Все говорят о цифровых двойниках.
Что это означает и как выглядит на практике?

Основная статья: Цифровой двойник (Digital Twin of Organization, DTO)

Основная задача цифрового двойника (ЦД) – повышение эффективности производства, внедрения, запуска, эксплуатации и развития систем и комплексов. Именно поэтому цифровые двойники стали появляться, в первую очередь, там, где велика стоимость создания образца изделия и стоимость натурных экспериментов для исследования пограничных режимов функционирования. Самое первое упоминание термина «цифровой двойник», как принято считать, относится к американской космической программе – в 2010 г. с помощью такого термина описывалась эволюция методов компьютерного моделирования, которые применялись в НАСА с 50-х годов прошлого века.

В чьих руках – инструмент цифрового двойника?

В Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК) в течение ряда лет идет проект создания цифровых двойников авиационных двигателей. Проект, который должен завершиться к 2024 г., предполагает проведение масштабных НИР и создание в результате единой обучаемой цифровой системы, охватывающей все этапы жизненного цикла каждого изделия: проектирование, испытания, производство и эксплуатация.

Создаваемый цифровой двойник станет, по сути, результатом интеграции практически всех сквозных цифровых технологий ОДК и будет включать, помимо набора математических моделей, описывающих функционирование самого двигателя, комплекс методик, определяющих большой спектр требований к конечному изделию: от экологических до бизнес-требований.

Специалисты утверждают, что именно формализованные знания о технологических и бизнес-процессах составляют ключевое преимущество цифровых двойников для предприятия, и именно по этой причине организации имеет смысл инвестировать в ЦД, хотя сам процесс формализации этих знаний представляет собой особую специфическую задачу. Действительно, обладая полной цифровой картиной того, как протекают рассматриваемые производственные процессы, можно найти точки для их оптимизации, например, уменьшить затраты при строительстве нового объекта, производстве новой продукции или выявить точки роста бизнеса.

Александр Семенов, заместитель директора по новым рынкам компании «Рексофт», говорит, что использование цифровых двойников открывает возможности для предприятий, разрабатывающих и внедряющих сложные комплексы автоматизации. Компания имеет большой опыт работы с цифровыми двойниками систем, обрабатывающих физические объекты: это конвейерные линии сборки и обработки, системы транспортировки, сортировки, распределения, комплектации, хранения физических объектов, то есть с большим классом современных систем, устанавливаемых на заводах, объектах транспорта, хранилищ, складов, центров формирования заказов и т.д.

Наличие цифрового двойника для создаваемого объекта обеспечивает значительное повышение эффективности деятельности для всех участников проекта. Разработчик быстрее создает качественную систему, радикально сокращая время отладки систем. Клиент получает тщательно протестированную систему во всех возможных режимах с повышенными показателями надежной работоспособности. В этом смысле цифровой двойник – это инструмент радикального снижения рисков реализации проектов крупных технических систем.

Этот инструмент нужен той компании, которая создает новую производственную систему и будет затем ее эксплуатировать, – говорит Александр Семенов. – В первую очередь, цифровой двойник полезен там, где доступ к основной системе затруднен или невозможен (как в случае с космическим аппаратом), либо он высокозатратен (создается сложное дорогое изделие: крупный конвейер, мощная турбина или авиационный двигатель, и цена ошибки проектирования очень высока), либо он связан с деструктивными явлениями (краш-тесты новых моделей автомобилей подразумевают разрушение дорогостоящих физических образцов).

Стоит отметить, что три указанных признака можно найти практически в любом масштабном проекте создания новой производственной системы. Однако имеет смысл провести некоторую базовую классификацию ЦД.

Что в прицеле цифрового двойника: объект или система?

С практической точки зрения, имеет значение, для какой сущности создается цифровой двойник. Например, авиационный двигатель – это отдельный объект, которому соответствует очень непростой набор сложных математических описаний того, как он функционирует. Этот цифровой двойник необходим для того, чтобы проверить на математической модели все его возможности и работоспособность в различных ситуациях, в том числе, нештатных. Другой пример – система автоматизации сортировочного центра логистической компании. Система сортировки состоит из множества сравнительно несложных элементов (например, транспортировочный конвейер), однако для логистической компании важна работоспособность не одного элемента, а всей системы сортировки, и цифровой двойник создается для целой производственной системы.

Цифровая копия физического объекта

Мировой практический опыт показывает: как бы тщательно ни проектировалась система разветвленных конвейерных линий, исходя из имеющихся теоретических знаний поставщика оборудования, остается немалая вероятность того, что в условиях реальной эксплуатации возникнут заторы, «узкие места» или иные проблемы с перемещением грузов. Разрешать эти проблемы на «живой» системе оказывается гораздо сложнее и дороже, чем предусмотреть иную архитектуру помещений или топологию линий на этапе разработки проекта системы.

