Бурный рост робототехники во второй половине XX и начале XXI века связан с автомобильной промышленностью, которая послужила драйвером внедрения промышленных робототехнических комплексов с целью автоматизации технологических процессов, удешевления производства и повышения качества выпускаемой продукции. Обширной роботизации также подверглись такие отрасли, как производство продуктов питания, потребительских товаров и выпуск фармацевтических препаратов.
По данным отчета Международной федерации робототехники (IFR), в 2022 году зафиксировано внедрение 550 тысяч промышленных роботов на заводах по всему миру, что на 5% больше, чем за аналогичный период 2021 года. В 2023 году рынок промышленных роботов превысил уже 590 тысяч единиц, а лидером роботизации промышленных производств стал Китай. Отечественная промышленность заметно отстает от мировых лидеров по уровню внедрения роботизированных комплексов.
Важность роботизации ключевых промышленных направлений России отмечают на самом высоком уровне. В этом вопросе необходимо опираться на Указ Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», в соответствии с которым одна из основных задач, направленных на достижение цели научно-технологического развития — сформировать эффективную систему взаимодействия науки, технологий и производства, обеспечив повышение восприимчивости экономики и общества к новым технологиям и создав условия для развития наукоемкого предпринимательства.
Сфера роботизации неразрывно связана с рядом других направлений науки и техники и может развиваться только в гармоничном сочетании передовых достижений, на основе проверенных инженерных решений. Одним из базовых направлений промышленности для роботизации является микроэлектронная индустрия.
Современные робототехнические комплексы (РТК) используют сложные алгоритмы управления и нуждаются в высокопроизводительных и надежных вычислительных системах, то есть в современной электронной элементной базе. Высокая плотность монтажа и требования по энергоэффективности также создают специфические требования к элементной базе. Современные промышленные робототехнические комплексы все чаще используют системы машинного зрения и обработку данных с применением нейронных сетей и искусственного интеллекта. Применение современных способов и алгоритмов обработки данных выдвигает высокие требования к используемой электронной компонентной базе.
Согласно анализу, в настоящее время в число отстающих отечественных отраслей роботизации входит сфера железнодорожного транспорта, а также связанные с ней смежные направления.
Железнодорожный комплекс имеет особое стратегическое значение для страны, обеспечивая 46% грузооборота и 26,4% пассажирооборота транспорта России. Доля ОАО «РЖД» в национальной экономике составляет около 5,5% ВВП, поэтому актуальность внедрения робототехнических систем не вызывает сомнения. Долгое время внедрение роботизации в компании сдерживалось специфическими требованиями отрасли, в первую очередь, это сложные производственные условия (открытое пространство железнодорожных станций, влияние природно-климатических факторов) и, конечно же, высокие требования надежности.
В настоящее время ситуация с роботизацией в ОАО «РЖД» начинает кардинально меняться: приоритетными становятся направления, связанные с автоматизацией различных технологических операций с помощью робототехнических комплексов. К одному из таких направлений можно отнести проект «Цифровая железнодорожная станция» (ЦЖС), который реализуется на железнодорожной станции Челябинск-Главный. Данный проект решает ряд ключевых задач: изменение характера труда персонала, вывод человека из опасных зон и повышение эффективности выполнения повторяющихся производственных процессов.
Реализация инновационных РТК в рамках проекта ЦЖС — это, в первую очередь, путь к развитию автономных систем обслуживания подвижного состава на железнодорожных станциях, начиная от контроля его технического состояния (диагностирования) и заканчивая (но не ограничиваясь) расформированием прибывших на станцию поездов, соединением тормозных рукавов грузовых вагонов в парке отправления, обеспечением поезда тормозами и проверкой исправного их действия. В перспективе ЦЖС позволит организовать полностью «безлюдное» обслуживание грузовых вагонов на железнодорожных станциях, включая даже некоторые элементы технологии проведения безотцепочного ремонта.
