Олег Маковельский, «Цифрум»: Особенность подхода к цифровому двойнику в том, что надо замкнуть технологиями весь жизненный цикл

Олег Маковельский: Понятие цифрового двойника в профессиональном сообществе долго оставалось дискуссионным. Мы его сформулировали по итогам согласования с дивизионами Росатома. Ведь собрать полный, всеобъемлющий цифровой двойник, я считаю, можно только в крупной корпорации, такой как Росатом.

На российском рынке в силу ряда причин не сформировались глобальные компании типа Siemens или технологические альянсы типа Ansys — PTC — Rockwell Automation, объединяющие сильные компетенции в производстве и ИТ-сфере, способные покрыть весь жизненный цикл высокотехнологичных изделий своими программными и аппаратными решениями. В таких условиях путем формирования комплексной экосистемы решений цифрового двойника является либо объединение разработчиков, либо интеграция решений разработчиков в рамках крупного холдинга или корпорации.

Олег Маковельский: Российские разработчики решений по созданию цифровых двойников в силу ограниченных возможностей, периода «лоскутных» технологий в 90-е и 00-е, зависимости от использования импортных технологий по-прежнему делают упор в основном на одну технологию. Они вынуждены говорить, мол, наши продукты — это и есть средства разработки и обеспечения цифровых двойников. Но при этом они делают упор на развитие одной технологии, например, искусственный интеллект. Всего несколько компаний используют гибридный подход, сочетая численное моделирование и машинное обучение. Но об использовании других технологий в комплексе — системного инжиниринга, имитационного моделирования, неразрушающего контроля, агрегирования полевых данных (а всего понятие цифрового двойника охватывает не менее двенадцати ключевых технологий по всему жизненному циклу) — пока не приходится и говорить. Таким образом, неполный охват жизненного цикла ограниченным перечнем технологий и программно-аппаратных решений и есть особенность наших цифровых двойников. У этой особенности есть «куча» следствий. Кроме того, имеет место большая зависимость от импортных решений, которую сложно преодолеть быстро.

Олег Маковельский: Мы сделали фокус на промышленность, выделив те самые двенадцать разновидностей цифрового двойника, начиная с материалов, компонентов и заканчивая инфраструктурой атомной отрасли. Перед тем, как сформулировать термин, мы много общались с дивизионами отрасли, чтобы разобраться, какими понятиями и ГОСТами они оперируют. В итоге разработанное нами определение звучит так: цифровой двойник — это система компьютерных моделей объекта (явления) реального мира и двухсторонних информационных связей с ним на одной, нескольких или всех стадиях жизненного цикла этого объекта (явления).

Олег Маковельский: Фокус сделан на различных компьютерных моделях, наличии двусторонней информационной связи, а также на замкнутости жизненного цикла. Информационная связь также важна, хотя некоторые компании, занимаясь только численным моделированием, утверждают, что у них формируются цифровые двойники. Мы же, когда спускаемся до нижнего уровня разновидностей цифрового двойника — материалов и компонентов, говорим об экземпляре.

Цифровой двойник — это двойник конкретного экземпляра!

Возьмем аналогию с человеком. Мы — представители рода человеческого, каждый из нас — его экземпляр со своими особенностями. Так же и с техническими объектами реального мира. Мы всегда оперируем экземпляром, и он всегда уникален. Здесь сразу возникает несогласие с теми, кто утверждает, что, занимаясь компьютерным моделированием изделий или объектов на стадии «проектирование», они создают цифровые двойники. Они не доходят до экземпляра и не учитывают особенностей его изготовления и эксплуатации. Уже подразумевается, что связи с ним нет, как нет и полной синхронизации. Да, он похож, но — не двойник, а прототип.

Олег Маковельский: Здесь уместно напомнить о ПСР — Производственной системе Росатома. Это, по сути, механизм непрерывного внедрения инноваций на предприятиях корпорации, инструмент постоянных улучшений, учитывающий особенности атомной отрасли.

У нас есть понятие «ПСР-образец» — это как «кайдзен» в производственной системе Toyota, которая сфокусирована на непрерывном улучшении производства. Через критерии, которые присутствуют в ПСР-образцах, происходят внедрение и оценка цифровых двойников, самой сущности инноваций и технологий. И мы сейчас решаем задачу по созданию соответствующих критериев для всех разновидностей цифровых двойников.

