Cybersecurity

Tecnologie informatiche e cybersecurity per la logistica 4.0

Introduzione

Negli ultimi anni si è visto come, da un lato, la domanda nell'industria risulti in continua evoluzione, e questo grazie a fattori come la competizione internazionale, la domanda di prodotti con cicli di vita sempre più brevi, ecc... che rappresentano delle sfide importanti per le industrie; infatti, gli approcci esistenti alla produzione non risultano adatti a gestire questa situazione della domanda in termini di costi, flessibilità e sostenibilità, non riescono a tenere il passo di queste evoluzioni. Dall’altro lato ci sono stati recentemente dei progressi tecnologici, molto rapidi e importanti, che hanno creato nuove opportunità di business per le aziende (es: big data, intelligenza artificiale e IoT).

Cercare di utilizzare queste nuove tecnologie al fine di adattare la produzione all’evoluzione della domanda, dà luogo alla cosiddetta Industria 4.0.

I benefici di questo nuovo approccio sono molteplici: produzione di massa flessibile, coordinamento dei processi in tempo reale, ottimizzazione dei processi, riduzione dei costi, possibilità di sviluppare nuovi servizi, ecc...

Ovviamente, tutto ciò si riversa anche nel campo della logistica, la quale rappresenta una perfetta area di applicazione dei concetti dell’Industria 4.0.

Quindi, con l'espressione "Logistica 4.0" estendiamo il concetto di Industria 4.0 alla logistica e alla Supply Chain. In particolare, le tecnologie informatiche vengono integrate nei processi logistici, e questo apre il campo a diverse possibili applicazioni, si parla ad esempio di:

• Tracciamento in tempo reale di ordini, di macchinari, di persone, ecc...;
• Ottimizzazione dei sistemi di trasporto;
• Migliore pianificazione delle risorse dell’approvvigionamento.

L'industria 4.0 è irrealizzabile se i processi logistici non sono in grado di seguire la stessa evoluzione.

L'espressione "Industria 4.0" ha avuto origine in Germania, da un progetto del governo tedesco che promuoveva la computerizzazione dell'industria manifatturiera. Questo progetto, comprensivo del suddetto termine, fu presentato alla "Hannover Trade Fair" del 2011.

Nei 20 anni precedenti l’Europa aveva perso circa il 10% del mercato relativo all’industria manifatturiera, in favore di nazioni emergenti come la Cina, che invece aveva raddoppiato la propria quota di mercato arrivando al 40% del mercato globale.

Il governo tedesco pensò che fosse necessario sviluppare delle strategie innovative per mantenere il ruolo di precursore del settore che la Germania ha sempre avuto.

L’idea era quella di una strategia hi-tech (alta tecnologia) per cercare di rafforzare il settore in vista di nuovi requisiti futuri nella produzione. Il piano del governo, dunque, mirava a un'idea di produzione industriale integrata con tecnologie digitali, che permettessero:

• Una produzione di massa flessibile, ad alta personalizzazione (sulla base delle richieste dei clienti);
• Incremento dell’automazione dei processi industriali, in particolare facendo sì che tali processi potessero autonomamente ottimizzarsi, rilevare problemi e magari anche risolverli.

Questo progetto è stato poi ripreso da altre nazioni.

Perché 4.0?

Il 4 deriva dalla quarta rivoluzione industriale, mentre il ".0" deriva dalle convenzioni che in genere si usano per definire le versioni dei software in ambito informatico.

Rivoluzioni industriali:

• 1: 1784: produzione meccanica; forza vapore; telaio per tessitura.
• 2: 1870: produzione di massa; catena di montaggio; energia elettrica.
• 3: 1969: anche detta rivoluzione digitale, automazione; computer ed elettronica.
• 4: caratterizzata dall'impiego di sistemi cyber-fisici; IoT; networks.

Gli oggetti vengono resi Smart, ossia vengono dotati di intelligenza tramite le tecnologie informatiche, e possono essere interconnessi tra loro e connessi alla rete internet, così come i processi e i macchinari.

La quarta rivoluzione industriale è la naturale evoluzione della terza, infatti, l'utilizzo di tecnologie digitali non è nuovo: hardware e software e reti di telecomunicazione vengono usate dal secolo scorso.

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Adesso però le tecnologie sono più sofisticate, maggiormente integrate nei processi industriali e più affidabili e disponibili a prezzi inferiori. La novità sta anche nella possibilità di sfruttare l’accesso a Internet da ogni luogo, in ogni momento e sempre più rapidamente.

