Nesnelerin İnterneti ve Akıllı Fabrika
Gürcan Banger
Küresel ölçekte üretim süreç ve metodolojilerinin değişim ve dönüşümün eşiğine ulaştığı bir dönemdeyiz. Bu değişimin payandaları bilişim, iletişim ve İnternet teknolojileri (BİT) ve Nesnelerin İnterneti (Nİ) –bunların birlikte meydana getirdiği kombin olarak endüstriyel internet– ile sensorlar, yapay zekâ ve öğrenen makineler tarafından oluşturuluyor. Yeni çağın üretim yaklaşımı olan akıllı fabrikaların yaratılması için Nesnelerin İnterneti birinci önem sırasında yer alır. Yeni teknolojiler yanında kendi merkezinde Nesnelerin İnterneti’ni bulunduran üretim sistemi Endüstri 4.0 olarak da isimlendirilir.
Bu noktada Nesnelerin İnterneti kavramına yabancı olanlar için kısa bir tanımlama yapmak yararlı olabilir. Nesnelerin İnterneti; sistem, makine, sensor, kontrol ünitesi vb. gibi fiziksel nesnelerin birbirleriyle veya daha büyük sistemlerle bağlantılı olduğu iletişim (daha doğru ifadeyle etkileşim) ağıdır. Nesnelerin IP adresleri ile tanımlanarak İnternet üzerinden birlikte çalışabilmesi sağlanır. Nesnelerin İnterneti konusundaki bir başka tanımlama; günlü yaşamda veya iş ortamında yer alan çeşitli nesnelerin İnternet’e bağlanıp veri gönderip alması yeteneği şeklindedir. Bu tür tanımlamalarda yer alan nesne sözcüğü; fabrika ortamında bilgisayar, tezgâh, konveyör, vana, sensor, kumanda tablosu gibi anlamlara gelirken, günlük yaşamda taşıt, durak, giriş-çıkış kapısı, güvenlik amaçlı izleme araçları, ev aletleri gibi şekillerde olabilir. Bu nesnelerden bazıları iletişim kurabilmenin yanında yapay zekâ içerikli yazılımla donatılmış olduğunda bazı kararları üretebilme ve çevreyle iletişim ötesi etkileşebilme yeteneğine sahiptir. Bunlara “akıllı, iletişebilir (etkileşebilir) nesneler” diyebiliriz. Bir nesnenin “akıllı” sayılabilmesi için eşsiz bir adrese sahip olması, İnternet üzerinden bağlantı kur(ul)abilir olması ve bir sensorunun bulunması gerekiyor. Böyle bir akıllı ve etkileşebilir nesneyle dünyanın herhangi bir noktasından karşılıklı bağlantı kurulabilir.
21’inci yüzyılın henüz yaşanan kısmı, yukarıda kısaca değinilen gelişmelerin sıkça gündem maddesi yapıldığı yıllar oldu. Konunun medyatik görünümü yanında bu gelişmelerin yeni iş fırsatları yaratacağı beklentileri de yükseliyor. Teknolojik ürün ve hizmet üreten firmalar akıllı fabrika odaklı yeni makine, sistem ve cihazlar tasarlayıp üreterek pazardan pay alma çabası içindeler. Diğer yandan Endüstri 4.0 konseptine uygun akıllı fabrikaların nasıl oluşturulacağı konusunda henüz yeterli çalışma olduğunu söylemek zordur. Akıllı fabrika prototipleri konusunda yapılan akademik çalışmalar yerini son birkaç yıldır akademik medyada yer almaya başladı. Diğer yandan mevcut işletmelerin yeni teknolojik düzene nasıl geçecekleri ise bir başka önemli soru olarak karşımızda duruyor.
İletişimin ağırlık görünümüne rağmen akıllı fabrika ortamı, ağırlıklı biçimde nesnelere gömülü halde bulunan bilişim donanımı ve yazılımı içerir. Akıllı fabrikada fiziksel sistemler birbirine bağlı olarak bir fiziksel bütünlük oluştururken, bunların sanal simülasyonları bilgisayar ortamında yer alır. Böylece bir yandan fiziksel üretim akışı sürerken aynı zamanda üretim simülasyonu bilgisayar sistemleri üzerinde gerçekleşir. Bu tür bir yapıya siber-fiziksel sistem (SFS) adı verilir. Akıllı fabrikada siber-fiziksel sistemler üzerindeki gömülü işlemciler ve yazılımlar kablolu veya kablosuz biçimde fabrikanın –örneğin kurumsal kaynak planlama (ERP) gibi– diğer sistemlerine bağlanabilir.