Например, сейчас занимаемся цифровым двойником производства. Ключевым моментом, без которого цифровой двойник — точно не цифровой двойник (как бы ни утверждали обратное производственники!), выступает возможность работы в сценарии «что, если». Неважно, как это реализовано — средствами имитационного моделирования, статистическими или жесткими аналитическими алгоритмами. Способов, технологий может быть несколько. Но возможность работы в режиме «что, если» — обязательный критерий цифрового двойника.

Критерии валидации моделей цифровых двойников должны определяться ПСР. Что же касается актуальности модели, то она поддерживается с помощью данных, поступающих от реального объекта или от учетных систем, где фиксируется информация о некоторых изменениях.

Олег Маковельский: Да. И расчет в режиме «что, если» тем точнее, чем в большей степени синхронизированы объекты производства. Нам предстоит еще длительный путь, чтобы быстро синхронизироваться, но мы уже понимаем, на каких уровнях должна быть обеспечена синхронизация.

Прежде всего, должна синхронизироваться информационная модель. Не должно быть никаких расхождений: поменяли элемент оборудования — надо дать обратную связь цифровому двойнику, «подсветить» этот факт. Следующий момент: физика процесса напрямую зависит от того, какое оборудование используется, вплоть до конкретного подшипника. Точность напрямую зависит от соответствия. Есть степень «огрубления» расчета, валидации и верификации модели. И все это зависит от того, насколько откалибрована модель по отношению к реальному объекту.

Олег Маковельский: В этом сегменте российского ИТ-рынка есть несколько направлений. Первое — разработчики численных моделей. Раньше это называлось инженерным анализом. Представители этой группы игроков говорят, что развивают платформы для создания цифровых двойников, хотя речь идет, по большому счету, только о проектировании, а остальные стадии жизненного цикла — производство, эксплуатация, остаются за кадром охвата, хотя задачи для численного моделирования есть и на этих стадиях. Представители этой группы игроков говорят, что развивают платформы для создания цифровых двойников, хотя речь идет, по большому счету, только о проектировании, а остальные стадии жизненного цикла — производства, эксплуатации, остаются за кадром охвата, хотя задачи для численного моделирования есть и на этих стадиях. Никакого неразрушающего контроля, никакого анализа и обработки сигналов и так далее. Это ПО действительно является платформой для цифровых двойников, но только отчасти. Жизненный цикл полностью не обеспечен технологиями цифровых двойников.

Олег Маковельский: Вторая группа — «производственники», занимающиеся имитационным моделированием. Здесь работа идет на уровне объектов производства и участников процесса, физика — не исследуется, но может учитываться. В этот же лагерь входят разработчики MES-систем и, отчасти, — разработчики АСУ ТП, которые тоже часто говорят, что занимаются цифровыми двойниками.

Олег Маковельский: Уровень АСУ ТП — это слой параметрических данных, которые идут от реального оборудования. Массив оцифрованных данных от физического устройства или данных от компьютерной модели называется цифровой тенью.

Утверждения представителей второй группы участников рынка, что они создают цифровых двойников, тоже справедливы. Но также — лишь отчасти, поскольку они не закрывают весь жизненный цикл, в АСУ ТП на данный момент не встраиваются динамические модели цифровых двойников, полученные при проектировании (исключения крайне редки). Элементы цифрового двойника присутствуют, но возможность работы в режиме «что, если» есть только у тех, кто занимается имитационным моделированием.

Олег Маковельский: В случае с производством соединение MES-системы с имитационным моделированием позволяет приблизиться к цифровому двойнику производства. Сейчас перед нами стоит задача получить такую систему в атомной отрасли. Так, чтобы можно было «проигрывать» разные сценарии — как лучше определить партии продукции, какой должна быть сменность работы, как загружать оборудование и, не запуская производство по факту, еще «на берегу» все просчитать. И только потом принять решение о параметрах запуска.

Олег Маковельский: Это компании, занимающиеся так называемым «интернетом вещей». Понятие «промышленный интернет вещей» я заменяю более традиционным «телеметрия и телемеханика». Занимаясь этой тематикой, я пришел к выводу, что в нашей реализации эта концепция отличается от западной. У них — облачные серверы, а у нас «облака» не слишком популярны в промышленности, «облака» двигаются все ближе к оборудованию. Чувствительные производственные данные никто в «облака» за контур предприятия передавать пока не готов.

