ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВНЕДРЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ В РОССИЙСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

MAIN DIRECTIONS FOR THE IMPLEMENTATION OF DIGITAL TWINS IN THE RUSSIAN INDUSTRY

Igor Anisimov

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

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается сущность цифровых двойников. Изучаются основные направления внедрения цифровых двойников в промышленности РФ.

ABSTRACT

This article discusses the essence of digital twins. The main directions of the introduction of digital twins in the industry of the Russian Federation are being studied.

Ключевые слова: цифровой двойник, промышленность, цифровизация, отрасль, технологии.

Keywords: digital twin, industry, digitalization, industry, technology.

Как известно, сама суть Цифрового двойника зародилась из принципа по­строения информационного хранилища, который возник еще в середине 1990-х годов, в то время, когда данные и документы о промышленном объекте начали оцифровывать, прове­рять, объединять и сделали доступными для поиска и на­вигации в 2D/3D-представлении с использованием подсветки объектов. В наши дни, в эпоху цифровизации, в основе Цифрового двойника все также лежит общее централизованное хранили­ще данных, в котором накапливаются данные и документация о конфигурации промышленного объекта. К конфигурации объекта добавляются данные из транзакционных систем, таких как системы технического обслуживания и технического контроля, а также данные с датчиков (исторические, DCS или непосредственно с датчиков на ра­бочем оборудовании).

В настоящий момент времени не существует общего стандартного определения понятия «Цифровой двойник». При этом, в общем виде, принято считать, что 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. Таким образом, все это позволяет, во-первых, отслеживать состояние объекта в режиме реального времени, чтобы прогнозировать изменения и возможные сбои в работе, а, во-вторых, на таком двойнике можно моделировать различные производственные ситуации, чтобы проверить, как поведет себя оборудование в тех или иных условиях – это намного быстрее и дешевле, чем проводить эксперименты на оригинальных объектах.

Часто цифровые двойники появляются раньше, чем их аналоги в реальности: их создают, чтобы протестировать работу оборудования и обнаружить возможные проблемы еще до начала его производства [1].

Следует отметить и тот факт, что Цифровой двойник является авторитетным и единым источником достоверных данных о промышленном объ­екте. Он предоставляет данные, аккумулируемые из разных внутренних систем, транзакционных систем, а также систем сбора данных в реальном времени и других. Это повышает эффективность производства и снижает риски. Также, при помощи представления Цифрового двойника можно обнаружить аномалии в производственных процессах и достичь различных функциональных целей, таких, как: управление в режиме реального времени; получение аналитики в автономном режиме; проверка работоспособности; предиктивное обслуживание; синхронизированный мониторинг/оповещения; оптимизация управления производственным процессом (МОМ); адаптация во время процесса; анализ больших данных; машинное обучение и еще целый список разного рода задач.

В 2019 году Правительство РФ выпустило дорожную карту развития «сквозной» цифровой технологии «Новые производственные технологии», в которой рассматриваются новые производственные технологии, зарекомендовавшие себя на мировом рынке как технологии. В их числе значится и Цифровой двойник, представляющий собой сложный продукт, состоящий из различных данных и технологий, а также различных интеллектуальных систем (искусственный интеллект). Такие двойники могут работать в режиме «реального времени» и отображать изменения физической системы почти без задержек.

В наши дни Цифровые двойники используются в основном для двух видов деятельности:

– как экспериментальная площадка, которая позволяет помимо проведения исследовательской работы, также оценить успешность испытаний, тем самым экономя различные ресурсы на проведение такого же испытания в реальных условиях;

– как инструмент управления и анализа производства.

Однако, если рассматривать развитие Цифровых двойников в РФ, то можно отметить факт значительного отставания от мирового уровня в качественных оценках на 5-10 лет. При этом, реализацию цифровых трансформаций уже демонстрируют некоторые российские компании, а применение цифровых каналов для большинства компаний становится уже стандартной процедурой. Это хорошо заметно в обработке заказов, во взаимодействии с исполнителями и поставщиками товаров и услуг, в продвижении товаров и услуг в сети Интернет, в анализе рыночной информации.

Грамотное применение Цифровых двойников позволяет не только работать с первичными источниками информации, но и управлять самим процессом разработки и изготовления продукта – делать анализ текущего состояния, прогнозировать состояние на долгосрочную перспективу (включая возможные аварийные ситуации), планировать, своевременно выявлять проблемы и предпринимать меры по их устранению. Важными этапами работы являются сбор, накопление и хранение данных о будущем Цифровом двойнике, а также их последующая организация в виде единой базы исходных данных для математических моделей, которые будут задействованы на всех последующих этапах.

Цифровой двойник позволяет значительно снизить трудоемкость и стоимость натурных испытаний, которые являются необходимостью для опытных образцов, и составить конкуренцию на мировом рынке.

В России выделяются два подхода к использованию Цифровых двойников:

– применение инструментов, которые популярны на глобальном рынке;

– разработка своих собственных инструментов под конкретные задачи [4].

В целом же, можно выделить две ключевых сферы применения концепции Цифровых двой­ников:

– создание актива, его проектирование и производ­ство, где основной задачей является ускорение соз­дания продукта с требуемыми характеристиками и с определенными ограничивающими условиями (себе­стоимость, сроки);

– эксплуатация актива, где основной задачей является повышение эффективности его использования и об­служивания на основе реальных рабочих данных о его работе.

