CC BY
91R^w гнам
Н Hill
Рис.9 Зависимость времени от реакции на заказ и расстояния до ячейки
При полной оптимизации максимальное время обработки снижается до 11 минут , также как и минимальное время которое снизилось до 2 минут, что даёт среднее арифметическое в 6,5 минут что почти в 2 раза меньше чем время при неполной оптимизации и в 3 раза меньше при не оптимизированной системе.
На основе вышеприведенных расчетов уже можно представить, как много жизней могут изменить к лучшему цифровые двойники с помощью таких современных технологий, как искусственный интеллект и нелинейной логики, «облака» с их безграничными вычислительными ресурсами, а также промышленный интернет вещей, который вскоре станет ближе каждому жителю земли, благодаря активному внедрению уже сейчас. Новый всплеск интереса к цифровым двойникам, который начался в нашем десятилетии в дальнейшем будет только расти.
Список литературы
1. Абрамова И.Г. Имитационное моделирование организации производственных процессов машиностроительных предприятий в инструментальной среде Teraomatix Plant Simulation: лабораторный практикум / И. Г. Абрамова, Н. Д. Проничев, Д. А. Абрамов, Т. Н. Коротенкова. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2014. [17 -50] (дата обращения 19.05.2022).
2. Документация к инструменту Fuzzy Logic Tool для Mathlab https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ruru.c6b16ce1-6306748c-478fd351-
74722d776562/https/www.mathworks.com/help/fczy/fczy-inference-system-modeling.html (дата обращения 19.05.2022).
УДК 004.94
ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ В УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ИЗДЕЛИЙ И
ТЕХНОЛОГИЙ
Зырянов Дмитрий Александрович, Бадика Егор Максимович, Бабчинецкий Сергей Геннадиевич Zyryanov Dmitry Aleksandrovich, Badika Egor Maksimovich Babchinetsky Sergey Gennadievich студенты students Санкт-Петербургский
государственный университет аэрокосмического приборостроения Saint-Petersburg State University of ' Aerospace Instrumentation
DIGITAL TWINS IN PRODUCT AND TECHNOLOGY LIFECYCLE MANAGEMENT
Аннотация. В данной статье рассматриваются понятия жизненного цикла изделия и цифрового двойника, их классификация и этапы создания. Рассматриваются современные представители программного обеспечения для имитационного моделирования и цифровых двойников. Приводятся преимущества, недостатки использования методов моделирования для цифровых двойников. Описываются условия и требования при построении цифровых двойников.
Abstract. This article discusses the concepts of the product life cycle and digital twin, their classification and stages of creation. Modern representatives of software for simulation modeling and digital twins are
considered. Advantages and disadvantages of using modeling methods for digital doubles are given. The conditions and requirements for the construction of digital doubles are described.
Ключевые слова. Цифровой двойник, жизненный цикл, изделие, производство, моделирование, автоматизация.
Keywords. Digital twin, life cycle, products, production, modeling, automation.
В 21 веке происходит постепенная цифровизация различных аспектов жизни человека. Затронуло это и промышленность, в которой с середины прошлого века происходила постепенная интеграция роботов, промышленных контроллеров, средств автоматизации и мониторинга. Следующим этапом развития промышленности является повсеместное внедрение цифровых двойников.
Термин цифровой двойник имеет множество определений из-за большого охвата областей, в которых он может использоваться. В общем случае, цифровой двойник (Digital Twin) - это сложная цифровая математическая модель с определенной степенью схожести с реальным объектом, производством, материалом, конструкцией. Чаще всего описывается трехмерными нестационарными нелинейными уравнениями. Степень схожести выражается в уровне адекватности: для цифровых двойников отличие между физическими и виртуальными результатами должно быть в пределах 5%, в противном случае, это будет модель, макет или прототип. Этот критерий является одной из важнейших отличительных черт, определяющих условия использования и достоинства перед другими информационными моделями.
