Les nouvelles technologies au cœur de la 4ème révolution industrielle

L’industrie évolue tous les jours mais les industriels avancent à des vitesses différentes. Alors que certains utilisent des PC industriels équipés du fameux système d’exploitation DOS ou Windows 3.1, d’autres s’essaient aux technologies IoT (Objets connectés) ou encore à l’intelligence artificielle (Machine Learning ou Deep Learning).

De nombreuses technologies « anciennes » encore très utilisées aujourd’hui prouvent chaque jour leurs stabilités et efficacités. De nouvelles technologies quant à elles, apportent un vent de renouveau, de nouvelles idées et de nouvelles manières de consommer les données.

La 4ème révolution industrielle est principalement introduite par la volonté de « mieux produire » et « produire plus intelligemment ». C’est pourquoi on parle particulièrement de smart manufacturing et d’IoT.

Pourquoi les nouvelles technologies sont-elles au cœur de ce changement ? Qu’apportent-elles donc à ce nouveau courant ?

Nous vous proposons ci-après de découvrir les technologies qui ont permis l’émergence de l’industrie 4.0, les solutions qui concourent à l’amélioration quotidienne des processus industriels et les technologies de demain qui joueront un rôle révolutionnaire dans l’industrie.

Les technologies Web et mobile

Internet date de la fin des années 1960, début des années 1970. Alors qu’au départ il existait très peu d’interconnexions réseau et que cette technologie était particulièrement réservée à l’armée et aux chercheurs, aujourd’hui le visage d’internet a bien changé. Outre la démocratisation de l’accès à Internet, les usages des technologies Web ont bien évolué. Par exemple, dans le monde, les sites  et applications Internet sont désormais (depuis 2016) consommés majoritairement à l’aide d’un smartphone plutôt qu’avec un PC ou un MAC.

De nos jours Internet joue un rôle de plus en plus important dans notre quotidien. Alors qu’il s’impose dans nos maisons, depuis plusieurs années le web devient également incontournable dans nos entreprises. En effet les technologies Web apportent de la souplesse dans les échanges avec les collaborateurs et l’ensemble des acteurs de l’entreprise. Elles ont amené de nouvelles possibilités dans les échanges de données entre les différents systèmes informatisés. C’est dans ce contexte que ces évolutions ouvrent de nouveaux champs de possibilités à l’industrie.

Les systèmes informatiques dans les usines étaient encore récemment “renfermés” sur eux-mêmes pour diverses raisons : volonté interne, possibilité technique d’interconnexion trop coûteuse ou impossible, … L’évolution et le déploiement continu du Web et de ses technologies a bien changé la donne.

Aujourd’hui le cœur de l’évolution d’Internet dans le monde industriel repose sur l’interconnexion des systèmes afin de proposer des transferts de données et des traitements plus intelligents et toujours plus rapides pour répondre aux besoins d’agilité croissants de l’industrie.

L’IoT (Internet des objets) est un des exemples de nouveautés  rendues possible grâce aux évolutions des technologies et techniques du Web.

 

IoT

L’IoT est central dans l’interconnexion des machines, des divers systèmes et du système d’information.

Les technologies associées à ce concept permettent de collecter des données en provenance des machines au cœur de l’usine ou décentralisées et de les remonter dans le système d’information.

Le smart manufacturing a pour objectif de proposer de produire mieux, plus efficacement et plus intelligemment. Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir à tout moment l’état général de l’ensemble des systèmes de production afin de réagir de manière intelligente aux divers événements qui peuvent survenir. L’IoT fonctionne aussi dans l’autre sens et permet de redescendre des ordres ou des décisions directement aux machines.

Il existe aujourd’hui de nombreuses solutions matérielles ou logicielles autour des problématiques IoT. Il est désormais par exemple tout à fait possible de transformer un ou des capteurs en IoT à l’aide de modules d’acquisitions intelligents et adaptés aux différents protocoles de communication associés à cette technologie.

