionali personalizzati nell'interfaccia utente;
eccetera.
Date queste premesse, il possibile vantaggio competitivo per i piccoli produttori rispetto ai leader del mercato potrebbe derivare dalle relazioni sociali ovvero dal fatto di essere molto più radicati sul territorio e dalla maggiore disponibilità ad andare incontro alle esigenze dei clienti.
I grandi produttori impegnati sui fronti di IoT e di Fabbrica 4.0 hanno sinora cercato di assicurasi il massimo dei vantaggi sfruttando le suddette tecnologie al fine di rafforzare le loro posizioni di vantaggio convertendo i prodotti in servizi e riservandosi l'accesso esclusivo ai dati registrati nelle memoria di prodotto.
Questa duplice strategia necessita di una spiegazione poiché non è immediatamente evidente.
La possibilità di convertire i prodotti in servizi può essere considerata un effetto collaterale del ricorso alle tecnologie IoT data l'attuale organizzazione di Internet delle Cose.
Internet of Things (IoT) concerne la possibilità di impiegare i normali protocolli Internet, ed in particolare quelli basati sul TCP/IP, per consentire l'accesso alla rete da parte di dispositivi intelligenti o viceversa il controllo remoto di apparecchi, basato sull'impiego delle stesse tecnologie.
Tale possibilità potrebbe essere utilizzata ad esempio per controllare l'accensione o lo spegnimento a distanza di una lampada o di un piccolo elettrodomestico.
Quest'ultimo punto è particolarmente interessante poiché l'utilizzo degli elettrodomestici presuppone generalmente la disponibilità di un'interfaccia utente ovvero di un insieme di strumenti utilizzabili per monitorarne lo stato o controllarne il funzionamento.
L'interfaccia utente costituisce nel contempo un punto di forza ma anche di debolezza di tali apparecchi perché se da un lato ne accresce la versatilità e quindi le possibilità di impiego, dall'altro incide pesantemente sulla complessità e di conseguenza sul costo finale degli apparecchi.
Nel contesto IoT è pertanto naturale scindere l'interfaccia utente dal resto dell'apparecchio, trasferendo il complesso delle attività concernenti l'interazione con l'utente a dispositivi general purpose già dotati di interfacce utenti assai più performanti di quelle di cui potrebbe disporre un piccolo elettrodomestico. Ne deriva l'idea di controllare il termostato che regola il riscaldamento di un appartamento o la temperatura di un frigorifero con uno smartphone o un computer.
Una simile soluzione consente di minimizzare la complessità dell'apparecchio limitando le sue funzionalità ai meccanismi preposti al suo utilizzo operativo, abbreviando i tempi di sviluppo perché è molto più semplice sviluppare una soluzione software consistente di una pagina web o di una App che non progettare il complesso circuito elettronico richiesto per pilotare un display e leggere un insieme di manopole o di pulsanti.
Ma poiché l'appetito vien mangiando si profila subito una seconda soluzione ancora migliore della precedente: consentire agli utenti di impartire i comandi a voce, in linguaggio naturale.
Il ricorso ad interfacce vocali è conveniente sotto vari punti di vista: innanzitutto poiché è la soluzione ideale quando si hanno le mani impegnate o ci si trova ad operare in spazi angusti ma soprattutto perché risulta molto più comoda quando lo strumento impiegato per impartire gli ordini è un telefono cellulare.
Sfortunatamente i programmi richiesti per interpretare la voce sono molto complessi per cui è richiesta una potenza di calcolo di gran lunga maggiore di quella di cui sono dotati anche i moderni smartphone. Ma niente paura perché c'è una soluzione: avvalersi di servizi gratuiti di riconoscimento vocale on-line. Tutto bene dunque, o, no?
L'inghippo risiede nell'integrazione surrettizia dei suddetti servizi on-line nella catena di comando di apparecchi IoT che gli utenti, ingenuamente, potrebbero considerare del tutto equivalente ai loro omologhi tradizionali.
Come dire che in certi casi si potrebbe scoprire che è del tutto impossibile regolare il condizionatore d'aria o accendere le lampade di casa se manca la connettività Internet ovvero il consenso del server remoto che dovrebbe “solo” fornire una funzionalità aggiuntiva consistente nell'impartire dei comandi vocali.
Simili sorprese sono toccate anche agli acquirenti di automobili dotate di funzionalità IoT e persino di macchinari agricoli dotati di apparecchi per l'agricoltura di precisione.
I non addetti ai lavori stentano a rendersi conto degli effetti che si possono ottenere scorporando alcune funzionalità tradizionalmente integrate in certi apparecchi.
Il semplice fatto di sostituire l'interruttore di accensione di una lampada o di un tostapane con dei comandi vocali impartibili anche a distanza per mezzo di uno smartphone, utilizzando un servizio gratuito di comprensione della voce, cambia radicalmente le modalità di fruizione degli stessi, trasformando l'acquisto di un tostapane in un abbonamento (eventualmente a titolo gratuito) di un servizio di riscaldamento dei sandwich, erogato per mezzo di un apparecchio di nostra proprietà (possiamo ancora scaraventare il tostapane sul pavimento senza dover rendere conto a nessuno) a certe condizioni (previo consenso del fornitore del servizio mediante accesso remoto ad un sito Internet).
Analoghe considerazioni valgono per la possibilità di avvalersi dei dati registrati nella memoria di prodotto per fini manutentivi o per ottimizzare il funzionamento dell'apparecchio.
Nel momento in cui l'utente dovesse esprimere un simile desiderio, si sentirà probabilmente rispondere che il contenuto della memoria di prodotto costituisce un segreto commerciale del produttore, per cui nel migliore dei casi gli si prospetterà la possibilità di usufruire delle informazioni dedotte a partire dall'analisi dei suoi stessi dati ad un certo prezzo.
Date queste premesse alle piccole imprese si prospettano due possibilità: seguire l'esempio dei leader del mercato cercando di assicurarsi il massimo dei vantaggi adottando delle politiche “aggressive” nei confronti degli utenti o al contrario mostrare una maggiore disponibilità a cooperare con i clienti rendendo disponibile almeno in parte il contenuto della memoria di prodotto.
Quest'ultima strategia costituisce una straordinaria opportunità per le aziende che occupano posizioni di retroguardia poiché prospetta la possibilità di rendere disponibile qualcosa che i leader del mercato sono restii ad offrire: l'apertura dei dati.
Un intervento peraltro dai costi limitati poiché comporta solo la rinuncia a beneficiare di introiti che non si avrebbero comunque, poiché a parità di condizioni probabilmente i clienti preferirebbero acquistare le soluzioni di altri.
In alternativa si presenta la possibilità di differenziare dal punto di vista commerciale dei prodotti fisicamente identici intervenendo esclusivamente sul piano delle licenze o tuttalpiù sui parametri di configurazione software inaccessibili agli utenti.
Chiaramente per poter attuare delle simili strategie bisogna prima di tutto disporre di prodotti IoT funzionanti, anche se non magari al Top. Ho pertanto sviluppato delle soluzioni costituite da due ambienti di prototipazione rapida aventi il primo lo scopo di minimizzare i tempi di sviluppo di semplici applicazioni IoT basate sull'impiego del System on Chip ESP8266 e una seconda volta a semplificare il lavoro richiesto per la migrazione di applicazioni PC già esistenti nel contesto IoT, Fabbrica 4.0.
Per maggiori dettagli si rimanda ai seguenti articoli: