Под знаком близнецов
Насколько сложен переход промышленности на «цифру» и какие выгоды это принесет России
На 2020 год в России запланирован старт сразу двух крупных высокотехнологических проектов, совершенно новых для отечественных реалий. Это создание цифровых двойников (виртуальных моделей или близнецов) городов и регионов — в частности, Челябинска и Кузбасса. Виртуальные модели территорий призваны помочь контролировать, корректировать и предсказывать развитие ситуации в сфере экологии, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства, принятия управленческих решений. Например, цифрового двойника уже имеет британский Кембридж: используя цифровую модель, местные власти оптимизируют транспорт и контролируют качество воздуха.
Еще один амбициозный российский проект разработки цифрового двойника по сложности не имеет аналогов в мире. Это начатое в 2019 году создание информационного дублера Обь-Иртышского бассейна и его притоков — Томи, Миасса, Иртыша, Туры. Примечательно, что новые идеи планируется реализовать исключительно силами отечественных разработчиков. Однако опыта создания двойников сложнейших объектов полного жизненного цикла (так называемая PLM-система, Product Lifecycle Management System — управление жизненным циклом продукции) у наших компаний пока нет. Тема цифровых двойников в России относительно новая.
К новой технологии проявляют интерес все без исключения отрасли, ее включают в федеральные программы поддержки промышленности, но до сих пор почти 80% российских заказов цифровых двойников забирают зарубежные производители. По разным данным, объем российского сегмента инженерного ПО в 2018 году составлял всего от 10 млрд до 13 млрд рублей. Это в разы меньше оборотов зарубежных компаний, лидирующих в этом сегменте.
Причин отставания несколько. Это и относительно поздний старт освоения технологии — в среднем отставание от мира оценивается в пять-семь лет. И неурегулированность вопросов информационной безопасности: закладываемые в двойников данные часто носят конфиденциальный характер, а с правами разграничения доступа к ним в России до сих пор нет полной ясности. Отмечается также, что отечественная промышленность более консервативна к восприятию инноваций, чем зарубежная. Десятки предприятий сегодня заказывают цифровых дублеров для конкретных деталей, например колес или лампочек, и лишь на уровне стратегий включают в управление производством двойников полного цикла.
Красивая идея
Применять математическое моделирование к производственным процессам начинал еще советский ученый академик Леонид Канторович, но сам термин «цифровой двойник» впервые использовал в 2003 году Майкл Гривс, профессор ассоциированного с космической отраслью США Технологического института Флориды, в статье под названием «Цифровые близнецы и превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». В его концепции речь шла о создании цифрового аналога продукта, который выглядел бы как настоящий не только внешне, но и при разборе на части, а также при различных манипуляциях с ним, от стадии идеи и проектирования до испытаний, эксплуатации, обслуживания и утилизации готового изделия.
Например, при производстве самолета цифровой близнец, создание которого должно предшествовать рождению физического прототипа машины, поможет найти оптимальную форму крыла или кузова, заранее смоделировав его особенности в зависимости от заданных условий. А продувка цифровой копии в виртуальной трубе может заменить ресурсозатратные испытания в трубе аэродинамической.
Когда самолет построен и введен в эксплуатацию, его оснастят многочисленными датчиками, которые будут передавать потоки данных о состоянии различных компонентов цифровому близнецу, а тот, в свою очередь, сигнализировать о возможных поломках, о необходимости профилактического ремонта или замены износившихся деталей. Общее число характеристик объекта, его отдельных компонентов, а также конфликтующих параметров, взаимное влияние которых рассчитывает заложенная в двойника программа, может составлять сотни тысяч. Цифровой близнец знает все о своем реальном аналоге, что позволяет отслеживать качество работы конкретных продуктов и систем на различных этапах их жизненного цикла, в кратчайшие сроки вносить необходимые изменения и даже прогнозировать будущее. Это своеобразный прокси физического мира между прошлым, настоящим и будущим.
