Журнал «Connect. The World of Information Technology» опубликовал статью А.И. Боровкова «Цифровые двойники в условиях четвертой промышленной революции»

Журнал «Connect WIT» 2021 №01-02 опубликовал статью «Цифровые двойники в условиях четвертой промышленной революции». Приводим полный текст статьи ниже.

---

Комплексная концепция цифровых двойников предполагает наличие цифровых двойников и производимой продукции, и технологических процессов, а также производственного оборудования. При этом в высокотехнологичной промышленности ключевая роль отдается цифровым двойникам изделий, поскольку именно изделия конкурируют на глобальном рынке.

Стандартизация технологии цифровых двойников

Несмотря на то что цифровые двойники являются одним из самых популярных и употребля­емых терминов, связанных с вы­сокотехнологичной промышленно­стью в условиях разворачиваю­щейся четвертой промышленной революции, для них не сущест­вует единою и строгого опре­деления. Более того, зачастую трактовка технологии цифрового двойника зависит от области применения (например, отрасли или сегмента рынка), назначения и стадии жизненного цикла изде­лия. для которого применяется указанная технология [1]. Форми­руются всякого рода стандарты, различающие цифровых двой­ников продукции и производст­ва; при этом в среднесрочной перспективе можно говорить о тенденции к их объединению и интеграции. Всеобъемлющая, комплексная концепция цифровых двойников предполагает нали­чие цифровых двойников и про­изводимой продукции (причем сначала реальное изделие ста­новится «репликой» цифрового двойника, а не наоборот, как это представлено в простейших слу­чаях) и технологических процес­сов. а также производственного оборудования.

14 ноября 2020 г. на публич­ное обсуждение была представ­лена первая редакция проекта национального стандарта Рос­сийской Федерации ГОСТ Р «Компьютерные модели и мо­делирование. Цифровые двой­ники. Общие положения» [2].

Эта редакция стала результатом совместной работы специалистов Центра НТИ СПбПУ под руко­водством профессора Алексея Боровкова, проректора по пер­спективным проектам СПбПУ, и специалистов ФГУП «Рос­сийский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экс­периментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») под руководст­вом заместителя директора и за­местителя научного руководителя «РФЯЦ-ВНИИЭФ», руководителя приоритетного технологического направления «Технологии высо­копроизводительных вычислений, включая суперкомпьютерные технологии» Рашита Шагалиева, а также членов рабочей группы Технического комитета по стан­дартизации 700 «Математическое моделирование и высокопроиз­водительные вычислительные технологии» (ТК 700), в рамках деятельности которого велась разработка стандарта. Предсе­датель ТК 700 «Росстандарта» - заместитель министра промыш­ленности и торговли Российской Федерации Олег Рязанцев.

При разработке проекта стан­дарта максимально учитывался многолетний опыт Центра НТИ СПбПУ и ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» по выполнению проектов для высокотехнологичной промышлен­ности в области цифрового про­ектирования и моделирования. Окончательную редакцию доку­мента планируется представить 8 «Росстандарт» в 2021 г.

В первой редакции проекта используется следующее опре­деление термина «цифровой двойник»: «Цифровой двойник - система, состоящая из цифро­вой модели изделия, реального изделия и двусторонних инфор­мационных связей между ними и участниками процессов жизнен­ного цикла».

В рамках первой редакции стандарта также рассмотрены системные основания для разработки и применения цифровых двойников на стадиях жизненного цикла высокотехнологичных изде­лий промышленности:

• создание научно-технического задела, формирование концеп­ции изделия (аванпроект) и раз­работка изделия (ЦД-1);
• производство (ЦД-2);
• эксплуатация (ЦД-3).

Цифровой двойник на ста­дии разработки (ЦД-1). На этом этапе закладываются ключевые конкурентные преимущества высокотехнологичного изделия, для которого будет создана система цифровых моделей изделия и при необходимости технологических процессов, взаи­моувязанных и сбалансированных на единой платформе в много­уровневой матрице требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. На этой стадии применение технологии создания цифровых двойников позволяет оперативно вносить большие объемы изменений в конструкцию изделия, его подсистем и компо­нентов. а также быстро проверять их путем виртуальных испытаний и анализировать влияние измене­ний показателей одних подсистем и компонентов на другие. Это да­ет возможность сократить объем натурных испытаний и довести их число до минимально допусти­мого и необходимого, что, в свою очередь, уменьшает время выво­да конкурентоспособного изделия на рынок и снижает себестои­мость разработки.

