Готовность современных цифровых технологий для разработки и производства астроинженерных сооружений Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.45

Готовность современных цифровых технологий для разработки и производства астроинженерных сооружений

ВОЙЛЕНКО А.В. (г.Омск)

/ /V

I. / Л т

ж/т

\ //

I У /У ,1'

Яг Ж:

ЖЖУ1 X

ж/и

Щ/ }

И ;•

%

1Ш

Рассмотрены современные технологии, которые применимы на всех стадиях создания астроинженерных сооружений - от идеи до промышленной реализации. Описаны необходимые для решения возможных проблем инструменты, среди которых особо отмечены: расчётные модули, системы моделирования поведения, методы системной инженерии, управление мультифизическими и киберфизическими объектами и системами, использование мультидисциплинарного подхода и цифрового двойника продукта. Последнему инструменту уделено особое внимание: изучается подготовка многопоточного производства, его балансировка и логистика, расчёт и оптимизация логистических цепочек для поставки сырья. Кроме этого, дан обзор перспективных технологий, применимых при построении подобных сооружений: аддитивные технологии, генеративный (порождающий) дизайн, технологии оптимизации конструкторских решений.

Ключевые слова:

астроинженерные сооружения, Индустрия 4.0,

аддитивные технологии, цифровизация, цифровые двойники продукта,

цифровые двойники производства, имитационное моделирование.

117

ш

в,

мире в последнее десятилетие отмечается новая волна освоения космоса, сопровождающаяся не только расширением границ космической деятельности, но и намечающимся переходом к новым космическим технологиям, направленным на повышение её эффективности и безопасности человечества. Для того чтобы достигнуть устойчивого развития на Земле и в космосе, необходимо выйти на новый уровень освоения космического пространства через создание и реализацию сверхглобальной стратегии. Целью любого входящего в такую стратегию проекта будет выживание цивилизации и её развитие, защита Земли и формирование космического человечества.

Существует значительный потенциал становления нового технологического уклада за счёт перехода к экологичным технологиям и проектам, многие из которых давно разработаны и готовы для практической реализации [1]. Одной из таких технологий, относящейся к разряду неракетных полётов в космос, является ОТС - общепланетарное транспортное средство. Оно предназначено для выведения грузов на различные круговые экваториальные орбиты; основано на единственно возможном техническом решении, использующем экологически чистый принцип для выхода в космос - в процессе функционирования отсутствуют какие-либо значимые взаимодействия с окружающей средой (энергетические, механические, химические и другие виды) [2]. Как геокосмическое транспортное средство, ОТС представляет собой гигантское сооружение астроинженерного масштаба в виде устойчивой самонесущей конструкции, для возведения которой потребуется сплав из самых прогрессивных идей и технологий, имеющихся на вооружении человечества уже сегодня, а также всех его накопленных знаний и навыков в освоении космоса.

Достаточно ли будет современных инструментов проектирования и производства для создания ОТС? Целью данной статьи является нахождение ответа на вопрос: «Готовы ли инновационные технологии к реализации астроинженерных сооружений общепланетарного масштаба?» Исследование темы требует углубленного изучения не только инструментария проектирования и производства, но и необходимых компетенций инженеров и работников, а также уровня их взаимодействия на стыке разных дисциплин.

В составе каждого элемента ОТС (экваториальный линейный город (ЭЛГ), включающий стартовую эстакаду ОТС; космическое индустриальное ожерелье «Орбита»; биосферные ЭкоКосмоДома (ЭКД) и др.) предполагается использование практически всех известных систем: механических, управления, связи, жизнеобеспечения, безопасности,

силовых, энергетических, гидравлических, пневматических, биологических, компьютерных и многих других.

Создание астроинженерных сооружений является амбициозной задачей для человечества, требующей объединения практически всех современных инструментов проектирования и производства, учитывая весь жизненный цикл реализации подобных систем. Необходимо осмыслить текущие подходы проектирования, производства и разработки новых методик, обладающих большей системностью, прозрачностью и цифровой связностью данных. Помимо этого, следует объединить большое количество специалистов, задействованных в разных дисциплинах и разных странах, создать условия для их совместной деятельности. Для реализации этой задачи также надлежит использовать вычислительные мощности, достаточные для проведения виртуальных экспериментов по элементам ОТС и его подсистемам.

Построение столь масштабных астроинженерных сооружений потребует разработку комплексной системной архитектуры высокого уровня функциональной безопасности, учитывающей все подсистемы, параметры и связи сотен тысяч факторов между ними. Например, современный легковой автомобиль имеет около 300 ООО требований, разделённых спецификациями на разные системы и подсистемы. Кроме этого, придётся создавать условия преобразования неопределённости в требованиях, решениях и системных архитектурах в понятные задачи и точные параметры, влияющие на поведение разных систем в разных ситуациях. Для этого необходимо совершенствовать подходы системной инженерии симуляций и имитационного моделирования. Цифровые двойники продуктов и систем,

входящих в архитектуру астроинженерных сооружений, должны обладать качеством, обеспечивающим точность и детализацию 1:1 для последующего производства. Помимо множественных расчётов потребуется большое количество виртуальных экспериментов и валидаций, необходимых при разработке астроинженерных сооружений и их систем, при этом будут задействованы практически все доступные программные и аппаратные возможности цифровых платформ. Увеличение количества виртуальных экспериментов и симуляций (по сравнению с типовыми сооружениями) обусловлено также тем, что проведение испытаний прототипов в натуральную величину разных систем и подсистем может быть либо затруднено, либо невозможно.

Учитывая глобальность проекта реализации астроинженерных сооружений, его осуществление потребует точной координации деятельности большого числа поставщиков и изготовителей по всему миру, компаний, участвующих в последующей сборке. Всё это приведёт к необходимости вести параллельно многие процессы: разработки, производства, строительства. При этом значительную роль сыграет комплексная оптимизация проектных, технологических и конструкторских решений: по весовым, энергетическим, прочностным, материало-ведческим, эксплуатационным, стоимостным и прочим технико-экономическим характеристикам.

Глобальный процесс компьютеризации, цифровые технологии, развитие киберфизических систем, встраиваемых в средства производства и в различные узлы изделий, автоматизирующие и связывающие разработку, производство и эксплуатацию, позволили на сегодняшний день говорить о прорыве в создании ряда продуктов.

При этом наблюдается повышение сложности и качества новых продуктов, а также ускорение их выпуска и вывода на рынки. Совокупность цифровых и кибернетических технологий в способах разработки и производства - инструмент четвёртой промышленной революции (Индустрия 4.0). Связывание научных дисциплин, технологий и инноваций, возникающих в результате взаимодействия, становится возможным во многом благодаря постоянному росту скорости передачи и обработки информации, использованию цифровых инструментов для совместной и удалённой деятельности. Уже сегодня компании и страны участвуют в коллективных инновациях, создавая среды совместного функционирования на стыке технологий и ускоряя вывод продуктов на рынки во всех областях. При этом обеспечиваются возможности постоянного совершенствования и обновления как способов разработки, так и производства, что ведёт к рождению совершенно новых продуктов (к примеру, при объединении аддитивных технологий, инжиниринга материалов, синтетической биологии) [3].

Цифровые платформы управления жизненным циклом продукта (PLM - product lifecycle management) -сложная цифровая система, составленная из подсистем с индивидуальным инструментарием, затрагивающим разные аспекты разработки, проектирования, проверки решений, производства, эксплуатации, утилизации, оптимизации инженерных решений на всех этапах жизненного цикла. Эта система взаимодействует с едиными актуальными данными в текущий момент времени, что позволяет разным участникам создания продукта видеть все прошедшие изменения в смежных областях, коллизии и устранять ошибки до начала изготовления.

На сегодняшний день в PLM-платформы может входить

до нескольких тысяч специализированных модулей. Обозначим самые основные для построения астроинженерных

сооружений:

• CAD - средства автоматизированного проектирования, 30-моделей или 20-чертежей физических компонентов;

• САЕ - средства автоматизации инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов;

• САМ - средства технологической подготовки выпуска изделий, обеспечивающие автоматизацию программирования и управления оборудованием с числовым программным управлением или гибкими автоматизированными производственными системами;

• САРР - средства автоматизации планирования технологических процессов, применяемые на стыке систем CAD и САМ;

• РМ - системы управления проектами;

• PDM - система управления данными об изделии;

• WMS - система управления складом;

• CMMS - система управления техническим обслуживанием;

• CSRM - управление отношением с клиентами и поставщиками;

• MES - специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какого-либо производства;

. МОМ - управление производственным процессом (операциями);

• ERP - планирование ресурсов предприятия;

• BIM - информационное моделирование (или модель) здания;

• MBSE - моделецентричный подход к системной инженерии;

• MDB - бесчертёжная технология, содержащая аннотации и разметку не в 20-чертеже, а сразу на Зй-модели;

• VR, AR - технологии дополнительной и дополненной реальности, создающие виртуальную сцену на основе Зй-макета и динамических данных и через специальные очки моделирующие стереоскопическое поведение для человека. AR позволяет дополнить картину из реального мира элементами виртуализации;

• MoT - промышленный Интернет вещей, технология создания киберфизических объектов путём встраивания компьютеров в исполнительные механизмы, отдельные устройства и целые промышленные линии, позволяющая выстроить все элементы в единую систему, подходящая как для целей производства, так и для эксплуатации. Одной из веток развития MoT является разработка криптоякорей;

• Digital twin, digital Shadow - создание цифрового двойника продукта и цифровой тени процесса изготовления, симуляция всех стадий производства с учётом поведения оборудования и оснастки [4].

На сегодняшний день на мировом рынке присутствуют три глобальных производителя платформ «Индустрии 4.0», позволяющих объединить неограниченное количество участников для построения любых продуктов и систем: Dassault Systèmes предлагает ведущие в отрасли приложения на базе платформы 3DExperience; Siemens - PLM Software предлагает свои решения на базе платформы Siemens PLM; РТС, Inc - на базе платформы РТС.

Комплекс описанных модулей PLM в единой связке позволяет реализовать качественные цифровые двойники как на стадиях конструирования и проектирования изделия, так и на стадии ранних проверок. Только благодаря PLM-платформам и модулям, входящим в их состав (CAD высокого уровня, например, CATIA от Dassault Systèmes),

появляется возможность создавать цифровые двойники повышенной сложности таких объектов, как ОТС или КИО «Орбита», в полную величину, в натуральном масштабе, с машиностроительной точностью на протяжении всей длины объекта без разрывов (например, для ОТС - более 40 ООО км). В одном цифровом макете в 30 должны быть спроектированы: рельеф местности, фундаменты, опоры, конструкция эстакады, ОТС. Кроме этого, Р1_М-платформа позволяет объединить в одновременной разработке нужное количество инженеров и прикладных специалистов, при этом централизованно управляя всей сопутствующей документацией и сохраняя все версии и ревизии изменений в связке с задачами проекта. Такой подход даёт возможность выявлять все нестыковки и отклонения разных

проектируемых областей и систем. В настоящие время имеется опыт создания цифровых двойников с количеством элементов более нескольких миллионов (в качестве примера стоит привести Harmony of the Seas - круизное судно класса Oasis, состоит из порядка 50 ООО ООО деталей, смоделировано в PLM 3DExper¡ence).

Ещё одной из важных проблем, которую придётся решать при реализации астроинженерных сооружений, является сведение к нулю ошибок конструирования и производства, так как даже незначительные просчёты, связанные с созданием сложных объектов, могут привести к серьёзным последствиям. Поэтому значимую роль будет играть подход, известный как системная инженерия. Традиционная системная инженерия [5], как бы хороша она ни была, оставляет достаточно возможностей допустить ошибку. Одним из примеров «краха классического подхода» считают аварию спутника HACA Mars Climate Orbiter (запущен 11 декабря 1998 г.), который после девяти месяцев полёта разбился о поверхность Марса из-за того, что программное обеспечение писали две разные группы разработчиков, использовавших разные единицы измерения: ньютон и фунт-силу [6].

На рисунке 1 приведён пример отличий качества продукта, произведённого с использованием старого (документоориентированного) и усовершенствованного (дата-центричного) подхода системной инженерии MBSE (основанного на совокупности цифровых технологий).

Суть усовершенствованного, моделецентричного подхода заключается в комплексном решении, связывающем цифровой двойник продукта в 3D с функциональной

Метод M BSE

Классический подход

Рисунок 1 - Классический и усовершенствованный подходы в системной инженерии

моделью - FDMU, RFLP [7]. Для ранних проверок правильности поведения используются симуляционные испытания, имитационное моделирование в виртуальном пространстве, анализ на уровне экспертных систем с использованием генерации аномалий, системный анализ воздействий, системный анализ пересечений и конфликтов систем. Получаемые результаты позволяют устранить ошибки, провести мультидисциплинарную оптимизацию изделия, продукта или всей системы, подтвердить удовлетворение всем требованиям. Данный подход существенно повышает отработку ошибок и зрелость продукта на стадиях до производства, снижает влияние человеческого фактора.

Методы MBSE, помимо повышения качества создаваемого продукта и снижения количества ошибок, могут применяться как при проектировании астроинженерных сооружений для разработки систем и их пересечений, так и для связи с существующими системами. Например, для синхронного совместного функционирования систем управления ОТС с системами управления воздушным движением и с системами мониторинга подводных и надводных судов по всей Земле. На современном этапе данные методы широко используются в разработке авиационных и космических систем и программ.

Важной частью цифровой системной инженерии является имитационное моделирование - метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с высокой точностью описывающей реальную систему (построенная модель отражает процессы так, как они проходили бы в действительности с учётом неидеальности реальных процессов). Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и для заданного множества, в результате получив достаточно устойчивую статистику. Сегодня сходимость результатов в виртуальном и реальном мирах может доходить до 96 %. Достижением высокой аппроксимации моделирования является Zero-prototyping - сертификация безопасности без реальных краш-тестов (используется BMW AG, Honda Motor Co.). С применением инструментов PLM появляется возможность осуществления комплексного подхода к изучению поведения разрабатываемого продукта и систем. В частности, цифровой двойник в 3D со всеми системами (механическая часть, гидравлика, пневматика, электроника и т. д.) подвергается имитационным симуляциям, включая взаимодействие с разными средами и материалами в динамике. Использование VR может позволить ещё глубже и более всесторонне изучить поведение узлов и агрегатов создаваемого продукта, будь то пассажирская гондола или элементы линейного двигателя ОТС.

Следующий уровень имитационного моделирования включает в себя подключение цифровых моделей физической среды и исполнительных механизмов с их Зй-макетами к управляющим компьютерам (контроллерам), оперирующими цифровыми данными. Таким образом компании Tesla, BMW, Renault и прочие проводят отладку систем управления в виртуальном пространстве с использованием реальных контроллеров, находя лучшие алгоритмы и уже на ранних стадиях устраняя грубые ошибки для таких систем, как AEBS, мехатроника, электрические силовые установки. После обучения проводится серия доводочных работ с исполнительными механизмами в условиях реального эксперимента. На таком же принципе можно обучать нейронные сети в виртуальном пространстве и далее переносить полученные результаты на «железо». Подобный уровень моделирования можно использовать в центре управления полётом (ЦУП) для имитации управления ОТС в разных ситуациях с учётом тысяч событий в любой точке и с любой системой, реализуя разные алгоритмы поведения.

Имитационное моделирование имеет очень важное значение для разработки астроинженерных сооружений, так как позволяет в связке с цифровыми двойниками и системной инженерией очень точно отладить способы управления системами; в связке с цифровыми исполнительными механизмами имитировать на Земле способы функционирования систем ОТС, создавая тысячи вариантов взлёта и посадки, выявляя слабые стороны реальных промышленных контроллеров, управляющих ОТС, имитируя разные события и совершенствуя способы поведения и управления ОТС на программно-аппаратной модели. Кроме того, и на Земле возможно аппроксимировать результаты и прорабатывать разные сценарии поведения систем ЭКД в космосе, связки систем жизнеобеспечения и безопасности, заранее подготавливая ЭКД для разных штатных и нештатных событий.

В производственных и строительных целях все вышеописанные инструменты концепции «Индустрия 4.0» (CAD, CAE, САМ, WMS, MES, MBSE, имитационное моделирование и т. д.) также находят своё применение.

Цифровое производство - MoT, AR, Big data (большие данные), цифровая тень (digital shadow) и системы планирования позволяют рассчитать балансировку мощности с учётом разнесения производственных площадок. Подобные системы управления будут востребованы при составлении единых связанных между собой графиков изготовления и строительства астроинженерных сооружений, в первую очередь ОТС, так как это потребует одновременных слаженных действий на всём сроке

создания объекта большого количества производственных фабрик и строительных организаций по всему миру.

Если рассматривать сквозные процессы от разработки до производства, проектирования и строительства, то качество получаемого продукта зависит от зрелости процесса на всех этапах жизненного цикла. В классическом варианте выделяют пять таких уровней (таблица).

При построении астроинженерных сооружений важнейшей задачей является повышение зрелости процессов до пятого уровня (классификация СММ1 ассоциации 15АСА) и создание условий для формирования уровня выше пятого (5+), что в свою очередь потребует повышения цифровой связности элементов систем, квалификации и уровня взаимодействия сотрудников.

При реализации задач индустриализации космоса и построения астроинженерных сооружений также стоит отметить важную роль аддитивных технологий и генеративного дизайна [8]. Благодаря им можно сократить время производства элементов ОТС, оптимизировать массо-габаритные характеристики элементов КИО «Орбита», использовать космические материалы (полезные ископаемые с астероидов, космический мусор), облегчить выпуск необходимых инструментов и деталей без потери прочностных качеств.

Все вышеописанные технологии являются мощным двигателем прогресса практически во всех сферах деятельности цивилизации, способствуют ускорению процесса диффузии технологий и инноваций, что приводит к их ускоренному созданию: начиная от цифровых инструментов совместной разработки, системной инженерии, имитационного моделирования и заканчивая коллаборативными инновациями.

Следствиями ускорения информационного обмена как между группами разработчиков, так и между потребителями, являются повышение конкуренции и появление прорывных технологий. Новые подходы очень быстро дублируются и реализуются во всём мире, вытесняя старые модели бизнеса и продукты, при этом наблюдается падение стоимости технологий, что делает их более доступными и подстёгивает конкуренцию в создании передовых, более совершенных средств производства и разработки, а также более совершенных продуктов и систем. К примеру, стоимость Зй-печати одного и того же изделия снизилась с $40 ООО в 2007 г. до $100 в 2014 г., а стоимость 1 кВт-ч солнечной энергии в 1984 г. равнялась $30, но достигла $0,16 к 2014 г. [8]. Таким образом, диффузия технологий и инноваций способствует удешевлению и упрощению доступа к технологиям [9].

В статье были рассмотрены современные цифровые технологии, их потенциал применительно к реализации

Таблица - Уровни зрелости процессов CMMI

Ценность Уровень 1 (базовый) Уровень 2 Уровень 3 Уровень 4 Уровень 5 (мировые лидеры) Уровень 5+

Наименование уровня Начальный Повторяемый Стандартизируемый Измеряемый Оптимизируемый

Необходимость переделывать, % 40 20 10 6 3 <3

Погрешность прогноза, % От 30 до 100 От 10 до 20 5 3 1 <1

Снижение вероятности возникновения дефектов X 1/2Х 1/4Х 1/10Х 1/100Х 1/1000Х

в конечном продукте

Раннее выявление <30 60 ЯП 90 QQ 99,9

дефектов, % ÖU УУ

Производительность, % 100 150 200 350 >400

Повторное использование, % Незначительное Незначительное Случайное >30 >50

астроинженерных сооружении на нескольких примерах. Многие проблемы, которые казались неразрешимыми для инженеров и конструкторов 20-30 лет назад, в настоящие время являются не более, чем задачами разной степени сложности. Ограничения могут возникнуть в вычислительных мощностях, но это можно решить, задействовав индустриальные мейнфреймы с большим количеством ядер, взятыми, например, в аренду. Цифровизация процессов, ускорение диффузии технологий и инноваций не оставляют сомнений в том, что человечество сегодня обладает всеми возможностями для начала разработки и производства астроинженерных сооружений, необходимых для выживания и устойчивого развития современной земной технократической цивилизации.

Литература

1. Кричевский, C.B. Перспективы космической эры: сверхглобальные проекты и экологичные технологии / C.B. Кричевский//Воздушно-космическая сфера. -2018. -№ 1. - С. 6-15.

2. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.

3. Шваб, К. Четвёртая промышленная революция/К. Шваб. -М.: Эксмо, 2016. - 208 с.

4. Погонин, В А. Корпоративные информационные системы: учеб. пособие/ВА Погонин, А.Г. Схиртладзе, С.И. Татарен-ко, СБ. Путин. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2012. -144 с

5. Системная инженерия: принципы и практика /А.Косяков, УН. Свит, СДж. Сеймур, СМ. Б и мер; ред. перевода В. К. Ба-товрин. - 2-е изд. - М.: ДНК Пресс, 2017. - 623 с.

6. Тэллес, М., Хсих, Ю. Наука отладки/М. Тэллес, Ю. Хсих; пер. с англ. С. Лунина, науч. ред. С. Брудков. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005.-560 с.

1. Лихачёв, М.В., Шангина, ЕА. Применение технологии функционального цифрового макета изделия на этапе предконтрактного проектирования космического аппарата // Решетнёвские чтения. - 2013. - № 17.

8. Генеративный дизайн: на пороге новой эпохи проектирования / Сообщество IT-специалистов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://habr.com/ru/company/ nanosoft/blog/345500/. - Дата доступа: 29.05.2019.

9. Данилин, И.В. Глобальная диффузия технологий/И.В. Данилин // Международные процессы. - 2008. - Т. 6. -№3(18].-С. 53-58.

© Войленко A.B., 2019