Именно для этого нужен цифровой двойник: заранее проверить на нем все алгоритмы работы как в штатных, так и в нештатных ситуациях, в том числе на грани работоспособности системы, проверить пропускную способность в различных режимах и, если нужно, еще на этапе проектирования согласовать со строителями изменения в чертежах объекта, – поясняет Александр Семенов.

Например, при выполнении «Рексофт» проекта системы обработки багажа (или проще – багажной системы) для крупного аэропорта, по результатам испытаний заказчик принял решение о создании дополнительной линии транспортировки, которая решила проблему перераспределения потоков багажа в случае возникновения заторов или нештатных ситуаций. Необходимость этого дополнения была наглядно доказана при моделировании на цифровом двойнике. Кстати, по словам заказчика, дополнительная линия регулярно «спасает» ситуацию в аэропорту, обеспечивая тем самым бесперебойную работу системы обработки багажа в целом.

К созданию сложного автоматизированного комплекса в полной мере применимо эмпирическое правило (закон Парето): 20% времени уходит на то, чтобы автоматизировать основной процесс (так называемый «mainstream»), и 80% времени – на отработку пограничных условий и исключительных ситуаций. Цифровой двойник системы радикально сокращает затраты на 80%-ую часть проекта.

Рассмотрим подробнее, как работает инструмент цифрового двойника на разных этапах производственного процесса: создание, пусконаладка и эксплуатация, развитие производственной системы.

Создание производственной системы

В общем случае, независимо от того, с чем работает проектировщик: отдельным элементом или полноценной системой, вначале проводится отладка всех алгоритмов функционирования объекта или системы. На втором этапе проводится проверка всех гипотез относительно поведения системы в различных ситуациях. Наибольший интерес представляют гипотезы о ее поведении в пограничных и нештатных ситуациях, когда нарушается нормальное функционирование физической системы, что происходит с пропускной способностью системы. В определенном смысле мы все привыкли к таким проявлениям и считаем, скажем, затор на ленте выдачи багажа в аэропорту или сбой в работе автоматизированной парковки неприятным, но неизбежным проявлением современного технического прогресса. Однако Александр Семенов уверен, что все эти раздражающие обывателей неприятности с техническими системами – следствие того, что техническая система изначально была недостаточно хорошо продумана.

Эти жизненные ситуации: кто-то нажал не на ту кнопку, груз зацепился за борт конвейера, линия вышла из строя и т.д. – не были заранее проверены и подробно изучены на цифровом двойнике системы, то есть на той модели, которая является полной копией данной технической системы, – поясняет Александр Семенов из «Рексофт». – Работоспособность системы определяется не тем, насколько хорошо она работает в штатных ситуациях, а тем, насколько успешно система выходит из нештатных ситуаций, желательно без участия человека.

Но как учесть все потенциально возможные нештатные ситуации при проектировании системы?

Это задача технических аналитиков, которые обычно участвуют в создании новой системы. Чаще всего это специалисты в предметной области бизнеса заказчика. Они хорошо знают особенности функционирования таких систем, все их проблемные места. Но при традиционном подходе их знания оказываются востребованными только тогда, когда нештатная ситуация уже случилась, обслуживание пользователей неожиданно прекратилось и необходимо срочно принять решение, как поправить ситуацию. Использование цифрового двойника меняет точку приложения их знаний и опыта: эти специалисты пишут сценарии проверки работоспособности будущей системы, формируют чек-лист, который потом отрабатывается в полном объеме на готовом цифровом двойнике системы.

До 90% вопросов к работоспособности системы снимается на этапе проверки на цифровом двойнике. И это очень важно: в процессе пуско-наладки и ввода реальной системы в эксплуатацию – вы потратите 100% времени или только 10%, – подчеркивает Александр Семенов.

Цифровой двойник позволяет максимально снизить время отладки при натурных испытаниях.

Программное обеспечение для поддержки проектирования с цифровым двойником

Создание цифрового двойника происходит на этапе проектирования новой системы. После того, как объект полностью спроектирован, на основе CAD-модели в системе САПР или 3D-модели объекта создается статическая модель цифрового двойника. Она, по сути, описывает архитектуру объекта, расположение элементов оборудования системы в рабочем пространстве.

На следующем этапе статическая модель «оживляется» описаниями рабочих процессов, превращаясь в динамическую модель системы. Это не просто визуализация происходящего в системе, поясняет Александр Семенов:

Цифровой двойник должен восприниматься системой управления точно так же, как и физическая система. То есть когда вы пишете алгоритмы управления для цифрового двойника, эти алгоритмы по сути вы создаете для реальной системы. Отладив алгоритмы на цифровом двойнике, вы получаете алгоритмы, которые будут точно также работать на реальной системе.

Цифровые двойники создаются на базе специализированных платформ. Такие платформы производят, как глобальные вендоры типа Siemens и Dassault Systemes, так и небольшие компании типа Xcelgo. В «Рексофт» используют Siemens и Xcelgo.