Industria 4.0

Non esiste una definizione univoca di Industria 4.0, possiamo però definirla come una visione in cui:

• Le tecnologie informatiche vengono utilizzate in maniera pervasiva per raccogliere ed elaborare i dati prodotti dai processi industriali;
• Le informazioni vengono sfruttate per innovare e ottimizzare i processi, anche senza intervento dell'uomo.

Gli attori umani assumono ruoli differenti, passando dall’essere fondamentalmente operativi manualmente a dover prendere decisioni ed eseguire compiti che comportino maggiori responsabilità.

Cyber physical system (CPS)

L'industria 4.0 si basa sull'integrazione dei processi fisici con il mondo digitale.

Un CPS è un sistema fisico (reale) le cui operazioni sono monitorate, coordinate e integrate da un sistema di elaborazione e di comunicazione. Questo sistema di elaborazione può chiaramente influenzare le operazioni del mondo reale.

Componenti principali che favoriscono tale integrazione:

• Sensori e attuatori: sono dei dispositivi che permettono di produrre dei dati e agire sul sistema fisico.
• Unità di controllo: può risiedere in diversi punti del sistema, è quello che fa le operazioni intelligenti.
• Dispositivi di comunicazione: permettono di condividere i dati con un mondo più ampio.

L’utilizzo di sensori e attuatori non è nuova, la novità sta nel poter condividere i dati ricavati.

Un sistema cyber-fisico non si riferisce solo al mondo dell'industria ma anche, ad esempio, al mondo dei trasporti, al sistema medico, quello dell’energia, ecc...

Esempio: in uno scenario stradale c’è un semaforo e una macchina. Se dotassimo di sensori questi due oggetti cosa potremmo fare? Il semaforo può produrre dati, ad esempio, sul suo stato (rosso, giallo o verde) o sul tempo di attesa prima che scatti il verde. La macchina può generare altri tipi di informazioni, ad esempio la posizione, in coordinate spaziali, o la velocità. Queste informazioni potrebbero essere fatte convergere tutte su un unico sistema di controllo, in modo tale che:

• La macchina potrebbe adattare la sua velocità per arrivare al semaforo quando scatta il verde (ciò impatta sul traffico e sulle emissioni della macchina) oppure potrebbe far sì che essa cambi strada saltando l’incrocio quando è rosso.
• Il semaforo potrebbe adattare i cicli verde-rosso in base al livello di traffico sulla strada, oppure potrebbe adattarsi in base al passaggio di mezzi di soccorso.

Esempio: una cosa simile si ha a Firenze per la tranvia. Il tram, quando si avvicina agli incroci, fa scattare il rosso per le auto.

Le tecnologie in questione esistono già da molto tempo, l’elemento di novità sta nel fatto che queste vengono fatte interagire tra loro, dunque, nei loro nuovi impieghi.

Alla base abbiamo il sistema fisico, ossia gli oggetti, al quale aggiungiamo sensori e attuatori, che permettono la digitalizzazione di alcune condizioni fisiche, in base a quali informazioni vogliamo ricevere (temperatura, velocità, posizione...). Queste informazioni vengono inviate ad un sistema di elaborazione, che opera su questi dati ai fini di prendere decisioni. Per far ciò l’oggetto deve avere un’interfaccia di comunicazione, che è la caratteristica fondamentale, che rende questi sistemi non più autoreferenziali (che riguardano il singolo oggetto) ma adibiti all’interazione tra oggetti diversi e con software di controllo centralizzati. Esistono moltissime tecnologie diverse: Wi-Fi, bluetooth, cavo Ethernet, RFID, GPS, ecc... Queste informazioni vengono poi inviate al sistema di controllo che farà i suoi calcoli e deciderà se agire o meno sul sistema.

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Interazioni di un CPS

Interazioni machine to machine (M2M): automatizzazione dei processi tramite comunicazione diretta tra macchine e dispositivi.

Interazioni human to machine: le persone interagiscono con il mondo digitale, fanno dunque parte del sistema cyber-fisico:

• Collezionare informazioni da sorgenti differenti
• Tramite computer, smartphones, dispositivi indossabili (es: smart watch, visore realtà virtuale),...

Talvolta gli attori coinvolti non sanno di far parte di questo sistema.

Smart factory

L'utilizzo dei CPS in ambito industriale abilita la Smart Factory, ossia la “fabbrica intelligente”, che non è altro che un ecosistema produttivo dove persone, macchine e risorse interagiscono naturalmente.