По оценкам Института SAS (США), использование цифровых двойников сокращает время незапланированного обслуживания производства на 80%. По подсчетам Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) Петра Великого, одного из центров продвижения в России этой технологии, разработка продукции на основе цифрового двойника экономит временные и финансовые ресурсы в десять раз и более.
От санкций к цифре
На практике идеи Гривса начали воплощаться в жизнь лишь спустя десять лет, когда государственные ведомства развитых стран начали вписывать цифровых двойников в программы развития. В 2013 году в документе Военно-воздушных сил США «Глобальные горизонты» двойники были названы «фактором, радикально меняющим существующее положение дел». Здесь же обосновывалась необходимость создания новой парадигмы сертификации и аттестации продукции, полученной с использованием этой технологии.
C середины 2010-х NASA использует двойников при разработке космических аппаратов. Менеджер Исследовательского центра Эймса Джон Викерс отмечает, что создание, тестирование и сборка любого оборудования в NASA происходит сначала в виртуальном мире, и только после того, как копия пройдет все проверки, согласования и утверждения, ее воспроизводят в реальности.
Производитель электромобилей Tesla тоже сделал ставку на двойников. Tesla создает близнеца для каждой машины и далее продолжает контролировать состояние реальных автомобилей даже после их схода с конвейера и последующей продажи. Другой американский гигант — General Electric — использует технологию для контроля за образованием трещин на лопастях газовых турбин, для проверки коррозии на нефтегазовом оборудовании. Немецкая Bosch создает двойников для производственных линий. Их сравнение с реальными линиями позволяет быстро выявить отклонения и оптимизировать рабочий процесс, по данным компании, с повышением эффективности пока на 25%.
В Германии тема цифровых двойников получила ход в 2011 году с разработкой концепции развития промышленности «Индустрия 4.0». Она предполагает интеграцию киберфизических систем, связывающих виртуальное пространство с реальным миром, в заводские процессы. Согласно исследованию, проведенному Институтом промышленного машиностроения имени Фраунгофера, благодаря использованию новой концепции шесть отраслей народнохозяйственного комплекса ФРГ получат до 2025 года дополнительные 78 млрд евро. Подобные программы разработаны в других европейских и некоторых азиатских странах.
В России тренд был воспринят несколько позже. В 2014 году, после длившихся два года экспертных обсуждений, в составе госпрограммы Минпромторга России «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» появилось мероприятие, направленное на поддержку компьютерного инжиниринга. Стимулом для этого послужили санкции: ряду промышленных компаний стали недоступны программные продукты зарубежных разработчиков. Министерство решило, что риски, связанные с зависимостью российских производителей от зарубежных решений, будут только возрастать. Было предложено создавать консорциумы для разработки конкурентоспособного инженерного программного обеспечения, поскольку компетенций и мощностей отдельных компаний не хватало для создания востребованного продукта в короткие сроки. Их участниками должны были стать специализированные научные и инжиниринговые центры, промышленные предприятия, использующие технологии и инструменты численного моделирования для оптимизации производственных процессов. Государство обязалось компенсировать им через субсидии часть затрат на реализацию пилотных проектов.
В 2018 году правительство утвердило программу «Цифровая экономика» (до 2024 года), цель которой — стимулирование спроса на российские технологические решения, в том числе на цифровых двойников. Поддержку получают проекты внедрения отечественных продуктов, сервисов и платформенных решений на базе сквозных цифровых технологий.
Мировая лига разработчиков
Согласно прогнозам, на которые ссылается Евразийская экономическая комиссия, через пять лет рынок программных решений цифровых двойников достигнет 16 млрд долларов. По оценкам СПбПУ, он уже сейчас близок к этой цифре: только в США рынок составляет 7,7 млрд, в Японии — 3,82 млрд, в Германии — 3,75 млрд долларов. До 2022 года ожидается ежегодный рост на 6%.
В этом сегменте мировой рынок высоко консолидирован: четыре ключевые зарубежные компании формируют более 70% объема продаж инженерного ПО. В лидерах — немецкий гигант Siemens с постоянно обновляющейся линейкой продуктов, в числе его передовых разработок — новая версия открытой облачной операционной платформы MindSphere для создания цифровых близнецов предприятий. Уверенно держится еще одна немецкая компания — SAP, созданная бывшими сотрудниками IBM, с решениями на основе цифровой платформы Leonardo Internet of Things. «Наша технология востребована преимущественно промышленными компаниями: горно-металлургической отраслью, нефтегазовым сектором, энергетическим комплексом, дискретным производством. Стоимость цифровых двойников, как и в целом цифровых проектов, зависит от конкретной задачи, которую необходимо решить с их помощью. С одной стороны, датчики и устройства для сбора данных становятся дешевле и доступнее, с другой — процесс сбора и обработки данных, особенно в рамках промышленного предприятия, требует серьезных ИT-ресурсов для хранения, анализа и визуализации», — говорит Дмитрий Пилипенко, заместитель генерального директора SAPCIS, российского подразделения SAP.
В «высшей лиге» также американская фирма ANSYS со своими программами численного моделирования на основе платформы ANSYS Workbench, которая позволяет объединять задачи вычислительной гидродинамики, теплообмена, механики деформируемого твердого тела и электромагнетизма в один комплексный мультидисциплинарный проект. Конкурирует с ними специализирующаяся на 3D-моделировании французская компания Dassault Systèmes с технологическими решениями по цифровизации производства на базе единой платформы 3DExperience (см. «Мир сливается воедино», «Эксперт» № 23 за 2019 год).
Российский дивизион
Российские производители цифровых двойников тоже присутствуют на рынке — правда, в основном на внутреннем. Отечественный рынок еще незрелый, на всех игроков приходится не более сотни завершенных проектов в год в области управления жизненным циклом изделия. Главные силы объединены в два консорциума. Один из них создан на базе Университета Петра Великого. В него вошли 50 организаций, в их числе НИЦ «Курчатовский институт», «Росатом», «Ростех» (ОДК, «Вертолеты России», КамАЗ, АвтоВАЗ), а также двенадцать университетов. Этот консорциум, кстати, является исполнителем по уникальному проекту создания двойника экосистемы Обь-Иртышского бассейна.
СПбПУ для создания цифровых двойников использует программы ведущих мировых разработчиков, а также создает собственные решения. В частности, оригинальной разработкой является открытая цифровая платформа CML-Bench. Она не зависит от того, какой программный продукт использует команда, вплоть до самописных, что позволяет гибко выстраивать цепочку технологий под решение задач в различных отраслях, при необходимости обеспечивая бесшовную передачу данных между имеющимися решениями. Это сокращает время и стоимость разработки, а также повышает корректность результатов. СПбПУ ведет разработки двойников, например электромобиля, а также заявляет о многочисленных соглашениях, подписанных с крупными корпорациями и региональными правительствами, для реализации проектов создания виртуальных копий различных объектов и процессов. Однако сведений о реально вышедших на рынок продуктов очень мало.
Второе аналогичное объединение состоит из пяти коммерческих компаний — отечественных разработчиков инженерного ПО. Все они давно присутствуют на рынке, занимают свои ниши и уверенно работают с заказчиками. Консорциум «РазвИТие» сконцентрирован на создании единого мультивендорного российского PLM-решения на базе существующих разработок. Его стратегическая цель — создание «тяжелой» системы PLM, адаптированной к работе не только с конкретным изделием, например с кузовом машины, но и с продуктом более высокой сложности — самолетом или кораблем, которые состоят из сотен тысяч комплектующих.
Лидер в этой пятерке — АСКОН, которая создает информационные продукты на базе оригинальных систем управления инженерными данными и жизненным циклом изделия «Лоцман:PLM» и «Компас-3D» (см. «Ждем от государства ясной стратегии», «Эксперт» № 49 за 2019 год). В числе заказчиков — ПО «Севмаш» из Северодвинска, Омский НИИ приборостроения, производитель источников света из Мордовии ГУП «Лисма» и многие другие промышленные предприятия, занимающие ведущие позиции в своих отраслях. По данным АСКОН, в 2018 году ее доля на отечественном рынке цифровых продуктов составляла 9,5% (3,7 млрд рублей). Сравнение годовых оборотов АСКОН с одним из зарубежных лидеров рынка — SAP — говорит о том, что портфель заказов российской фирмы довольно скромный: за 2018 год ее выручка составила чуть более 1,5 млрд рублей, выручка немецкой фирмы — почти 25 млрд евро. В консорциуме АСКОН развивает три направления: CAD (система автоматизированного проектирования), PLM, интеграторский бизнес для всех участников.
