Технология цифрового двойника и её роль в промышленности — одна из ключевых тем V Международного технологического форума «Инновации. Технологии. Производство». Чтобы разобраться в её задачах и возможностях, «Черёмуха» попросила экспертов ПАО «ОДК — Сатурн» (входит в Объединённую двигателестроительную корпорацию госкорпорации «Ростех») ответить на базовые вопросы о достоинствах и сложностях внедрения цифрового двойника.
Что такое цифровой двойник в сфере промышленного производства?
Андрей Коряжкин: Цифровой двойник — это виртуальное воспроизведение рабочего состояния реального физического объекта, процесса, системы или целой службы. Это может быть виртуальный двойник детали, изделия, оборудования, технологического процесса, производственных участков, цехов или даже заводов.
Артём Бадерников: Например, цифровой двойник авиадвигателя отражает как его конструктивные особенности, так и реальные характеристики узлов, которые отслеживаются и корректируются в процессе его эксплуатации.
Кирилл Пятунин: По сути это набор математических моделей, описывающих состояние объекта и всех его элементов. В общем случае цифровой двойник включает: геометрическую модель объекта; набор расчётных данных деталей, узлов и объекта в целом (математические модели, описывающие все происходящие в объекте физические процессы); информацию о технологических процессах изготовления и сборки отдельных элементов; некоторые данные об испытаниях объекта, например, показания датчиков, по которым могут быть подтверждены расчётные данные; систему управления жизненным циклом изделия, которая связывает все вышеперечисленные объекты в единую структуру.
Таким образом, цифровой двойник позволяет в виртуальном пространстве смоделировать изменение состояния и характеристик всего изделия при изменении характеристик любого из его элементов.
Для чего нужен цифровой двойник?
Андрей Коряжкин: Главная его задача — дать возможность в реальном времени управлять всеми факторами, влияющими на стоимость и качество продукта ещё до начала его производства.
Кирилл Пятунин: Цифровые двойники прежде всего создаются, чтобы существенно ускорить сроки вывода новых изделий на рынок, потому позволяют представить все этапы его жизненного цикла в виртуальной среде.
Ещё одна функция цифрового двойника — это наследование данных об изделии при создании его новых модификаций. Другими словами, максимальное использование предыдущего опыта проектирования, изготовления и испытаний при разработке новых изделий.
Артём Бадерников: В случае, когда мы продаём продукт и забываем о нём, цифровой двойник не нужен, достаточно цифровой модели для предсказания базовых характеристик изделия. Но если мы продаём результат (например, готовность к вылету), требуется постоянная и тесная связь с покупателем. В этом случае мы учитываем особенности эксплуатации двигателя и на основании данных, полученных от цифрового двойника, можем вместе с авиакомпанией спланировать сроки и объём ремонта двигателя, выполнение профилактических работ на крыле для повышения его характеристик.
В чём преимущество цифрового двойника? Почему это технология эффективна?
Артём Бадерников: На мой взгляд, эта технология очень ценна для заказчика, потому что позволяет более точно оценивать состояние двигателей и, таким образом, повышать степень готовности к вылету. Ценность для «Сатурна» в снижении издержек, связанных с объёмом внеплановых гарантийных ремонтов, фиксации и переноса опыта высококвалифицированных специалистов в электронную систему.
Кирилл Пятунин: Основное преимущество — скорость принятия технических решений и стоимость получения требуемых характеристик изделия. Имея цифровой двойник, можно на порядок сократить количество натурных испытаний, число попыток отработки техпроцессов, всего того, что связано с изготовлением реальной материальной части и её испытаниями, стоимость которых значительно выше, чем стоимость математического моделирования.
Другое преимущество — возможность коллективной работы над изделием территориально удалённых коллективов и инженерных центров. При этом может быть использован значительно бóльший научный потенциал и трудовые ресурсы, чем при условно «бумажной» технологии проектирования.
Андрей Коряжкин: Если рассматривать цифровой двойник не конкретного изделия, а всего производства, то преимущество в возможности симулировать в виртуальной среде все процессы, определении необходимого количества и оптимального расположения оборудования в зависимости от объёма и номенклатуры выпускаемых изделий. При этом, если цифровой двойник разрабатывается для вновь создаваемого производства, появляется возможность через симуляцию его работы выявить возможные риски и недочёты, скорректировать проект. Цифровой двойник существующего производства позволяет прорабатывать внедрение или изменение технологических процессов без реального вмешательства в работу.
На рынке уже есть несколько готовых предложений по технологии цифрового двойника. Подходят ли они для газотурбостроения?
