Что нам может дать цифровой двойник

Немного теории

Сегодня цифровые двойники — одна из популярных тем. Ей посвящено множество зарубежных и отечественных публикаций. Теоретическая сторона вопроса очень подробно рассмотрена в докладе Инфраструктурного центра по развитию направления «Технет» НТИ в партнерстве с Центром компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» [3]. В аналитической части этого доклада поднимается вопрос, смогут ли цифровые двойники спасти производство и вывести его на качественно новый уровень? Разберемся вместе, насколько данная технология эффективна и чем может быть полезна для современных российских предприятий.

Концепция цифрового двойника была предложена профессором Мичиганского университета Майклом Гривсом (Michael Grieves) еще в 2002 г. Как он отмечает в своей работе [1], первоначально она называлась «моделью зеркальных пространств». Там же можно найти определение цифрового двойника от Гривса: «Цифровой двойник представляет собой набор виртуальных информационных конструкций, который полностью описывает потенциальное или фактическое промышленное изделие: от его атомарных функций до геометрии. В идеальных условиях вся информация, которую можно получить от изделия, может быть получена от его цифрового двойника».

В более ранней публикации Гривс предложил менее абстрактное определение. По его словам, цифровой двойник «содержит три основные части:

1. физический продукт в реальном пространстве,
2. виртуальный продукт в виртуальном пространстве и
3. данные и информацию, которые объединяют виртуальный и физический продукт» [2].

Таким образом, цифровой двойник можно определить как компьютерный прообраз какого-либо объекта реального мира. В качестве такого объекта может выступать, например, все промышленное предприятие с его производственными линиями, конкретный экземпляр изделия или отдельный технологический процесс. Чем точнее цифровой двойник описывается в компьютерной среде, тем больше он соответствует своему реальному прототипу.

Из-за особенностей восприятия человеку ближе такая реализация цифрового двойника, в которой в первую очередь можно получить визуальное представление объекта-прообраза и только потом переходить к другим его «физическим» свойствам, таким как реакция на внешние воздействия, условия эксплуатации, естественные процессы старения и т. п. Для объединения в двойнике всех этих свойств принято использовать:

• решение для создания графической цифровой 3D-модели объекта, разработанной с применением CAD-систем инженерного проектирования;
• решения, обеспечивающие получение реальных данных от прообраза на базе технологии промышленного «Интернета вещей» (IIoT);
• интегрированные математические модели — инструменты, обеспечивающие «поведение» цифрового двойника в соответствии с поведением его прообраза (к ним относятся CAE-системы для инженерных расчетов);
• различные технологии визуализации.

Таким образом, цифровой двойник — это симбиоз технологий PLM и IIoT, который мы воспринимаем как реальный объект-прообраз [3]. На рис. 1 представлена структурная схема такого симбиоза.

Рис. 1. Структурная схема цифрового двойника

Зачем это нужно

Сфера применения цифровых двойников может быть достаточно широкой. Например, цифровые двойники авиадвигателей для контроля их изготовления и эксплуатации, цифровые двойники для производства или для решения задач оптимизации технологических процессов, цифровые двойники целых месторождений, обеспечивающие оптимизацию нефтедобычи. В последнее время получили распространение и цифровые двойники людей: они активно применяются в медицине для планирования и отработки хирургических операций.

Подкрепить теоретические знания пониманием практических возможностей нам очень помог опыт общения и рабочего взаимодействия в сфере цифровых двойников производства как с руководителями предприятий, так и с рядовыми сотрудниками. За что же любят цифровые двойники на российских промышленных предприятиях? Наши собеседники обычно называют следующие причины:

• Наглядность — возможность окинуть общим взглядом все производство и понять, что и где отклоняется от заданных параметров.
• Это инструмент для принятия взвешенных и оперативных управленческих решений.
• Мотивация сотрудников на эффективное выполнение своей работы.
• Инструмент моделирования: внутри средства моделирования цифровой двойник помогает в оптимизации технологических процессов. Можно построить производство внутри компьютерного пространства и оценить, как изменятся процессы в различных условиях.

Порядок перечисления неслучаен. Он отражает текущую ситуацию: первыми указаны свойства цифрового двойника, вызывающие наибольший интерес. И такое распределение позиций понятно: ключевую роль играет человеческое стремление к наглядности и простоте.

Создание цифровых двойников предприятия в полном объеме — достаточно непростая задача. К тому же «полный» цифровой двойник, включающий возможности моделирования и оптимизации производства, раскрывает все свои сильные стороны только при проектировании новых производств. В российской практике активы и процессы промышленных компаний унаследованы с советских времен в готовом виде. Поэтому задачи моделирования и адаптации — самые сильные интеллектуальные стороны цифровых двойников — востребованы ограниченным количеством организаций.

Первый шаг: цифровая тень

В самом начале пути требуется определить: стоит ли выбрать вариант полного цифрового двойника или следует остановиться на упрощенном? Второй вариант позволит не переплачивать за «продвинутый», но пока не актуальный для предприятия функционал, а получить удобный и полезный инструмент.

Принимая решение, стоит обратить внимание на цифровые тени — это упрощенный, адаптированный к сегодняшним потребностям вариант двойника: он ограничен в инструментах для моделирования в виртуальном пространстве и ориентирован на корректную трансляцию данных от физического прототипа к его виртуальному прообразу [4].

