ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ В УМНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

APPLYING DIGITAL TWINS IN SMART PRODUCTION

Igor Anisimov

student, Department of Information Systems, Moscow State University of Technology "STANKIN",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучается замысел применения цифровых двойников в умном производстве.

ABSTRACT

This article explores the concept behind digital twins in smart manufacturing.

Ключевые слова: цифровой двойник, умное производство, современных технологии, цифровая среда, инновации.

Keywords: digital twin, smart manufacturing, modern technologies, digital environment, innovations.

Как известно, в последние годы многими исследователями весьма активно обсуждается переход к так называемому «умному производству», которое заключается в управлении, основанном на сетевых информационных технологиях и анализе больших объемов данных [4, С.517.], в том числе и при помощи Цифровых двойников, сама суть которых зародилась еще в 90-х годах прошлого века из принципа по­строения информационного хранилища, когда данные и документы о промышленном объекте только начинали оцифровываться и попадать в общий доступ для поиска и на­вигации в 2D/3D-представлении с использованием под­светки объектов.

Привычный в наше время термин «Цифровой двойник» появился лишь в 2011 году. Так, Цифровой двойник – это виртуальный прототип реального объекта, который полностью имитирует его характеристики и внутренние процессы, что достигается это за счет того, что датчики на реальном устройстве собирают данные о параметрах его работы и передают их своему компьютерному близнецу. Цифровой двойник – это своего рода виртуально созданная цифровая копия реальных объектов и процессов, которая помогает оптимизировать эффективность производства.

По сути, Цифровой двойник в производстве в целом представляет собой некую цифровую модель, обновляющуюся и изменяющуюся по мере изменения физического аналога. Целью этого является синхронное представления данных о статусе, условиях работы, конфигурации продукта и состоянии ресурсов. Представление цифрового двойника позволяет цифровому двойнику постоянно взаимодействовать с физическими производственными элементами путем обмена эксплуатационными данными и данными об условиях окружающей среды.

Так, например, в серии стандартов ПНСТ «Умное производство. Двойники цифровые производства» определена структура Цифровых двойников производства как виртуального представления физических элементов производственного процесса, таких как персонал, продукты производства, активы и описание процессов. По ней – Цифровой двойник производства представляет собой детальное моделирование конфигураций физических сущностей и динамическое моделирование изменений продукта, процесса и ресурсов в процессе производства. Именно «умные» цифровые двойники помогают создавать инновационные продукты с высокой добавленной стоимостью и по праву претендуют на то, чтобы стать стратегической технологией для миллиардов изделий, процессов и систем в ходе умного производства.

Умное производство – это очень интенсивное и всеобъемлющее применение различных сетевых информационных технологий и киберфизических систем абсолютно на всех этапах производства продукции и ее поставки, включая и применение Цифровых двойников.

В наши дни все это в полной мере соответствует тем преимуществам Цифрового двойника, среди которых:

– удаленный мониторинг и управление в режиме реального времени. Чаще всего, практически невозможно получить детальное представление об очень большой системе физически в режиме реального времени, при том, что Цифровой двойник может быть доступен где угодно. Таким образом, производительность системы можно не только отслеживать в реальном времени из любой точки, но и дистанционно контролировать с помощью механизмов обратной связи, что очень удобно даже при умном производстве;

– большая эффективность и безопасность, потому как цифровое дублирование обеспечивает большую автономию, распределение определенных заданий для роботов, тогда, как люди могут управлять всем дистанционно. Это исходит из того, что Умный Цифровой двойник (4-го уровня) по своей сути обладает всеми возможностями стандартного Цифрового двойника (3-го уровня), но наряду с этим он наделен способностью машинного неконтролируемого обучения, благодаря чему распознает объекты и шаблоны, встречающиеся в рабочей среде. Кроме того, он поддерживает обучение и распознавание состояний системы и окружающей среды с подкреплением сигналами от среды взаимодействия в неопределенной, частично наблюдаемой среде. Именно на этом уровне Цифровой двойник обладает высокой степенью автономии;

– прогнозирующее обслуживание, когда Цифровое двойники, по сути, могут обеспечивать то, что многочисленные датчики должны генерировать большие данные в режиме реального времени. Благодаря интеллектуальному анализу данных неисправности в системе могут быть обнаружены значительно заблаговременно;

– оценка риска, когда Цифровой двойник позволяет провести анализ с результатом «что, если», что, со своей стороны, приводит к лучшей оценке риска;

– более качественное и сбалансированное взаимодействие внутри команды и между командами. Благодаря большей автономии Цифровых двойников в умном производстве и всей информации, имеющейся под рукой, целые компании могут лучше использовать свое время для улучшения взаимодействия и совместной работы, что ведет к повышению производительности;

– персонализация продуктов и услуг, когда с учетом подробных исторических требований, предпочтений различных заинтересованных сторон и меняющихся тенденций и конкурентов на рынке спрос на индивидуальные продукты и услуги неизбежно возрастет. Цифровой двойник в контексте умного производства позволяет менять концепцию работы организации с учетом всех меняющихся потребностей;

По сути, именно Цифровой двойник объединяет все производственные процессы, которые могут обеспечить замкнутый цикл производства: дизайн, производство, использование и техническое обслуживание. Все это происходит не только на умном производстве, но и в целом в промышленности [2, С.40-41.].

