Регистрация / Вход
Прислать материал

Цифровые двойники и цифровые тени в высокотехнологичной промышленности

Цифровые двойники и цифровые тени в высокотехнологичной промышленности
НТИ
Новые понятия цифровой экономики и НТИ, выводящие индустрию на следующий производственный уровень и меняющие спрос на инженерные компетенции

В цифровой экономике возникают новые явления, связанные с высокотехнологичной промышленностью, — цифровые двойники и цифровые тени. О них на форуме «Открытые инновации — 2018» рассказал Алексей Боровков — проректор по перспективным проектам Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, основатель группы компаний CompMechLab, лидер рабочей группы «Технет» Национальной технологической инициативы.

Цифровые двойники

Цифровые двойники — это цифровые модели высокого уровня адекватности, учитывающие все технологии изготовления, материалы, соединения и механизмы. Материалов, например, может быть несколько сотен, и у каждого — своя скорость деформирования.

«Разработка цифровых двойников будет основой для цифровой промышленности», — сообщил Алексей Боровков. Цифровые двойники входят в число компонентов, которые отличают ее от традиционной индустрии.

Алексей Боровков. Отличия цифровой промышленности от традиционной (выделены красным)

В рамках традиционной промышленности доводка, то есть достижение нужных характеристик, ведется через многочисленные натурные испытания. В цифровой промышленности ставится задача проводить многократные испытания с помощью цифрового двойника, а натурные испытания — проходить с первого же раза. «Для этого нужно сделать столько виртуальных испытаний, сколько нужно. Это могут быть сотни и тысячи виртуальных испытаний», — сказал эксперт. Такие тесты проводятся с помощью виртуальных стендов и виртуальных полигонов.

Ключевой элемент цифрового двойника — матрица целевых показателей и ресурсных ограничений. В сложной технической системе количество этих показателей может доходить до 50 000, в отличие от традиционного варианта, где их всего лишь около 500.

Ключевой элемент цифрового двойника — огромная матрица целевых показателей и ресурсных ограничений.

Как только начинается эксплуатация изделий (например, самолеты SuperJet летают где-нибудь в Мексике), они постоянно сообщают цифровому двойнику информацию о себе, и тот каждый день становится «умнее», получая такую обратную связь.

Важно различать понятия цифрового двойника и цифрового прототипа. Ни в одном цифровом прототипе не ставится задача с первого раза пройти натурные испытания, отследив показания сотен датчиков. Поэтому на заявления, что некоторые делали это уже 15 лет назад, Алексей Боровкой отвечает: «Да, делали, но совсем не то».

Цифровые тени

Как связаны цифровые двойники с цифровыми тенями? Цифровую тень спикер определил как систему связей и зависимостей, описывающих поведение реального объекта, как правило, в нормальных условиях работы и содержащихся в избыточных больших данных (Big Data), получаемых с реального объекта при помощи технологий промышленного интернета. Цифровая тень способна предсказать поведение реального объекта только в тех условиях, в которых осуществлялся сбор данных, но не позволяет моделировать ситуации, в которых реальный объект не эксплуатировался. 

Цифровая тень не позволяет моделировать ситуации, в которых реальный объект не эксплуатировался. 

Говоря о цифровых тенях, спикер обратил внимание на генерацию данных. По его словам, обычно все говорят про хранение, передачу, обработку, защиту информации, но ключевой элемент в этой цепочке — генерация данных, потому что именно этот этап определяет объем задач по их обработке.

Алексей Боровков привел простой пример. «Газпром нефть» за сутки генерирует один терабайт информации, а газовые турбины General Electric — 42 тысячи терабайт за год. То есть многие мировые компании уже генерируют больше информации, чем могут обработать, извлекая оттуда важные сведения. По словам Алексея Боровкова, генерировать нужно лишь содержательные данные, очищенные от мусора и шума. Нецелесообразно сплошь обклеивать производство датчиками, потому что это неминуемо приведет к терабайтам, которые мы не будем успевать обрабатывать. И цифровой двойник здесь может помочь: он позволяет указать на критические зоны производства и критические характеристики производимого продукта, чтобы собирать только такую нужную информацию.  

Пример цифрового двойника

Эксперт проиллюстрировал термины цифровой промышленности на доступном примере — цифровом двойнике гепарда.

Модели и цифровые двойники гепарда как физической системы

Синие точки на графике обозначают модели гепарда. Строя математические модели, можно остановиться на любом уровне адекватности. Чем выше точка на графике, тем более адекватными становятся модели гепарда. А цифровой двойник появляется, если дойти до верхнего положения, где синие точки превращаются в зеленые. Красным обозначены очень близкие адекватные модели.