Важно отличать цифровой двойник от цифровой тени. Во-первых, цифровая тень создается в условиях избыточности исходных данных. Чаще всего они собираются напрямую с производства, датчиков. В это же время, цифровые двойники могут создаваться даже при отсутствии данных реального объекта. Во-вторых, цифровая тень моделирует объект только в условиях, в которых данный объект был или где осуществлялся сбор данных. В свою очередь цифровые двойники могут изучать действия и реакцию объекта в условиях, в которых он никогда не был.
По виду цифрового двойника они классифицируются на: прототипы, экземпляры, агрегаторы.
По типу моделлируемого объекта цифровые двойники подразделяются на двойники: продукта, процесса, системы.
Процесс создания любого изделия, информационной системы разделяется на определенные, связанные между собой этапы (рис.1).
Техническое предложение (описание предварительных характеристик, параметров, оценка)
Рис. 1. Этапы создания изделия
Из проектирования изделия вытекает понятие жизненного цикла.
Жизненный цикл изделия (product lifecycle) - совокупность явлений и процессов, повторяющаяся с периодичностью, определяемой временем существования типовой конструкции изделия от ее замысла до утилизации или конкретного экземпляра изделия от момента завершения его производства до утилизации.
Введение этого термина обусловлено необходимостью подразделять этапы непосредственного взаимодействия с изделием для анализа и автоматизации с помощью специального программного обеспечения (рис. 2).
Идея Патентный поиск и формирование прототипа изделия
Рис. 2. Типы ПО, применяемых на различных этапах ЖЦ
Основные этапы жизненного цикла изделия:
1) Проектирование
2) Подготовка производства
3) Производство
5) Реализация
6) Эксплуатация
7) Утилизация
Цифровые двойники могут быть успешно применены почти во всех этапах ЖЦ, однако наиболее эффективный результат они продемонстрируют в подготовке производства, производстве. Именно здесь происходит непосредственный анализ поведения и работы изделия. Здесь же могут быть спрогнозированы некоторые особенности поведения. Изделия могут быть изучены непосредственно перед их реальной эксплуатацией и производством. Также данные, полученные в дальнейшем могут быть успешно применены для дальнейших прогнозов. На этом этапе может применяться информация, полученная с последующих этапов: реализации, эксплуатации, утилизации. Именно поэтому интеграция цифровых двойников должна проходить на всех уровнях.
Новые данные, а также расчетные прогнозы могут быть использованы для первых этапов ЖЦ. Уточнение должно происходить плавно и постоянно для избегания последующих ошибок и для учета опыта реального применения изделия.
К главным достоинствам применения цифровых двойников можно отнести:
1) Прогнозирование при отсутствии реального опыта или при нехватке данных
2) Оперативное применение и оценка появляющихся данных
3) Наглядность
Говоря о наглядности, стоит отметить, что при разработке любого изделия на всех этапах человек постоянно принимает непосредственное участие. Именно потому программное обеспечение должно быть понятным, интуитивным и наглядным. Благодаря этим факторам появляется возможность избегать факторы человеческой ошибки, невнимательности. Также наглядность позволяет облегчить будущие работы с маркетингом, рекламой, что является важным критерием экономической составляющей.
Необходимо отменить и недостатки:
1) Сложность разработки двойника и кооперации с другими этапами;
2) Наладка сквозного обмена данными с ЦД;
3) Ресурсы и мощности, необходимые для просчетов и хранения данных.
Однако многие эти минусы компенсируются сокращением будущих затрат при определенных масштабах производства. Потому внедрение цифровых двойников должно происходить более активно на крупных и средних предприятиях. Это позволит не только сократить затраты, но и в глобальных масштабах позволит сократить использование ресурсов.