Кстати, есть еще несколько групп разработчиков решений для цифровых двойников, о которых имеет смысл упомянуть, которые не многочисленны и которые все реже причисляют себя к этой тематике в силу объективных причин. Сюда можно отнести разработчиков программно-аппаратных комплексов для управления и мониторинга транспортной и логистической инфраструктурой, работающие в основном с госсектором, разработчиков решений для промышленности по тематикам виртуальной и дополненной реальности, а также компании, специализирующиеся на разработке моделей машинного обучения для промышленности. Число последних динамично растет по причине повышающегося интереса к ИИ.

Олег Маковельский: У нас тоже, но со своими особенностями в промышленности. К тому же «интернет вещей» звучит как-то… не по-русски. Телеметрия и телемеханика — понятный, традиционный термин. Телеметрия — измерительный канал, телемеханика — канал управления, связь с устройством. Это и есть суть технологии. А «интернет вещей» — это в большей степени «маркетинговое» название концепции, тематики, но не технологии.

Олег Маковельский: Некоторые технологии и классы ПО пересекаются и достаточно универсальны, а некоторые являются специализированными, характерными только для данного типа производства. Так, для непрерывного производства упор делается на управлении процессом, на лабораторных измерениях, системах предиктивной аналитики. А, например, в горнорудном производстве есть класс расчетов, характерных только для этой сферы. Я имею в виду геомеханические расчеты и соответствующие численные модели.

Для дискретного производства характерно использование MES-систем с возможностью подключения модулей, которые позволяют более детально планировать каждый этап, работу каждой единицы оборудования. А, скажем, в строительной сфере уровень связи с оборудованием, устройствами и планирования работ реализован совсем иначе. Впрочем, здесь больше уклон в сторону информационных моделей и систем управления зданиями, сооружениями. Это требует применения информационных систем соответствующего класса.

Олег Маковельский: В перспективе такое универсальное решение появится, в этом я уверен на 100%. Многие классы систем сольются и превратятся в нечто целое, единое. Но для этого необходимо накопить серьезный опыт в типизации задач, их классификации, интеграции данных, а также практический опыт. Именно этой работой мы и занимаемся сейчас. И это очень непростая задача.

Олег Маковельский: Некоторых классов систем по цифровому двойнику на рынке вообще нет. Или они есть не на той стадии зрелости, как хотелось бы — например, по имитационному моделированию. Это ПО до сих пор разрабатывается как инструментальное, хотя должно быть встроено в корпоративные или производственные системы в качестве интегрированного модуля.

Есть проблемы интеграции, причем на всех уровнях, включая унификацию форматов данных. Было бы, например, неплохо, если бы коллеги из «1С» сделали интеграционную шину по аналогии с тем, как это реализовано в SAP PI.

Есть проблема замыкания жизненного цикла всеми доступными инструментальными приложениями, платформенными решениями. Многие консалтинговые компании, интеграторы вынуждены продвигать свой продукт, позиционировать его как цифровой двойник, хотя на самом деле используется только одна технология из множества возможных, как я уже говорил выше. Следовательно, надо создавать и вступать в альянсы разработчиков, исследователей и производственников, двигаясь вперед объединенными усилиями.

Есть проблемы и в терминологии, нормативной базе.

Олег Маковельский: Да, но в профессиональном сообществе, в частности, в атомной отрасли, есть пожелание усовершенствовать положения стандарта. Есть ГОСТ по цифровому двойнику изделия. Также есть технические комитеты по искусственному интеллекту, по производству, интернету вещей…

Олег Маковельский: Есть стихийный путь развития, когда само что-то складывается, но это долгий путь. Сейчас перед страной стоят очень масштабные задачи, связанные с «импортонезависимостью» и «импортоопережением». А цифровой двойник — это и есть технологии импортоопережения. Цифровой двойник содержит ноу-хау предприятия. Вся научная «начинка» разработчиков — в нем! Поэтому для обсуждения этого вопроса необходимо открытое экспертное сообщество. В атомной отрасли уже есть рабочая группа, куда любой может прийти, поделиться своей экспертизой, получить наработанные материалы.