Цифровой двойник на ста­дии производства (ЦД-2). От­вечает за учет «технологической наследственности» и представ­ляет собой систему, состоящую из ЦД-1 и информации в виде результатов виртуальных испыта­ний и компьютерного моделиро­вания технологических процессов изготовления изделия.

Цифровой двойник на стадии эксплуатации (ЦД-3). Представ­ляет собой систему, состоящую из цифрового двойника первой стадии (ЦД-1), при необходимости второй стадии (ЦД-2) и информа­ции, которая поступает с эксплуа­тируемого изделия. ЦД-3, в част­ности, содержит информацию для управления техническим обслужи­ванием и ремонтом высокотехно­логичного изделия.

Важный момент: положения стандарта разработаны имен­но с позиций математического моделирования в соответст­вии со специализацией ТК 700 «Математическое моделирование и высокопроизводительные вычислительные технологии».

В проекте стандарта приведе­но 50 определений, из которых 17 внесены разработчиком.

Так впервые введена триа­да взаимосвязанных понятий, определяющих цифровой двой­ник: «математическая модель», «компьютерная модель» и «циф­ровая модель» изделия.

Цифровые двойники производства

В августе 2020 г приказом Росстандарта была утверждена серия предварительных наци­ональных стандартов (ПНСТ) Российской Федерации «Умное производство Цифровые двойни­ки». Названные стандарты разра­ботаны Техническим комитетом «Киберфизические системы» (ТК 194) на базе РВК при поддержке Минпромторга России. Утвержде­ны приказом Росстандарта с да­той введения в действие 1 ян­варя 2021 г. и сроком действия до 1 января 2024 г. [3].

В указанной серии стандартов затрагивается тематика цифровых двойников производства, в доку­менты также включены связанные термины и определения.

В окончательной редакции стан­дарта дано следующее определе­ние цифрового двойника: «Про­граммно-аппаратный комплекс, реализующий комплексную дина­мическую модель для исследова­ния и управления деятельностью социотехнической системы».

Отметим, что цифровые двой­ники производства являются неотъемлемой частью цифровой трансформации предприятий и уже достаточно давно успешно применяются ведущими мировыми высокотехнологичными компания­ми (в первую очередь из авто­мобильной промышленности), причем названная концепция тес­но взаимосвязана с концепцией цифровых, виртуальных и «ум­ных» фабрик, обеспечивающих в кратчайшие сроки разработку и производство глобально конку­рентоспособной продукции нового поколения [4].

Примеры применения технологии цифровых двойников (опыт специалистов Центра НТИ СП6ПУ). Электромобиль «КАМА-1»

В проект стандарта ГОСТ Р заложены экспертные знания, применяемые инженерами Цент­ра НТИ СПбПУ в проектах для российской и мировой промыш­ленности. Один из примеров - первый российский электромобиль с рабочим названием «КАМА-1», спроектированный на основе технологии цифровых двойников и специализированных цифро­вых платформ, разработанных в Центре НТИ СПбПУ Это смарт-кроссовер, конкурентоспособный как с точки зрения технических и потребительских характеристик, так и с точки зрения дизайна, без­опасности и комфорта, отвечаю­щий требованиям международной сертификации Индустриальный партнер проекта - ПАО «КамАЗ».

Данная разработка полностью соответствует глобальному трен­ду: развитию рынков гибридных автомобилей и электротранспорта, а в отдаленной перспективе - во­дородного транспорта. Уже сейчас значительная доля патентуемых разработок связана с электро­транспортом. Согласно прогнозам рынка в ближайшие 5-15 лет до­ля электротранспорта будет зна­чительно расти [5].