Pour en savoir plus, nous avons déjà discuté de l’IoT (Internet des objets) dans un précédent article, de son rôle central dans le smart manufacturing et de la digitalisation de l’industrie.

Le volume de données désormais remonté grâce à l’IoT est tel que les infrastructures informatiques classiques ne permettent plus de stocker ou traiter les données de manière efficace. Le Cloud et le Big Data sont des réponses à ces problématiques.

Mise à jour Avril 2023

L’IoT est aujourd’hui une réalité dont de nombreux projets sont en cours de déploiement. L’IoT dans l’industrie se nomme désormais l‘IIoT pour Industrial Internet Of Things. De nombreuses technologies sont associées à cette mouvence. Elle porte d’ailleurs bien souvent le développement des concepts de l’industrie 4.0 dans l’usine. Les objets connectés s’invitent à tous les étages que ce soit dans les machines, autour des machines (Edge computing) ou encore au delà des machines.

La remontée de données dans une solution tierce est désormais le cheval de bataille de nombreux intégrateurs. D’ailleurs la solution WISE-EdgeLink d’Advantech, en appuie des divers équipements d’acquisitions de données répondent parfaitement à ces besoins.

Une fois les données remontées, les acteurs de l’industrie 4.0 ont créés des solutions capables de les traiters, les analyser et leurs donner du sens.

Cloud

Le cloud est composé de nombreuses technologies qui permettent d’exploiter de la puissance de calcul et de stockage de serveurs informatiques distants. Ainsi au lieu d’avoir des infrastructures informatiques en local, le cloud permet d’en délocaliser tout ou partie. Bien souvent la rationalisation des coûts et une facturation à la consommation sont bien plus avantageuses que de posséder et maintenir son matériel en interne.

Dans l’industrie le cloud a ouvert de nouvelles opportunités:

• La remontée des données des différents points de production en un noeud centralisé
• Le traitement d’un grand nombre d’informations à moindres coût. (En effet plus le volume de données est grand, plus la puissance de calcul nécessaire est grande. Le cloud permet de louer cette puissance)
• Le stockage de grands volumes de données

Aujourd’hui le cloud est bien plus que de la location de « puissance machine ». Les récentes innovations dans ce domaine permettent aux grands acteurs comme Amazon (AWS), Google (Google Cloud Platform) ou encore Microsoft (Azure) de proposer des services complémentaires comme:

• Stockage de données optimisées pour l’ioT (Exemple AWS IoT ou encore Azure IoT Hub)
• Services métiers disponibles sur-mesure
• Location “d’intelligence » pour le Deep Learning ou Machine Learning
• Bases de donnée Big data
• …

Le cloud se marie parfaitement avec les nouveaux besoins et contraintes apportés par l’industrie 4.0 et permet d’accompagner les évolutions du système d’information avec un investissement adapté aux besoins. Le cloud apporte une réponse pertinente aux contraintes de stockage et de traitement de volumétries de données gigantesques notamment à l’aide du Big data.

Big data

Le big data désigne un ensemble de données qui est si volumineux qu’il dépasse les capacités humaines d’analyse et même celles des outils informatiques classiques.

Le big data joue un rôle central dans le traitement de l’énorme volume d’information qui compose aujourd’hui le système d’information d’une industrie. En effet L’IoT, les plateformes de MES, les algorithmes d’optimisations, les ERP composent aujourd’hui un volume de données gargantuesques. Les technologies de stockage de données classiques sont désormais dépassées par ces volumes.

C’est pourquoi des technologies adaptées ont été créées afin de stocker de telles volumétrie comme les bases de données objets ou les infrastructures de serveurs adaptées aux traitements distribués. Plusieurs raisons sont à l’origine de ces quantités de plus en plus importantes de données, mais le développement d’Internet et des infrastructures d’échanges de données sont certainement à l’origine de la création de ce besoin dans les entreprises.

Il existe donc désormais des solutions qui permettent de répondre à ce besoin. Cependant cela ne sert à rien si aucun système ne permet de traiter, analyser et extraire ces données.