В консорциуме также состоят TESIS, предлагающая технологические решения на базе собственного программного комплекса FlowVision, и НТЦ АПМ с программным продуктом WinMachine для машиностроения. За годы работы консорциум создал комплекс программных продуктов, собранный на общей платформе «Компас/Лоцман» с общим интерфейсом и приемами работы для решения наиболее массовых задач. Спроектированы также специализированные рабочие места для решения уникальных задач, требующих особых подходов и инструментов. К примеру, в этой парадигме рабочее место конструктора может представлять собой терминал доступа к расчетным мощностям больших машин. Все они также интегрированы в комплекс, но при этом обеспечивается возможность их использования по отдельности.
Скважины и мирный атом
Крупные отечественные компании по-степенно тоже обзаводятся «близнецами». Одним из драйверов внедрения технологии стала Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК).
«Вся современная продукция конструкторских бюро предприятий ОДК полностью оцифрована. Цифровые двойники используются прежде всего при проектировании, производстве, эксплуатации двигателей SaM146, ПД-14, перспективного двигателя большой тяги ПД-35, морских газотурбинных двигателей, двигателя для истребителя пятого поколения Су-57. В обрабатывающих производствах лидерами по внедрению таких технологий являются “Ростех” и “Росатом”. Цифровые дублеры используются и в сфере добычи полезных ископаемых: только на скважинах они помогают экономить компаниям до 20 процентов капитальных затрат», — рассказал «Эксперту» первый заместитель председателя Союза машиностроителей России Владимир Гутенев.
Нефтехимический холдинг «Сибур» использует виртуальные модели, имитирующие различные технологические процессы — физико-химические, статистические, гидродинамические, механические или комбинированные. Например, модель техпроцесса газоразделения позволяет оценивать влияние изменения состава сырья на выход целевых и побочных продуктов. Другой пример: модель работы компрессора помогает прогнозировать его выход из строя и своевременно проводить ремонт.
«Совокупный эффект от использования цифровых моделей выделить сложно. Это в первую очередь инструмент, направленный на принятие оптимальных решений. Его использование — это переход к так называемой data-driven культуре — культуре принятия решений на основании данных и достижения “умного” результата. Если говорить в цифрах, это сотни миллионов рублей в год за счет увеличения выработки продукции, сокращения потребления энергоресурсов, снижения простоев и затрат на ремонт, — комментирует главный эксперт по оптимизации технологических процессов «Сибура» Сергей Кирясов. Для разработки моделей техпроцессов компания закупает зарубежное специализированное программное обеспечение, а также ведет собственные разработки с использованием распространенных языков программирования, привлекая российских подрядчиков.
Автомобили, самолеты, корабли
Крупные отечественные компании постепенно тоже обзаводятся «близнецами». Каждая отрасль идет к этой цели своим темпом. Самым быстрым оказалось автомобилестроение. Вроде еще несколько лет назад краш-тесты проходили на специальных площадках, с использованием реальных прототипов машин и усаженных в них человекоподобных манекенов. Автомобили испытывали на падение с высоты, на сдавливание прессом, перевороты, подвергали другим экзекуциям (а еще раньше, в середине прошлого века, в США и Европе в тестируемые машины сажали подопытных животных и даже трупы людей!). Теперь всё гораздо проще. Все жесткие маневры, в которых могут пострадать и машина, и сидящие в ней люди, моделируют на компьютере. Именно в автомобилестроении испытания с использованием цифровых двойников проводить наиболее выгодно: объект достаточно компактен, не обладает очень большой сложностью по сравнению, например, с самолетом или кораблем, имеет несколько тысяч, но не сотни тысяч и не миллионы компонентов и в отличие от тех же воздушных и плавучих судов производится крупными сериями. В этом случае предварительные затраты на экзамены в «цифре» оправданны.
