Необходимость цифровой трансформации отечественной производственной сферы подчёркивают статистические данные, указанные в исследованиях. Они показывают, что уровень внедрения цифровых технологий в Российской Федерации отстаёт от развитых стран мира. Данные также подкрепляются растущим интересом научного сообщества к цифровым двойникам. Это отражается в значительном увеличении научных публикаций на эту тему. Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель процесса, продукта или услуги. Он обеспечивает возможность анализа данных и мониторинга систем через численное моделирование. Национальные стандарты определяют цифровой двойник изделия как систему, включающую цифровую модель и информационные связи с изделием. Более того, цифровой двойник рассматривается как программно-аппаратный комплекс, предоставляющий модель для анализа и управления деятельностью социотехнической системы [1–7].
Ключевые технологии цифровых двойников
На сегодняшний день практически любой физический объект может быть виртуально дублирован с комплексным внедрением системы математических и компьютерных моделей, а также созданием информационных взаимосвязей при помощи обработки данных реального физического объекта и обратных информационных потоков цифрового объекта (рис. 1).
Рис. 1. Иллюстрация схемы связей цифрового двойника с объектом
Цифровой двойник должен обладать следующими свойствами:
1. Связность — цифровые двойники обеспечивают связь между физическим компонентом и его цифровым аналогом, позволяя им обмениваться информацией и данными в реальном времени.
2. Реальное время — цифровые двойники могут существовать и часто существуют до появления физической сущности, что позволяет моделировать весь жизненный цикл предполагаемого объекта.
3. Виртуальное прототипирование — использование цифровых двойников на этапе создания позволяет моделировать весь жизненный цикл предполагаемого объекта.
4. Синхронизация с физической системой — цифровые двойники могут регулярно синхронизироваться с соответствующей физической системой, обеспечивая актуальное состояние и информацию о ней.
5. Улучшение моделирования — концепция цифровых двойников возникла в рамках компьютерного моделирования и продолжает развиваться, улучшая дизайн продукта и инженерную деятельность.
6. Интеграция с производством — начиная с 2010-х и 2020-х годов обрабатывающие отрасли начали распространять концепцию цифровых двойников на весь производственный процесс, что позволяет использовать преимущества виртуализации в разных областях.
7. Точность и достоверность — цифровые двойники основаны на точных математических моделях и симуляциях, обеспечивая высокую степень достоверности информации.
8. Интерактивность — пользователи могут взаимодействовать с цифровыми двойниками, изменять параметры и наблюдать результаты в режиме реального времени.
9. Прогнозирование и оптимизация — цифровые двойники позволяют прогнозировать поведение систем и оптимизировать их работу на основе полученных данных.
10. Мониторинг и анализ — с помощью цифровых двойников можно отслеживать состояние и изменения в системах, а также анализировать данные для выявления возможных проблем и тенденций.
11. Ускорение разработки и внедрения новых продуктов — использование цифровых двойников сокращает время и затраты на разработку и тестирование новых продуктов, позволяя быстрее выводить их на рынок.
12. Безопасность и устойчивость — цифровые двойники могут быть использованы для обеспечения безопасности и устойчивости систем, так как они позволяют проводить виртуальные испытания и анализировать возможные риски.
К общим методам цифрового проектирования и моделирования относят: алгоритмическое проектирование, генеративные методы (топологические оптимизации, генетические алгоритмы, симуляции, агентные системы), параметрическую архитектуру (использование переменных для контроля формы и размеров объекта), искусственный интеллект и машинное обучение (нейронные сети для анализа и принятия решений), компьютерное зрение (анализ изображений и видео для распознавания объектов и сцен). Существуют также другие, узкоспециализированные методы, такие как бионический дизайн, управление данными о продукте или управление жизненным циклом изделий.
Методы цифрового проектирования и моделирования в технологии цифрового двойника рассмотрены в [8] и приведены в табл. 1.
Применение технологии цифровых двойников в процессе разработки продуктов позволяет проводить цифровое тестирование ещё до создания физического прототипа, что уменьшает количество очень затратных натурных испытаний.
Обычно для достижения нормативных характеристик изделия требуется множество тестов на опытных образцах, но благодаря цифровым испытаниям инженеры могут заранее проверять и прогнозировать поведение объекта и возможные сбои, причём с минимальными финансовыми потерями. Цифровые стенды и полигоны дают возможность проводить неограниченное количество тестов различных конструкций и продуктов в любых условиях эксплуатации, включая опасные и критические ситуации. В итоге это сокращает время разработки продуктов, уменьшает количество опытных образцов, а также снижает финансовые и временные затраты на проведение испытаний и организацию работы физических испытательных стендов и полигонов. Промышленные системы автоматики контролируют ключевые процессы на производстве и являются основой надёжного производства. В эксплуатации цифровой двойник является логическим развитием этих систем, предоставляя возможности для предикативной диагностики, оптимизации, надёжного прогнозирования, мониторинга и регулирования производственных процессов, а также защиты от инцидентов и аварий производственных активов. Это приводит к реальному экономическому эффекту.
Предиктивная аналитика и мониторинг помогают перейти от планово-предупредительного ремонта по регламенту к ремонту на основе фактического технического состояния. Вместо стандартных сроков ремонта используется риск-ориентированный подход, основанный на реальной профилактике. В этой системе алгоритмы постоянно анализируют состояние деталей, узлов и агрегатов [9].