Если же сравнивать с более традиционными подходами, то разработка изделий и продукции на базисе технологии Цифрового двойника может в полной мере обеспечивать снижение временных, финансовых и иных ресурсных затрат вплоть до 10 и даже более раз. Таким образом, именно при помощи разработанных заранее Цифровых двойников лидеры мировых высокотехнологичных рынков формируют гарантированное развитие [2].

В настоящее время можно выделить сразу несколько основных направлений внедрения Цифровых двойников в промышленности Российской Федерации.

1. Нефтехимическая промышленность, в которой создаются цифровые двойники скважин, заводов, производственных площадок и месторождений.
2. Транспортная отрасль, где Цифровые двойники помогают снизить затраты на ремонтные работы, выявить возможность осуществления сдвоенных операций при управлении парком подвижного состава и более эффективно управлять отгрузками. Так, например, Цифровой двойник внедряется на площадках КАМАЗа, где уже были созданы 3D-модели 28 единиц станков с ЧПУ и 20 универсальных станков, а также более 50 единиц различного технологического оборудования (роботы, манипуляторы, кантователи, рольганги).
3. Строительная отрасль. Одно из решений, над которым сейчас работают многие компании – это создание «цифрового двойника» здания [5], который осуществляет непрерывный сбор данных от датчиков и систем, проводит интеллектуальный анализ и делает прогноз технического состояния объекта, а также выполняет статистический анализ, определяет эффективность работы инженерного оборудования и следит за механической безопасностью здания.
4. Металлургия и иные промышленные сегменты. Так, например, горнодобывающей отрасли виртуальные прототипы позволяют заранее заносить в систему данные о месторождении и о всех характеристиках процесса добычи. С помощью этой информации специалисты определяют то, откуда извлекать руду, в каких объемах и как более рационально организовать процесс добычи.
5. Здравоохранение, где Цифровые двойники могут использоваться в двух основных направлениях:

– применительно к созданию и эксплуатации медицинского оборудования – это особенно важно для МРТ- и КТ-сканеров, которые сложны в разработке, а минута их простоя может стоить очень дорого;

– при разработке виртуальных моделей для человеческих органов [1].

Таким образом, разработка и внедрение Цифровых двойников является необходимым условием для развития цифровизации и присутствия отечественных компаний на глобальных высокотехнологичных рынках, для которых характеры смешение центра тяжести в конкурентной борьбе, повышение уровня ее наукоемкости, а также сокращение сроков вывода новой продукции на рынок, жесткие ограничения по издержкам, высокие требования к потребительским характеристикам.

По предварительным показателям, все разработанные и внедренные технологии создания Цифровых двойников продуктов (изделий) на основе десятков тысяч целевых показателей в РФ к 2024 года будут обеспечивать при экспертном сопровождении прохождение с первого раза физических и натурных испытаний (сейчас – с пятого), определение критических зон и характеристик для мониторинга на всем жизненном цикле [2].

Подводя итоги, следует отметить, что Цифровой двойник – это своего рода виртуально созданная цифровая копия реальных объектов и процессов, которая помогает оптимизировать эффективность производства. В наши дни многие российские предприятия, которые в своей деятельности применяют Цифровые двойники, намного быстрее адаптируются к стремительно меняющимся трендам и мировым событиям, а также повышают свою производительность и начинают эффективнее управлять имеющимися материальным и трудовыми ресурсами, что в полной мере влияет на их конкурентоспособность на не только на российском, но и на мировом рынке [3]. Важнейшими направления применения Цифровых двойников в российской промышленности, которая в полной мере заинтересована в такой технологии, потому как она успешно применяется на некоторых предприятиях и дает значительный прирост в скорости разработки изделий с значительно меньшими затратами [4], являются: нефтехимическая промышленность; транспортная отрасль; здравоохранение; строительная отрасль; Металлургия и иные промышленные сегменты.

Список литературы:

1. Бычков К. Цифровые близнецы: как виртуальные двойники меняют промышленность, медицину и строительство, 2020. [Электронный ресурс]: https://vc.ru/u/46092-kirill-bychkov/163596-cifrovye-bliznecy-kak-virtualnye-dvoyniki-menyayut-promyshlennost-medicinu-i-stroitelstvo (Дата обращения: 02.11.2021)
2. Королев И. России нужны 145 миллиардов на цифровых двойников, 2019. [Электронный ресурс]: https://www.cnews.ru/news/top/2019-10-13_rossii_nuzhny_145_milliardov (Дата обращения: 01.11.2021)
3. Линиченко Е.И. Цифровые двойники в промышленности // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». – 2021. [Электронный ресурс]: https://scienceforum.ru/2021/article/2018026565 (Дата обращения: 02.11.2021)
4. Меньшаева А.А. Развитие цифровых двойников в российской промышленности // Молодой ученый. – 2021. – №11(353). – С.25-27.
5. Пешкова И. Как цифровые двойники помогают российской промышленности, 2019. [Электронный ресурс]: https://rb.ru/longread/digital-twin/ (Дата обращения: 02.11.2021)