Из представленных широкой публике отечественных продуктов, созданных с применением цифровых близнецов, можно упомянуть разработку ФГУП НАМИ — автомобили семейства Aurus, в которых кузова проектировались с помощью двойников. Активно применяет цифровых двойников КамАЗ. По данным «Ростеха», за 2018 год на предприятии созданы 3D-модели 1780 новых изделий различных видов оснастки — станочной, сборочной, сварочной, термической, режущего инструмента, контрольных приспособлений. Развитие 3D-моделирования связывают с перспективами создания на КамАЗе цифрового двойника производства полного цикла. Предполагаемые сроки реализации таких планов не называют.
В самолетостроении уже можно привести единичные примеры успешного внедрения технологии цифровых двойников. Проходит испытания образец среднемагистрального самолета МС-21 производства корпорации «Иркут», который стал первым в России самолетом, разработанным исключительно «в цифре», с помощью безбумажных технологий на основе 3D-моделирования всех компонентов. Для инженерных расчетов использовался комплекс информационных систем и математических моделей, а также впервые создан электронный макет — цифровой двойник, который постоянно развивается и детализируется. Он содержит описания более ста тысяч деталей, узлов и систем, а математическая модель каждого компонента используется в программах аэродинамических, прочностных, кинематических и других инженерных расчетов, а также в программах обрабатывающих центров. Производители рассчитывают, что это позволит самолету получить конкурентные преимущества по легкости, скорости, экономичности и экологичности. Серийное производство машины, первоначально запланированное на 2018 год, тем не менее откладывается из-за санкций со стороны США против партнеров корпорации «Аэрокомпозит» и ОНПП «Технология» имени А. Г. Ромашина, которые участвуют в производстве композитного крыла самолета, но по политическим причинам не получают необходимые компоненты от зарубежных поставщиков. Именно это крыло — изначально смоделированный в цифре ключевой элемент нового российского лайнера, который позиционировался как основное конкурентное преимущество самолета.
В производстве изделий, которые изготавливаются в единичных экземплярах, стоимость сборки и тестов «железных» моделей ниже, чем компьютерных. Пример из судостроения: цена испытания одной из моделей корабля по колоссальному количеству режимов в кавитационной трубе составила полтора миллиона рублей, тогда как стоимость компьютерного моделирования и расчета одного режима на машине производительностью на уровне десятков терафлопс достигала семи миллионов рублей. Поэтому судостроение не обещает по этому направлению большого прорыва в ближайшей перспективе. Причина в консервативности отрасли и большой технологической сложности построения объектов. «Эта тенденция не только российского, но и мирового судостроения. Объем продаж программного обеспечения здесь значительно ниже, чем в автомобилестроении, космической технике и обрабатывающей промышленности, — говорит Михаил Лобачев, начальник отделения математического моделирования и высокопроизводительных вычислений Крыловского государственного научного центра, который создает информационные модели для судостроительной отрасли. — Корабль — самый сложный в мире инженерный объект по количеству комплектующих, которые в нем присутствуют. Есть авторитетные мнения, что цифровой близнец полного жизненного цикла корабля, который включал бы в себя создание математической модели, проектирование, строительство, эксплуатацию и вывод из эксплуатации, не будет создан в ближайшее время. Но к этому надо стремиться. Процессы оцифровки корабля пока идут тяжело и у нас, и за рубежом, касаются они только отдельных частей, техпроцессов создания объекта. Мы несколько отстаем от мирового темпа, но не критически. За рубежом цифровые близнецы в судостроении внедряются, чтобы обеспечить стопроцентный контроль над средним звеном строителей, чтобы пресечь снижение качества».