Cette technologie a amené la création d’un nouveau métier: Data scientist. Un data scientist a pour objectif de créer des algorithmes toujours plus performant pour extraire des données pertinentes et utilisables des plateformes Big data.

La donnée est centrale dans le concept du smart manufacturing et des solutions qui ont prouvées leurs efficacités existent désormais afin d’en faciliter le traitement. Cependant ce volume de données et les différentes sources apportent une nouvelle problématique technique et structurelle: la sécurité. Les technologies issues de la blockchain pourraient bien apporter leurs pierres à l’édifice.

Blockchain

Alors que le volume de données et le nombre de flux remonté par les chaînes de production, les machines et les divers capteurs ou IoT ne font qu’augmenter, les applications industrielles requièrent un fort degré de confiance et de protection. En effet la preuve de l’existence de la source de données (capteur, machine, etc…) ou encore de la consistance et la véracité de la donnée remontée deviennent très importantes.

Comment être sûr que la donnée que l’on reçoit d’un capteur par exemple est réelle, non modifiée sur son chemin et en provenance d’un interlocuteur unique, vérifiée, valide et attendue ?

C’est dans ce contexte que la blockchain apporte une réelle valeur à la donnée.

La blockchain est un « protocole informatique basé sur la cryptographie » qui permet de sécuriser une donnée transférée numériquement en provenance d’une unique source de données et à destination d’un unique receveur.

La blockchain apporte la confiance dans la véracité de la source et de la donnée à travers plusieurs aspects:

• « Tout le monde » (entendre tous les « abonnés » de la blockchain) possède un journal complet des échanges et peut contrôler que le transfert a été effectué
• Personne ne peut réfuter la légitimité du transfert

Finalement la blockchain apporte de la confiance dans la donnée de par la non centralisation des autorisations, et de l’authentification. L’ensemble de ces processus est « distribué » sur un réseau ce qui réduit les risques d’erreurs ou de corruption. Ainsi cette nouvelle technologie permet de résoudre les problématiques de confiance par rapport à une donnée.

 

L’intelligence artificielle

Le monde industriel d’aujourd’hui nécessite toujours plus d’informations et d’échanges de données. Cet essor de la data appelle à une révolution dans le traitement et l’exploitation de la donnée. C’est à cette problématique que tente de répondre l’intelligence artificielle au sein de l’industrie.

Il ne s’agit plus de synthèse de données telle qu’on la connaît aujourd’hui via des tableaux de bord et les graphiques. Il faut exploiter toutes ces données pour en déduire des tendances et faire des prédictions sur le comportement de la donnée dans le temps : c’est ce que propose l’intelligence artificielle aujourd’hui dans l’industrie.

Les plateformes proposées par les professionnels sont encore peu intelligentes, bien loin des expérimentations proposées par Google , ou encore le fameux Watson d’IBM. Mais elles montrent la voie qui pourrait être prochainement empruntée par des applications qui intègrent de réels morceaux d’IA.

Certaines solutions commencent malgré tout à voir le jour. Elles sont conçues à base de deep learning. Les méthodes associées au deep learning ou apprentissage profond, permettent un apprentissage automatique avec un haut niveau d’abstraction lié à l’observation de données. Cette observation permet de conférer un certain sens à des données.

Ces données peuvent par exemple permettre à l’intelligence artificielle d’optimiser une chaîne de production, ou même de prévoir les risques de ralentissement ou de défaillance.  L’intelligence artificielle a aujourd’hui un sens grâce à l’internet des objets qui permet de collecter de grande quantité de données.

Cependant il reste encore quelques défis à relever pour l’IA, le plus grand étant la prise de décision automatisée. C’est ici que l’intelligence artificielle joue un rôle de plus en plus important et de nombreux acteurs proposent des solutions pour l’introduire au cœur de de l’industrie. Alors que cette technologie et les applications qui en découlent n’en sont encore qu’à leurs balbutiements, elles apportent cependant des solutions rapides et efficaces dans la prise de décision « guidée ».

En donnant du sens aux données, l’intelligence artificielle ne sera plus seulement un acteur dans l’analyse mais devient aussi acteur dans la prise de décision automatisée. C’est alors que ces fonctions intelligentes pourront intervenir efficacement sur des systèmes comme:

• les MES ou Manufacturing Execution System
• les ERP (Enterprise Resource Planning)
• les bases de données Big Data
• Les plateformes de supervision
• …

La difficulté de ce type d’implémentation est de trouver le juste milieu entre la prise de décision intelligente et automatisée et celle de l’humain. C’est là tout un challenge qui reste encore à être abordé dans le smart manufacturing.

Mise à jour Avril 2023

L’arrivée de ChatGPT, l’outil conversationnel automatisé basé sur l’Intelligence artificielle d’OpenAI à accéléré le mouvement de l’IA. Dans le secteur industriel par exemple, on retrouve aujourd’hui de plus en plus de traces de cette nouvelle technologie. En effet on l’IA retrouve généralement dans 2 grands usages :

• Analyse de la vidéosurveillance ou de la vision industrielle
• Maintenance prédictive basée sur des modèles entraînés d’IA.
• Gestion intelligente de l’énergie dans l’industrie. Les problématiques actuelles du prix de l’énergie, ont accélérés l’adoption de solution intelligente ou « smart » pour suivre et optimiser la consommation énergétique dans les usines.

De nombreuses solutions sont en cours de développement et ou d’adoption basé sur les technologies du machine learning ou deep learning.

Enfin l’IoT, n’est pas en reste et intègre également de plus en plus ces technologies grâce à des solutions appelées AIoT .

Réalité augmentée

La réalité virtuelle (Virtual Reality – VR) et la réalité augmentée (Augmented Reality – AR) permettent de réunir le monde digital, virtuel et réel.

La réalité augmentée est une technique qui permet de visualiser en direct des objets ou environnements physiques de manière améliorée à l’aide d’un support numérique (Lunettes, Tablettes, Smartphone, …). Le flux vidéo affiché, retranscrit le monde physique  agrémenté d’informations supplémentaires.

Cette technologie peut jouer de nombreux rôles dans l’aire de l’industrie 4.0 et apporter une réelle plus-value jusqu’au sein de la chaîne de production.

Afin d’illustrer ce que peut apporter la réalité augmentée dans l’univers industriel voici quelques cas d’utilisations.

Découvrez quelques cas d’usages de la réalitée augmentée dans le secteur industriel. En effet en 2023, l’utilisation de cette technologie virtuelle est de plus en plus présente sur le terrain. Elle permet de former les équipes plus rapidement, mais aussi d’assister les opérateurs au quotidien.

La maintenance industrielle

Aujourd’hui les machines sont toujours plus complexes afin de répondre aux besoins de performance, d’efficacité et de qualité des lignes de productions. La complexité de la maintenance de ces machines ont donc augmenté exponentiellement. La réalité augmentée, comme le montre en exemple la photo ci-dessus est un facilitateur et permet d’informer et former de manière didactique et visuelle les opérateurs au cœur de la production. A chaque déplacement de la tablette tactile, l’opérateur visualise en temps réel la machine qu’il observe et la scène est automatiquement augmentée à l’aide d’informations pertinentes, explicatives et visuelles.

Dans les prochaines années, la réalité augmentée jouera un rôle prépondérant dans la maintenance industrielle.

Informations au cœur de la production

À l’instar de l’exemple précédent avec une tablette tactile, l’éditeur de solution de supervision Movicon a par exemple proposé une autre utilisation à ses clients à l’aide des lunettes de réalité virtuelle Hololens de Microsoft.

Un technicien, équipé des lunettes peut, en étant directement au plus près de la chaîne de production, à proximité des machines, être informé en temps réel d’alertes ou de statistiques de fonctionnement directement sur les lunettes Hololens. Il peut ainsi être informé et réagir rapidement à tout événement.

