Цифровые двойники изделий

Цифровой двойник (Digital Tween) является одной из важнейших технологических концепций в рамках Индустрии 4.0. Этот термин часто используется в актуальных исследовательских и практических работах, посвященных перспективам развития промышленности.

Особенностью этой концепции являлось информационное объединение «реального» и «виртуального» пространств. Основной сферой, где зародилось это понятие, остается промышленная деятельность, однако область применения данного комплекса технологий расширяется: появляются попытки создания цифровых двойников процессов, живых и неживых природных объектов, месторождений, магазинов, покупателей, городов, регионов и т. д.

В Российской Федерации (Приказом Росстандарта) утвержден первый в мире стандарт в области цифровых двойников изделий. Это национальный стандарт серии «Численное моделирование» ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения» который является полностью отечественной разработкой.

ГОСТ Р 57700.37 является базой для изделий машиностроения, однако при необходимости, на его основе в дальнейшем могут разрабатываться стандарты, устанавливающие требования к цифровым двойникам изделий различных отраслей промышленности с учетом их специфики.

ГОСТ Р 57700.37 является первым в серии национальных и отраслевых нормативных технических документов, которые определят порядок разработки цифровых двойников, типовые требования к структуре и порядку их сопровождения при эксплуатации изделия, порядок учета и хранения и т.д.

Новый стандарт разработан рабочей группой под руководством Центра НТИ «Новые производственные технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») в рамках деятельности технического комитета №700 «Математическое моделирование и высокопроизводительные вычислительные технологии» (ТК 700) и введён в действие с 1 января 2022 года.

Металлургия является одной из важнейших отраслей специализации экономики России, что во многом предопределяет формирование стратегического вектора ее развития в соответствии со стратегическими приоритетами, установленными для национальной экономики в целом. Чтобы понять, чем цифровые двойники интересны для металлургии, необходимо кратко познакомиться с их составом и функциями: в узком смысле это математическая (цифровая) модель, используемая в современных системах управления для улучшения работы физического актива.

В то же время в широком смысле цифровой двойник является концепцией управления, в которой физический и виртуальный объекты объединены двусторонней связью, причем от оригинала в модель поступают данные о его функционировании, а от модели на физический объект – управляющие воздействия. Такая синхронизация проводится в реальном времени (т. е. в темпе, сравнимом с тактом управления объектом), благодаря чему модель всегда поддерживается в «горя чем» состоянии относительно оригинала.

Решение таких задач цифровыми двойниками стало возможно благодаря доступности ряда передовых информационных и коммуникационных технологий, прежде всего:

1. Надежных и недорогих средств сбора «полевой» информации (промышленный интернет вещей).
2. Современных коммуникационных инструментов (мобильные средства передачи больших данных в реальном времени).
3. Специальных методов моделирования, в том числе на базе фундаментальных знаний, на основе данных (аналитика больших данных, машинное обучение, искусственный интеллект), а также с помощью гибридных моделей, сочетающих оба указанных подхода.
4. Продвинутых средств визуализации (виртуальная и дополненная реальность).
5. Средств защиты передаваемых данных (блокчейн-технологии).

Ниже представлены несколько успешных примеров решения типичных проблем металлургической отрасли, ставших возможными только с помощью цифровых двойников и представленных в работе: «… благодаря прогнозированию внутренних дефектов металлических отливок удается снизить объем отходов, сэкономить время и затраты на последующих этапах механической обработки изделий, повысить гибкость планирования производства (здесь решения на применении цифровых двойников используют датчики температуры, установленные на литейных машинах или алгоритмы искусственного интеллекта для прогнозирования качества литья с инструментами моделирования и оптимального планирования включая составления производственных расписаний).

Своевременная и надежная диагностика состояния футерованного оборудования (передвижные миксеры и ковшовые тележки для транспортировки жидкого металла, литейные ковши и др.) – важнейшая проблема отрасли, поскольку в результате длительного воздействия механических нагрузок и высоких температур возникает риск разрушения этого оборудования, что чревато многомиллионным ущербом и угрозой здоровью и жизни персонала.

Для управления в таких условиях необходимы так называемые когнитивные вычисления, т.е. имитация человеческой способности воспринимать, рассуждать, обучаться и принимать оптимальные решения. Соответствующие когнитивные цифровые двойники позволяют обнаруживать зоны выгорания футеровки и принимать решение о ее замене, используя технологию глубоких нейронных сетей.

