65ИННОВАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
УДК 338.3
Процесс цифровизации производства. Использование технологии цифровых двойников в промышленности
Попова Е.В., Никифоров Д.И., Российский Экономический Университет имени Г.В, Плеханова, Москва, Россия
Ключевые слова: цифровизация, цифровой двойник, промышленность, инновационные технологии, технологические процессы, роботизация, 1оТ (Интернет вещей).
В статье рассматривается понятие цифровизации производства, одно из самых основных его направлений - внедрение и использование концепции цифрового двойника. Цифровые двойники - технология, позволяющая повысить автономизацию, устойчивость и надёжность работы технологических систем. Рассказывается об использовании технологии цифровых двойников на основе различных компаний, об истории возникновения данной технологии. Представлено краткое описание программных решений, используемых в данной концепции. На конкретных примерах рассмотрены условия и проблемы внедрения Цифровых двойников в мире.
Manufacturing digitalization process. Use of digital twin technology in industry
Popova E.V., Nikiforova D.I., Plekhanov Russian University of Economics, Moscow, Russia
Keywords: digitalization, digital twin, industry, innovative technologies, technological processes, robotization, IoT (Internet of things).
The article discusses the concept of digitalization of production, one of its most basic areas is the introduction and use of the concept of a digital double. Digital twins - a technology that improves autonomy, stability and reliability of technological systems. It tells about the use of digital twinning technology based on various companies, about the history of this technology. A brief description of the software solutions used in this concept is presented. Using specific examples, the conditions and problems of introducing Digital twins in the world are considered.
Уровень экономического развития напрямую зависит от современных технологий на предприятиях. Цифровизация промышленного развития подразумевает создание и распространение определенного ряда технологий в промышленности, к которому относится: роботизация, автоматизация сбора и обработки данных, аддитивные технологии, технология цифровых двойников и др. Развитие цифровых технологий играет ключевую роль в развитии современного общества. В последнее время во все языки мира проникли такие термины, как: «Smart city», «Smart factory», «Smart grid». Цифровизация стала главной темой новостей, где мы слышим такие термины, как «Цифровая экономика», «Цифровая энергетика», «Цифровое сельское хозяйство» и др. Если мы говорим конкретно про цифровизацию предприятия, то это связано с внедрением новых технологий, которые стали доступными для компаний в последние годы: искусственный интеллект, роботизация, дополненная реальность, технология «IoT», аналитика больших данных и машинное обучение, цифровые двойники, облачные вычисление и др. Предпосылками развития цифрови-зации стало снижение стоимости технологий, появление огромного количества новой информации, а также рост доступности высокоскоростной передачи данных.
Появление современных цифровых технологий даёт возможность предприятиям анализировать продажи, запасы, состояние операционных процессов и производственных мощностей на «молекулярном» уровне. Это способствует оптимизации производства, позволяет сделать качественно новые вывода в отношении деятельности компании, взаимоотношениям между сотрудниками компании, поставщиками и клиентами.
В свою очередь цифровизацию предприятия можно рассматривать с двух перспектив.
• Цифровизация бизнес-модели - трансформация модели взаимодействия с клиентом, переход от классического понимания продаж к модели «smart» продукта, который дополняется цифровым сервисом для удобства клиента.
• Операционная цифровизация - внедрения новых цифровых инструментов для оптимизации и повышения эффективности предприятия в границах уже существующей бизнес-модели.
Цифровизация - это средство получения желаемого исхода, а именно гибкого производства, приносящего клиентам отличный результат, а владельцам - более высокую прибыль. Цифровая трансформация - это процесс перевода предприятия в «гибкое» состояние из текущего.
Предприятие, использующее цифровые технологии, может воспользоваться возможностями конвергенции, при которой данные о продукте доступны на всех этапах его жизненного цикла. Это позволяет руководству предприятия делать более информированные решения, осуществлять преобразования для «быстрой реализации» в аспектах выхода на рынок, гибкости, качества, безопасности, операционной эффективности, а также создания новых бизнес-возможностей. Процесс цифрови-зации представляет собой внедрение и использование различных цифровых технологий, одной из которых является концепция цифрового двойника.