Олег Маковельский: Именно так — важно уменьшить вероятность появления тупиковых решений.

Олег Маковельский: Экспертно мы определили общие экономические эффекты. Основная проблема — методика расчета эффекта по каждому типовому случаю, проекту создания цифрового двойника. Мы для себя вывели целевое состояние цифрового двойника на 2030 год, промежуточный этап — по состоянию на 2026 год, а теперь уже про 2045-й начали говорить… К 2030 году всех устроит, если от внедрения цифрового двойника объем капитальных затрат сократится на 10% от лучшей мировой практики. То же самое можно сказать про сроки вывода объектов на рынок: если в два раза сокращаем это время, то внедрение технологии цифрового двойника оправдано.

Особый случай — безопасность. Здесь критерии такие: непрогнозируемых случаев сейчас насчитывается не менее 20%, и перевод их в прогнозируемые будет считаться хорошим эффектом.

Олег Маковельский: Каких-либо отклонений в работе оборудования, систем, в логистических процессах или еще чего-либо. И если сокращаем операционные затраты на 10% от лучшей мировой практики — это тоже всех устраивает. Есть и неколичественные критерии — появление новых бизнес-моделей, например, таких, как контракты поддержки жизненного цикла продукции.

Олег Маковельский: Особенность подхода Росатома к цифровому двойнику в том, что нам необходимо замкнуть технологиями весь жизненный цикл. Есть возможность «завязать» всех поставщиков, разработчиков, производственников, интеграторов, сервисных компаний. Типовые решения и процессы выработались в атомной отрасли раньше, чем у других.

Сравнивая с авиастроением: там есть концепция — «железная птица». По сути, это корневая функциональность цифрового двойника. Все системы самолета — крылья, фюзеляж, гидравлика, механика, электрика — раскладываются на площадке, соединяются и идет проверка того, как все это работает вместе под системой управления.

У нас в атомной отрасли есть виртуальные тренажеры. Похожая вещь. Собирается пульт управления, а «под капот» закладывается откалиброванная, верифицированная функционально-блочная модель. И можно имитировать нештатные ситуации.

Типовой класс решений, который подпадает под тематику цифровых двойников, — это виртуальный тренажер атомной станции. Он давно начал свой путь в атомной отрасли, когда еще не было понятия цифровой двойник.

Олег Маковельский: Есть постоянная площадка обсуждения темы цифровых двойников. В этом году было проведено две отраслевых конференции. Первая была посвящена цифровому двойнику изделия, вторая — цифровому двойнику объекта. На эти мероприятия собираются все эксперты от дивизионов, производственники, разработчики. И это дает возможность погрузить всех коллег в единую терминологию, методологию, выработать общие подходы.

Олег Маковельский: Росатом взял на себя руководство целым рядом тематик, отмечу три приоритетных.

Первая: численное моделирование, класс ПО — CAE (Computer-aided engineering), системы инженерного анализа. Расчетных кодов в Росатоме огромное количество, в том числе, верифицированных, написанных на разных языках. И есть собственная платформа ЛОГОС, которую развивает Росатом.

Вторая тематика — система управления жизненным циклом изделий тяжелого класса САРУС. Это среда системного инжиниринга и коллективной работы конструкторов, технологов, смежных подразделений, отчасти даже производственников, по разработке и ведению документации (в том числе — в виде моделей) на изделие. Это многопользовательская среда с контекстным разделением производственных, научных тематик, хранением специализированных инженерных справочников — материалы и комплектующие, рабочие центры, технологическое оснащение и много чего еще.

И третье направление — ТИМ, технология информационного моделирования (BIM по-английски) представлена платформой Multi-D. Ведется разработка.

Олег Маковельский: В «Цифрум» сосредоточен отраслевой центр компетенций по цифровым двойникам, руководителем которого я являюсь, совмещая эту роль с руководством отраслевой рабочей группы по цифровым двойникам. В 2023 году мы занимаемся методологией, созданием глоссария, технологической дорожной картой по развитию направления «Цифровой двойник».

Олег Маковельский: Нечто подобное в этом направлении подразумевается в рамках проекта «Прорыв» — информация есть в открытых источниках. Такие единые платформы — это будущее, к которому мы придем.