Laboratorij za modeliranje, simulacijo in vodenje in Laboratorij za avtomatizacijo in informatizacijo procesov Tradicija Korenine Laboratorija za modeli- ranje, simulacijo in vodenje (LMSV – predstojnik prof. dr. Borut Zupanïiï) in Laboratorija za avtomatizacijo in informatizacijo procesov (LAIP – predstojnik prof. dr. Drago Matko) na Fakulteti za elektrotehniko Uni- verze v Ljubljani segajo v šestdeseta leta preteklega stoletja, ko je po- kojni profesor dr. France Bremšak ustanovil Laboratorij za analogno in hibridno tehniko in sodeloval pri oblikovanju smeri Avtomatika na dodiplomskem in podiplomskem nivoju. Iz podroïij matematiïnega modeliranja, raïunalniške simulacije in teorije regulacije sistemov, za ka- tera je bil profesor Bremšak eden od zaïetnikov v Sloveniji, pri ïemer je vzgojil ogromno mladih kadrov, sta se razvila omenjena laboratorija, ki vseskozi tako v pedagoškem kot tudi v raziskovalnem smislu delujeta kot ena skupina. V povezavi z Odsekom za sisteme in vodenje na Inštitutu Jožef Stefan, katerega ustanovitelj je bil tudi profesor Bremšak, predsta- vljata okolje z najdaljšo tradicijo na omenjenih podroïjih v Sloveniji. Laboratorija trenutno štejeta 15 ïla- nov (slika 1): • 3 redni profesorji • 3 izredni profesorji • 3 docenti • 5 mladih raziskovalcev • 1 tehniïni sodelavec Temeljni pojmi podroÏja modeliranja, simulacije in vodenja Sodobna tehnologija vodenja spada med tako imenovane kritiïne tehno- logije, to je tiste, ki so v državnem in celo svetovnem merilu posebej pomembne za uspešnost in napredek gospodarstev. V nasprotju z drugimi tehnologijami, ki dajejo pretežno vidne izdelke in dobrine, ima tehno- logija vodenja bolj posreden, se pravi infrastrukturni pomen. Njeni uïinki se namreï prepletajo skozi mnoge inženirske, ekonomske, družbene in druge dejavnosti. Podroïje tehnologije vodenja pa je tudi izrazito interdisciplinarno. Potrebno je povezovanje znanja o procesih, ki jih želimo voditi, z znanjem iz tehnologije vodenja. Po- leg klasiïnih zahtev po minimizaciji surovin, energije, ïasa izdelave in Slika 1. Îlani obeh laboratorijev PREDSTAVITEV 128 Ventil 14 /2008/ 2 cene so dandanes prisotne še zahte- ve po fleksibilnosti in zanesljivosti proizvodnje, po kvaliteti proizvodov, po varnosti in humanizaciji delovnih mest ter po varovanju okolja. V teh pogojih so uspešnejše interdiscplinarne skupine strokovnjakov, ki poleg svoje- ga specialnega podroïja poznajo tudi osnove tehnologije vodenja. Vodenje je proces, s katerim vpliva- mo na delovanje sistema z namenom, da dosežemo nek zastavljeni cilj. Gre torej za transformacijo informacij o vodenem procesu in o njegovem okolju v odloïitve in ukrepe, ki ob upoštevanju kriterijev in omejitev za- gotavljajo želeno obnašanje sistema. Pri tem pojem vodenja zajema tako odprtozanïno vodenje – krmiljenje kakor tudi zaprtozanïno (povratno- zanïno) vodenje – regulacijo. S podroïjem vodenja sta neloïljivo povezana tudi pojma kibernetike,k i se ukvarja s študijem vodenja in ko- munikacij v živih bitjih in tehniïnih sistemih, ter avtomatike, ko procesi zbiranja informacij o stanju sistema in okolice, priprave ukrepov in odloïanje ter ukrepanje potekajo brez posredo- vanja ïloveka. Prav tako pa seveda ne gre brez komunikacijskih, informa- cijskih in raïunalniških tehnologij. Avtomatiki veliko stavimo na sistem- ski pristop, kar je posledica dejstva, da se v današnjem ïasu pojavlja vedno veï problemov z izrazito interdisciplinarnim znaïajem, zato konvencionalne metode analize niso veï dovolj uspešne. Tako je postala teorija sistemov obenem z raïunalništvom, simulacijo, teorijo vodenja, kibernetiko, robotiko in informatiko zelo pomembna. îeprav je sistemska