Цифровое предприятие - объединение реального и цифрового миров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цифровое предприятие - объединение реального и цифрового миров

Россия, г. Санкт-Петербург Скулябин М.А. руководитель Дирекции по ИКТ и ЦР ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Россия, г. Санкт-Петербург Шифрин Б.М., кандидат технических наук, доцент доцент кафедры «Автоматизации, метрологии и управления в

технических системах» Санкт-Петербургский государственный лесотехнический

университет имени С.М. Кирова Россия, г. Санкт-Петербург

Аннотация

Ключевые слова:Цифровые технологии, цифровой двойник, компьютерная модель. цифровой двойник компьютерная модель

Annotation: In the conditions of the modern industrial revolution, enterprises strive to increase the efficiency of their activities through the introduction of new

information technologies. These technologies allow companies to optimize production and management processes.

The purpose of the study is to analyze the prospects for the development of this technology based on the study of its history and current state. The work includes an overview of the use of Digital twins, both in foreign and domestic practice, an analysis of the level of technology development today and an idea of its future prospects.

Modern variants of software for simulation modeling and the creation of Digital twins are considered, and the advantages and disadvantages of using modeling methods in this context are evaluated.

Key words: Digital technologies, Digital twins, computer model.

Введение

Мир промышленности сталкивается с быстрыми и непредсказуемыми изменениями, включая геополитические конфликты, технологические новшества, изменения на мировых рынках и воздействие климатических изменений. Цифровые технологии и автоматизация играют ключевую роль в решении этих проблем. С появлением промышленного интернета вещей (IoT) мы генерируем огромное количество данных, которые необходимо собирать, анализировать и использовать, соединяя физический и виртуальный миры.

Машиностроительное производство является краеугольным камнем экономики, поддерживая ее функционирование путем создания товаров и предоставления услуг для удовлетворения общественных потребностей в целом.

Развитая промышленность служит основой для стимулирования научно - технического развития, повышения качества жизни людей и обеспечения технологической самостоятельности страны.

Машиностроению присущ дискретный метод производства, при котором изготавливаются отдельные изделия, такие как автомобили, станки, оборудование и прочее. Для обеспечения и гарантии качества изделий машиностроения необходимо закрепить их требуемые характеристики, показатели и требования к созданию в государственных стандартах.

Согласно ГОСТ 2.101--2016 изделие определяется как предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению в организации (на предприятии) по конструкторской документации [1].

Примечания:

1. Изделиями могут быть: устройства, средства, машины, агрегаты, аппараты,

приспособления, оборудование, установки, инструменты, механизмы, системы и др.

2. Число изделий может измеряться в штуках (экземплярах).

3. К изделиям допускается относить завершенные и незавершенные предметы

производства, в том числе заготовки.

Сегодня во многих инновационных компаниях основная масса изменений приходится на этап проектирования, где формируются их основные преимущества и учитываются требования для последующих этапов жизненного цикла. Это позволяет сократить число корректировок, вносимых в конструкцию при изготовлении и тестировании опытных образцов продукции, и, как следствие, ускорить вывод продукции на рынок. Это стало возможным благодаря быстрому развитию и использованию передовых цифровых и производственных технологий. Ключевую роль здесь играют технологии цифрового проектирования и моделирования, которые включают такие процессы, как:

• компьютерное проектирование (Computer-Aided Design, CAD): Процесс создания 3D-моделей с помощью CAD-систем для создания чертежей и конструкторской документации;

• математическое моделирование, компьютерный и суперкомпьютерный инжиниринг (CAE и HPC): Решение научно -технических задач с помощью математического, компьютерного и высокопроизводительного моделирования для оптимизации процессов и конструкций:

-- CAE-системы: Программное обеспечение для анализа поведения материалов, процессов и конструкций на основе математических моделей;

-- HPC-системы:Суперкомпьютеры для выполнения сложных

вычислительных задач и моделирования;

• CAM-системы - это программное обеспечение, используемое для перевода 3D-моделей, созданных в CAD-системе, в программы для станков с ЧПУ, необходимые для изготовления деталей;

• CAAM-системы - это специализированное программное обеспечение, которое обрабатывает, исправляет и подготавливает 3D -модели для аддитивного производства. Эти системы обычно работают с моделями, созданными в CAD/CAE-системах и обеспечивают их корректное отображение и обработку на оборудовании для аддитивного производства.