Выбор вендора зависит, во-первых, от специфики задачи цифрового двойника. Например, Siemens ориентирует свою платформу цифровых двойников на элементы оборудования, а решение компании Xcelgo лучше подходит для моделирования работы производственных систем. В частности, условия для проверки режимов работы платформа формирует в виде исполняемых инструкций, которые можно редактировать.

С цифровым двойником инженеры работают, как с реальной физической системой. Пока на нем не будет достигнута ситуация, когда все алгоритмы отрабатывают как нужно, алгоритмы не переносится на «боевую» систему, – рассказывает Александр Семенов.

Развитие системы

При помощи цифрового двойника мы делаем саму производственную систему и ее внедрение более эффективными. Собственно, для этого цифровой двойник и нужен, – говорит Александр Семенов и тут же уточняет: Вообще-то на момент запуска системы самому заказчику цифровой двойник не нужен. Однако система наверняка будет развиваться. А это значит, что цифровой двойник обязательно должен продолжать жить вместе с реальной системой, развиваясь вместе с ней.

Иными словами, любые изменения системы должны сначала проверяться на цифровом двойнике, а лишь потом применяться в реальной системе.

В этой ситуации может возникнуть вопрос о переходе цифрового двойника от проектировщика системы к заказчику проекта. Однако, как правило, у владельца системы в штате нет соответствующих специалистов. Ему проще воспользоваться услугой по дальнейшему развитию системы силами проектировщика, владеющего цифровым двойником системы и имеющим в штате специалистов нужной квалификации.

Особенности проектов с участием цифровых двойников

Проекты создания производственных систем с участием цифровых двойников имеют некоторые специфические особенности.

Технические особенности проектов цифровых двойников

Платформы создания цифровых двойников – объективно новое явление на рынке. В частности, это находит выражение в том, что не все элементы оборудования, которое используется в конкретном проекте, могут быть адекватно представлены платформой. Тогда, как поясняет Александр Семенов, те или иные сложные элементы либо приходится конструировать самостоятельно, что не всегда оказывается тривиальной задачей, либо просить вендора доработать платформу. Однако следует отметить, что вендоры платформ весьма оперативно реагируют на запросы о доработках, поскольку сами заинтересованы в том, чтобы их продукт наилучшим образом соответствовал требованиям. Из практики «Рексофт» такие доработки выполнялись вендорами в течение нескольких недель.

Сроки проектирования с участием цифровых двойников

Сроки выполнения таких проектов зависят от сложности системы. По оценкам Александра Семенова, в общем случае они сравнимы с длительностью этапа проектирования. Эксперт приводит эмпирическую закономерность: в рамках проекта, который требует для выполнения 8 месяцев, работа над цифровым двойником добавляет к длительности первой фазы разработки от 2 до 4 недель, то есть максимум - до месяца. В дальнейшем работа с цифровым двойником идет параллельно с плановыми работами по системе.

Особенности финансирования создания цифровых двойников

В случае, если само предприятие решило создавать цифрового двойника, придется защищать перед финансовым директором необходимость приобретения лицензии на платформу, скорее всего, зарубежного вендора, а значит, затраты будут довольно существенными.

Если производственную систему создает внешний исполнитель, например, интегратор, тогда расходы на приобретение лицензии несет партнер предприятия. При этом важно, как подчеркивает Александр Семенов, чтобы интегратор постоянно выполнял проекты с использованием платформы цифровых двойников: тогда стоимость платформы не станет отдельной позицией в статье затрат по проекту. Поскольку часто заказчики не готовы увеличивать бюджеты проектов ради цифровых двойников в составе услуг проектирования.

Все системы, которые разрабатывает «Рексофт», обязательно базируются на цифровом двойнике. И крупный аэропорт, и текущий проект для логистических центров «Почты России» – везде автоматизация систем обязательно реализуется с использованием цифровых двойников. Но заказчик видит его функционирование только в виде повышенного качества проектирования и высокой работоспособности систем, запускаемых в рабочую эксплуатацию, – поясняет Александр Семенов.

Повышенное качество проектирования

Повышение качества системы с использованием цифрового двойника проявляется в получении оптимального решения на раннем этапе. Например, по результатам проверки пропускной способности конвейерной системы аэропорта специалистами «Рексофт» на цифровом двойнике было принято решение о построении дополнительной линии.

Это решение было принято еще до того, как начался монтаж оборудования, – рассказывает Александр Семенов. – Поэтому «стоимость» изменений была ничтожной, по сравнению с тем, что произошло бы, когда проблема, замеченная на цифровом двойнике, проявилась бы во время эксплуатации построенной системы.

Такие промахи случаются постоянно, замечает эксперт. Обычно с их последствиями борются временными паллиативными решениями, – организационными или наспех созданными техническими, – которые нельзя назвать удачными.

Цифровой двойник дает возможность распознать такую скрытую ошибку уже на этапе проектирования. На этом этапе «стоимость» ликвидации подобной ошибки для предприятия, очевидно, гораздо ниже, чем на этапе рабочей эксплуатации, – подчеркивает Александр Семенов.