ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ ОБЪЕКТОМ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Цехла С.Ю.

д.э.н., профессор, Крымский федеральный университет

Симченко Н.А.

д.э.н., профессор, Крымский федеральный университет ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ ОБЪЕКТОМ1

Ключевые слова: цифровое производство, управление, цифровой двойник, промышленный объект, производственные процессы.

Keywords: digital industry, management, digital twin, industrial company, manufacturing processes.

Заявленная Четвертая промышленная революция как концепция развития «Умного производства» характеризует текущий тренд развития цифрового производства и продолжает активно влиять на национальную экономику. В ходе реализации цели государственной программы «Национальная технологическая инициатива»2 по созданию условий для глобального технологического лидерства России в стране происходят фундаментальные изменения в основе индустриального производства. Несмотря на то, что внедрение концепции «Умного производства» на производственном предприятии является сложным и затратным проектом, он рассматривается в современных условиях как необходимый процесс, требующий технологических новшеств и построения цифровой системы управления производством. Это очень важный критерий при реализации концепции Индустрии 4.0, т.к. новая система управления позволяет предприятиям «связать» технологическое оборудование и осуществлять оперативное управление всеми производственными процессами.

В стратегии формирования и развития цифрового пространства Евразийского экономического союза в перспективе до 2025 года к потенциальным экономическим эффектам относят «рост эффективности экономических процессов за счет цифровой трансформации инфраструктур и систем управления на 20%»3.

По прогнозам отечественных ученых, к 2035 году в результате внедрения цифровых технологий возможно получить «современную высокотехнологичную производственную цепочку, объединяющую передовые программные системы в единую систему с цифровизацией производственных процессов на уровне до 95%»4.

Одним из приоритетных векторов развития цифровизации промышленного производства является технология «цифровой двойник» (Digital Twin), которая характеризуется как новый уровень организации изготовления продукции и промышленных объектов. В настоящее время технологии цифровых двойников, как виртуальные представления реальных статических и динамических характеристик технологической системы, нашли применение в промышленном производстве и управлении индустриальными объектами. По мнению ученых, «цифровые двойники - технология, создаваемая с целью упростить и усовершенствовать работу физических прототипов изделий или производственного оборудования, целых систем и отдельных процессов»5. Технологии цифровых двойников используются в составе АСУ как составной элемент систем поддержки принятия решений и управления функционированием промышленных объектов. С помощью этой технологии можно решать различные классы задач диагностики состояния объекта, качественного планирования, оптимизации работы, управления в целом. Такие технологии, как IIoT (промышленный «Интернет вещей»), PLM (управление жизненным циклом продукции), ERP (планирование ресурсов предприятия), ВОМ (спецификация материалов), являются неотъемлемой частью цифровых двойников и отвечают за цифровое определение объектов6.

Основной проблемой при совместном использовании различных систем является их принципиально различное представление объекта управления. В качестве такого объекта может выступать как все промышленное предприятие с его производственными линиями, так и конкретный экземпляр изделия или отдельный технологический процесс. При исследовании использования цифровых двойников объектов в решении задач управления, авторы считают, что «наличие цифрового двойника (или их коллекций) помогает организовать связь изделия с подключенными к нему объекта-

1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-010-00346.

Постановление правительства Российской Федерации от 18.04.2016 № 317 «О реализации Национальной технологической инициативы». - https://nti2035.ru/documents/docs/317.pdf

3 Стратегические направления формирования и развития цифрового пространства Евразийского экономического союза в перспективе до 2025 года. - С. 3. http://www.eurasiancommission.org/ru/act/dmi/workgroup/materials/Documents

4 План мероприятий («дорожная карта») «Технет» (передовые производственные технологии) Национальной технологической инициативы. - С. 32. - https://nti2035.ru/documents/docs/DK_technet.pdf

5 Курганова Н.В., Филин М.А., Черняев Д.С., Шаклеин А.Г., Намиот Д.Е. Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства // International Journal of Open Information Technologies. 2019. - Том. 7, № 5. -С. 105.

6 Компоненты Индустрии 4.0: Цифровые двойники // Рациональное управление предприятием. 2019. - № 3. - С. 28.

ми - источниками данных, программным обеспечением, отвечающим за управление изделием, контроль рабочего состояния, процессов эксплуатации и т.д. на всем протяжении жизненного цикла изделия»1.

Качественный анализ поведения реального объекта и управления им на основе модели «цифрового двойника» предполагает сбор и накопление всей доступной совокупности исторических данных о нем, создание специализированных программных средств обработки больших данных и хранения информации.

Цифровые двойники - это виртуальные прототипы реальных объектов, групп объектов или процессов, они представляют собой сложный программный продукт, который создается на основе самых разнообразных данных и технологий, и объединяет в себе искусственный интеллект, компьютерное обучение и программное обеспечение со специальными данными для создания живых цифровых моделей.