Компьютерное моделирование играет важную роль в современном машиностроении и продолжает развиваться. Вот некоторые из тенденций развития:

• увеличение точности и реалистичности моделей, это позволяет более точно предсказывать поведение конструкций и устройств;

• использование искусственного интеллекта (ИИ): ИИ и машинное обучение внедряются в моделирование для оптимизации процессов и анализа данных, что способствует повышению эффективности и сокращению времени разработки;

• симуляция производственных процессов:компьютерное

моделирование теперь применяется для симуляции производственных линий и процессов, что позволяет оптимизировать производственные операции и уменьшать затраты.

• оптимизация дизайна и материалов: моделирование позволяет инженерам проводить виртуальные эксперименты с различными дизайнами и материалами, чтобы выбрать оптимальные параметры для конкретного продукта;

• использование облачных ресурсов: облачные вычисления делают вычисления более доступными и масштабируемыми, что упрощает проведение сложных симуляций;

• интероперабельность и стандартизация - стандарты в области компьютерного моделирования становятся более важными, чтобы обеспечить совместимость и обмен данными между разными системами и приложениями;

• учет устойчивости экологических аспектов: Моделирование также используется для оценки экологической устойчивости и влияния продукции на окружающую среду.

Эти тенденции содействуют улучшению процессов разработки и производства в машиностроении, что в конечном итоге способствует созданию более качественных и инновационных продуктов.

Технология цифровых двойников представляет собой результат непрерывного совершенствования методов проектирования продукции и инженерного дела. Данный процесс берет свое начало с ручного составления чертежей и спецификаций, а затем получил развитие в автоматизированном проектировании и системном проектировании на основе моделей.

Согласно ГОСТ Р 57700.37-2021. Национальный стандарт Российской Федерации. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения" (утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 16.09.2021 N 979-ст) [2]:

• Цифровой двойник изделия; ЦД: Система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями;

* Целью создания ЦД является выполнение технических и тактико - технических требований к изделию, снижение себестоимости и сроков разработки опытных образцов изделия, повышение технологичности изделия, а также повышение надежности и эффективности эксплуатации изделия.

Концепция цифрового двойника была впервые предложена Майклом Гривсом [3], профессором Мичиганского университета, в 2002 году. В своей книге “The Genesis of Digital Twins” он описал три основных компонента цифрового двойника:

1. Физический продукт в реальной среде.

2. Виртуальный продукт в виртуальной среде.

3. Данные и информация, объединяющие виртуальный и физический продукты.

Майкл Гривс считает, что “в идеальных условиях, вся информация об изделии может быть получена из его цифрового двойника”.

Технология цифровых двойников прошла через несколько этапов развития (Рис.1). Первый цифровой двойник был разработан в начале 2000 -х годов для самолета Boeing 777. С тех пор технология развивалась и стала широко использоваться в различных отраслях промышленности, включая автомобилестроение, производство электроники и аэрокосмическую отрасль. В настоящее время технология цифровых двойников используется для оптимизации производственных процессов, улучшения качества продукции и снижения затрат на производство.

Рис. 1 -- Становление и развитие технологии цифровых двойников с 1960 по 2019 гг. Источник: Прохоров А., Лысачев М. [4]

На Рис. 2 показан пример подходов к идеологии цифровых двойников и ее применении зарубежными компаниями.

Рис. 2 -- Цифровые двойники. Видение иностранных инжиниринговых

и софтверных компаний.

Siemens - является одной из ведущих компаний в области цифровой трансформации. Они используют цифровые двойники для оптимизации своих производственных процессов. Например, они используют цифровых двойников для управления температурой и влажностью на своих заводах, что позволяет им снизить затраты на энергию и улучшить качество продукции.

Digital Native Factory - первый завод Siemens, успешно освоивший цифровую трансформацию и ставший цифровым предприятием.

Объединение производственных мощностей и логистики позволило существенно повысить эффективность работы. Благодаря цифровизации процесса планирования и моделирования фабрики, удалось оптимизировать её работу ещё до начала строительства. Объединение различных типов данных в одном месте создало возможность для создания цифрового двойника нового завода, который помогает повысить производительность. Этот проект делает Siemens крупнейшим научно-исследовательским и производственным центром за пределами Германии в области систем числового программного управления, приводов и электродвигателей [5].

General Electric также активно использует технологию цифровых двойников. Они используют их для моделирования новых продуктов и процессов, а также для оптимизации существующих. Например, они использовали цифровых двойников для создания новых двигателей для самолетов и автомобилей.

