Cyberfysiska system, robotik och simulering är områden i stort fokus eftersom det har en stor del i industri 4.0. Syftet med projektet är att utveckla robotlaboratoriet på Högskolan i Gävle till att vara mer anpassat för införandet av CPS genom att skapa en virtuell robotcell och utveckla griparen hos robotarna. Den virtuella robotcellen kommer att öka säkerheten i laboratoriet och gör så fler personer kan arbeta med robotarna samtidigt. Robotarna och programvarorna som användes i projektet är utvecklade av företaget KUKA. Det användes tre programvaror till den virtuella robotcellen i projektet. De två som användes mest utförde simulering och programmering. Den sista programvaran hade möjligheten att sammankoppla och styra de andra programvarorna. Den virtuella robotcellen utvecklades i simuleringsprogramvaran och där skapades även program som utfördes av de fysiska robotarna i laboratoriet. De fysiska robotarna rörde sig inte på samma sätt som i den virtuella modellen. En felsökning utfördes och problemet fanns hos de fysiska robotarna. KUKA kommer därför utföra ett underhållsarbete på robotarna. Valideringen av den virtuella robotcellen utfördes därför i simuleringsprogrammet. När den fysiska robotcellen fungerar korrekt så kommer den också att kunna användas för att validera den virtuella robotcellen. En programvara som gav griparen fler funktionaliteter installerades på robotarna. Programvaran som användes var utvecklad av KUKA och fanns i laboratoriet. Funktionerna gör griparen lättare att använda vid manuell körning och programmering. Programvaran som utför sammankopplingen av simulering- och programmeringprogramvaran behöver undersökas vidare för att den virtuella robotcellen ska kunna utföra fler funktioner. Den virtuella robotcellen finns tillgänglig för alla på högskolan och kan användas för att få en förståelse för hur robotarna fungerar. Program kan optimeras i den virtuella miljön och utföras av de fysiska robotarna. / Cyber physical systems, robotics and simulation are areas of major focus as they play a big part in industry 4.0. The aim of the project is to develop the robotic laboratory at the University of Gävle to be more adapted to the introduction of CPS by creating a virtual robotic cell and developing the gripper of the robots. The virtual robotic cell are going to increase the safety in the laboratory and make it possible for more people to work with the robots at the same time. The robots and software used in the project were developed by the company KUKA. Three different software’s were used for the virtual robotic cell in the project. The two most commonly used were simulation and programming. The third software had the possibility to interconnect and control the other two software’s. The virtual robotic cell was developed in the simulation software and also programs were created that the physical robots in the laboratory performed. The physical robots did not move in the same way as the virtual model. Troubleshooting was performed and it showed that the problem was with the physical robots. Therefore KUKA will accomplish maintenance work on the robots. The validation of the virtual robotic cell were for that reason performed in the simulation program. When the physical robotic cell is operating correctly it will also be able to validate that the virtual robotic cell is working. A software that gave the gripper more functionality was installed on the robots. The software that was used was developed by KUKA and were available in the laboratory. The functions make the gripper easier to manage in manual driving and programming. The software that performs the interconnection of simulation and programming software is in need of further analyzation in order for the virtual robotic cell to be able to execute more functions. The virtual robotic cell is available for everyone at the university and can be used to understand how the robots work. Programs can be optimized in the virtual environment and performed by the physical robots.