Сферы применения и возможности цифровых двойников широки. Это различные отрасли промышленности (добывающие и перерабатывающие) и ключевые функционально-аналитические возможности построения цифровых моделей объектов, мониторинга текущего состояния свойств, а также прогнозирования поведения объектов, симуляции управленческих решений и ручного управления объектами и службами. С их помощью также может осуществляться автоматизированное управление объектами в режиме реального времени на базе цифровых сервисов. Причем это позволяет проводить удаленное управление объектами в режиме реального времени и взаимодействием различных необходимых элементов и составляющих производства. Главной задачей цифрового двойника является предоставление возможности в реальном времени управлять всеми факторами, влияющими на стоимость и качество производимого изделия (табл. 1).

Таблица 1

Направления управления факторами при производстве изделий с использованием

цифрового двойника*

Направления управления Задачи и содержание

Управление производственными процессами Автоматизация достижения заданных параметров производственных процессов

Управление оборудованием Моделирование инженерных данных для оптимальных наборов оборудования

Управление материальными ресурсами Онлайн-мониторинг и техническая система контроля наличия, расхода и качества ресурсов

Управление персоналом Повышение продуктивности персонала при минимизации численности и участия в процессах изготовления и обслуживания

Управление качеством изделий Полный контроль параметров качества на всех стадиях жизненного цикла

Управление созданием стоимости Выработка бизнес-модели эффективного функционирования по целевым индикаторам и минимизации рисков

* Составлено авторами.

Цифровой двойник применяется как для управления рабочими процессами, оказывающими влияние на создание ценности, так и для управления изменениями. В итоге, в результате применения технологии цифрового двойника улучшается экономика промышленного объекта, снижается его стоимость, обеспечивается безопасность (включая экологические и социальные параметры), достигается интерактивность взаимодействия на стадиях его производства и эксплуатации.

Логичным продолжением цифровизации отдельных аспектов управления промышленным объектом, по мнению исследователей, «является интеграция всех информационных сред, дающих представление об активе, который, собственно и является объектом наших управленческих усилий»2.

Достигается такая интеграция путем создания единой платформы управления (рис. 1). Именно на базе цифрового двойника можно объединить все системы и модели, используемые для планирования и управления объектами, а также управления интеграционными процессами, что повысит точность и динамичность принятия решений, упорядочит хранение данных и обеспечит оперативный доступ к ним.

Цифровая платформа двойника как посредник между физическим изделием и важной информацией о нем на основе передачи данных реализует полноценную обратную связь для производственного оборудования или продукции предприятия на всех этапах (проектирования, производства, эксплуатации и обслуживания). Цифровой двойник обеспечивает виртуальное воспроизведение рабочего состояния реального физического объекта, процесса, системы или целой службы, что является ключевым условием независимого принятия решений. Соответствующие системы управления будут объединяться в одну сеть, связываться друг с другом в режиме реального времени, самонастраиваться и совершенствоваться. Такое управление поможет выстраивать промышленное производство с меньшим количеством ошибок, взаимодействовать с производимыми изделиями и при необходимости адаптироваться под новые потребности, обеспечивает снижении издержек.

1 Минаев В.А., Мазин А.В., Здирук К.Б., Куликов Л.С. Цифровые двойники объектов в решении задач управления // Радиопромышленность. 2019. - Т. 29, № 3. - С. 71.

2 Комраков А.В., Сухоруков А.И. Концепция цифрового двойника в управлении жизненным циклом промышленных объектов // Научная идея. 2017. - № 3 (3). - http://www.nauch-idea.ru

Рисунок 1.

Модель взаимодействия в системе управления промышленным объектом на основе технологии

«цифровой двойник». Разработано авторами

Так, в компании General Electric Aviation цифровые двойники самолетов объединяют разные источники данных для повышения скорости обнаружения дефектов и точности ремонта, что позволило в 2016 году сэкономить 125 млн. долл. США1.

Для российских промышленных предприятий наиболее ценными цифровые двойники являются по следующим причинам:

- возможность наглядности всего производства и отклонений от заданных параметров,

- использование в качестве инструмента для принятия взвешенных и оперативных управленческих решений,

- возможность обеспечения мотивации сотрудников к эффективному выполнению работы,

2

- возможности моделирования и оптимизации технологических процессов .

Оценка общих эффектов от внедрения проекта «Цифровой» Фабрики в сравнении с традиционными моделями производства и проектирования показывает существенные преимущества:

- снижение затрат на 10-50%,

- сокращение времени производства на 20-70%,

- рост прибыли на 10-50%3.

В целом, современное управление - это информационный процесс. Между компонентами системы управления (зонами формирования дохода, обслуживающими отделами, руководством, внешней средой) осуществляется постоянный обмен информацией. Применение современных технологий цифровых двойников является мощным инструментом для обеспечения гибкости управления, позволяя адаптировать производственные процессы к меняющимся условиям и требованиям, а также часть переводить часть управления в автоматизированный режим.

1 Цифровые двойники помогут заработать миллиарды долларов. - http://www.eurasiancommission.org/ru/nae/news/Pages/10-08-2018-2.aspx

2 Шуравин А., Московченко А. Что нам может дать цифровой двойник // Control Engineering Россия. 2020. - № 3 (87). -

С. 14.

3 План мероприятий («дорожная карта») «Технет» (передовые производственные технологии) Национальной технологической инициативы. - С. 32. - https://nti2035.ru/documents/docs/DK_technet.pdf