Росту роботизации в целом и совокупному развитию электронной компонентной базы также способствует государственная поддержка, выраженная в выделении субсидий и специальных грантов. Она затрагивает полный жизненный цикл РТК от поощрения внедрения в целевые сферы (например, в ОАО «РЖД») до финансирования НИОКР производителей электронной компонентной базы.
Реализация указанных вариантов мер государственной поддержки по разработке РТК в интересах ОАО «РЖД» усложнена по причине уникальности технологических процессов, протекающих в бизнес-блоках холдинга. Все это в комплексе влияет на наукоемкость разработки как самих РТК, вписываемых в данные бизнес-процессы, так и их интеграцию со специфическим размещением устройств железнодорожной инфраструктуры. Затраты на проведение НИОКР по разработке таких роботов очень велики, а ввиду их уникальности требования программ государственной поддержки не всегда возможно выполнить в полном объеме.
Дополнительно стоит отметить, что электронные устройства, применяемые в сфере железнодорожного транспорта, подвержены специфичным условиям эксплуатации.
Сильные колебания температуры, повышенная влажность, удары, вибрация, электромагнитные помехи и многие другие негативные факторы – это условия работы электронных устройств на железнодорожном транспорте и в смежных технологических операциях. Применение электронной компонентной базы общего (гражданского) назначения в таких экстремальных условиях эксплуатации в ряде случаев недопустимо в виду невозможности обеспечить безопасную и надежную работу железнодорожной отрасли, одним из ключевых критериев которой является гарантированная безопасность и надежность перевозочного процесса.
Таким образом, качественные электронные компоненты промышленного назначения необходимы в среднесрочной перспективе и для создания средств роботизации технологических процессов в следующих бизнес-блоках ОАО «РЖД»:
«Железнодорожные перевозки и инфраструктура» (диагностические роботы, роботы-авторасцепщики, роботы по соединению тормозных рукавов и опробованию тормозов грузовых вагонов);
«Транспортно-логистический бизнес-блок» (роботизация погрузочно-выгрузочных операций с вагонами и контейнерами, внутрискладская роботизация);
«Социальный блок» (роботы, связанные с созданием комфортных условий в медицинских учреждениях, а также роботы-дезинфекторы производственных помещений);
«Пассажирские перевозки» (роботизированные носильщики багажа, роботы-доставщики продуктов питания в вокзальных комплексах и т.д.).
Ученые АО «НИИАС» в рамках научной кооперации с одним из индустриальных партнеров - ООО «Р - ТЕЛЕМАТИКА» продолжают проектирование и разработку РТК для оптимизации технологических процессов железнодорожной отрасли. Процесс сегментирован на несколько этапов.
Первоочередной задачей для института является подготовка к эксплуатационным испытаниям робота-авторасцепщика грузовых вагонов.
Технологический процесс расцепки вагонов на сортировочной горке выполняется 365 дней в году, 24 часа в сутки при воздействии осадков, ветра и солнечной радиации. Стоит отметить, что роботу-авторасцепщику необходимо синхронизировать скорость и контактировать с подвижным составом, движущимся на скорости до 3 м/с. Для этого потребовалось решить следующие инженерные задачи: создать мобильную платформу, способную перемещаться со скоростью до 6 м/с и ускорением 6 м/с2, манипулятор с зоной работы 2500 мм и угловой скоростью до 90о, а также оптимизировать модуль технического зрения.
Задачи роботизации на среднесрочную перспективу: повысить эффективность работы предприятий железнодорожной отрасли за счет уменьшения времени обработки составов под технологическими операциями; обеспечить возможность гибкой автоматической балансировки продолжительности занятия путей подвижным составом; исключить влияние человеческого фактора и произвести вывод человека из опасной зоны.
Все эти требования подтверждают, что электронные компоненты роботов требуют постоянного совершенствования. Таким образом, при помощи государственной поддержки роботизация уже в ближайшем будущем может стать драйвером развития смежных индустриальных направлений и, в первую очередь, отечественной микроэлектронной промышленности.