La maintenance industrielle ou l’amélioration du suivi du fonctionnement des chaînes de production ne sont que deux exemples parmi de nombreuses nouvelles possibilités ouvertes par la réalité augmentée comme la formation, la sécurité sur site, l’aide sur les chaînes d’assemblage, …

Alors que cette technologie n’en est qu’à ses débuts, elle s’améliore d’année en année (particulièrement les supports de rendu) et semble aujourd’hui parfaitement mûre pour envahir le monde professionnel.

La réalité virtuelle

La réalité virtuelle ne va plus loin que la réalité augmentée : elle propose de plonger ses utilisateurs dans un monde virtuel ou semi-virtuel. L’ensemble du « monde » visualisé est virtuel et les utilisateurs peuvent aller jusqu’à interagir avec les éléments qui le composent. Comme cette technologie propose un monde virtuel, des explications peuvent être proposées sous forme textuelle, audio ou même avec un assistant virtuel pour les cas les plus avancés.

Dans l’environnement industriel, cette technologie apporte par exemple une nouvelle méthodologie pour former ses équipes:

• à interagir avec les machines de la chaîne de production
• à apprendre à réagir en cas de dysfonctionnement
• à appréhender différents cas d’utilisations
• …

Les cas d’utilisations de cette technologie sont sans limites et restent encore pour beaucoup à être imaginés, mais nul doute que la réalité virtuelle sera très présente dans les industries.

Robotique

La robotique a fait un énorme bond en avant ces dernières années et devient aujourd’hui un incontournable dans le monde industriel. Au delà de l’automatisation, les robots sont de plus en plus agiles, autonomes et capables de réactions « intelligentes » et ont une place centrale dans certaines innovations industrielles.

Intégrés et connectés à l’ensemble du système d’information, les robots apportent de nombreux bénéfices à l’industrie et sont de plus en plus intégrés dans les procédures « délicates » ou « répétitives » des processus. Aujourd’hui, ils peuvent même être intégrés dans quasiment 100% de la chaîne de production comme l’a démontré l’usine des  voitures TESLA.

Les robots apportent une flexibilité importante à l’industrie parce qu’ils représentent une solution ZDT (Zero Down Time) entièrement automatisée et qui peut réagir instantanément aux ordres ou procédures auto-correctives.

L’industrie robotique est en évolution permanente et permet de répondre à des besoins toujours plus complexes.

Qu’est-ce qui arrive pour l’industrie ?

Les technologies présentées ci-dessus apportent toutes un renouveau dans l’industrie. Alors que pour nombre d’entre elles les usages en sont encore à leurs balbutiements, de nouvelles technologies arrivent et contribueront certainement aux changements amorcés dans le monde industriel.

Le réseau 5G

Alors que la 4G n’est pas encore entièrement déployée en France, la 5G fait déjà parler d’elle. La 5G est une technologie de communication sans fil qui souhaite répondre aux besoins exponentiels en matière de télécommunication. Elle a pour particularité d’être jusqu’à 100 fois plus rapide que la 4G.

Ces nouveaux débits de données sont particulièrement adaptés aux enjeux croissants de la communication de données qui coïncide avec l’essor des smartphones et des objets connectés.

Actuellement, les standards autour de la 5G ne sont pas encore entièrement définis mais des tests déjà prometteurs ont été réalisés :

• En 2013 Samsung annonçait avoir obtenu des débits de 1Gb/s
• L’université du Surrey en Grande Bretagne annonce en 2015 avoir atteint des débits de 1Tb/s

Cette technologie n’est pas attendue avant 2020 car de nombreux problèmes restent encore à être résolus comme par exemple la puissance nécessaire aux supports pour communiquer sur cette technologie, ou la capacité des disques durs à absorber de tels volumes de données. Aujourd’hui une batterie de téléphone permettrait de tenir 10 minutes environ en 5G.