Благодаря цифровым двойникам активно достигается значительная экономия ресурсов. На текущий момент экономия для клиентов General Electric составила более 1.5 млрд. долларов благодаря возможностям мониторинга цифровых двойников в реальном времени, и на данный момент существует 1.2 млн. цифровых двойников реактивных двигателей, ветровых электростанций, морских нефтяных платформ, энергетического оборудования, насосов, компрессоров, охладителей и многого другого. На сегодня в аналитическом каталоге GE Digital для клиентов General Electric доступно свыше 330 различных моделей цифровых двойников, а значит промышленным предприятиям стало как никогда проще быстро извлекать пользу из своих вложений в цифровые двойники.

Нефтегазовая компания Chevron Energy Technology использует программное обеспечение Asset Digital Twin для устранения небольших неполадок до того, как они превратятся в большие проблемы. Благодаря постоянному мониторингу с помощью Industrial Managed Services от GE Digital (IMS) и программного обеспечения Digital Twin ИТ-отдел использует данные, аналитику и знания для повышения доступности, надежности, эффективности и прибыльности [6].

COMSOL является одним из лидеров в области программного обеспечения для моделирования и анализа. Они предлагают инструменты для создания цифровых двойников и анализа данных, полученных от них. Они также сотрудничают с другими компаниями для разработки новых технологий на основе цифровых двойников.

С помощью программы COMSOL Multiphysics® инженеры и ученые моделируют конструкции, устройства и процессы во всех областях инженерных, производственных и научных исследований. С помощью платформы COMSOL Multiphysics® можно анализировать как отдельные, так и взаимосвязанные физические процессы. Среда разработки моделей (в англ. Model Builder) позволяет пройти все этапы от построения геометрической модели, задания свойств материалов и описания физики задачи до выполнения расчёта и анализа полученных результатов моделирования [7].

ANSYS также активно работает в области цифровых двойников. Их программное обеспечение используется для моделирования различных процессов, включая производство, транспорт и медицину. Они также предлагают инструменты для анализа данных и оптимизации процессов на основе полученных результатов.

Ansys Mechanical является мощным инструментом для решения сложных инженерных задач и принятия более быстрых и обоснованных проектных решений. Его решатели метода конечных элементов позволяют настраивать и автоматизировать решения в строительной механике, а также анализировать различные сценарии проекта. Кроме того, Ansys Mechanical обладает полным набором инструментов для анализа и является динамической средой [8].

Большинство российских машиностроительных предприятий так же используют широкий спектр цифровых технологий, включая трехмерное компьютерное моделирование, САПР, системы автоматизации процессов и др. (Рис.3)

Рис. 3- Цифровые двойники. Видение российских инжиниринговых и софтверных компаний.

ФГАО СПбПУ Петра Великого-является одним из ведущих российских университетов в области цифровых технологий. Университет активно сотрудничает с российскими и зарубежными компаниями в области разработки и применения цифровых двойников. Например, университет участвует в проекте создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата совместно с предприятием -ОДК. [9] ГК Росатом-также активно применяет технологию цифровых двойников в своей деятельности. Например, в рамках проекта “ВИРТУАЛЬНО-ЦИФРОВАЯ АЭС” компания создает цифровых двойников ядерных реакторов и других объектов атомной энергетики. Назначение этого программного комплекса - посредством «цифровых двойников» блоков АЭС моделировать нормальные, переходные и аварийные процессы, проверять добротность проекта в различных режимах. [10]

ООО “ЗВ Сервис” - российская компания, специализирующаяся на разработке программного обеспечения для цифровых двойников. Компания предлагает решения для создания и управления цифровыми двойниками в различных отраслях промышленности.Самый известный продукт компании это SimInTech (Simulation In Technic).SimInTech (Simulation In Technic)- среда разработки, которая позволяет создавать математические модели, алгоритмы управления, интерфейсы управления, а также автоматически генерировать код для контроллеров управления и графического отображения информации.