Цифровые двойники могут быть применены в различных отраслях промышленности, таких как транспорт, энергетика, производство и авиация. Один из вариантов их использования — создание обучающих симуляторов для работников, которые занимаются эксплуатацией и обслуживанием объектов. Эти симуляторы позволяют моделировать сложные и опасные рабочие ситуации, что способствует повышению квалификации персонала, снижению риска возникновения аварийных ситуаций и уменьшению возможного ущерба для предприятий, населения и окружающей среды [10].
Проблемы внедрения цифровых двойников и область их распространения
Разработка и внедрение новых производственных технологий являются ключевыми условиями для перехода к цифровому производству. В ходе создания дорожной карты по развитию новых производственных технологий был проведён масштабный опрос, посвящённый технологиям, необходимым для достижения технологического первенства и выхода российских предприятий на международные рынки. Согласно мнению 74% экспертов, Россия отстаёт от мировых лидеров на пять-десять лет в сфере математического моделирования и технологии цифровых двойников. При этом технологии цифровых двойников и компьютерного моделирования относятся к числу приоритетных для достижения технологического успеха и выхода на международные рынки.
Среди основных препятствий для полноценной цифровой трансформации российского производства отмечают: чрезмерную загруженность и отсутствие поддержки со стороны высшего руководства; слабое кросс-функциональное взаимодействие подразделений и низкий уровень координации действий; несогласие с отдельными пунктами стратегии цифровизации или сопротивление ей в целом; недостаток компетенций у сотрудников и команды в целом; несогласие с предусмотренными показателями эффективности (KPI); отсутствие чётких целей, показателей, конечного результата и формата цифровой трансформации; отсутствие установки на рост и инновации; чрезмерное планирование, замедляющее процесс изменений и сокращающее гибкость.
Но к главным проблемам на текущий момент относятся:
1. Недостаток финансирования — нехватка средств для внедрения и развития цифровых технологий может замедлить процесс трансформации.
2. Сопротивление изменениям — сотрудники могут сопротивляться изменениям, если они не понимают их необходимости или боятся потерять работу из-за автоматизации.
3. Отсутствие стандартизации — разные подразделения компании могут использовать различные технологии и подходы к цифровой трансформации, что затрудняет интеграцию и обмен данными.
4. Безопасность и конфиденциальность — обеспечение безопасности данных и защита конфиденциальности информации клиентов и сотрудников являются ключевыми аспектами цифровой трансформации, нарушение которых может привести к серьёзным последствиям.
5. Интеграция с существующими системами — интеграция новых цифровых технологий с существующими системами и процессами может вызвать технические сложности и конфликты.
6. Управление изменениями — эффективное управление изменениями и коммуникация с заинтересованными сторонами, такими как клиенты, поставщики и сотрудники, необходимы для успешной цифровой трансформации.
В настоящее время отмечается значительный рост спроса на исследования и разработку технологий цифровых двойников в промышленном секторе. В России уже существуют отдельные решения для их создания в высокотехнологичных отраслях с потенциалом для масштабирования. Особенно актуальным является внедрение цифровых двойников в автомобильной и машиностроительной отраслях, авиации, нефтегазовом и энергетическом секторах. Сегодня технологии цифровых двойников успешно используются в различных отраслях, включая энергетику, как в России, так и за её пределами [11, 12]. Перечислим компании, в которых активно разрабатываются и внедряются цифровые технологии, такие как создание цифровых двойников, использование искусственного интеллекта и анализ больших объёмов данных:
1. ПАО «Газпром нефть» — создание цифровых двойников месторождений, заводов, отдельных скважин [13].
2. ОАО «РЖД» — разработка цифровых двойников локомотивов (интеллектуальных моделей, позволяющих осуществлять эксплуатацию, обслуживание и ремонт тягового подвижного состава по показателям предиктивной диагностики) [14].
3. Госкорпорация «Росатом» — создание цифровой АЭС, дублирующей работу атомной электростанции [15].
4. ПАО «Т Плюс» — разработка цифрового двойника ТЭЦ и тепловых узлов городов, а также работа над улучшением системы предиктивной диагностики основного оборудования ТЭЦ.
5. АО «Ротек» — разработка системы диагностики «Прана», которая предназначена для оценки технического состояния энергетического оборудования (теплового и энергосилового).
Технология «Цифровой двойник» помогает обнаружить отклонения в работе промышленного оборудования, даже если они пока не влияют на его состояние и не фиксируются обычными системами управления и мониторинга. Ведущие компании активно используют эту технологию для развития цифровой экономики России. Однако этот опыт нужно расширять и постоянно улучшать соответствующие навыки. По мнению экспертов, цифровая трансформация может повысить прибыль и производительность труда в отдельных отраслях на 20–30% за десятилетие благодаря таким преимуществам технологии цифровых двойников, как снижение издержек, сокращение времени разработки и производства продукции, уменьшение количества и повышение результативности реальных испытаний, улучшение качества и эффективности проектирования, а также выбор наиболее подходящего решения путём изменения всех влияющих на эффективность параметров.
Выводы
Современные цифровые технологии открывают огромные возможности для развития промышленности, улучшения качества жизни людей и повышения конкурентоспособности страны. Благодаря мощным вычислительным мощностям и способности анализировать большие объёмы данных компьютеры сегодня могут принимать оптимальные решения в реальном времени, значительно превосходя человеческий интеллект. Оптимизация российского производства может быть достигнута путём применения принципов бережливого производства, роботизации стандартных задач и использования передовых цифровых технологий, включая технологию цифрового двойника.
Экономическая целесообразность улучшения конкурентоспособности бизнеса и качества жизни населения требует активного внедрения этих технологий. Применение технологии цифрового двойника позволит создать комплексную систему проектирования, производства и эксплуатации высокотехнологичных продуктов, обеспечивая стратегическое преимущество отечественному бизнесу.