teorija že dolgo znana, je zaradi hitrega razvoja tehnologije, raïunalnikov in komunikacij postala uporabna šele v novejšem ïasu in pomeni enega bistvenih pristopov pri izvedbi veïine projektov. Sistemska teorija je metodološka veda, ki temelji na lastnostih, ki so skupne najrazliïnejšim sistemom. To so: cilji, stanja, omejitve, stabilnost, vodenje, dinamiïno obnašanje itd. Gre torej za vedo, ki teži po združitvi obstojeïega znanja o razliïnih sistemih v enovit pristop. Tako je namen sistemskega pristopa razumeti, naïrtovati, spre- minjati, ohranjati in morda tudi voditi obnašanje obravnavanih sistemov. Med številnimi možnimi rešitvami torej išïemo najbolj sprejemljivo, upoštevajoï celovitost problema, okolico in razliïne omejitve. Sistem definiramo kot množico ele- mentov, ki so povezani med seboj in z okolico tako, da delujejo kot celota. Pojem procesa pa pomeni potek, postopek ali dogajanje, ki povzroïa spremembo stanja sistema. Gre torej za odvisnost odziva sistema od ïasa, ki ga opisuje pojem dinamike. Proces je torej dinamiïni sistem. TehniÏni proces tako lahko imenujemo skupek soodvisnih potekov v nekem siste- mu, ki rezultirajo v transformaciji, transportu ali skladišïenju materije, energije ali informacije. Sistemska teorija omogoïa enovit in univerzalen pristop k reševanju pro- blemov, pri ïemer imata pomembno vlogo tudi modeliranje in simula- cija. Gre za neloïljiva postopka, ki vsebujeta kompleksne aktivnosti v zvezi s konstrukcijo modelov realnih objektov in eksperimentiranje z mo- deli v smislu pridobivanja podatkov o obnašanju modeliranega procesa. Pri tem je modeliranje vezano predvsem na relacije med realnim procesom in njegovimi modeli, simulacija se ukvarja s povezavo med matematiï- nim in simulacijskim (raïunalniškim) modelom, slednji pa tvori kot svoj izhod ïasovne odzive, ki jih vrednoti- mo glede na obnašanje obravnavane- ga procesa. Namen študija sistemov s pomoïjo modeliranja in simulacije je torej doseganje razliïnih ciljev, ne da bi morali eksperimentirati na realnih objektih, pri ïemer gre tako za opis kot tudi za razlago njihovega obnašanja. Raziskovalno delo îeprav so raziskave na podroïju tehnologije vodenja dosegle izredno visoko stopnjo, pa njihovi uïinki v praksi še precej zaostajajo. Zato se tudi na podroïju temeljnih raziskav kaže potreba po integraciji znanja v smislu praktiïne uporabnosti metod in ne toliko razvijanja novih bolj in bolj sofisticiranih pristopov. Poudarki raziskav laboratorijev se zaradi omenjenih razlogov obraïajo predvsem v naslednje smeri: • problem uïinkovitega pridobivan- ja znanja o procesu (novi pogledi na modeliranje in simulacijo sis- temov); • pri naïrtovanju vodenja se prob- lematika širi predvsem v smislu enovitega upoštevanja ne le krmilno-regulacijskega nivoja, temveï tudi nadzora (vkljuïuje zagon in zaustavitev procesa, od- krivanje, spoznavanje in odpravl- janje napak, optimiranje urnikov itd.) ter poslovne in upravljavske sfere; • možnost poveïevanja uïinkovito- sti naïrtovanja vodenja v smislu kombinacij metod, vendar ne le iz klasiïne linearne teorije, tem- veï ob vkljuïevanju ekspertnega znanja in pristopov s podroïja umetne inteligence ter v smislu prilagajanja naïrtovalskih orodij domenam uporabe; • možnost uporabe omrežnih teh- nologij na podroïju tehnologije vodenja. Modeliranje in simulacija Matematiïno modeliranje in simula- cija procesov skokovito pridobivata na pomembnosti tako na tehniških kot tudi na netehniških podroïjih, še posebno pa narašïa njun delež v projektih visoke tehnologije. Nekatera podroïja raziskav laboratorijev so: • konvencionalni pristopi teore- tiïnega in eksperimentalnega modeliranja in simulacije, • nelinearni