I prodotti seguono il processo produttivo in maniera autonoma; sono costantemente identificabili e tracciabili. L’obiettivo è quello di ottenere una produzione flessibile ed efficiente dal punto di vista dei costi.

Si parla di produzione di massa personalizzata:

“Any customer can have a car painted any colour that he wants as long as it is black”, Henry Ford (1909): ogni cliente può avere una macchina di che colore vuole, a patto che sia nera. Con l’invenzione della catena di montaggio fu possibile aumentare la produzione, ma i prodotti erano tutti uguali.

La smart factory cambia questo paradigma; essa favorisce l'interazione:

• Tra elementi diversi della Supply Chain;
• Tra processi diversi della stessa compagnia.

Logistica 4.0

I sistemi logistici devono fare la propria parte per soddisfare i requisiti della produzione secondo il paradigma di Industria 4.0, si tratta di:

• Right products, right time, right place: avere il prodotto giusto, al momento giusto e nel posto giusto.
• Avere una trasparenza e una riconfigurazione dinamica della supply chain.

Per fare ciò si ricorre all’utilizzo di tecnologie informatiche integrate nei processi logistici, con le quali è possibile:

• Lo scambio di informazioni in tempo reale tra i vari stakeholders;
• Tracciabilità in tempo reale dei prodotti;
• Automatizzazione dei processi intra-logistici;
• Ottimizzazione delle decisioni, prese sulla base di dati e algoritmi;
• Certificazione di processi e merci.

Esempio: vaccino Pfizer-BioNTech's COVID-19

Il vaccino deve essere tenuto a una temperatura compresa tra i -80°C e i -60°C.

Queste indicazioni provengono dalle Linee Guida CDC degli Stati Uniti.

Approssimativamente, il 25% dei vaccini trasportati sono compromessi a causa dalla scarsa gestione delle temperature. I danni procurati da problemi di temperatura sui vaccini causano una perdita di 34.000.000.000 $ ogni anno, per non parlare dei danni alle persone che alla fine non vengono vaccinate.

Cosa fa Pfizer per gestire questa cosa?

Hanno creato una supply chain in grado di gestire le temperature necessarie per il vaccino. L’innovazione riguarda soprattutto uno spedizioniere termico, che è un contenitore delle dimensioni di una valigia che ospita le fiale del vaccino, tenute a temperature molto basse, le quali vengono trasportate in tutto il mondo.

Una volta giunto a destinazione, lo spedizioniere termico può fungere da magazzino per un massimo di 30 giorni. Al suo interno c’è un sensore GPS per il rilevamento della posizione e della temperatura.

Inoltre, la loro distribuzione è costruita su un sistema Just In Time, il che minimizza il tempo di magazzinaggio.

Aspetti importanti: sensore per il controllo della posizione e della temperatura; sistema JIT.

Questo esempio mostra come le tecnologie siano importanti per quanto concerne la logistica.

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Tecnologie informatiche per la logistica

I processi industriali e logistici generano una grande mole di dati, che può essere sfruttata per creare applicazioni e servizi con l’obiettivo di supportare e migliorare tali processi.

Necessaria un’infrastruttura informatica che faccia da supporto a tali applicazioni

• Come si ottengono i dati prodotti dai processi?
• Di quale infrastruttura di calcolo si ha bisogno per elaborare le informazioni in modo efficiente e sostenibile dal punto di vista economico?
• Come si immagazzina e gestisce la grande mole di dati prodotta dal processo?
• Come si garantisce l’integrità e la protezione dei dati?

Internet of things (IoT)

È l'insieme degli oggetti fisici che dispongono della tecnologia per rilevare e trasmettere informazioni sul proprio stato o sull'ambiente esterno attraverso Internet. Abbiamo un oggetto fisico, al quale aggiungiamo dei sistemi di misura, come ad esempio dei sensori, e dei sistemi di comunicazione, per creare quello che chiamiamo “oggetto smart”.

Ogni oggetto è connesso a Internet e può essere raggiunto.

Gli oggetti mettono a disposizione un'interfaccia per ottenere i dati in maniera flessibile, cioè dando la possibilità di creare nuove applicazioni e servizi basati sulla disponibilità di tali informazioni.

Serve una piattaforma che raccolga i dati provenienti dai sensori per consentire l'accesso alle informazioni anche da remoto e in mobilità, con funzionalità di analisi dei dati di base o avanzate.