Сергей Когогин. генеральный директор ПАО «КамАЗ», 10 дека­бря 2020 г. во время презентации электромобиля «КАМА-1» в Моск­ве перед церемонией открытия VII ежегодной национальной вы­ставки ВУЗПРОМЭКСЛ0-2020 ска­зал: «Мы верим в то, что за элек­трическим транспортом будущее - уже не далекое, а ближайшее. После того как на улицы Москвы вышли 400 электробусов произ­водства «КамАЗ», сформировав общую концепцию, и с учетом происходящего в мире, мы сов­местно с Питерским Политехом с помощью Минобрнауки решили, что пора рассмотреть вопрос о разработке базовой платформы для развития как пассажирского, так и коммерческого транспорта. Для нас самое важное - способ­ность группы молодых инженеров СПбПУ и наших инженеров за ко­роткий срок создать законченный продукт» [6].

Фото электромобиля «КАМА-1»

Проект, полное название кото­рого «Создание «умного» цифро­вого двойника и эксперименталь­ного образца малогабаритного городского электромобиля с си­стемой АОА5 3-4 уровня», содер­жал в себе две ключевые задачи:

• разработка первого российского компактного электромобиля кате­гории М1 (легковые автомобили) в кратчайшие сроки (два года);
• развитие и масштабирование технологии цифровых двойни­ков и платформенных решений разработки продукции нового по­коления - электротранспорта - в соответствии с международны­ми требованиями сертификации и рынка.

В этом проекте использова­лись наукоемкие платформенные решения и технологии цифровых двойников Центра НТИ СПбПУ, такие как:

• цифровая платформа по разра­ботке и применению цифровых двойников СМL-Веnch™;
• платформа-демонстратор кросс- рыночных и кросс-отраслевых «сквозных» цифровых и пе­редовых производственных технологий СМL-CAR™ (раз­работка ведется с 2006 г. для автотранспорта, с 2017 г. - для электротранспорта);
• универсальная модульная плат­форма развития модельного ряда электротранспорта под различные запросы потребите­лей СМL-ЕV™ (разработка ве­дется с 2018 г).

Разработанные платформенные решения для цифрового проекти­рования и моделирования позво­лили провести все необходимые виртуальные испытания, модели­ровать и измерять любые пока­затели изделия в течение всего жизненного цикла с детальным учетом характеристик материалов и особенностей технологических процессов.

В ходе реализации проекта «КАМА-1» был создан «умный» цифровой двойник электромоби­ля, который представляет собой систему цифровых моделей изде­лия и технологических процессов, взаимоувязанных и сбалансиро­ванных на единой платформе СМL-Веnch™ в многоуровневой матрице требований, целевых показателей и ресурсных огра­ничений. «Умный» цифровой двойник электромобиля прошел более 800 виртуальных испытаний на виртуальных испытательных стендах и полигонах, продемон­стрировав соответствие требова­ниям Технического регламента Та­моженного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011), гармони­зированным с требованиями Правил Европейской экономи­ческой комиссии Организации Объединенных Наций (Правила ЕЭК ООН).

Цифровые платформы и еди­ная технология разработки и применения цифровых двой­ников как драйвер и интегратор сквозных цифровых технологий (цифровое проектирование и мо­делирование. системный и супер­компьютерный инжиниринг, искус­ственный интеллект, большие данные, виртуальные испытания, стенды и полигоны) позволили фактически роботизировать самый творческий процесс - разработку наукоемких высокотехнологич­ных изделий, сокращая и сроки, и стоимость проекта (трудозатра­ты на разработку электромобиля не менее чем на 30% и более чем вдвое длительность работ по созданию пред серийного про­мышленного образца).

Система очистки бурового раствора

Центр НТИ СПбПУ давно и ак­тивно сотрудничает с ТК «ТВЭЛ» (топливная компания «Росатома»). Одним из примеров взаимодейст­вия стало выполнение совмест­ного проекта spin-out компании СПбПУ - «Политех-Инжиниринг» (входит в консорциум Центра НТИ СПбПУ) и НПО «Центротех» (входит в ТК «ТВЭЛ»).

В 2014 г. по заказу «Уралмаш-завода» топливная компания «Росатома» «ТВЭЛ» начала разработку системы очистки бурового раствора. В начале 2016 г. был создан опытный образец, но он не соответствовал всем параметрам технического задания.