modeli, • modeli z nevronskimi mrežami, • intervalni mehki modeli in veï- predstavno modeliranje, • hibridni modeli (simulacija in pretvorbe med razliïnimi tipi), • modeliranje avtonomnih mobil- nih sistemov. Nekatera podroïja uporabe mod- eliranja in simulacije pa so: • vodenje procesov (naïrtovanje vodenja, razvoj metode, izvedba – npr. vodenje na osnovi modela, odkrivanje napak ...), • bio- in farmakogenomika, me- dicina, • toplotni in svetlobni tokovi v stav- bah itd. PREDSTAVITEV 129 Ventil 14 /2008/ 2 Vodenje procesov Osnovna podroïja raziskav laborato- rijev zajemajo konvencionalno, mul- tivariabilno, adaptivno in prediktivno vodenje zveznih, diskretnih in hibrid- nih sistemov z ustrezno raïunalniško podporo in v kombinaciji s pristopi s podroïja umetne inteligence, pri ïemer so bolj kot nove metode za- nimive kombinacije metod s ciljem približevanja uporabi v industriji. Omenimo naj • konvencionalne pristope (npr. PID-regulacija), • vodenje multivariabilnih sistemov, • vodenje na osnovi (nelinearnih) modelov – prediktivno vodenje, • adaptivno vodenje, • vodenje hibridnih sistemov, • uporabo pristopov s podroïja umetne inteligence (nevronske mreže, mehko vodenje, genetski algoritmi itd.), • ekspertne sisteme za vodenje ali za vrednotenje relativne uïinko- vitosti vodenja, • vodenje avtonomnih mobilnih sistemov (zaznavanje okolice, avtonomno delovanje, navigacija, zaznavanje ovir, iskanje želenih ciljev, senzorika, algoritmi voden- ja, razpoznavanje znaïilk v pros- toru, planiranje poti, lokalizacija, kartiranje itd.), • prilagajanje strategij vodenja konkretnim problemskim dom- enam ter standardni procesni opremi (npr. vodenje temperatu- re šaržnega reaktorja, vodenje toplotnih in svetlobnih tokov v stavbah). V zadnjih letih je v laboratorijski ra- ziskovalni dejavnosti precejšen pouda- rek na avtonomnih mobilnih sistemih. Enega izmed njih prikazuje slika 2. Pedagoško delo Pedagogi laboratorijev delujemo pre- dvsem na smeri Avtomatika tako na univerzitetnem kot na visokošolskem strokovnem študiju. Program Avto- matike se v zadnjih treh semestrih še nadalje deli, sodelavci laboratorijev pa sodelujejo predvsem pri predmetih izbirnih skupin Procesna avtomatika (PA) in Inteligentni sistemi (IS). Pred- meti vsebujejo vse tiste vsebine, ki so temeljnega pomena v avtomatizaciji industrijskih procesov: modeliranje, identifikacija in simulacija, sistemi vodenja (gradniki, algoritmi, nad- zorni sistemi, raïunalniški sistemi), umetni inteligentni sistemi (razpoz- navanje oblik, govora). Pouïevanje temelji na t. i. sistemskem pristopu, kar omogoïa uïinkovito reševanje problemov raznih podroïij s podob- nimi pristopi. Dejavnosti obeh laboratorijev (LMSV in LAIP) najlepše prikazujejo kar naslovi predmetov v tretjem, ïetr- tem in 5. letniku univerzitetnega študijskega programa: Elementi za avtomatiko in robotiko, Regulacije 1, Modeliranje procesov, Simulacije, Regulacije 2, Seminar: Vodenje sistemov I, Diskretni regulacijski sistemi, Identifikacije, Raïunalniško podprto inženirstvo, Seminar: Vo- denje sistemov II, Multivariabilni sistemi, Raïunalniško vodenje pro- cesov, Seminar: Vodenje sistemov III. Skratka gre za vsebine, ki so nujne v avtomatizaciji v procesni in izdelïni industriji pa tudi za mode- liranje in vodenje sistemov na drugih podroïjih. Trije seminarji z naslovom Vodenje sistemov so zasnovani tako, da ob njih študenti praktiïno preizku- sijo vse najpomembnejše pristope na podroïju avtomatizacije. Teoretiïne vsebine so podprte s praktiïnim delom v dobro opremljenih labora- torijih (slika 3). Študentje se vkljuïujejo tudi v ra- ziskovalno delo. Za veïino predme- tov imajo na voljo uïbenike, ki so