Tecnologie di comunicazione

Serve un'infrastruttura di comunicazione capace di garantire la trasmissione rapida ed efficace di enormi flussi di dati.

Il numero di tecnologie è elevatissimo, bisognerebbe avere una panoramica delle tecnologie disponibili per poterne analizzare vantaggi e svantaggi, costi e benefici. Tra le diverse tecnologie bisogna scegliere quella adatta ai requisiti dell'applicazione che si vuole realizzare.

Es: è inutile utilizzare comunicazioni satellitari all'interno di un magazzino, in quanto al chiuso non funzionano.

I dati prodotti devono risiedere da qualche parte, ma perché non posso mantenerli sull’oggetto che li produce?

• La memoria.
• La CPU: le capacità di un dispositivo devono essere limitate.
• La batteria: questi oggetti non devono consumare energia.

I dati vengono prodotti dunque dal sensore e vengono mandati da un'altra parte. Dove?

Cloud computing

Gli oggetti hanno limitata capacità di calcolo: devono essere efficienti dal punto di vista energetico perché sono, in genere, alimentati a batteria.

I dati vengono raccolti ed elaborati da sistemi di calcolo con capacità maggiori, che eseguono applicazioni.

Es: analisi dei dati, tracciamento di un ordine.

Installare e mantenere un’infrastruttura di calcolo (server, storage, rete di comunicazione) ha un impatto non trascurabile dal punto di vista economico, soprattutto per le piccole aziende.

Il cloud computing è l'insieme delle risorse informatiche e dei servizi erogati, messe in comune attraverso le tecnologie web.

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I clienti di un servizio di cloud computing possono ottenere la quantità di risorse necessaria (server, storage, rete) attraverso Internet on-demand, ovvero quando vogliono e da dove vogliono. Dunque, non è necessario acquistare e mantenere una propria infrastruttura informatica (hardware e software), ma è possibile acquistare il servizio dal provider dei servizi cloud.

Tale servizio si basa sul modello di costo pay-per-use, ossia pago per quello che uso.

Di fatto, è possibile ottenere servizi informatici di alta qualità con investimenti minimi.

Basi di dati

I dati rappresentano il fulcro dei modelli informatici.

La mole di dati eterogenei generati dal web, dai dispositivi mobili e dalle app, dai social media, dai macchinari e dagli oggetti connessi cresce esponenzialmente. Si parla di una quantità di dati nell'ordine degli zettabyte (10 alla 21 bytes: un miliardo di hard disk da 1 Terabyte).

La possibilità di correlare e interpretare questa mole di dati, abilitando analisi in tempo reale, predittive etc. apre nuove opportunità per le aziende.

Es: anticipatory shipping di Amazon, ossia quando il sito ti suggerisce cosa comprare in base a ciò che hai già acquistato.

"Information is the oil of the 21st century, and analytics is the combustion engine" Peter Sondergaard, vicepresidente del centro di ricerca Gartner. L’informazione è il petrolio del ventunesimo secolo e, l’analisi degli stessi è il motore -> riesco a far andare avanti la società analizzando ed elaborando i dati.

Le tradizionali basi di dati relazionali non sempre riescono a gestire l'enorme quantità di dati e il numero di utenti che devono accedere ai dati, in particolare, la gestione delle transazioni secondo il modello ACID.

I dispositivi integrati (sensori, wearable) hanno capacità di calcolo, memorie e batteria limitata.

I dati generati dai dispositivi hanno strutture imprevedibili, non sempre adatte alla struttura rigida del modello relazionale (basato su rigide relazioni tra entità).

Basi di dati relazionali (SQL) vs non relazionali (NoSQL).

Qual è il modello più adatto per una specifica applicazione?

Caso di studio: la catena del freddo

La catena del freddo riguarda l’approvvigionamento di beni deperibili, come alimenti, farmaci, prodotti chimici... Questi beni sono sensibili agli agenti esterni, come alle variazioni di temperatura, umidità, luminosità, ecc. La catena del freddo deve proteggere i beni in ogni fase del processo.

Ad esempio, nel trasporto di alimenti, alcune cose che possono succedere sono:

• Eccessiva maturazione, variazioni di colore, odore e consistenza;
• Alterazione delle proprietà nutritive;
• Alterazione del contenuto batterico;
• Malattie alimentari.

Già dal punto di vista della qualità questo è un problema che va affrontato, in più, secondo alcuni studi, si stima uno spreco fino al 30% di tali prodotti, c