Bir fabrikada stratejik ve teknik (operasyonel) olmak üzere iki tür işten söz edebiliriz. Akıllı fabrikadaki hedeflerden ilki operasyonel iş ve görevlerin olabilen maksimum ölçüde otomasyon sistemleri tarafından devir alınmasıdır. Diğer yandan Endüstri 4.0 ve akıllı fabrika vizyonu, teknolojilerin gelişimine bağlı olarak hat veya tezgâh değiştirme, üretim hattı üzerinde birkaç ürünü aynı anda üretme, yeni bir ürüne otomatik olarak geçme gibi görece stratejik kabul edilebilecek hedefleri de içermektedir. Otomasyonun operasyonel olan stratejik olana ilerleyişi yönünde yeni gelişmelere de tanık ve –umarım– paydaş olmayı sürdüreceğiz.
Günümüzde iş – işletme yaşamı her an giderek daha fazla oranda teknolojik gelişmelerden etkileniyor. Bu süreçte yeni, akıllı ve mobil teknolojiler ilk sırayı alıyor. Bu değişim ve dönüşüm sadece kullanılan teknik ve araçları değiştirmekle kalmıyor, aynı zamanda iş modellerinin de bu teknolojileri kullanacak biçimde farklılaşmasına yol açıyor. Diğer yandan değişim ve dönüşüm, teknolojideki ilerlemelerden olduğu kadar ekosistemdeki ve pazardaki farklılaşmalarından da etkileniyor. Müşterinin yeni problem ve ihtiyaçları, kısalan ürün ömrü, sertleşen küresel rekabet, yükselen kalite beklentileri ve maliyet-fiyat konusundaki talepler işletmeler için yeni kısıtlar ve hedefler anlamına geliyor.
Nesnelerin İnterneti (Nİ) nesnelerin, sensorların, gömülü işlemci ve yazılımın içerildiği bir sistemdir; nesneler kablolu veya kablosuz biçimde İnternete bağlanma imkânına sahiptir. Öncelikle fabrika içinde, daha geniş çerçevede ekosistemde yer alan diğer birimler (örneğin şubeler, depolar, üretim noktaları vb.) ve paydaşlarla (örneğin tedarikçiler, bakım-onarım takımları vb.) ile etkileşim potansiyeli yaratır. Nesnelerin İnterneti; her şeyin İnternete bağlı olduğu, insanların sistemlerle ve diğer ortamlarla kurduğu iletişimi yeniden tanımlayan farklı bir bakış açısıdır. Akıllı fabrika ortamında Nesnelerin İnterneti’ni gerçekleştirmek üzere (WLAN, RFID, GPRS, Bluetooth vb. gibi) çeşitli kablolu ve kablosuz iletişim teknolojileri kullanılır. Böyle bir ağ yapısı üzerinden sistemlerin izlenmesi, merkezsizleşmiş (desantralize) süreç denetimi, hata raporlama ve konum belirleme gibi fonksiyon ve faaliyetleri gerçekleştirmek mümkün olur.