jih napisali neposredni predavatelji in asistenti, pa tudi obsežno tujo literaturo. Vsako leto je organizirana ekskurzija v uspešna slovenska po- djetja. Laboratorija sta se med prvimi na Fakulteti za elektrotehniko vkljuïi- la v program SOCRATES-ERASMUS, ki omogoïa mobilnost študentov in uïiteljev. Nekaj študentov je že opra- vilo del študijskih obveznosti v tujini, prav tako pa je gostovalo nekaj tujih študentov. îlani laboratorijev obïasno predavajo v tujini, tuji profesorji pa na naši fakulteti. Sodelavci laboratorijev smo v so- delovanju z Inštitutom Jožef Ste- fan in podjetjem INEA razvili niz petdnevnih teïajev, ki pokrivajo življenjski cikel projektov s podroïja tehnologije vodenja. Ker so bili teïaji naïrtovani v okviru projekta TEMPUS-ALIAC ob sodelovanju še petih evropskih univerz, je njihova kvaliteta tudi mednarodno potrjena. Teïaji predstavljajo tudi glavni del predmetnika specialistiïnega študija Tehnologija vodenja industrijskih procesov na Fakulteti za elektroteh- niko, možno pa jih je obiskovati tudi posamiïno kot teïaje dopolnilnega Slika 2. Avtonomni mobilni sistem Slika 3. Prikaz laboratorijskih modelnih naprav 130 Ventil 14 /2008/ 2 PREDSTAVITEV izpopolnjevanja. Najpomembnejša lastnost teïajev je njihova praktiï- na usmerjenost, pri ïemer gre za prikaz le najnujnejših teoretiïnih naïel. Ustrezno strukturo prikazuje slika 4. Oba naïina izobraževanja sta name- njena predvsem: • inženirjem, ki se pri svojem delu sreïujejo s problematiko vodenja procesov, • inženirjem avtomatike, ki si želijo obnoviti in dograditi znanje, • diplomantom visokih strokovnih šol, • ostalim zainteresiranim posame- znikom poljubne izobrazbe. V vseh programih dajemo velik pou- darek motivaciji študentov in popu- larizaciji stroke. Delo na sodobnih laboratorijskih modelnih napravah in na opremi industrijskih dimenzij študij popestri in poudarja uporabnostne vidike. Pri tem se vseskozi uporablja sodobna raïunalniška, komunikacijska in multimedijska oprema, v zadnjem ïasu pa tudi uïenje na daljavo. Pozor- nost je posveïe- na tudi samostoj- nemu kreativne- mu delu študen- tov, ki z delom na ustreznih pro- blemih pridobi- vajo potrebne izkušnje. To delo v nekaterih pri- merih popestrijo tudi tekmovanja. Motivacijsko in promocijsko vlo- go v tem smislu igra tekmovanje v robotskem no- gometu (slika 5). Študentje preko igre in tekmovanja pridobijo najsodobnejše znanje s podroïij senzorjev, umet- nega vida, digitalne obdelave slik, raïunalništva in informatike, umetne inteligence, inteligentnega vodenja, komunikacije, robotike, mehatronike, modeliranja in simulacij itd. Naše ekipe se udeležujejo evropskih in svetovnih prvenstev ter olimpijad. Dosegle so velike mednarodne us- pehe, saj so zmagale na evropskem prvenstvu v Ljubljani in na olimpijadi v San Franciscu, pa tudi na svetovnih prvenstvih so dosegle zelo visoka mesta. Ker Fakulteta za elektrotehniko v letu 2009/2010 prehaja na bolonjski študij, je bila za model 3 + 2 + 3 potrebna korenita stukturna in vse- binska prenova dosedanje študijske sheme, kar je v zadnjem obdobju zahtevalo velik angažma. Programi so pripravljeni in ïakajo na ustrezne akreditacije. Želeli smo ponuditi privlaïne predmete, ki bi ob evident- nem pomanjkanju kadrov na našem podroïju pritegnili ïim veï študentov in jih nauïili tako samostojnega kot tudi skupinskega projektnega dela in uïinkovitih pristopov k reševanju zastavljenih nalog. Dosežki Najpomembnejše dosežke laborato- rijev na razliïnih podroïjih delovanja na najkrajši naïin predstavljajo na- slednji kazalci: • nosilci programske skupine: Mo- deliranje, simulacija in vodenje Slika 4. Struktura dopolnilnega in specialistiÏnega izobraževanja