Кирилл Пятунин: Дело не в самом газотурбостроении. Для него характерна высокая наукоёмкость и сложность применяемых технологий производства. Поэтому не все предлагаемые решения охватывают необходимый нам функционал. Но это дело техники.
Основной аспект здесь — сложившийся опыт и культура разработки. На рынке есть частные случаи этих технологий, которые выросли из положительного опыта крупных промышленных компаний аэрокосмической и машиностроительной отрасли, таких как General Electric, Rolls-Royce, Siemens, Boeing, Airbus. Полное копирование этих технологий означало бы кардинальные изменения наших бизнес-процессов, например, методов проектирования, модели данных или выпуска конструкторской документации.
Артём Бадерников: Выбор системы — стратегическое решение, определяющее будущее на несколько десятков лет. Здесь нет единственно правильного ответа — для разных компаний решение будет различным, выбор системы может быть обусловлен спектром факторов: возможностью интеграции в существующую структуру, возможностью дальнейшего развития, сложностью поддержки, соответствием стратегии организации и так далее.
Некоторые российские компании, например, «Газпром нефть», уже используют виртуальные копии реальных объектов. Есть ли положительный опыт у «Сатурна»?
Кирилл Пятунин: C начала 2000-х годов в «ОДК — Сатурн» совершенствуется единая система управления жизненным циклом двигателей.
Сделаны как геометрические электронные макеты двигателей, так и модели всех их физических процессов, как при нормальной эксплуатации, так и при некоторых аварийных ситуациях.
Наиболее полно реализован конструкторский цифровой макет. Вся конструкторская и технологическая документация разрабатывается и управляется в электронной системе.
Каждый двигатель имеет электронный макет, который имеет прямую связь с конструкторской документацией входящих в него деталей и узлов. Электронная структура изделия содержит комплект документов на каждую конкретную сборку двигателя.
Артём Бадерников: Да, на «Сатурне» есть большой положительный опыт цифрового проектирования и моделирования. Например, в процессе разработки и стендовых испытаний создаётся цифровой двойник опытного двигателя, учитывающий его индивидуальные особенности. Этот двойник служит для более полного понимания процессов, происходящих в двигателе. Это позволяет эффективно находить и устранять причины проблем, выявленных на этапе стендовых испытаний.
Таким образом, на «Сатурне» есть многие компоненты цифрового двойника, есть логика работы с ними, но пока они не объединены в единую информационную систему.
Андрей Коряжкин: Из перспектив. В настоящий момент мы ведём работу с компанией Siemens по созданию цифрового двойника перспективного производственного участка в системе моделирования Plant Simulation.
Какие сложности возникают при внедрении технологии на данном этапе? Какие моменты пока остаются непонятными?
Андрей Коряжкин: Основная сложность — большой объём работы по цифровизации всех объектов и технологических процессов существующего или создаваемого производства, нехватка высококвалифицированных специалистов в этой области.
Артём Бадерников: Создание цифрового двойника — сложная задача, сопряжённая с серьёзными финансовыми затратами. Требуется внимательно оценить результат, в первую очередь финансовый, и сопоставить его с затратами. Финансовая эффективность применения этой технологии именно для нашей компании на данный момент остаётся непонятной.
Кирилл Пятунин: Основная сложность в том, что создание и промышленное использование цифрового двойника требует изменения сложившихся бизнес-процессов, а это процесс очень болезненный. Внедрение какого-либо готового решения потребует значительного времени. Сложно представить, чтобы предприятие приостановило работу в угоду таким масштабным изменениям процессов разработки.
Другая сложность — предлагаемые сегодня технологии сильно затрагивают методическую сторону процесса разработки. Уверен, что ни одно предприятие не готово отказаться от своего многолетнего опыта и полностью использовать коммерческие решения. Поэтому здесь требуется постепенное вовлечение всех участников разработки цифрового двойника в единую среду.
Ещё одно препятствие — нормативная база. Сегодня в России нет документов, требующих разработки изделий в виртуальном виде, как нет и соответствующих профессиональных стандартов. И здесь ситуация парадоксальная — множество предприятий двигаются в направлении цифровых двойников, чтобы оставаться конкурентоспособными на рынке, но ни государственный заказчик, ни гражданский, ни военный не требуют разработки в цифровом виде. Пока основной товарной продукцией конструкторских бюро остается бумажный чертеж и бумажный технический отчёт. Поэтому создание цифровых двойников на первых этапах будет создавать только издержки. Но, уверен, в дальнейшем наличие уже созданных цифровых двойников значительно упростит разработку.
И, конечно, человеческий фактор. Внедрение новых принципов проектирования всегда сталкивается сопротивлением на местах. И это нормальный процесс. Однако нужно культивировать стремление к инновациям как в вузах, так и в рамках предприятия.