Одним из наиболее ярких представителей программного обеспечения, обеспечивающего работу с цифровыми двойниками, является технический пакет Tecnomatix от компании Siemens. Он создан на основе единой «архитектуры данных о жизненном цикле изделия» (LDA). Благодаря этому в данном ПО можно найти необходимые инструменты для работы во всех этапах ЖЦ изделия. Многие расчеты производятся автоматически с построением математических моделей. Причем обязательно подразумеваем, что математические модели описываются, как правило, нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, что является необходимым условием для
создания верифицированного цифрового двойника, обладающим высоким уровнем адекватности по отношению к реальным материалам, изделиям, либо процессам, а благодаря тому, что компания является производителями промышленных контроллеров, роботов, а также тесно сотрудничает и с другими компаниями, она имеет большую базу данных, моделей, практического опыта, необходимого для правильной работы ЦД. Программы выполнены с должным уровнем наглядности и взаимодействия с пользователем. Например, программа Process Simulation, входящая в пакет Tecnomatix, необходима для моделирования и проверки технологических процессов при создании ЦД на этапе подготовки к производству или производства изделия. На рисунке 3 можно увидеть пример того, как может выглядеть производство. В дальнейшем эта модель может быть реализована в реальном мире, однако существует и вариант того, что цифровая модель будет создаваться по примеру уже существующего производства для поиска путей оптимизации или поиска ошибок. Во всех случаях это позволит решить многие проблемы с реализацией технологических процессов.
Рис. 3. Process Simulation
Похожие с Process Simulation технологические решения разрабатываются и отдельно производителями роботов. Ярким примером является программное обеспечение KUKA Sim Pro позволяющее создать цифровой двойник производства с роботами KUKA. Помимо этого, в программном обеспечении реализованы инструменты для программирования робота и дальнейшего переноса программы на реальное оборудование.
Другим ярким представителем программ имитационного моделирования и цифровых двойников является Visual Components. На основе этой программы созданы и другие: Delfoi Robotics, KUKA Sim Pro. Данная программа обладает следующими достоинствами:
1)удобное создание и гибкая настройка технологических маршрутов и процессов;
2)большая библиотека компонентов, роботов, станков, устройств;
3)большой набор постпроцессоров для выгрузки управляющих программ на реальное оборудование. Благодаря всему этому возможно в кратчайшие сроки создавать цифровые двойники различной
сложности, как, например, представленные на рис. 4.
Рис. 4. Технологические маршруты в Visual Components
Для пользования программами цифровых двойников необходим персонал с высоким уровнем образования и опыта. Это обусловлено высоким уровнем сложности освоения программного обеспечения, а также требованием наличия опыта работы с реальным оборудованием (хоть этот критерий и не всегда должен выполняться, однако без этого работники не будут иметь полного представления о работе систем). Но в долговременной перспективе этот недостаток компенсируется уменьшением будущих возможных потерь. Так, например, возможность написания программ в KUKA Sim Pro позволяет тестировать оборудование до запуска на реальном производстве, тем самым сберечь реальных роботов, вовремя обнаружить коллизии и ошибки, обезопасить персонал. Тестирование моделей при проектировании и просчете технологических процессов позволит заранее просчитать некоторые характеристики, тем самым уменьшая количество брака, опытных образцов. Просчет технологических процессов, например, в Siemens NX позволит оптимизировать использование материала, а также рассчитать количество требуемых ресурсов заранее. Совокупные преимущества цифровых двойников говорят о том, что внедрение должно проходить последовательно во всех отраслях, связанных с производством изделий по средствам различных станков и средств автоматизации. Это позволяет:
- быстрее вводить изделия в эксплуатацию;
- экономить ресурсы;
- делать производство более безопасным;
- ускорять процесс аналитики и расчетов;
- защищать оборудование от непреднамеренных поломок.