Akıllı fabrikayı mümkün kılan teknolojiler farklı ekonomilerde farklı isimlerle anılıyor. Örneğin Avrupa’da Endüstri 4.0 olarak isimlendirilen yaklaşım ABD’de Endüstriyel İnternet (Eİ) veya Çin’de Internet+ adı ile anılıyor. Endüstri 4.0 isminin kullanılmasındaki ana fikir, bu konunun Sanayi Devrimlerine bağlı olarak anılmak istenmesidir. Birinci Sanayi Devrimi (sürüm numarasıyla anarsak Endüstri 1.0) su ve buhar gücünün mekanik sistemlere uygulanması ile ilgiliydi. Elektrik enerjisinin kullanıldığı ve kütlesel üretimin mümkün olduğu dönem İkinci Sanayi Devrimi olarak anıldı. Elektroniğin, süreç denetimin, otomasyonun ve en önemlisi bilgisayarların geliştiği dönemin isimlendirilmesi Üçüncü Sanayi Devrimi (ya da Endüstri 3.0) olarak yapıldı. Dördüncü Sanayi Devrimi (yani Avrupa’daki adıyla Endüstri 4.0); bilişim, iletişim ve İnternet teknolojilerinin her türlü küresel bağlantılara imkân yaratacak biçimde gelişmesini, yüksek düzeyli otomasyonu, yapay zekâyı, öğrenen makineleri, siber-fiziksel sistemleri, gelişkin sensor (veri toplama) teknolojilerini, bulut bilişimi, büyük veri ve analitikleri ifade eder. Bu bağlamda yüksek kalitede akıllı üretimi, temiz ve sürdürülebilir imalatı, üretici ve tüketiciye daha yakın olan kentsel temelli akıllı fabrikaları da kavramın içine dâhil etmeliyiz. Burada “kentsel akıllı fabrikalar” olgusu geleneksel üretim yaklaşımına oranla önemli bir farklılıktır; yeni üretim ekosisteminin konumlanması açısından yeni bir tarzı ifade etmektedir.
Nesnelerin İnterneti ve akıllı fabrikalar nasıl bir gelecek tanımlıyor? Bu konuda bazı gelişmelere bakarak öngörüler geliştirebiliriz. Endüstri 4.0 türünde ifadeler ve yorumlar 21’nci yüzyılın ikinci on yılında yaygınlaşmaya başladı. 2010 yılında İnternete bağlı cihaz sayısı Dünya üzerinde yaşayan insan sayısını geçmişti. Sayısal artış konusunda yapılan bilimsel tahminler İnternete bağlı cihaz sayısının 2020 yılında yaklaşık 50 milyara ulaşacağını belirtiyor. Araştırmalar arasında farklılıklar olmakla birlikte 2020 yılında Dünya nüfusunun 8 milyar civarında olacağı öngörülüyor. Basit bir ortalama hesabı ile kişi başına 6-7 İnternet bağlantılı cihaz düşeceği anlaşılıyor. Hiç kuşkusuz; bunların tamamı akıllı telefon, tablet veya dizüstü bilgisayar gibi mobil cihazlar olmayacak. Bunlar arasında bağlantılı ev ve sanayi cihazlarının sayısı dikkate alınabilir bir düzeye ulaşırken yeni ve farklı cihazların ortaya çıkacağını söyleyebiliriz. Tahminler teknolojik gelişime bağlı olarak değişecek olmakla birlikte mevcut gidişata bakarak 2020’de söz konusu cihazların yüzde 65’inin tüketici odaklı, yüzde 20’sinin işletmeler arası ve yüzde 15’inin işletme içi kullanımda olacağını kaba bir tahmin olarak söyleyebiliriz.
Nesnelerin İnterneti
Nesnelerin İnterneti konusundaki yenilikleri akıllı fabrika ihtiyaçları ile birlikte düşündüğümüzde, sensorların (veri toplama cihazlarının) katılımı ile ağ altyapılarının geliştirilmesinin önemi ortaya çıkıyor. Akıllı fabrikaları sanayinin yeni açılımı olarak öngörmek için Nesneleri İnterneti teknolojilerinin üretim işletmelerinde mümkün olduğunu sergilemek gerekiyor. Burada da anahtar rollerden birini sensorlar oynayacaktır.
Nesnelerin İnterneti ve akıllı fabrika kombinini birkaç farklı yönden ele alabiliriz. Birincisi; endüstriyel internet sayesinde fabrika mekânı kendi fiziksel sınırlarının ötesine geçerek “yaygın işletme” şekline dönecek. İşletme (fabrika) kendi ekosistemi ve tedarik zinciri ile daha yoğun bir etkileşim içinde olacağından daha geniş bir sanal mekâna sahip olacak. Diğer yandan siber-fiziksel sistemlerin hem gerçek üretim mekânındaki işleyişi hem de bilişim ortamındaki tam simülasyonu sayesinde yeni bir üretim metodolojisi yaşama geçecek. Özetle; Nesnelerin İnterneti (Nİ); insanların yönetimi, nesnelerin katma değer üretimine katılması, enformasyonun daha etkili ve verimli işlenmesi ve üretim mekânının sanal olarak genişlemesine katkı yapacak.