Tehnologija vodenja industrijskih procesov Slika 5. RaÏunalniški programi tekmujejo v »nogometu« 131 Ventil 14 /2008/ 2 PREDSTAVITEV sistemov za MVZT, • soustanovitelji in ïlani tehnološke mreže: Tehnologija vodenja pro- cesov (TVP), • soustanovitelji in ïlani Tehnolo- škega centra za avtomatizacijo, robotizacijo in informatizacijo (ARI), • sodelovanje v projektu ESRR: Sodobne tehnologije vodenja za poveïanje konkurenïnosti ob sodelovanju ïlanov TVP in 44 slovenskih proizvodnih podjetij kot uporabnikov rezultatov, • sodelovanje v Centru odliïnosti za sodobne tehnologije vodenja in v Centru odliïnosti biotehnologija s farmacijo, • sodelovanje v dveh projektih CRP Znanje za varnost in mir, • sodelovanje v evropskih projektih: TEMPUS, COPERNICUS, SOC- RATES ERASMUS, 5. in 6. okvirni program EU, • bilateralna sodelovanja z Nemïi- jo, Anglijo, Avstrijo, îeško, Japon- sko, Francijo, Argentino, Hrvaško in BIH, • veï kot 90 raziskovalno-razvojnih projektov za domaïo industrijo in 20 projektov z mednarodno udeležbo, • tri monografije, od katerih sta dve izdani v mednarodnih založbah, 244 izvirnih znanstvenih in stro- kovnih ïlankov v revijah in 870 objavljenih prispevkov na znan- stvenih sreïanjih, • trije patenti, • organizacija štirih mednarodnih strokovnih sreïanj, • zakljuïna dela: 57 doktoratov, 105 magisterijev, 17 specialis- tiïnih del in 892 diplom, • izdaja 34 uïbenikov in 24 štu- dijskih materialov, • sedem nagrad MVZT, od katerih je najpomembnejša Zoisova na- grada za vrhunske znanstvene dosežke na podroïju avtomatike prof. Dragu Matku, • 38 drugih nagrad (Prešernove, Bedjaniïeve, najboljši študentski prispevki na strokovnih sreïan- jih, zmage na sreïanjih ICAMES ...), v zadnjem obdobju je zelo pomem- bna zmaga mladega raziskovalca Simona Oblaka na študentski ol- impiadi v St. Petersburgu, • popolna prenova prostorov v letu 2005. îlani laboratorijev smo imeli tudi veï vabljenih predavanj na medna- rodnih in domaïih sreïanjih in na razliïnih znanstvenoraziskovalnih institucijah, sodelujemo v razliïnih odborih znanstvenih publikacij, pri urejanju zbornikov, pri organizaciji in v odborih mednarodnih znanstve- nih sreïanj. Smo tudi med ustanovitelji Društva avtomatikov Slovenije (DAS) in Slo- venskega društva za simulacijo in modeliranje (SLOSIM), ki mu od vsega zaïetka tudi predsedujemo. Društvo je ïlan evropske federacije EUROSIM, ustanovljene 1989, ki združuje 13 zvez iz evropskih držav in z razliïnimi strokovnimi sreïanji in drugimi akcijami promovira mo- deliranje in simulacijo kot univerzal- ni pristop k reševanju najrazliïnejših problemov. Združenje ima tudi svoji publikaciji, in sicer znanstveno re- vijo Simulation Modelling Practice and Theory (SIMPRA), ki jo izdaja založba Elsevier, in Newsletter/Jour- nal Simulation News Europe (SNE). V obdobju 2004–2007 je združenju predsedoval prof. dr. Borut Zupanïiï, ki je moïno izboljšal delovanje zveze EUROSIM, bil pa je tudi predsednik 6. kongresa EUROSIM (slika 6). To je bil v letu 2007 zagotovo naj- pomembnejši tovrstni dogodek v Evropi in tudi najveïji znanstveni dogodek doslej na Fakulteti za elek- trotehniko v Ljubljani. Udeležilo se ga je 456 znanstvenikov iz 42 držav sveta, ki so predstavili 420 prispev- kov. Kongres je dosegel lep uspeh tako v znanstvenem kakor tudi v družabnem smislu. V pripravi je tudi posebna številka revije SIMPRA z izborom najboljših ïlankov s kongre- sa, pri ïemer sta gostujoïa urednika prof. dr. Borut Zupanïiï in prof. dr. Rihard Karba. Prof. dr. Rihard Karba Prof. dr. Borut ZupanÏiÏ Doc. dr. Maja Atanasijevi¢-Kunc Vsi: UL, Fakulteta za elektrotehniko Slika 6. Med odprtjem 6. kongresa EUROSIM PREDSTAVITEV 132 Ventil 14 /2008/ 2