Амбициозные проекты тем не менее зреют и в судостроении. Средне-Невский судостроительный завод подготовил концепцию целой цифровой верфи, которая должна появиться в Санкт-Петербурге. По масштабности такие задачи сравнивают с космическими, которые решал СССР. Им одновременно радуются и в них не верят в силу того, что в современной России вообще мало кто верит в успехи инновационной экономики. Но первый шок от многочисленных деклараций о начале крупных проектов, которые обещают полностью перезагрузить отечественную промышленность на основе технологии цифровых двойников, похоже, проходит. Если пять лет назад, когда это направление только стало «хайповым» и под него создавались многомиллиардные инвестиционные программы, о готовности занять эту нишу заявляли сотни фирм, работающих в области ИT, то теперь тема цифровых двойников в России стала прерогативой узкого круга специалистов, которые обладают определенными компетенциями. Все отечественные игроки рынка технологии цифровых близнецов много лет работают в области математического моделирования. Новое для них не столько в науке и инженерии, сколько в выстраивании отношений с потенциальными заказчиками технологий, многим из которых даже ментально сложно перестроиться под новые тренды. Но государственное регулирование этих процессов и доведение большого числа анонсированных проектов до финальной стадии неизбежно будут способствовать «взрослению» отечественного рынка инженерного ПО и в целом ускорению процессов цифровизации российской экономики.
Опыт атомщиков
Опытом внедрения цифровых двойников с «Экспертом» поделилась вице- президент по цифровизации АО «ИК “Атомстройэкспорт”» Ольга Толстунова.
Уже в процессе сооружения атомной электростанции закладывается фундамент цифрового двойника — так называемая цифровая, или информационная, модель АЭС. Она обеспечивает управляемость информацией по проекту на всех стадиях жизненного цикла объекта. Эта модель у нас представлена в двух формах: статической и динамической.
Статическая модель объекта обладает полной информацией обо всех изменениях с момента стадии первичного проектирования, что позволяет на этапе проектирования устранять коллизии, формировать задания, отслеживать отставание от графиков. На выходе она позволяет нашим заказчикам — операторам и эксплуатантам АЭС проводить стресс-тесты, вовремя планировать ремонт оборудования, моделировать кризисные ситуации и формировать планы реагирования, дает возможность просчитать влияние любого изменения на проект в целом. Использование этой информационной модели эффективно и экономически выгодно. Эффект прежде всего в том, что испытания проходят на цифровых моделях, а не на реальных объектах, что дешевле и удобнее. На реальные объекты в идеале приходится только один тест — после завершения всех испытаний в цифре.
Динамическая модель сооружения позволяет актуализировать данные в онлайн-режиме, управлять порядком работ и формировать оптимальный график сооружения исходя из имеющейся информации по физическим характеристикам и графикам поставки, наблюдать и управлять последовательностью работ по сооружениям и моделировать правильным образом стройку. Здесь эффект в том, что не нарушаются сроки сооружения АЭС, соблюдаются заданные параметры стоимости и качества сооружения.
В процессе стройки естественны изменения в проекте в зависимости от страны пребывания и природной среды, специфических требований и условий, возможности применения новых современных технологий и материалов. Цифровизация помогает сделать процессы стыковки разных систем и функций при таких изменениях более гладкими: меньше проблем на стыке — более высокая скорость и качество исполнения проектов. Ошибаться мы не имеем права, поэтому сочетаем проверенные, традиционные методы с новыми технологиями. Использование цифрового двойника — это вопрос не предпочтения, а обязательности: цифровая модель, полностью повторяющая характеристики реального сооружения, с возможностью изменения и прогнозирования состояний позволяет сделать АЭС более безопасной на всех стадиях ее жизненного цикла.
На сегодня требования к наличию качественной цифровой модели АЭС де-факто стали стандартом контрактов на сооружение атомных станций. Такая модель должна становиться основой для цифрового двойника станции, используемой далее в эксплуатации, модернизации и вывода из эксплуатации. Это несколько десятков лет, более десяти миллионов элементов, составных частей АЭС и огромное количество данных. Развитие современных цифровых технологий в атомной отрасли, в том числе создание собственного комплекса информационных систем «Мульти-Д», в рамках построения цифровой модели АЭС, позволяет нам обеспечивать лидирующие позиции на мировом атомном рынке.
Фото: Из личного архива Ольги Толстуновой
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl