Один в один, но в цифреисточник

Как создание цифровых двойников позволяет сэкономить миллиарды

В фантастических произведениях можно встретить упоминание о цифровых двойниках главных героев, живущих на стыке с реальным миром. То, что еще недавно казалось фантастикой, сейчас становится реальностью. Цифровые двойники процессов, изделий и систем активно используются. Например, они помогают сократить время и расходы на создание высокотехнологичных и высокоответственных систем и агрегатов. То есть тех, чей отказ в работе может принести огромные убытки и потери, и где без гарантий надежности разработка не имеет смысла. В некоторых случаях цифровой двойник позволяет в разы сократить время и затраты на испытания, а экономия может составить миллиарды.

Цифровые двойники представляют собой модели процессов, систем, изделий, и фантасты интуитивно угадали, для чего они могут быть нужны. Например, с помощью цифрового двойника какого-либо производственного процесса возможно выявить слабые места, определить наилучшее расположение оборудования для снижения времени «холостого» хода производимой продукции, оптимизировать расходы на логистику, в том числе для уменьшения времени доставки грузов, снижения расходов на хранение комплектующих. Добиться тех же результатов без создания цифрового двойника иногда просто нереально, поскольку современное производство зачастую представляет собой огромную систему с сотнями или тысячами параметров, влияющих на эффективность процессов. И даже лучшие архитекторы производств могут одновременно отслеживать не более 10‒20 подобных параметров, чего явно недостаточно. Следовательно, единую картину для современного высокотехнологичного производства или изделия без создания цифрового двойника собрать не получится.

При проектировании изделий создание цифровых двойников позволяет корректно сформулировать требования к проведению испытаний и разработке испытательных стендов, а также выявить необходимость использования иного материала, новой технологии. То есть в этом случае виртуальная модель помогает сократить время и стоимость разработки. Кроме того, компьютерная модель поможет оперативно оценить влияние производственных отклонений на характеристики итоговой продукции и перейти к робастному проектированию [подход, который позволяет обеспечить устойчивость проектируемых изделий к воздействующим факторам, в том числе к изменчивости производственного процесса].

Создание цифровых двойников позволяет в сжатые сроки проверить максимальное количество сценариев, включая нештатные или аварийные режимы работы. Это означает, что еще на стадии виртуальной модели изделия или процесса возможно выявить потенциальные риски и разработать меры по купированию последствий нештатной работы. То есть повысить надежность изделий и систем, сведя к минимуму как вероятность, так и ущерб от потенциальных аварий. Кроме того, есть возможность автоматизировать формирование перечня требований к создаваемому объекту, в том числе к надежности и ресурсу, а также автоматизировать контроль их выполнения по результатам виртуальных испытаний. Этот инструмент в принципе увеличивает предсказуемость поведения технически сложных объектов, повышая общую надежность и безопасность.

Возможная сфера применения цифровых двойников весьма широка, хотя на сегодняшний день чаще всего они создаются для проектирования изделий, реже – для производств и практически никогда для объектов. Используются цифровые двойники в транспортной промышленности, при разработке силовых установок в авиации, сложных электронных и робототехнических систем, а также ракетно-космической техники. Для космической техники, где сложное и дорогое изделие стоимостью во многие миллиарды рублей может выпускаться очень ограниченной серией или даже в единственном экземпляре, а выполнить задание необходимо с первой и единственной попытки, эффективность использования цифровых двойников уже не подлежит сомнению. В отношении массового производства простых и привычных изделий может возникнуть ощущение, что здесь двойники не нужны. Но это не так, поскольку борьба за эффективность, снижение затрат и сокращение сроков, повсеместное внедрение новых технологий и проникновение электроники во все сферы приводят к тому, что использование цифровых двойников сегодня необходимо практически всем отраслям. Не только современный электромобиль или беспилотный летательный аппарат, но и многие привычные нам бытовые приборы включают электронные компоненты. Не говоря уже о сложных производственных процессах на современных предприятиях, где эти изделия создаются.

Каждая компания пытается найти свой оптимальный путь к использованию цифровых двойников. В идеале цифрового двойника должно создавать и внедрять само предприятие, планирующее выпустить новое изделие или запустить производство. Это разумно с точки зрения накопления знаний и компетенций, охраны сведений ограниченного доступа и получения конкурентных преимуществ. В то же время сама по себе технология проектирования на базе цифрового двойника – целый комплекс мероприятий, требующих высочайшего уровня цифровой зрелости предприятия: это и методология управления требованиями, и автоматизация компьютерного моделирования, и управление производственными и экспериментальными данными. Не каждый коллектив, даже в самых высокотехнологических отраслях, способен похвастаться наличием знаний и компетенций во всех этих областях.

Поэтому производственные компании часто для создания цифровых двойников привлекают интеграторов, которые проводят соответствующий аудит и готовят проект архитектуры решения. При грамотном выборе подрядчика второй путь может оказаться даже более выгодным с точки зрения временных и финансовых затрат.

Создание цифровых двойников ‒ дорогое удовольствие. И чем сложнее объект, тем больше физических процессов задействовано в его работе. Следовательно, чем выше объем требований, соответствие которым необходимо проверить средствами компьютерного моделирования, тем дороже будет создание цифровой модели. Например, для авиационного двигателя (с учетом необходимости обеспечения всей надлежащей инфраструктурой, сервисными услугами и лицензионным ПО) стоимость двойника может составлять до нескольких миллиардов рублей. Цифровая модель автомобиля или подвижного состава обойдется уже в несколько сотен миллионов рублей.

Может возникнуть вполне закономерный вопрос: зачем платить такие огромные деньги за цифровой прототип? И где гарантия, что эти инвестиции окупятся? Безусловно, цифровой двойник стоит недешево, но именно его использование позволяет сэкономить значительно больше своей цены. Например, разработка и испытание нового авиационного двигателя – это колоссально дорого с точки зрения и времени, и финансов. Если рассмотреть полный классический цикл испытаний, то для подтверждения соответствия двигателя сертификационным требованиям необходимо в среднем 14‒16 опытных образцов. Стоимость производства опытного образца, подготовка стенда, логистика двигателя к стенду и проведение испытаний занимает более полугода, затраты на проведение испытаний каждого образца исчисляются опять же в миллиардах рублей. Если за счет использования двойника удается сократить количество проводимых испытаний хотя бы на 20%, то цифровая модель уже выйдет на уровень окупаемости. Информация, доступная в открытых источниках, показывает, что многим компаниям удалось благодаря цифровым двойникам снизить количество проводимых испытаний на 40‒50%, что дает более чем ощутимую экономию.

Простые цифровые двойники, например скважины или химического производства, считается правильным оценивать не с точки зрения финансовой эффективности (хотя она и в этом случае ощутима), а с точки зрения возможных последствий аварийных ситуаций. Если цифровой двойник позволяет проиграть все сценарии и снизить риск катастрофы, то он уже окупился, причем многократно.

Общаясь с представителями реального сектора, в последнее время все чаще слышу вопрос: «Что происходит с разработкой и внедрением цифровых двойников в сегодняшних реалиях?». Если под реалиями понимать уход с российского рынка иностранных вендоров, то влияние было не настолько ощутимым, как в других направлениях ИТ. Особенность самой технологии цифрового двойника состоит в том, что она малочувствительна к смене инструментария: мы можем легко убрать из контура, например, решение для инженерного анализа (CAE) американской компании ANSYS и заменить его отечественным аналогом CAE. Если российское ПО не просто обладает нужной функциональностью, но и позволяет решить конкретную задачу с требуемой точностью в заданные сроки, данная рокировка ни на что не повлияет.

Но есть другая проблема, связанная с импортозамещением. Сейчас наблюдается недостаток высококвалифицированных специалистов, хорошо знакомых со сложным ПО в области того же инженерного анализа. Например, заменяя решение для инженерного анализа того же ANSYS на отечественный аналог CAE, важно, чтобы с ним умели работать не только профессиональные расчетчики, но и инженеры-конструкторы. При этом сам цифровой двойник как объект, как источник информации не потеряет свою функциональность и репрезентативность.

Также к реалиям можно отнести тот факт, что сейчас предприятия бросают все силы на увеличение выпуска продукции, а внедрение новых подходов может остаться вне фокуса внимания как руководства, так и конструкторских бюро предприятий. К счастью, у нас хватает инициативных людей, которые готовы заниматься развитием системы проектирования, внедрением компьютерного моделирования, созданием цифровых двойников объектов. В то же время без поддержки со стороны топ-менеджмента (а в ряде случаев и со стороны государства) работа в направлении развития компьютерного моделирования и применения цифровых двойников при проектировании и эксплуатации технически сложных объектов будет крайне осложнена. Замедление же процесса внедрения технологии цифровых двойников может привести к техническому отставанию отечественной промышленности. Очень бы не хотелось, чтобы цифровые двойники оставались исключительно героями фантастических блокбастеров, а не крайне важным инструментом в разработке и производстве высокотехнологичных и высокоответственных систем и агрегатов в самых разных отраслях.