The work is motivated by the goal of linking reality and model, and to see if there is an opportunity to develop an inexpensive educational tool for training in cyber-physical systems. This project has investigated the possibilities to build a cheap inverted pendulum with controller and connect this with the modeling language Acumen. Acumen models is used for comparison with the actual prototype. To solve these problems has a 3D printer been used to create hardware, Arduino UNO for control and Raspberry Pi for enable communication with Acumen over WLAN. The result was a cheap inverted pendulum, which can be built for a cost around 750 SEK. Graphs created in Acumen and from data collected from sensors can be analyzed. With a model of the inverted pendulum system, the results show that Acumen can be used in the development of cyber-physical systems. There are differences between model and reality but also similarities. / Arbetet motiveras av målet att knyta samman verklighet och modell, samt att se om det finns möjlighet att utveckla ett billigt utbildningsverktyg för utbildning i cyberfysiska system. Detta projekt har undersökt möjligheter att bygga en billig inverterad pendel med regulator samt koppla samman denna med modelleringsspråket Acumen. I Acumen skapa en modell av systemet och jämföra den med en fysisk prototyp. För att lösa dessa problem har en 3D skrivare använts för att skapa hårdvara. Arduino UNO för styrning och Raspberry Pi för att möjligöra kommunikation med Acumen över WLAN. Resultatet blev en billig inverterad pendel, som kan byggas för en kostnad runt 750 kr. Grafer från Acumen, och från data samlad från sensorer kan analyseras. Med en modell av en inverterad pendel visar resultaten att Acumen kan användas i utveckling av cyberfysiska system. Skillnader finns mellan modell och verklighet men även likheter.

The focus of this thesis is to utilize many of today’s current technologies to design a communication protocol that allows different devices to be incorporated into a system that can facilitate the flow of information between a user and a world of digital data. The protocol will take advantage of individual benefits from NFC, Bluetooth and cloud computing in its design to make the underlying complexity as transparent to the user as possible. Some of the main problems, such as security and reliability, are discussed and how they are incorporated into the core design of the protocol. The protocol is then applied to a case study to see how it can be utilized to create an integrity preserving system for managing medical records in a healthcare environment. The results from the case study gives merit to guidelines provided by the protocol specifications, making a system implementation based on the protocol theoretically possible. A real system implementation is required to verify the results extracted from the case study. / Denna uppsats fokuserar på att använda många av dagens teknologier för att konstruera ett kommunikationsprotokoll som möjliggör för olika enheter att inkorporeras i ett system som underlättar informationsflödet mellan en användare och en värld av digital data. Protokollet utnyttjar olika individuella fördelar hos NFC, Bluetooth and molntjänster i dess design för att göra den underliggande komplexiteten så transparant som möjligt för användaren. Några av de främsta problemen, så som säkerhet och tillförlitlighet, diskuteras och hur de inkorporeras i hjärtat av protokollet. Protokollet appliceras sedan i en fallstudie för att se hur det kan användas för att skapa ett system för sjukjournaler som bevarar integriteten hos patienter. Resultatet från fallstudien pekar mot att de riktlinjer som gavs av protokollspecifikationerna fungerar för att göra en systemimplementation på en teoretisk nivå. En verklig systemimplementation skulle behövas för att verifiera de resultat som framgår ur fallstudien.

Denna rapport närmar sig cyberfysiska system (CPS) ur både användnings- och utvecklingsperspektiv, med särskilt fokus på utmaningarna i en sjukhusmiljö. Vikten av en kontinuerlig utveckling för att optimera teknologins prestanda och användbarhet betonas, och de specifika utmaningar som är unika för en sjukhusmiljö belyses. Studien undersöker hantering av komplexitet kopplat till CPS i form av automatiserade transportsystem på Nya Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm, Sverige. Målet är att ge framtida sjukhusprojekt en klar beskrivning av erfarenheterna av att utveckla och hantera CPS i sjukhusmiljö. Genom att titta på både möjligheter och utmaningar kommer rapporten att bidra till en ökad förståelse för CPS och dess förmåga att förbättra vården. Resultaten visar att utmaningarna inkluderar höga säkerhetskrav, integrering med personal, noga övervakning för att undvika driftstörningar och behovet av samarbete och flexibilitet. Rapporten drar slutsatsen att samarbete, proaktiv inställning och kontinuerlig utveckling är nödvändiga för att optimera prestanda och användbarhet hos CPS. Användare och kunder bör också vara aktiva i att dokumentera och rapportera systemets beteende för en kontinuerlig förbättring. Utvecklingen av CPS inom sjukhusmiljöer kräver också kontinuerlig testning och utbildning av personal samt ett koordinerat och strategiskt förhållningssätt för att säkerställa god samverkan mellan systemets olika aspekter. / This report approaches CPS technology from both usage and development perspectives, with a particular focus on the challenges in a hospital environment. The importance of continuous development to optimize the technology's performance and usability is explored, as well as the specific challenges that are unique to a hospital environment. The study investigates the complexity management of CPS in the form of automated transport systems at the New Karolinska University Hospital in Stockholm, Sweden. The goal is to provide future hospital projects with a clear description of the experiences of developing and managing CPS in a hospital environment. By looking at both opportunities and challenges, the report contributes to a greater understanding of CPS and its ability to improve health care. The study shows that the challenges include high security requirements, integration with staff, careful monitoring to avoid disruptions, and the need for cooperation and flexibility. The report concludes that cooperation, proactive attitude and continuous development are necessary to optimize the performance and usability of CPS. Users and customers should be active in documenting and reporting the system's behavior for continuous improvement. The development of CPS in hospital environments also requires continuous testing and training of staff and a coordinated and strategic approach to ensure cooperation between the system's different aspects.