Nesneler ve Nesnelerin İnterneti gerçek fiziksel dünya ile bilişim ortamındaki sanal dünyanın arayüzünde yer alır; burada köprü görevini yerine getirir. Nesnelerin İnterneti sayesinde herhangi bir nesne küresel enformasyon ve iletişim altyapısına bağlanabilir. Buna “bağlantılılık” özelliği denir. Nesnelerin İnterneti; sistemde yararlanılan (tezgâh, aktüatör, vana, kapı, güvenlik denetçisi vb. gibi) nesnenin nitelik ve kısıtlarına bağlı olarak bazı yeni hizmetleri mümkün kılar. “Nesne temelli hizmetler” adlandıracağımız bu özellik sayesinde örneğin güvenlik, kimlik belirleme ve tanıma gibi hizmetlerde gerçek yaşam ile sanal ortam arasındaki tam eşleme başarılabilir. Nesnelerin İnterneti “heterojenlik” özelliği sayesinde başka ağ ve sistemlerle iletişim açısından heterojen ve uyarlıdır. Şöyle ki; farklı ağlarda yer alan türdeş olmayan sistem ve cihazlarla da iletişim kurabilir.
Nesneler İnterneti’nin yukarıda sayılan özelliklere ek olarak; bu sisteme bağlantılı olan nesne sayısı dinamik olarak değişebilir; sistemdeki nesneler gene dinamik olarak (açık, kapalı, rölantide, manüel kontrolde, yavaş, hızlı, bakımda vb. gibi) durum değiştirebilir. Ayrıca sisteme bağlantı yapabilecek nesne sayısı, İnternet’e bağlanabilecek nesne sayısı ile sınırlıdır. Bir başka deyişle istenen sayıda nesneyi Nesnelerin İnterneti’ne dâhil etmek mümkündür.
Burada bir konuya açıklık kazandırmalıyız. Endüstri 4.0, Endüstriyel İnternet, Nesnelerin İnterneti gibi kavramlar sadece akıllı fabrika gibi üretim sistemleri ve işletmelerin konusu değildir. Benzer biçimde “Akıllı Sağlık”, “Akıllı Ulaşım”, “Akıllı Ofis”, “Akıllı Ev” veya “Akıllı Kent” gibi alanlarda da benzer teknolojilerden yararlanmak mümkündür. Bu teknolojilerin kullanımı ile sözü edilen veya eklenebilecek alanlarda güvenlik, mahremiyet, erişilebilirlik, kolaylık vb. gibi ihtiyaç duyulan fonksiyonların yerine getirilmesi mümkün olur.
Yalın ve Akıllı
Yalın üretim felsefesi işletmenin önüne kaynakların etkili kullanımı, verimlilik ve atığın (israfın, firenin, ıskartanın) azaltılması hedeflerini koyar. Üretim metodolojisi tarihi açısından geleneksellik mertebesine varmış olan yalın üretim ilke, yöntem, teknik ve araçları günümüzde de geçerliliğini koruyor. Şu farkla ki; Nesnelerin İnterneti, yalın felsefenin kullandığı yaklaşım ve araçları teknolojik olarak bir üst seviyeye terfi ediyor. Dolayısıyla yalın olmayı başaramamış bir işletmenin akıllı fabrika olmasını beklemek hayal bile olamaz. Bir başka deyişle akıllı fabrika (işletme) olabilmek için yalın felsefeyi özümsemiş olmak gerekir.
Pazarda rekabetçi olabilmek için farklılık yaratma ve düşük maliyet olmak üzere iki temel eksen var. Farklılık yaratma konusu artık büyük oranda işletmenin tüm fonksiyonları açısından inovasyon yapmak olarak algılanıyor. Düşük maliyet ise kaynakları etkili kullanma, verimliliği geliştirme ve atık (israf, fire, ıskarta) üreten süreç ve faaliyetlerden kaçınma anlamına geliyor. Akıllı fabrika düşünüldüğünde; bir üretim sisteminin rekabetçi olabilmesi için bağlantılı cihazlar (tezgâhlar, aygıtlar, araçlar) ve sensorların yer aldığı ağın bir yalın üretim ekosistemi oluşturması beklenir. Nesnelerin İnterneti, donanım ve yazılım olarak böyle bir yalın üretim sisteminin içine gömülü halde bulunacaktır.
