Цифровое зеркало

Цифровой двойник — эффективный инструмент или еще одно клише Индустрии 4.0?

К концу 2019 года рынок «цифровых близнецов», по данным исследовательской компании MarketsandMarkets, оценивался в $3,8 млрд. К 2025 году он вырастет до $35,8 млрд. Мы решили узнать, в каких областях используются ЦД и что о них думают разработчики решений и их клиенты.
10 марта 2020

Что такое «цифровой двойник»

Цифровой двойник — это виртуальная копия продукта, процесса или целой системы, позволяющая в реальном времени отслеживать, как работает физический объект.

  • «Цифровой двойник» продукта

Виртуальная модель определённого продукта, например, грузового автомобиля. Применяется для тестирования его работы в различных условиях, чтобы выяснить, какие проблемы или сбои могут возникнуть в ходе эксплуатации этого продукта в реальности.

  • «Цифровой двойник» процесса

Виртуальная модель, имитирующая производственный процесс, например, динамическое течение жидких и газообразных сред в трубопроводах и аппаратах. «Двойник» производственного процесса позволяет создавать различные сценарии и выяснять их последствия, что, в свою очередь, поможет разработать наиболее эффективную методику производства.  

  • «Цифровой двойник» системы

Виртуальная модель всего производства, например, завода. Такой «двойник» служит для сбора огромного количества данных, которые позволят оптимизировать все производственные процессы.

Менеджер по развитию бизнеса компании Schneider Electric, предоставляющей цифровые решения в области электроэнергии и автоматизации Алексей Селезнёв, считает, что термин «цифровой двойник» — это в большей степени маркетинговая оболочка.

«Задача цифрового двойника – поддержка решений для управления производством, либо непосредственно управление процессами, поэтому, более подходящий термин — система управления производством в режиме реального времени», — рассуждает Селезнёв.  

Генеральный директор вендорной компании DIS Group Павел Лихницкий считает, что «цифровой двойник» — это, по сути, наборы данных, метаданных (информации о данных) и их взаимосвязей, которые описывают реальный актив, а также технологии для их сбора, хранения, обработки и анализа.

«С одной стороны, в состав цифрового двойника входят данные, которые выступают в качестве его каркаса — структурированного описание актива (перечень деталей, схемы оборудования и прочее). С другой стороны, — потоковые данные, которые собираются с датчиков на оборудовании в реальном времени (это может быть информация о температуре, давлении, влажности)», — объясняет Лихницкий.

Кейсы в России

Как отмечает руководитель группы IoT компании Softline Валерий Милых, один из лидеров в области создания «цифровых двойников» в России — «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab) СПбПУ.

 «Его услугами активно пользуются отечественные компании — НАМИ (государственный научный центр РФ), КамАЗ, УАЗ, АВТОВАЗ, госкорпорация «Ростех», ОАО «Газпром» и зарубежные — Boeing, General Electric, General Motors, Mercedes, BMW, Rolls-Royce, Audi, Siemens, LG. Один из крупнейших кейсов — первый в мире цифровой двойник речного бассейна «Цифровой Обь-Иртышский бассейн», — рассказал Валерий Милых.

Проект «Цифровой Обь-Иртышский бассейн» был создан для оздоровления речной экосистемы. Данные с датчиков, размещённых в водоёме и со съёмок спутников и дронов, собираются в единую базу,на основе которой будет формироваться «цифровой двойник». Он позволит наблюдать за состоянием рек, прогнозировать чрезвычайные ситуации и оперативно реагировать на изменения в химических, физических или биологических характеристиках водного объекта.

По словам технического директора крупнейшей в мире компании-поставщика ПО  Autodesk в России и СНГ Петра Манина, сегодня многие компании стремятся к созданию «цифрового двойника», но законченных кейсов пока мало.