In recent years international space agencies have become more and more explicit about long term lunar and Martian space missions. With the space program Terrae Novae, the European Space Agency puts forward a focus on the development of Human & Robotic Exploration technologies essential in enabling such long term missions. An integral component of this program is the focus on Advanced Life Support Systems. Life support systems are operated to provide astronauts with life necessities like oxygen, water and food. Currently, conventional Life Support System often have a linear supply design, relying on resources shipped from Earth, with limited onboard re-usage. However, for extended space missions, this linear supply model becomes impractical due to the constraints of dry mass during space travel. Given this need, the European Space Agency initiated the MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) project aimed at the development of a bioregenerative life support systems. In previous works, the MELiSSA Loop has been proposed: a system design inspired by terrestial ecosystems, that consists of multiple compartments that perform specific biological functions like nitrification and biosynthesis. Due to the complex interdependence of the individual compartments and general space system requirements, the control of such this cyber-physical system forms a significant challenge. This thesis proposes a previously undescribed architecture for the MELiSSA Loop controller design that coordinates the resource distribution between the compartments and establishes atmosphere revitalisation. The architecture meets control objectives specified at high level, and at the same time satisfies the physical and operational constraints. / Under de senaste åren har internationella rymdorganisationer blivit mer och mer tydliga om långsiktiga mån- och rymduppdrag på mars. Med rymdprogrammet Terrae Novae lägger Europeiska rymdorganisationen fram ett fokus på utvecklingen av Human & Robotic Exploration-teknik som är nödvändig för att möjliggöra sådana långsiktiga uppdrag. En integrerad del av detta program är fokus på Advanced Life Support Systems. Livsuppehållande system används för att förse astronauter med livsnödvändigheter som syre, vatten och mat. För närvarande har konventionella livsuppehållande system ofta en linjär försörjningsdesign som förlitar sig på resurser som skickas från jorden, med begränsad återanvändning ombord. Men för utökade rymduppdrag blir denna linjära försörjningsmodell opraktisk på grund av begränsningarna av torr massa under rymdresor. Med tanke på detta behov initierade Europeiska rymdorganisationen MELiSSA-projektet (MicroEcological Life Support System Alternative) som syftade till att utveckla ett bioregenerativt livsuppehållande system. I tidigare arbeten har MELiSSA Loop föreslagits: en systemdesign inspirerad av terrestiska ekosystem, som består av flera fack som utför specifika biologiska funktioner som nitrifikation och biosyntes. På grund av det komplexa ömsesidiga beroendet mellan de enskilda avdelningarna och allmänna krav på rymdsystem, utgör kontrollen av sådana detta cyberfysiska system en betydande utmaning. Denna avhandling föreslår en tidigare obeskriven arkitektur för MELiSSA Loopkontrollerdesignen som koordinerar resursfördelningen mellan avdelningarna och etablerar återupplivning av atmosfären. Arkitekturen uppfyller styrmål som anges på hög nivå, och uppfyller samtidigt de fysiska och operativa begränsningarna.