Применяя Цифровых двойников, многие компании могут в цифровой среде создавать копии своих умных предприятий, выявлять «узкие места» (в компонентах, системах, процессах и других активах), тестировать потенциальные решения, моделировать результаты взаимодействий между компонентами и прогнозировать стохастические изменения, которые могут возникнуть при выполнении операций. Такая симуляция экономит организации время, ресурсы и деньги, необходимые для тестирования рабочих гипотез на практике [5].

Таким образом, Цифровые двойники многие эксперты относят к стратегическим технологиям, которые в скором будущем уже полностью изменят бизнес-ландшафт, став ключевым фактором конкурентоспособности компаний при умном производстве. В высокотехнологичных производствах умный программный продукт уже сейчас участвует в создании и запуске новой продукции, а также в управлении технологическими процессами.

Применение технологии Цифровых двойников в умном производстве позволяет создавать отдельные детали и воспроизводить целые производственные цепочки, проводя виртуальные испытания и предупреждая сбои в работе оборудования.

При применении Цифровых двойников можно моделировать как отдельное устройство или сервис, так и целую сеть, рассчитав предельные нагрузки и продумав защиту от киберугроз.

Также, в умном производстве виртуальные 3D-модели предметов интерьера или декора помогают представить, как будет выглядеть объект, нужно ли что-то изменить в его форме, цвете и деталях.

С помощью Цифровых двойников разрабатывают, тестируют и запускают космические корабли и целые программы. Так, например, цифровой двойник «Аполлона-13» в 1970 году позволил инженерам и астронавтам на Земле спасти миссию во время аварии [1].

Также, Цифровые двойники «работают» и в технологии 5G, когда нарастающий двухсторонний обмен данными между измененным с помощью устройств 1оТ физическим миров и его цифровым двойником. По сути, для таких действий, как сбор, сбор, анализ и оценка данных, которые все более важны для реализации проекта, ключевым фактором является возможность подключения. А с 5G они выполняются в режиме реального времени, поэтому решения могут приниматься практически мгновенно, а проблемы быстро устраняются. У 5G есть большой потенциал, чтобы изменить ситуацию в управлении активами, которые так или иначе построены на базе Цифровых двойников [3, с. 62.].

Подводя итоги, следует отметить, что сама суть Цифровых двойников за последние годы из абстрактной идеи превратилась во вполне зрелую технологию, находящую все более широкое применение в самых разных областях производства, в том числе и в умном производстве [4, С.526.]. Применение Цифрового двойника позво­ляет не только прогнозировать состояние объекта, воз­можные нештатные ситуации, но и оперативно на них реагировать, снижая угрозы безопасности, здоро­вью людей и окружающей среде. Также, в ходе умного производства, Цифровые двойники позволяют увеличивать глубину понимания процессов, которые происходят в объекте и продукте, за счет нара­ботки расширенной статистики «виртуальной» экс­плуатации объектов, более точно рассчитывать экономику проекта и управлять ею, а также выявлять слабые звенья и улучшать кон­структивные особенности энергоблоков, сокращая время внедрения необходимых из­менений. Все вышеуказанные возможности заставляют обращать при­стальное внимание на данную технологию практически все ведущие компании мира, которые занимаются умным инновационным производством, что в итоге выводит «Циф­ровой двойник» в десятку главных стратегических технологических трендов 2020-2021 годов.

Список литературы:

1. Зуйкова А. Что такое цифровые двойники и где их используют, 2021. [Электронный ресурс]: https://trends.rbc.ru/trends/industry/6107e5339a79478125166eeb (Дата обращения: 02.11.2021)
2. Кокорев Д.С., Посмаков Н.П. Применение «Цифровых двойников» в производственных процессах // Colloquium-journal. – 2019. – №26(50). – С.38-45.
3. Куприяновский В.П., Климов А.А., Воропаев Ю.Н., Покусаев О.Н., Добрынин А.П., Понкин И.В., Лысогорский А.А. Цифровые двойники на базе развития технологий bim, связанные онтологиями, 5G, IoT и смешанной реальностью для использования в инфраструктурных проектах и ifrabim // International Journal of Open Information Technologies. – 2020. – Т.8. – №3. – С.55-74.
4. Царев М.В., Андреев Ю.С. Цифровые двойники в промышленности: история развития, классификация, технологии, сценарии использования // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2021. – Т.64. – №7. – С.517-531.
5. Цифровой двойник. Digital Twin of Organization, DTO, 2021. [Электронный ресурс]: https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Цифровой_двойник_(Digital_Twin_of_Organization,_DTO) (Дата обращения: 02.11.2021)