Neden akıllı fabrika üzerine düşünüyoruz? Çünkü yeni teknolojik gelişmeleri içinde barındıran bu üretim altyapısı ve metodolojisinin kaliteyi yükseltirken maliyeti azaltacağı, müşteriye teslimat hızını artıracağı ve müşteri tatminini iyileştireceği öngörülüyor. Akıllı fabrika; bu stratejik amaçlara ulaşmak üzere tasarım, kurulum ve bakım-onarım açılarından zorlu ve karmaşık bir süreci yüklenmek anlamına gelir. Akıllı fabrika sistemi bir bütün olarak esneklik, çeviklik ve hız isterlerini yerine getirirken aynı zamanda mekân ve zamanın sabitleyiciliğinden de kurtulmak zorundadır. Bilişim, iletişim ve İnternet teknolojilerinin sağladığı bağlantılılık ve sanallık, hem üretimi hem de üretim yönetimini daha bağımsız hale getirecektir.
Her üretim mekânının olduğu gibi akıllı fabrikayı tasarlayıp yaratmanın da farklı boyutları var. Bunlar arasında en önemlilerden birisi yeni bilişim, iletişim, ağ ve İnternet teknolojileri konusuna hâkimiyettir. Örneğin akıllı fabrika ortamında çeşitli kablosuz ağ bağlantıları ve yeni protokoller kullanılır. Bu çerçevede gözetim iletişimi kablosuz yerel ağ (WLAN), desantralize süreç denetimi radyo frekans tanımlama (RFID), kablosuz cihaz ağı IEEE 802.15.4 tabanlı ZigBee ile Bluetooth, hata ve arıza iletişimi GPRS ve yerelleştirme çok geniş bant (UWB) tarafından gerçekleştirilir. Hiç kuşkusuz; yeni teknolojik gelişmelere bağlı olarak hem donanımın hem de bunları iletişim ve ilişkilendirmekte kullanılan protokollerin hızlı değişimi beklenen bir durumdur.
Bir örnekle devam edelim. Japonca bir kelime olup “ışıklı sinyal” anlamına gelen andon, yalın üretim sisteminin en önemli görsel iletişim araçlarından birisidir. Andon, özellikle yalın üretim uygulamalarında kullanılan hata önleme sistemidir. Sistemin özü, personelin önündeki düğmeler yardımıyla sıra dışı durumu sorumlulara bildirebilmesi esasına dayanır. İlk basit haliyle bir örnek olarak söylersek; bir tezgâh arıza yaptığında üzerindeki kırmızı ışık (lamba) yanar ve bakım-onarım ekibinin müdahale etmesi beklenir. Günümüzde ise yeni teknolojiler sayesinde 1950-60’ların bu basit, ama anlamlı yaklaşımı yepyeni elektronik çözümlere terfi etti. Son 30-40 yılda üretim sistemlerini destekleyen iletişim teknolojilerinde önemli gelişmeler oldu. Özellikle bilişim konusunda gelişmeler fabrika otomasyonunu ileri aşamalara taşıdı. 2000’li yıllarda PLC’ler sayesinde yerel otomasyonun başarılmasında ciddi gelişmeler sağlandı. 2010 sonrası ise artık Endüstri 4.0 Çağı olarak akıllı fabrikayı gerçekleştirilebilir seçenekler arasına aldı.
Akıllı fabrika ortamında akıllı makineler (tezgâhlar, cihazlar) onarım veya bakım ihtiyacını önceden öngörerek ağ (Nesnelerin İnterneti) üzerinden gerekli süreci başlatır. Üretim ağı üzerinde gerçekleşen faaliyetler ve meydana gelen olaylar bulut bilişim ortamında büyük veri olarak depolanır. Bu verilerin analitik yöntem ve tekniklerle –ki bunlarda bulut üzerindedir– işlenmesi ve yorumlanması ile üretim süreci daha saydam hale dönüşür. Gene bu enformasyon sayesinde tedarik zincirine ilişkin ihtiyaçlarını, enerji tüketimi iyileştirmelerini, hammadde ve malzeme ihtiyaçlarını öngörmek mümkün olur.