Цифровой двойник - это виртуальная модель реального объекта, процессов или группы объектов. Он является по-настоящему сложным программным продуктом, собирая в себе множество различных данных. Цифровой двойник производит сбор и анализ полученной информации на протяжении всего жизненного цикла объекта, не ограничиваясь этапом разработки и создания продукта. Данная технология помогает моделировать различные ситуации, возникающие в процессе работы предприятия, тем самым помогает предотвращать какие-либо сбои и форс-мажоры. Несмотря на то, что концепция цифровых двойников существует уже около двадцати лет, используется она преимущественно на Западе. Однако есть все возможности полагать, что в скором времени в России будет больше проектов, использующих цифровые двойники.
Научно-исследовательская компания «Gartner», специализирующаяся на рынках информационных технологий, говорит о том, что уже через два года половина всех крупных промышленных компаний будет использовать технологию цифровых двойников, что в свою очередь значительно повысит производительность и снизит убытки.
Впервые о данной концепции рассказал миру профессор Мичиганского университета Майкл Гривз в две тысячи втором году. Он выступил с презентацией, в которой рассказывал о создании центра управления жизненным циклом продукта (PLM). Он рассказывал об огромных возможностях, которые открываются при создании виртуального пространства, которое будет дублировать реальное пространство и обмениваться с ним данными. В то время данную концепцию называли моделью зеркальных пространств, но спустя год профессор выпустил статью, которая называлась «Цифровые близнецы: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». После этого термин «Цифровой двойник» стал использоваться повсеместно. До недавнего времени внедрение данной концепции казалось очень дорогим и сложным, но процесс развития информационных технологий, стремительное развитие интернета сильно изменило ситуацию, и в последнее время компании стали чаще использовать цифровых двойников.
Отличным примером использования концепции цифровых двойников является космическая отрасль. Они помогают проводить анализ в реальном времени на борту космического корабля, что в свою очередь позволяет инженерам выявлять угрозы и устранять неполадки ещё до такого как они возникнут.
Также цифровые близнецы могут быть полезны для выявления различий между двумя аналогичными объектами, которые эксплуатируются в разных местах. Если мы говорим про автомобильную индустрию, то мы понимаем, что одинаковые машины покупают в разных уголках нашей планеты. Рассмотрим эту ситуацию конкретно на примере работы двигателя. Один и тот же автомобиль с одинаковым двигателем будет эксплуатироваться и в Якутске со средней годовой температурой -8,8 градуса, и в Сочи, где средняя температура составляет 14,2 градуса. Система цифрового двойника помогает производителю транспортных средств анализировать влияние погодных условий на производительность и работу двигателя без фактического осмотра в реальных условиях.
Вышеупомянутая компания «Gartner» прогнозирует, что уже к 2020 году свыше двадцати миллиардов физических предметов будут иметь цифровую копию. Также поспособствует развитию данной технологии уменьшение стоимости IoT-датчиков. Благодаря этому мы понимаем, почему данная концепция набирает обороты.
В России одним из первых начал проявлять к ней интерес нефтегазовый сектор. Поскольку эта отрасль является очень прибыльной для России, здесь всегда внедрялись передовые технологии, и цифровые двойники не являются исключением. Например «Газпром нефть» создала цифровые близнецы установки гидроочистки бензина и установки первичного этапа переработки нефти. Также компания работает над комплексными решениями в сфере цифровизации производства.
Помимо нефтегазовых компаний значимость цифровых двойников осознают в энергетическом секторе: «Ростом» объявил о своих планах по созданию цифровых АЭС ещё в 2017 году, которые будут один в один копировать реальные станции. Благодаря этому они смогут не только эффективно собирать и применять данные о работе оборудования, но и позволит моделировать и прогнозировать работу объектов в разных режимах и условиях. Сектор машиностроения в свою очередь тоже держит курс на цифровизацию. В 2017 года КамАЗ заключил соглашение с компанией Siemens для перехода к цифровизации. В настоящее время уже разработаны SD-модели 20-ти универсальных станков, 28 станков с числовым программным управлением. Компания использует данные объекты для моделирования сборки и других технологических процессов.