Autonomous Driving Systems (ADS), a subcategory of Cyber-Physical Systems (CPS) are becoming increasingly popular with ubiquitous deployment. They provide advanced operational functions for perception and control, but this also raises the question of their safety capability. Such questions include if the vehicle can stay within its lane, keep a safe distance from the leading vehicle, or avoid obstacles, especially under the presence of uncertainties. In this master thesis, the operational safety of ADS will be addressed, more specifically on the Adaptive Cruise Control (ACC) system by modeling an optimal control problem based on Control Barrier Function (CBF) unified with Model Predictive Control (MPC). The corresponding optimal control problem is robust against measurement uncertainties for an Autonomous Vehicle (AV) driving on a highway, where the measurement uncertainties will represent the common faults in the perception system of the AV. A Kalman Filter (KF) is also added to the system to investigate the performance difference. The resulting framework is implemented and evaluated on a simulation scenario created in the open-source autonomous driving simulator CARLA. Simulations show that MPC-CBF is indeed robust against measurement uncertainties for well-selected horizon and slack variable values. The simulations also show that adding a KF improves the overall performance. The higher the horizon, the more confident the system becomes as the distance to the leading vehicle decreases. However, this may cause infeasibility where there are no solutions to the optimal control problem during sudden braking as the AV cannot brake fast enough before it crashes. Meanwhile, the smaller the slack variable, the more restrictive becomes CBF where it impacts more on the control input than desired which could also cause infeasibility. The results of this thesis will help to facilitate safety-critical CPS development to be deployed in real-world applications. / Autonoma körsystem (ADS), som är en del av cyberfysiska system (CPS), har blivit alltmer populär med allestädes närvarande användning. Det bidra med avancerade operativa funktioner för perception och styrning, men samtidig väcker detta också frågan om dess säkerhetsförmåga. Sådana frågor inkluderar om fordonet kan hålla sig inom sitt körfält, om det kan hålla ett säkert avstånd till det ledande fordonet eller om det kan undvika hinder, speciellt under osäkerheter hos systemet. I detta examensarbete kommer driftsäkerheten hos ADS att behandlas, mer specifik på adaptiv farthållare (ACC) genom att modellera ett optimalt kontrollproblem baserat på kontrollbarriärfunktion (CBF) förenat med modellförutsägande styrning (MPC). Motsvarande optimalt kontrollproblem är robust mot mätosäkerheter för ett autonomt fordon som kör på en motorväg, där mätosäkerheterna representerar vanliga fel i AV:s perceptionssystem. Ett Kalmanfilter (KF) läggs också till i systemet för att undersöka skillnaden i prestanda. Det resulterande ramverket implementeras och utvärderas på ett simuleringsscenario som skapats i den öppna källkodssimulatorn för autonom körning CARLA. Simulationer visar att MPC-CBF är robust mot mätosäkerheter för väl valda värden för horisont och slackvariabler. Det visar också att systemets prestanda förbättrats ännu mer om ett KF läggs till. Ju större horisont, desto mer självsäkert blir systemet när avståndet till det ledande fordonet minskar. Detta kan dock leda till att det inte finns några lösningar på det optimala kontrollproblemet vid plötslig inbromsning, eftersom fordonet inte hinner bromsa tillräckligt snabbt innan det kraschar. Ju mindre slackvariabeln är, desto mer restriktiv blir CBF som påverkar styrningen mer än vad som är önskvärt vilket också kan leda till olösbart optimalt kontrollproblem. Resultatet från detta examensarbete bär syftet att gynna utvecklingen av säkerhetkritisk CPS som ska användas i praktiska tillämpningar.