«У этой ситуации довольно простое объяснение: компании зачастую не очень понимают, каковы же реальные цели создания ЦД. Когда это делается только «на хайпе» цифровизации, существенных результатов ждать не приходится. Из уже реализованных кейсов могу отметить компанию «Трансмашхолдинг» они стремятся оптимизировать деятельность заводов с помощью технологии «цифрового двойника». На этапе эксплуатации у них было много сомнений по поводу использования «двойника». Мы же со стороны Autodesk помогаем наполнить ЦД необходимой информацией для эффективной работы с данными. Прежде чем создавать «двойника», нужно очень чётко понимать, что ожидается от его работы (предиктивная аналитика, экономия на ремонтах и т.д.). А на этапе эксплуатации особенно важно контролировать, чтобы ЦД обновлялся и существовал синхронно с объектом», — считает Манин.

Одна из наиболее известных российских компаний, применяющих в производстве «цифровых двойников» — это «КАМАЗ». Предприятие использует решение Siemens PLM Software — Teamcenter.

Директор департамента главный конструктор цифровых систем проектирования ПАО «КАМАЗ» Алексей Пуртов рассказал, что они используют «цифровые двойники» грузового автомобиля, агрегатов и узлов. Они служат для проведения цифровых расчетных исследований, чтобы сокращать или полностью заменять натурные испытания.

Кроме того, в «КАМАЗе» работают «цифровые двойники» производственных площадок. Они используются для моделирования сборки автомобиля на конвейере, чтобы исключить дефекты сборки, проектирования специальной оснастки и инструмента.

Директор департамента главный конструктор цифровых систем проектирования ПАО «КАМАЗ» Алексей Пуртов:

Внедрение «двойников» обходится весьма дорого, но просчёты, допущенные на этапе проектирования, обходятся ещё дороже. Так, благодаря внедрению ЦД нам удалось сократить количество дефектов: число недоработок при пробных сборках автомобилей поколения К4 уменьшилось примерно в два раза относительно автомобилей поколения К3. Кроме того, мы смогли в два раз сократить сроки разработки за последние 15 лет.

Кому стоит присмотреться к технологии «цифровых двойников»?

Пётр Манин, технический директор Autodesk в России и СНГ:

Во-первых, если идёт речь о сложных уникальных объектах, где нужно просчитать то, что ранее никогда не было реализовано. Например, при строительстве небоскрёба Лахта-центр в Санкт-Петербурге многие решения были применены впервые в России и даже в мире. Для того чтобы спрогнозировать дальнейшее поведение объекта такого типа удобно использовать ЦД. Или же необходимо просчитать какие-то процессы в условиях крайнего севера. В этом случае «двойники» служат не просто для повышения эффективности, но и для обеспечения безопасности. 

Во-вторых, когда мы говорим про процесс, который должен или может стать типовым, «цифровой двойник» может стать прообразом этого процесса. На нём полностью проверяются те характеристики, которые должны быть заданы объекту, отрабатываются различные сценарии его будущего функционирования. Снова пример из строительства: типовые проекты школ. Мы сейчас ведём консультации с Департаментом образования и науки Москвы в части реализации такого проекта. «Цифровой двойник» школы необходим для понимания следующих вопросов: не возникнет ли скопления детей, хватит ли места в столовой, сможет ли школа выполнять свои функции для определенного количества учеников, в котором нуждается район.  

Что нужно для запуска ЦД?

Создание «цифрового двойника», по словам Валерия Милых, — это не константа («создали, и он далее работает»), а очень сложный процесс, состоящий из множества стадий.

«Данные — это фундамент ЦД, поэтому первая стадия — сбор данных и их верификация. Например, сбор информации о напряжениях, токах, рабочей температуре и вибрации в двигателях насосных систем электрической станции может дать объективную картину разброса параметров в работе установок, построить простую модель, способную «предугадывать» возможные проблемы с оборудованием и предупредить аварийные ситуации», — объясняет Милых.