Когнитивные цифровые двойники хорошо себя зарекомендовали в задачах обслуживания оборудования при высокой стоимости поломки. В металлургии к такому типу относится, например, оборудование процесса сварки стальных спиральношовных труб или турбокомпрессорные агрегаты для подачи воздуха в дофилактического технического обслуживания дает здесь существенное снижение электропотребления и продолжительности простоев, позволяя осуществить переход от планово-предупредительного ремонта к ремонту по фактическому состоянию.

Для горнодобывающего дивизиона металлургии характерно сложное оборудование и технологические процессы, для управления которыми требуется имитационное моделирование, в том числе по сценарию «Что, если…». Так, при перегрузке сыпучих материалов с машин на конвейеры и далее на питатели по пути к дробильным установкам сырье просыпается, что препятствует подъезду и разгрузке других машин и может вызвать перегруз дробильных установок и повреждение оборудования.

Другой пример – цифровой двойник, снижающий износ ленты конвейера. На одном из предприятий лента служила 8 месяцев вместо заявленных производителем 12 месяцев. Модель выявила причины ускоренного износа (колебания и биения из-за неправильной настройки и эксплуатации системы).

Благодаря этому удалось модифицировать пересыпной узел так, чтобы избежать зависания частиц и не допустить повышенного износа и деформаций внутренних элементов оборудования. Подобный пример – выбор оптимального режима работы грохота для сепарации материала по крупности.

Проблемы горнорудной и металлургической промышленности, также, как и других отраслей, часто возникают на ранних стадиях из-за ошибок в подборе и проектировании оборудования, несоблюдения условий его эксплуатации, несовершенства технологических процессов. И не случайно предприятия во избежание этих проблем все чаще прибегают к использованию передовых цифровых технологий (в частности, цифровых двойников) уже на стадии проектирования и опытно-промышленных испытаний, когда наблюдение на реальном объекте невозможно, дорого или небезопасно.

Например, цифровой двойник мельницы измельчения может быть применен в эскизном проектировании, когда различные варианты модели служат для оценки и выбора оптимального технического решения. Далее в ходе технического проектирования модель дорабатывается на основе многовариантных детальных расчетов. На этапе эксплуатации изделия цифровой двойник служит для диагностики и прогнозирования неисправностей, повышения эффективности работы оборудования и технологических процессов».

На практике эксперт по автоматизации и цифровым технологиям Андрей Федотов поясняет следующим образом реализуемые ПАО «Северсталь» направления по использованию цифровых двойников: «Цифровой двойник – это, прежде всего, программное обеспечение, которое реализует определенную функциональность», – считает Андрей Федотов.

Металлургия – это не самая гибкая отрасль, с точки зрения возможности изменения основных бизнес-процессов. Кроме того, крупные металлургические компании сейчас обрастают MES- и ERP-системами, что также сдерживает быстроту изменений.

Мы не можем быстро разработать масштабный цифровой двойник и полностью перестроить бизнес вокруг цифровой модели – потребуется очень много изменений, валидаций и пр. Поэтому на данный момент мы больше применяем цифровые двойники для имитации работы лишь определенных участков, либо отдельных производственных агрегатов. В основном мы применяем цифровые двойники не к изделию, а к процессу», – отметил Андрей Федотов. Кроме того, полноценный цифровой двойник не только воспроизводит некоторые ключевые аспекты процесса или изделия, которые мы хотим моделировать, но и обеспечивает двустороннюю связь с объектом.

Мы видим в режиме реального времени параметры изделия (оборудования) и можем ими управлять прямо из цифрового двойника. Для всех остальных моделей, которые не располагают подобной двусторонней связью, имеются другие определения – «цифровая тень», «цифровая модель» и т.д. Еще раз: цифровой двойник позволяет нам не только снимать параметры в режиме реального времени, но также управлять оборудованием и моделировать различные ситуации, при этом не останавливая физическое оборудование. Именно это – возможность проигрывать различные ситуации – является ключевым полезным свойством цифровых двойников».

По мнению практиков, появление на предприятии цифрового двойника приносит с собой следующие основные риски:

• риски прямого влияния цифрового двойника на производственный процесс в случае использования системы прямого управления;
• риски, связанные с промышленным шпионажем, в особенности в том случае, когда цифровой двойник является неким ноу-хау;
• риски неоправданных капиталовложений.