Технология цифровых двойников также была использована компанией РЖД в проекте «Цифровая железная дорога».
Большинство отечественных предприятий отстают от западных, ведь множество фабрик и заводов до сих пор используют устаревшее оборудование и не желают инвестировать в цифровизацию. Их модернизация потребует не только инвестирования в технологическую сторону вопроса, а также изменения менталитета руководства и сотрудников. Хотя на первый взгляд переход к комплексному подходу кажется слишком сложным, уже сегодня существуют технологические решения, позволяющие максимально упростить и оптимизировать этот процесс. Все чаще предприятия, нацеленные на полный переход к цифровому производству, делают выбор в пользу открытых облачных операционных систем для интернета вещей, таких как «MindSphere», поскольку подобные платформы позволяют в кратчайшие сроки разрабатывать промышленные IoT-решения, подключать самый широкий диапазон устройств, физических объектов и корпоративных систем, а также предоставляют доступ к мощным отраслевым приложениям для использования цифровых двойников и глобальной экосистеме партнеров-разработчиков.
Несмотря на очевидные преимущества цифровых двойников, на сегодняшний день их внедрение сопровождается рядом проблем и является стратегическим решением, определяющим будущее конкретного производства на несколько десятков лет. Основную проблему представляет большой объём работ по цифровизации всех объектов и технологических процессов существующих или создаваемых произ-
водств, недостаток высококвалифицированных специалистов данной области. Поэтому относительно аспекта цифровизации не существует единственно правильного ответа — для разных компаний решение будет различным, выбор системы может быть обусловлен спектром факторов: — возможностью интеграции в существующую структуру и определения горизонтов затрат - особенно долго и болезненно это представляется для масштабных производств; — возможностью дальнейшего развития; — сложностью поддержки, соответствием стратегии организации и так далее. Технология цифровых двойников находится на начальном этапе и опыта в ее применении недостаточно для полного и объективного законодательного оформления и выработки профессиональных стандартов. Данная ситуация является парадоксальной, поскольку множество производственных предприятий направлены на внедрение цифровых двойников, в первую очередь, с целью повышения конкурентоспособности на рынке, но ни государственные заказчики, ни гражданские, ни военные не запрашивают разработку в цифровом виде. Как следствие основная товарная продукция конструкторских бюро представлена бумажными чертежами и бумажными техническими отчетами, и процесс создания цифровых двойников в данной ситуации создает только издержки. В ряд значимых проблем развития цифровых двойников входит обеспечение информационной безопасности, поскольку они претендуют на роль ключевых элементов управления предприятием.
Рассмотрим, к примеру, внедрение цифровых двойников в современные средства вооружения: беспилотные летательные аппараты, роботизированные комплексы разминирования и т.п. На основании классически устоявшихся подходов к защите техники можно выделить: — основными угрозами являются деструктивные воздействия на программную среду в виде компьютерных атак, воздействий вирусов, неправомерного доступа и т.п.; — основными показателями защищенности являются конфиденциальность, целостность и доступность;
— защита строится на основе экспертно-признанной модели угроз и соответствующих мер противодействия. Однако, если раньше управление осуществлялось в цепочке «человек - компьютер - исполнительный механизм», то при обновлении технологии управление осуществляется через «цифровых двойников» в цепочке «человек - компьютер - цифровой двойник - компьютер - исполнительный механизм». Преимуществом такого подхода является сосредоточение операторов на стратегических аспектах управления, при этом тактические аспекты управления исполнительными механизмами делегируются программно-аппаратным средствам. Вместе с тем, внедрение «цифровых двойников» приводит к появлению нового вида угроз, связанных с адекватностью цифровой модели. Так, например, согласно одной из версий неудачного запуска ракетоносителя с космодрома «Восточный» в ноябре 2017 г. явилась ошибка в модели взлета, рассчитанной для космодрома «Байконур». При этом в настоящее время не известны работы в области теории защиты информации, связанные с угрозами в отношении «цифровых двойников» и мерами по их защите. На данный аспект потенциальных угроз от внедрения цифровых двойников обратим особое внимание. Классическая теория защиты информации оперирует
только понятиями «конфиденциальность», «целостность» и «доступность». Применительно же к «цифровым двойникам» необходимо ставить вопрос об их адекватности реальным исполнительным механизмам либо объектам управления.