Алексей Селезнев подчёркивает, что недостаточно только собирать данные, они должны быть контекстуализированы и смоделированы:

«Цифровой двойник не просто отправляет оповещения, он строит причинно-следственной связи с другими событиями, которые происходят на производстве, и делает прогнозы.  Например, если температура на выходе из теплообменника за месяц упала на один градус, система сообщит, что в данной среде теплообменник загрязняется быстрее, чем предполагалось. Цифровой двойник также спрогнозирует оптимальное с точки зрения экономики время остановки оборудования для его очистки. Подобные данные помогают принимать обоснованные решения, а сам факт падения температуры — нет».

Павел Лихницкий считает, что неэффективное управление данными часто приводит к провалам проектов «цифровых двойников». Чтобы этого не произошло, он советует использовать метод стратегического сквозного управления данными для всей компании Data Governance.

«Должна быть возможность эффективно определять и улучшать качество данных, выстраивать их взаимосвязи и происхождение, вести глоссарий терминов, выявлять и знать ответственных за те или иные корпоративные данные. К пониманию важности Data Governance постепенно приходят все лидеры цифровой трансформации в России. Практически у всех компаний введена или вводится управленческая должность CDO – Chief Data Officer (директор по данным).

 «Чтобы обеспечить сбор качественных и полных данных с оборудования,  необходимы специалисты по оборудованию и эксперты в области построения MES-систем (Manufacturing Execution System). Чтобы обрабатывать и хранить информацию, поступающую от оборудования, требуются компетенции по построению хранилищ данных. А для решения прикладных задач «цифрового двойника» — прогноза отказа оборудования, выявление потенциала по повышению качества, экономии, — необходимы специалисты по машинному обучению, имитационному моделированию и обработке больших данных», — считает руководитель направления «Умные технологии» KPMG в России и СНГ Максим Аргунов.

Пётр Манин, технический директор Autodesk в России и СНГ:

Что нужно для создания цифрового двойника:

  1. Собственно, наличие трехмерной компьютерной модели объекта;
  2. Формализация физического процесса и его математическая модель: моделируются и исследуются наиболее важные характеристики, от всего несущественного необходимо отказаться. Требуются очень продвинутые инженерные и расчетные компетенции;
  3. Организация сквозной передачи данных, в том числе для совместной работы на разных стадиях проекта и для территориально распределенных участников;
  4. Связка с датчиками различного типа;
  5. Поскольку обработать классическими инструментами такие сложные системы довольно сложно, используются суперкомпьютерные вычисления для обработки Big Data.

«Цифровой двойник» — только хайп или прикладная технология

Валерий Милых считает, что на сегодняшний день технологии создания ЦД уже достаточно зрелые:

— «Примерно в августе 2017 года «цифровые двойники» появились на восходящей кривой Гартнера, а в августе 2018 года они были уже на пике, а после исчезли. И это знаменательный  момент: «сошла пена», прошло время хайпа. Оказалось, что «цифровой двойник» — это очень сложная технология, тяжелая в реализации, наукоемкая, которая интегрирует многие другие компоненты (Big Data, искусственный интеллект, дополненную и виртуальную реальность, робототехнику и еще множество).

Множество компаний, ожидавших получить деньги под хайп, старые и «несовершенные» разработки, ушли со сцены. «Цифровой двойник» стал технологией для довольно ограниченного круга специалистов, которые понимают, что это, и действительно располагают необходимыми компетенциями и ресурсами для решения.

Проректор по перспективным технологиям СПбПУ А.И.Боровков в своем недавнем интервью отмечал, что происходит профессиональное самоочищение, и это очень важная и очень хорошая новость: с одной стороны, останутся действительно компетентные заказчики, с другой — компетентные исполнители, имеющие положительный многолетний опыт реализации проектов, связанных с технологией «цифровых двойников».

Павел Лихницкий считает, что для развития цифровых двойников активов в России не хватает более интенсивного обмена лучшими практиками и опытом:

«Здесь могло бы помочь создание платформы, где специалисты делились бы навыками и экспертизой. В качестве примера можно было бы использовать британскую платформу Digital Twin Hub, которую создала организация по цифровой трансформации строительного сектора в Великобритании (Centre for Digital Built Britain)».