As organisations adapt to the rigorous demands set by global markets, the supply chains that constitute their logistics networks become increasingly complex. This often has a detrimental effect on the supply chain visibility within the organisation, which may in turn have a negative impact on the core business of the organisation. This paper aims to determine how organisations can benefit in terms of improving their logistical supply chain visibility by implementing a Digital Twin — an all-encompassing virtual representation of the physical assets that constitute the logistics system. Furthermore, challenges related to implementation and the necessary steps to overcome these challenges were examined.  The results of the study are that Digital Twins may prove beneficial to organisations in terms of improving metrics of analytics, diagnostics, predictions and descriptions of physical assets. However, these benefits come with notable challenges — managing implementation and maintenance costs, ensuring proper information modelling, adopting new technology and leading the organisation through the changes that an implementation would entail.  In conclusion, a Digital Twin is a powerful tool suitable for organisations where the benefits outweigh the challenges of the initial implementation. Therefore, careful consideration must be taken to ensure that the investment is worthwhile. Further research is required to determine the most efficient way of introducing a Digital Twin to a logistical supply chain. / I takt med att organisationer anpassar sig till de hårda krav som ställs av den globala marknaden ökar också komplexiteten i deras logistiknätverk. Detta har ofta en negativ effekt på synligheten inom logistikkedjan i organisationen, vilken i sin tur kan ha en negativ påverkan på organisationens kärnverksamhet. Målet med denna studie är att utröna de fördelar som organisationer kan uppnå vad gäller att förbättra synligheten inom deras logistikkedjor genom att implementera en Digital Tvilling — en allomfattande virtuell representation av de fysiska tillgångar som utgör logistikkedjan.  Resultaten av studien är att Digitala Tvillingar kan vara gynnsamma för organisationer när det gäller att förbättra analys, diagnostik, prognoser och beskrivningar av fysiska tillgångar. Implementationen medför dock utmaningar — hantering av implementations- och driftskostnader, utformning av informationsmodellering, anammandet av ny teknik och ledarskap genom förändringsarbetet som en implementering skulle innebära.  Sammanfattningsvis är en Digital Tvilling ett verktyg som lämpar sig för organisationer där fördelarna överväger de utmaningar som tillkommer med implementationen. Därmed bör beslutet om en eventuell implementation endast ske efter noggrant övervägande. Vidare forskning behöver genomföras för att utröna den mest effektiva metoden för att introducera en Digital Tvilling till en logistikkedja.

We are today facing an industrial revolution called Industry 4.0. Earlier in the human history, we have seen multiple industrial revolutions, but only after they actually happened. This is the first time we can see that an industrial revolution is on its way. Witht his knowledge, we have the chance to prepare for this large‐scaled technological change that we are standing in front of. Because of the impact that earlier industrial revolutions had on organizations, we can assume that Industry 4.0, as well, will impact and change work, tasks and the organizations themselves; especially when it comes to new high‐tech knowledge and skills that need to be learnt. Implementation, change, and high‐tech learning, together with a constantly running production can be stressful for anyone involved. For this reason, the purpose of this study is to come up with solutions on how you can facilitate the implementation of Industry 4.0, for employees and in an organizational point of view. We do this by conducting a literature study as well as interviewing organizations within the Swedish manufacturing industry. The structure of the analysis is built upon Lewin’s Three‐stage Model of Change. Here, we discuss and present solutions according to the stage in which they fit during the change process. Additionally, we investigate the concept of gamification as a tool to facilitate change. From our research, we conclude that motivation and engagement are keys in a technological change project such as Industry 4.0. Involvement, transparency and clarity are important aspects to make employees engaged throughout the project. Additionally, we present practical solutions for how organizations can educate their employees within Industry 4.0 techniques, as well as increase their motivation and engagement. / Vi står idag inför en industriell revolution som kallas Industri 4.0. Tidigare i historien har vi sett industriella revolutioner först efter att de inträffat. Det är nu första gången vi kanse att en industriell revolution är på väg. Med denna kunskap har vi idag en möjlighet att förbereda oss för den teknologiska utveckling som vi står inför. På grund av de tidigare industriella revolutionerna och den stora påverkan som de har haft på organisationer, kan vi anta att Industri 4.0 också kommer förändra jobb, uppgifter och organisationer – framför allt när det kommer till den nya teknologiska kunskap som nya maskiner och system kommer kräva av de som använder dem. Implementering, förändring och en hög nivå av teknologiskt lärande, samtidigt som produktionen fortfarande kommer snurra dygnet runt, kan vara stressigt för vem som helst. Därför syftar detta examensarbete till att ta fram lösningar för hur man kan förenkla implementationen av Industri 4.0, ur ett medarbetarperspektiv och för organisationen som helhet. Vi gör detta genom en litteraturstudie och genom intervjuer med organisationer inom den svenska tillverkningsindustrin. Strukturen på analysen bygger på Lewins trestegsmodell för förändring. Här diskuterar och presenterar vi lösningar enligt vilket steg de passar in i under förändringsprocessen. Vidare utvärderar vi gamification som ett verktyg för att underlätta förändringen. Detta arbete kommer fram till att det viktigaste för att genomföra ett förändringsarbete i denna omfattning är motivation och engagemang från både anställda och ledning. Involvering, transparens och tydlighet är viktiga delar för att göra anställda engagerade genom hela projektet. Vidare presenterar vi lösningar för hur man kan utbilda sina anställda inom Industri 4.0‐tekniker, och även för hur man kan öka motivation och engagemang.

