Logo 25 Jahre KAN

KANBrief 4/19

Bezpieczeństwo maszyn i urządzeń połączonych w sieci cyfrowej w adaptacyjnych zakładach przemysłowych

Maszyny i urządzenia produkcyjne w fabrykach Przemysłu 4.0. muszą gwarantować bezpieczeństwo pracowników. Ze względu na wysoki poziom integracji sieciowej należy zwrócić uwagę nie tylko na bezpieczeństwo funkcjonalne, ale również w większym stopniu na bezpieczeństwo przed atakiem z zewnątrz oraz na interakcję między tymi dwoma aspektami. Trzeba również określić, w jakim stopniu obecnie stosowane metody oceny ryzyka są odpowiednie dla adaptacyjnych maszyn przyszłości.

Oczekuje się, że rynki będą niebawem znacznie bardziej dynamiczne i zmienne. Ograniczona elastyczność dzisiejszych maszyn i zakładów produkcyjnych nie będzie wtedy ekonomicznie opłacalna. Z tego powodu maszyny i urządzenia produkcyjne dla Przemysłu 4.0, powinny charakteryzować się wysokim stopniem adaptacyjności. Można to osiągnąć dzięki rekombinacji poszczególnych modułów produkcyjnych w celu utworzenia wysp produkcyjnych oraz automatycznego łączenia ich w sieć i konfigurowania, w zależności od miejsca pracy. Dzieje się tak za pomocą elastycznego połączenia poszczególnych modułów (np. inteligentnych czujników) w sieć, z reguły bezprzewodowo.

Technologia bezpieczeństwa w Przemyśle 4.0
Kluczowymi technicznymi elementami składowymi Przemysłu 4.0 są inteligentne, połączone cyfrowo systemy cyberfizyczne (CPS). Jak każda konwencjonalna maszyna lub instalacja, CPS posiada funkcje operacyjne, za pomocą których wytwarzane są produkty oraz elementy bezpieczeństwa, które zapewniają bezpieczeństwo funkcjonalne.

W przypadku, gdy sygnały bezpieczeństwa są przesyłane na duże odległości lub - w koncepcji Przemysłu 4.0 - poprzez sieci bezprzewodowe, należy podjąć odpowiednie środki, aby zapobiec manipulacjom. Jeżeli ochrona przed atakiem (bezpieczeństwo informatyczne) jest niewystarczająca i nie uniemożliwia manipulowania systemem sterowania maszyną, połączenie instalacji w sieć może spowodować awarię elementów bezpieczeństwa funkcjonalnego i tym samym stanowić zagrożenie dla pracowników. Do tej pory kwestie bezpieczeństwa i zabezpieczeń informatycznych były przedmiotem odrębnych ocen ryzyka prowadzonych różnymi metodami. Jednakże ze względu na potencjalny wzajemny wpływ tych dwóch aspektów, specjaliści zajmujący się bezpieczeństwem i higieną pracy uważają, że konieczne jest ich wspólna analiza. Jest to przedmiotem aktualnych badań niemieckiego Federalnego Instytutu Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (BAuA).

Walidacja fabryk adaptacyjnych
Analiza bezpieczeństwa systemów cyberfizycznych stanowi nowe wyzwanie dla metodologii analizy ryzyka. Należy wziąć pod uwagę na przykład aspekty strukturalne (niejednorodność, interoperacyjność, intensywność oprogramowania, tworzenie sieci itp.) i dynamiczne (rozwój w zależności od czasu, dynamiczna rekonfiguracja, autonomiczne decyzje, itp.) Ponadto istniejące normy bezpieczeństwa zakładają, że system został w pełni opracowany i skonfigurowany zanim zostanie zaakceptowany i otrzyma homologację (zob. w szczególności normę IEC 61508-3:2010).

W realizowanym obecnie projekcie BAuA chce ocenić, czy tradycyjne i nowoczesne metody analizy ryzyka są odpowiednie do zastosowania w adaptacyjnych systemach produkcyjnych. W następnym etapie planowane jest przetestowanie w praktyce odpowiednich środków na cyfrowych modelach systemowych połączonych w sieć instalacji produkcyjnych lub wytwórczych.

Uczenie maszynowe
Adaptacyjne systemy produkcyjne mogą również obejmować algorytmy uczenia maszynowego. W tym przypadku należy dokonać rozróżnienia zgodnie z funkcją wykonywaną przez algorytm. Może być to:

  1. Funkcja operacyjna służąca do adaptacyjnego sterowania procesem lub jego optymalizacji
  2. Część funkcji bezpieczeństwa służąca zwiększeniu bezpieczeństwa systemu
  3. Wykorzystanie (jak na razie wizjonerskie) uczenia maszynowego do analizy ryzyka związanego ze złożonymi, adaptacyjnymi systemami w okresie ich użytkowaniaDla każdego z tych trzech scenariuszy użytkowania, które mogą częściowo się nakładać, należy szczegółowo przeanalizować aspekty krytyczne dla bezpieczeństwa. Obecnie BAuA bada, w jaki sposób można w przyszłości opisać w ilościowej analizie ryzyka nieprzewidywalność decyzyjnych wyników algorytmów uczenia maszynowego, które różnią się pod tym względem od tradycyjnych komponentów oprogramowania.

Normalizacja może wnieść cenny wkład w te nierozwiązane kwestie i wesprzeć podejście metodologiczne opracowane w ramach różnych dyscyplin specjalistycznych. Środowisko naukowo-badawcze, państwowe instytucje regulacyjne i normalizacyjne muszą współpracować ze sobą już na wczesnym etapie, aby potencjał technologii cyfrowych mógł zostać wykorzystany, zapewniając jednocześnie wartość dodaną.

Dipl.-Ing. Björn Kasper
Dr. Silvia Vock
Dr. Stefan Voß
Federalny Instytut ezpieczeństwa i Higieny Pracy (BAuA), Drezno

info-zentrum@baua.bund.de