Но гепард бегает, он — сложная динамическая система с нелинейностью. Его модели должны описываться уравнениями природы. Уравнения природы, описывающие законы физики, механики, термо- и электродинамики, тепломассообмена и другие, порождают уравнения в частных производных. И это принципиально важный момент: только в этом случае появляется цифровой двойник. Если нет этого уравнения, а есть только информация, собранная с датчиков, — никакого цифрового двойника нет, это цифровая тень.

Если на лапы и хвост гепарда навесить ошейники с датчиками, мы получим информацию без законов природы. И цифровая тень отличается от цифрового двойника тем, что она имеет только свойство памяти. Все, что произошло, она зафиксирует, но если случилась аварийная ситуация — гепард погиб, например, — то тень об этом не сообщит.

Применение цифровых двойников

Концепция цифровых двойников актуальна во многих отраслях, таких как энергетика, транспорт, строительство, но в первую очередь она работает в высокотехнологичной промышленности. Самый динамичный рынок, где применяются цифровые двойники, — мировой автопром, выпускающий ежегодно 100 млн единиц продукции. И с помощью цифровых двойников здесь уже решена задача прохождения натурных испытаний с первого раза.

С помощью цифровых двойников решается задача прохождения натурных испытаний с первого раза.

В России первый значимый проект, реализованный полностью в этой технологии, — «Кортеж». Это проект государственного значения, в рамках которого создаются представительские автомобили серии Aurus. По словам Алексея Боровкова, машина Aurus Senat прошла натурные испытания с первого раза. Было задано 125 тысяч целевых ограничений и характеристик, которым нужно было удовлетворить одновременно.

По сообщению эксперта, технология бурно развивается, и в таких отраслях, как атомная энергетика и нефтегазовое машиностроение, она уже позволяет за два-три месяца решить задачи, которые по ряду причин не решались в течение двух-трех лет.

Алексей Боровков также рассказал, что в Европе, в частности в Германии, за 5-7 лет в результате внедрения цифровых двойников более чем в 50 раз сокращены объемы натурных испытаний, а объемы виртуальных испытаний потребовалось увеличить в 100-200 раз. При этом число команд, которые могут это делать, уменьшилось в 10 раз, и это — сигнал рынку. «То есть задачи настолько сложные, что многие перешли на уровень поставщика гораздо ниже», — отметил эксперт.

Изменения кадрового спроса после внедрения цифровых двойников

Введение цифровых двойников влияет и на деятельность специалистов, кардинально меняя соотношение конструкторов и расчетчиков. Если раньше у компании Boeing это соотношении было 5:1, то сегодня оно составляет 1:2. Кроме того, на высокотехнологичном производстве вводятся элементы искусственного интеллекта — интеллектуальные помощники, которые позволяют генерировать большое количество конструкционных вариантов за гранью интуиции. «Их такое большое количество, что в день генерируется столько, сколько в традиционной парадигме может занять полгода», — сказал спикер.

Цифровые двойники в НТИ

Разработка этой темы ведется в рамках направления «Технет» Национальной технологической инициативы (НТИ), которое нацелено на развитие передовых производственных технологий и создание высокотехнологичной промышленности.

По словам Алексея Боровкова, с цифровыми двойниками помимо их разработки и применения связаны еще две задачи: экономическая оценка и нормативное регулирование. Снятию административных барьеров посвящена отдельная дорожная карта, утвержденная правительственной комиссией по модернизации экономики и инновационному развитию России. Этим вопросом занимается специальная подгруппа под руководством Алексея Пономарёва.

Хотя терминов «цифровой двойник» и «цифровая тень» еще нет в утвержденной дорожной карте «Технет», она предусматривает создание «Фабрик Будущего», где цифровые двойники и тени как раз создаются и применяются.

Спикер пояснил схему направления НТИ «Технет». Первый уровень  создание цифровой платформы («экосистемы технологий»). На втором уровне разрабатываются цифровые двойники реальных объектов и цифровые двойники производств. И на третьем этапе, после начала эксплуатациивозникают цифровые тени за счет мониторинга датчиков и сбора информации в концепции промышленного интернета.

Схема направления «Технет» Национальной технологической инициативы

Алексей Боровков отметил, что в развитии технологий цифровой промышленности рабочая группа «Технет» НТИ ориентируется на мировые технологические фронтиры. «На первые несколько лет у нас есть уже утвержденная дорожная карта. Но надо смотреть в будущее и начинать работу сейчас, а не через 5-6 лет», — сообщил эксперт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система Orphus Если Вы заметили ошибку, выделите её и нажмите Ctrl + Enter.

Материал подготовлен редакцией 4science

Фото — Сергей Петров/фотохост-агентство ТАСС.
В качестве иллюстрации использованы слайды из презентации Алексея Боровкова на форуме «Открытые инновации».

Ctrl+Enter
Esc
?

Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий, необходимо войти в систему или зарегистрироваться.