Den fjärde industriella revolutionen, även kallad Industri 4.0, drivs av ett antal teknologier som medför digitalisering och automatisering av industriella processer. Konceptet innebär en applicering av dataanalys med avancerade analytiska verktyg på stora mängder data, vilka påstås ge stora möjligheter för kvalitetsförbättringar. För att en sådan övergång ska ske är förmågan att hantera data avgörande. Trots det uppvisar många företag idag bristande användning av data för att ta beslut. Frågan är hur företag kan göra för att hantera data och utföra en transformation till Industri 4.0. För att studera det här ämnet har det här examensarbetet utförts som en fallstudie på en stansprocess hos Scania Ferruform. Genom en litteraturstudie, kvantitativ datainsamling samt observationer och intervjuer undersökte examensarbetet den nuvarande användning av data i processen. Därefter undersöktes data med statistiska verktyg för att visa på hur data kan hanteras i en process för att erhålla större kunskap om orsaker till avvikelser. Examensarbetet utredde till sist hur fortsatt arbete med datahantering kan utföras för att uppnå målet Industri 4.0.Analysverktyg har använts för att analysera över 39 000 datapunkter. Resultatet visar på att det finns utvecklingsmöjligheter vad gäller insamling, kvalitet och användning av data. Ett ramverk presenteras för hur företaget bör hantera data för att kunna utvinna ny kunskap från deras processer samt hur Ferruform fortsatt kan arbeta mot Industri 4.0.Slutligen ges rekommendationer om fortsatta studier. Resultatet av examensarbetet blir ett stöd för Ferruform i deras arbete mot mer dugliga processer och den tekniska utveckling företaget eftersträvar. / The fourth industrial revolution, also called Industry 4.0 is powered by several technologies which result in digitalization and automatization of industrial processes. The concept includes the application of big data and advanced analytics, which are said to provide great opportunities for quality improvements. For such a transition to take place, the ability to handle data is crucial. Despite this, many companies today show a lack of use of data to drive decision-making. The question is how companies can manage data and ultimately transition towards Industry 4.0. To research this topic this thesis has been carried out as a case study of a punching process at Scania Ferruform. Through a literature review, quantitative data collection, as well as observations and interviews, the thesis examined the current use of data in the process. Subsequently, data were examined with statistical tools to illustrate how data can be managed in a process to attain increased knowledge about causes of deviations. Lastly, the thesis explored future work towards Industry 4.0. Analysis tools have been used to analyse over 39 000 data points. The result of the study shows that there are opportunities for development in terms of collection, quality and use of data. A framework of how Ferruform should manage data in order to extract new knowledge from its processes is presented. Furthermore, an action plan is presented for a transition towards Industry 4.0. Finally, recommendations are given for further studies. The result of the thesis will be helpful for Ferruform in its transition towards more efficient processes and the technical development of which the company strives towards.