Поскольку «цифровые двойники», описывают изменяющиеся объекты, традиционные подходы, связанные с обеспечением целостности, могут быть не применимы. Следовательно, в критических сферах применения, таких как средства вооружения или атомная промышленность, создание и применение цифровых двойников должно осуществляться под особым контролем. Вместе с тем, данная проблема приобретает особую актуальность в связи с тем, что «цифровые двойники» в ближайшей перспективе будут использоваться не только для моделирования сложных объектов в ходе их разработки, но и для повышения параметров эффективности в процессе эксплуатации в самых различных областях применения. Несмотря на явный характер угрозы, на текущий момент проблема информационной безопасности «цифровых двойников» в основном рассматривается только в постановочном плане.
Учитывая, что технологии цифровых двойников пользуются поддержкой IT-гигантов, включая IBM и SAP, предприятиям сегодня следует обратить на эти технологии самое пристальное внимание. «Цифровые двойники могут существенно усилить способность предприятий принимать проактивные решения на базе данных, повысить эффективность их деятельности и избавить от потенциальных проблем» — говорится в отчете «Deloitte.
Согласно прогнозам, глобальный рынок технологий цифровых двойников к 2023 г. достигнет 16 млрд. долл., тогда как обороты рынка технологий, формирующих базу для этого прогресса, к 2020 г. по прогнозам должны удвоиться. Зонами наиболее интенсивного роста использования цифровых двойников, являются ресурсоемкие отрасли, такие как промышленное производство, нефтегазовая индустрия, аэрокосмическая и автомобильная промышленности. Очевидно, что решение приведенных проблем, разработка новых параметров и требований к цифровым двойникам по информационной безопасности является актуальной научной и практической задачей.
Библиография
1. Питер Вайл, Стефани Ворнер - «Цифровая трансформация бизнеса», изд-во Альпина Паблишер, 2018.
2. Н.В. Курганова, М.А. Филин, Д.С. Черняев, А.Г. Шаклеин, Д.Е. Намиот - «Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства», изд-во International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 7, no.5, 2019.
3. Боровков А.И., Рябов Ю.А., Марусева В.М. - «Умные» цифровые двойники - основа новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования глобально конкурентоспособной продукции нового поколения // Трамплин к успеху. Цифровая экономика знаний. - 2018
4. Комраков А.В., Сухоруков А.И. Концепция цифрового двойника в управлении жизненным циклом промышленных объектов // Сетевой научный журнал «Научная идея». - 2017. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nauchidea.ru/(дата обращения 05.06.2020) .
«Экономика строительства» № 4 (64) /2020 References
1. Piter While, Stefany Worner. Digital business transformation, Alpina Publisher, 2018.
2. Kurganov N.V., Filin M.A., Cheryaev D.S., Shaklein A.G., Namiot D.E. The introduction of digital twins as one of the key areas of digitization of production. International Journal of Open Information Technologies ISSN: 2307-8162 vol. 7, no.5, 2019.
3. Borovkov A.I., Ryabov U.A., Maruseva V.M. Smart digital twins are at the heart of a new paradigm of digital design and modeling for the next generation of globally competitive products [Tramplin k uspekhu. Cifrovaya ekonomika znanij] // Trumplin to success. Digital Knowledge Economy, 2018 (in Russ.).
4. Komrakov A.V., Sykhorukov A.I. The concept of a digital doppelganger in the management of the life cycle of industrial facilities [Setevoj nauchnyj zhurnal «Nauchnaya ideya»] // Network scientific journal "Scientific Idea, 2017(date of the application 05.06.2020) (in Russ.).
Авторы
Попова Елена Владимировна, доктор экономических наук, профессор Российского Экономического Университета имени Г.В, Плеханова, Москва, Россия; e-mail: epo465@gmail.com;
Никифоров Данила Иванович, магистр, Российский Экономический Университет имени Г.В. Плеханова, Москва, Россия.