Далее, говоря о цифровом двойнике, мы будем подразумевать именно цифровую тень.

Первый цифровой двойник предприятия, на наш взгляд, должен обеспечивать:

• 3D-визуализацию, включая цеховые планировки и производственное оборудование;
• возможность отображения на планировках цехов состояния работы оборудования в режиме онлайн;
• средства получения более точных параметров для построения детализированного и обоснованного анализа производства — отчетов, графиков, мнемосхем, диагностики и т. п.

Процесс создания такого цифрового двойника должен быть максимально простым и исключать высокие финансовые и ресурсные затраты. На рынке сейчас представлен достаточно широкий спектр решений. На наш взгляд, ярче всего на нем выделяются две диалектические противоположности: решения «тяжелого класса», например от Siemens и PTC, противопоставлены решениям в недорогом сегменте для мониторинга станков. При этом полноценных инструментов, в том числе отечественных, которые бы соответствовали всем указанным выше критериям для создания цифровых двойников, крайне мало. Оптимальный функционал, как мы его видим, мы предлагаем рассмотреть на примере одного из них.

Цифровой двойник Winnum

Winnum — это платформа промышленного «Интернета вещей», разработанная российскими экспертами с учетом особенностей отечественного производства и процессов. К основным, самым востребованным задачам, которые она помогает решить, можно отнести мониторинг и диагностику производственного оборудования, оптимизацию технологических процессов (рис. 2, 3), наблюдение за ходом производства и тестирование новых алгоритмов и решений, включая проверку результатов имитационного моделирования на реальных данных.

Рис. 2. Контроль технологического процесса в металлургическом производстве

Интерактивный цифровой двойник Winnum позволяет смоделировать в виртуальной среде практически любой объект: от конкретного физического изделия, группы изделий, механического или технологического процесса до производственных линий (рис. 4).

Рис. 3. Контроль технологического процесса в механическом производстве

Как посредник между физическим изделием и важной информацией о нем, платформа реализует полноценную обратную связь для производственного оборудования или продукции предприятия, находящихся на этапе эксплуатации, на основе передачи данных из физического в виртуальный мир. Цифровой двойник имеет ценность только в том случае, если он максимально точно отображает реальное состояние оборудования. Непрерывность передачи данных дает дополнительные возможности для технического обслуживания и позволяет увидеть полную картину производства. Работа с цифровым двойником не требует остановки оборудования: «заглянуть внутрь производства» можно в любое время и в любом месте. При этом цифровой двойник включает не только 3D-объект с техническими характеристиками, но и информацию об окружающей среде и условиях эксплуатации, о взаимодействии с другими объектами, а также данные предиктивной аналитики. Информацию, полученную с оборудования, можно использовать, например, при оценке узких мест, технического состояния, процесса эксплуатации и т. д.

Рис. 4. Онлайн-инвентаризация и поиск комплектующих на складе

В основе интерактивного цифрового двойника Winnum лежат производительные инструменты по работе с большими данными, консолидирующимися от разных источников — оборудования, SCADA, АСУ ТП, корпоративных ИТ-систем (ERP, MES и др.), систем имитационного моделирования и т. д. Для решения соответствующих задач Winnum содержит отдельный класс продуктов Winnum Connector, обеспечивающих коннективность для всех промышленных протоколов, включая как стандартные промышленные (например, OPС UA/DA, MT Connect, Modbus), так и проприетарные (SIEMENS, MITSUBISHI, MAZAK, ENGEL, OMRON, ОВЕН, FEIG Electronic и многие другие). Важно отметить, что полученные данные хранятся в «сыром», исходном виде, без предварительной обработки, что позволяет быстро менять критерии и алгоритмы обработки и делает их пригодными для алгоритмов машинного обучения.

Для объединения цифровых двойников и получения эксплуатационных характеристик Winnum использует трехмерные сцены. Пользователю доступен широкий набор инструментов по работе со светом, текстурами, пользовательскими камерами, механизмом взаимодействия с объектами. Процесс создания трехмерных сцен происходит в веб-браузере и базируется на использовании шаблонов изделий, описывающих данные, которые должны быть получены от оборудования, применении 3D-моделей, созданных в любой САПР, и инструментов для настройки поведения этих 3D-моделей на основе значений сигналов или статусов работы оборудования, включая изменение цвета, положения объекта или его компонентов, появление информационных сообщений и т. д.

Таким образом, производственные компании, применяющие Winnum, могут моделировать свое производство с той степенью детализации, которая им необходима, и использовать для этого встроенные инструменты в веб-браузере, с поддержкой воспроизведения на любых типах устройств и операционных систем (отметим, что продукты Winnum базируются на Java и кроссплатформенны). В дальнейшем интерактивный цифровой двойник выносится на цеховые и уличные ТВ для контроля достижения заданных показателей и используется на рабочих местах для визуализации технологических процессов и сравнения с результатами имитационного моделирования, выполненного в соответствующем программном обеспечении.

Заключение

Авторы надеются, что настоящая статья показала применимость новых технологий в такой исторически консервативной сфере, как отечественное промышленное производство. Как показывает практика, в нашем распоряжении появляется все больше цифровых инструментов, которые могут дать значительный эффект при сравнительно небольших затратах.

Мы призываем читателя не бояться идти в ногу со временем. Если вы задумались о современном и бережливом производстве, то создание его цифрового двойника может стать удачным первым шагом к «Индустрии 4.0».