SimInTech - это среда моделирования и проектирования систем управления, которая может быть использована для исследования и анализа нестационарных процессов в различных объектах управления. Она позволяет создавать модели систем управления, проводить симуляции и анализ их работы, а также генерировать код на языке программирования Python для управления реальными устройствами. SimInTech также имеет множество инструментов для работы с данными, таких как анализ временных рядов, прогнозирование и оптимизация систем управления. [11]

ФГУП “Крыловский ГНЦ” занимается исследованиями и разработками в области кораблестроения и морского транспорта. Компания также использует подход цифровых двойников для оптимизации процессов проектирования и строительства кораблей и судов. Цифровые двойники позволяют моделировать различные аспекты проектирования и строительства, такие как прочность конструкции, устойчивость к коррозии, эффективность двигателей и т.д.

Это позволяет инженерам находить оптимальные решения быстрее и с меньшими затратами (Рис. 4).

Рис. 4 Многоуровневая схема цифрового судостроения. [12]

Одним из ключевых факторов дальнейшего развития отрасли является трансформация машиностроения в цифровую промышленность - разработка и применение цифровых платформ, выстраивание высокоэффективной цифровой кооперационной цепочки с применением технологий цифровых двойников объектов и процессов обеспечения эффективности жизненного цикла объектов морской техники и мероприятий по обеспечению безопасности информации.

Заключение

Более глубокое внедрение и применение технологий «Цифровых двойников» в машиностроении позволит:

1. Улучшить качество проектирования за счет расширения возможностей уровневого и мультидисциплинарного моделирования (ситуационное моделирование, имитационное моделирование, моделирование физических процессов, проведение виртуальных испытаний и экспериментов), оптимизации характеристик цифровой модели.

2. Уменьшить время и затраты на разработку новых изделий за счет подходов модельно-ориентированного системного инжиниринга и возможности многократного использование цифровых данных.

3. Улучшить безопасность эксплуатации объектов за счет доступности моделирования аварийных ситуаций.

4. Увеличить эффективность использования объектов за счет моделирования процессов эксплуатации.

5. Получать и обрабатывать информацию об эксплуатации изделий и процессов для улучшения будущих разработок.

Список литературы:

1. ГОСТ 2.101-2016. Единая система конструкторской документации. Виды изделий - Режим доступа: https://rosteststandart.ru/gost/204710.html (Доступ: 25.10.2023).

2. ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». - Режим доступа: http://protect.gost.ru/v.aspx?control=7&id=241313 (Доступ: 25.10.2023).

3. Grieves, M.W. (2023). Digital Twins: Past, Present, and Future In: Crespi, N., Drobot, A.T., Minerva, R. (eds) [Electronic resource]. - Available at: https://doi.org/10.1007/978-3-031-21343-4_4 (Accessed: 25.10.2023).

4. Прохоров А., Лысачев М. Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт / под науч. ред. А.И. Боровкова. - М.: Альянспринт, 2020. - 401 с. - Режим доступа: http://digital-economy.ru/obzory/tsifrovoj-dvojnik-analiz- trendy-mirovoj-opyt https://dfnc.ra/wp-content/uploads/2020/09/Kniga-TSfirovoj- dvojnik.pdf (Доступ: 25.10.2023).

5. Siemens.DigitalEnterprise.Availableat:

https://www.siemens.com/global/en/products/automation/topic-areas/digital- enterprise.html (Accessed: 25.10.2023).

6. What is a Digital Twin? / Colin Parris, PhD [Electronic resource]. -

Available at:https://www.ge.com/digital/blog/what-digital-twin (Accessed:

25.10.2023) .

7. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics® - Режим доступа: https://www.comsol.ru/comsol -multiphysics (Доступ: 25.10.2023).

8. Ansys. Simulation Is a Superpower. [Electronic resource] - Available

at:https://www.ansys.com/company-information/simulation-is-a-superpower

(Accessed: 25.10.2023).

9. Цифровой двойник морского газотурбинного двигателя/ А.И.

Боровков-Режимдоступа:

https://nticenter.spbstu.ra/nti_projects/717ysdid4nxxm9apr300635846 (Доступ:

25.10.2023) .

10. Виртуально-цифровая АЭС - Режим доступа: https://vniiaes.ru/activities/novye-produkty-dlya-atomnoy-otrasli/virtualno- tsifrovaya-aes/ (Доступ: 25.10.2023).

11. Среда динамического моделирования SimInTech - Режим доступа: https://simintech.ru/ (Доступ: 25.10.2023).

12. Цифровизация Шрёдингера: как в судпроме и на флоте (не)

воплощаются новые IT-решения, 2020- Режим доступа:

https://flotprom.ru/2020/Технологии7/ (Доступ: 25.10.2023).

Размещено на Allbest.ru