«Основной элемент этой кон­струкции - вибросито, но при его ускорении до 7д (целевое значе­ние в ТЗ) конструкция разруша­лась. Фиаско потерпели и другие опытные образцы, на испытания которых ушел еще год», - отме­чала Наталья Никипелова, прези­дент компании «ТВЭЛ» [7].

В апреле 2018 г. к решению проблемы были привлечены специалисты компании «Поли­тех-Инжиниринг». В рамках пер­вого этапа совместного проекта компаний «Политех-Инжиниринг» и НПО «Центротех» были раз­работаны полный цифровой двойник исходной конструкции, а также виртуальные испытатель­ные полигоны. Высокую адек­ватность цифрового двойника вибросита подтвердили натурные эксперименты.

На втором этапе была сфор­мирована матрица требований целевых показателей и ресурсных ограничений, в том числе по улуч­шению технических характерис­тик установки. За два месяца благодаря цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников СМL-Веnch™ было сгенерировано и проанали­зировано более 300 вариантов конструкции (в среднем пять ва­риантов в день).

На третьем этапе было полу­чено множество решений, удов­летворявших требованиям тех­нического задания (7g), а в ряде случаев - превосходивших их. Решения были сформированы под конкретное заданное произ­водство и под заданную стои­мость. Заказчиком был выбран вариант на 8,25g.

Таким образом, уже через пять месяцев после старта работ была разработана принципиально новая конструкция вибросита для буровой установки, которая позволила существенно превзойти показатели изделия по сравнению с конкурентами. Значительные улучшения получили основные характеристики конструкции: ко­эффициент перегрузки увеличен до 8,25g, масса снижена. Затем произошла «материализация цифрового двойника»: изделие было изготовляю и выпущено на рынок.

«Изготовили опытный образец, который превзошел зарубежные аналоги. Конструкция не разру­шается даже при виброускорении до 10g. В итоге ТВЭЛ не только не потерял клиента, но и полу­чил заказы от других компаний.

Создание цифрового двойника вибросита

Причем на выполнение робот с использованием цифрового двойника ушло всего несколько месяцев. Мы решили тиражиро­вать этот опыт, создал у себя инжиниринговый центр, в основе деятельности которого будет ле­жать новый, цифровой подход», — подчеркнула Наталья Никипелова, президент компании «ТВЭЛ» [7].

Установка успешно работает уже два года, о чем во время визита руководства топливной компании «ТВЭЛ» в СПбПУ, со­стоявшегося 30 октября 2020 г, рассказал генеральный директор НПО «Центротех» Илья Кавелашвили [8].

---

Литература

1. Боровков А.И., Гамзикова А.А., Кукушкин К.В., Рябов Ю.А. Цифровые двойники в высокотехнологичной промыш­ленности. Краткий доклад (сентябрь 2019 года). - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019.
2. Специалисты Центра НТИ СПбПУ совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ представили проект первой редакции нацио­нального стандарта ГОСТ Р «Компьютерные модели и мо­делирование. Цифровые двой­ники. Общие положения». URL: https://fea.ru/news/7598
3. Цифровая промышленность получила первые стандарты. URL: https://www.rst.gov.ru/portal/gost/home/presscenter/news/newsRST/redirect/news/1/5774
4. Мировая технологическая повестка и глобальные тен­денции развития промышлен­ности в условиях цифровой экономики / А.И. Боровков, Л. А. Щербина, В.М. Марусе­ва, Ю.А. Рябов // Инновации. 2018. № 12 (242). С. 34-42.
5. BloombergNEF. Electric Vehicle Outlook 2020. URL: https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/
6. На ВУЗПРОМЭКСПО-2020 состоялась презентация первого российского электрического смарт-кроссовера «КАМА-1», созданного на ос­нове технологии цифровых двойников. URL: https://fea.ru/news/7567
7. Без «цифры» «Росатом» не сможет закрепить за собой глобальное лидерство. 2019. URL: https://strana-rosatom.ru/2018/12/17/ускорение-цифры/
8. НЦМУ «Передовые цифровые технологии» посетила де­легация Топливной компании «ТВЭЛ» во главе с президен­том Натальей Никипеловой. URL: https://fea.ru/news/7518

---

Источник: https://www.connect-wit.ru/izdaniya-connect.html#flipbook-df_59223/52/