Mise à jours Avril 2023

Nous sommes désormais en 2023 au moment de mettre à jour cet article. La 5G est une réalité pour de nombreux utilisateurs. Elle commence tout juste à être déployée et/ou utilisée dans le secteur industriel. Outre la 5G d’autres protocoles adaptés aux besoins de l’industrie 4.0 et de l’IoT ont vues le jours :

• NB-IoT : Une technologie cellulaire pour l’IoT longue distance, bas débit
• LTE-M : Une technologie cellulaire pour l’IoT longue distance avec des débits proches de la 4G.
• LoRaWAN: LoRaWAN à gagné le combat contre la technologie Sigfox pour la communication IoT sur le terrain. Ses principales caractéristiques ? bas débit, basse consommation et grande latence. De nombreux objets connectés communiquent désormais via LoRaWAN que ce soit public ou privé.

Informatique quantique

Même si l’informatique a beaucoup évolué depuis ses débuts, il n’y a pas eu de changement radical quant aux technologies qui la composent. Les transistors sont encore et toujours les composants essentiels des appareils électroniques qui nous entourent. Au fil des décennies, ils se sont réduits et les matériaux utilisés pour les fabriquer ont changé, permettant de créer des appareils de plus en plus petits et performants. Et de nouvelles évolutions sont à prévoir, notamment avec l’arrivée de matériaux encore plus performants tels que le graphène.

Mais une toute nouvelle révolution est peut-être déjà en marche : l’informatique quantique. Avec elle, fini les transistors pour manipuler et stocker les bits (les fameux « 0 » et « 1 » à la base de notre informatique traditionnelle). Avec elle arrive les qubits, également appelés bits quantiques. Dans ce nouveau paradigme, l’unité de base de la donnée n’est plus seulement un 0 ou un 1, elle peut aussi être une combinaison des deux.

Pour mieux comprendre les bits quantiques, l’image la plus parlante est certainement celle d’une sphère. La valeur contenue dans un qubit représente un point sur la sphère.

En extrapolant cette image sur notre planète Terre, le pôle nord serait le 0, le pôle sud le 1… et tous les autres points sur notre planète seraient une autre valeur possible du bit quantique !

On se rend alors bien compte des quantités phénoménales d’informations qui peuvent être contenues avec seulement quelques qubits. On estime par exemple qu’un ordinateur se basant sur une unité de calcul de 300 qubits pourrait gérer un nombre d’informations supérieur au nombre d’atomes dans notre univers observable !

Les travaux sur l’informatique quantique ont commencé il y a déjà plusieurs dizaines d’années, mais les récentes avancées dans le domaine par les chercheurs et les universitaires ont poussés de grands groupes comme IBM et Google à investir massivement sur le sujet, avec des résultats d’ores et déjà probants. Mais de nombreux travaux sont encore nécessaires afin de faire évoluer l’ensemble des composants de nos systèmes informatiques classiques pour tirer le meilleur de cette nouvelle technologie.

L’informatique quantique, couplée aux avancées récentes dans le domaine de la transmission de données via les réseaux (telles que la 5G) et aux objets connectés (IoT), laisse présager un futur encore plus connecté, avec des possibilités de réaction et de prise de décision plus rapide et performantes !

Et bien d’autres ….

Comme nous avons pu le présenter tout au long de cet article, de nombreuses innovations techniques récentes sont au cœur de la révolution qui anime l’industrie à travers le monde. Certaines de ces innovations n’ont pas encore montré tous leurs potentiels et les technologies qui arriveront d’ici quelques années apporteront un soutien aux besoins croissants d’intelligence, de rationalisation, d’économie et d’automatisation du secteur industriel.

Il reste encore beaucoup de technologies qui méritent une attention particulière,  comme:

• Le domaine des nanotechnologies et biotechnologies
• Les drones
• L’impression 3D et 4D
• Les techniques de liaison du monde physique au digital (NFC, RFID, iBeacon, …)
• …

L’environnement industriel est en pleine mutation et l’avenir s’annonce des plus passionnants !

Integral System s’efforce de rester à la pointe de ces nouvelles technologies et vous propose en permanence les produits et les services les plus adaptés et évolués pour répondre au mieux à vos besoins d’innovations.