Список литературы
1. Боровков, А. И. Цифровые двойники: определение, подходы и методы разработки / А. И. Боровков, Ю. А. Рябов // Цифровая трансформация экономики и промышленности : Сборник трудов научно-практической конференции с зарубежным участием, Санкт-Петербург, 20-22 июня 2019 года / Под редакцией А.В. Бабкина. - Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2019. - С. 234-245. - DOI 10.18720/IEP/2019.3/25. - EDN ZUPIWC.
2. ГОСТ Р 56136-2014. УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ПРОДУКЦИИ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ. Термины и определения : дата введения 2015-09-01. - Москва : Стандартинформ, 2016. - 11 с.
3. Абрамов, В. И. Цифровые двойники - эффективные инструменты цифровой трансформации компании / В. И. Абрамов, А. А. Туйцына // Управление бизнесом в цифровой экономике : Сборник тезисов выступлений Четвертой международной конференции, Санкт-Петербург, 18-19 марта 2021 года / Под общей редакцией И.А. Аренкова, М.К. Ценжарик. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 2021. - С. 33-39. - EDN BJFWCQ.
4. Кокорев Д.С., Юрин А.А. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ: ПОНЯТИЕ, ТИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ БИЗНЕСА // Colloquium-journal. - 2019. - №10(34). - С. 31-35.
УДК 62-503.57
СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И КОРРЕКЦИИ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ОДЕЖДЫ НА
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ESP32
Овчинников Дмитрий Леонидович Ovchinnikov Dmitry Leonidovich
Студент 2 курса факультета информационных технологий 2nd year student of the Faculty of Information Technology Пензенский Государственный университет Penza State University Тычков Александр Юрьевич Tychkov Alexander Yurievich Исполняющий обязанности заведующего кафедрой Радиотехника и радиоэлектронные системы Acting Head of the Department Radio engineering and electronic systems Пензенский Государственный Университет Penza State University
SYSTEM FOR MONITORING AND CORRECTION OF THERMOREGULATION CLOTHES ON
THE ESP32 MICROCONTROLLER
Аннотация: Спроектировано и создано устройство автоматического контроля и мониторинга тепла под одеждой на основе датчиков DS18b20 и микроконтроллера ESP32 с возможностью управления через телефон.
Abstract: A device for automatic control and monitoring of heat under clothing based on DS18b20 sensors and an ESP32 microcontroller with the ability to control via a phone has been designed and created.
Ключевые слова: микроконтроллер, куртка, здоровье, датчики, текстильная промышленность, контроль, мониторинг, управление, алгоритм.
Keywords: microcontroller, jacket, health, sensors, textile industry, control, monitoring, management, algorithm.
На данный момент развитие электроники и микроэлектроники в частности шагнуло далеко вперед. Благодаря этому мы можем реализовывать множество поистине инновационных устройств и программ по оптимизации тех или иных процессов и т.д.
Так, к примеру, с помощью довольно простых датчиков и микроконтроллера мы можем регулировать температуру, влажность, освещение и прочие аспекты в своем доме, теплице или любом другом месте. Однако одежды с возможностью мониторинга и изменения определенных параметров в реальном времени просто не существует. В продаже существуют простые куртки с фиксированными настройками подогрева - слабо/средне/сильно, что не позволяет полноценно регулировать температуру под одеждой.
Чтобы исправить этот недостаток достаточно добавить в цепочку управления микроконтроллер с заложенной в него определенной программой. Для сбора информации об окружающей среде к управляющей плате необходимо подключить различные датчики. Минимально необходимое количество датчиков - один, расположенный внутри куртки. В таком случае система будет работать не совсем точно, но этого будет достаточно для терморегуляции. При добавлении большего количества сенсоров, появится возможность реализации зонального контроля, и динамического изменения граничных параметров в зависимости от температуры на улице.
Помимо считывания данных необходимо их правильно обрабатывать и совершать определенные действия на их основе. Для этого в схему нужно добавить силовые ключи. Реализовать это можно по-разному: как с помощью реле, что не позволит менять степень нагрева, так и на различных силовых транзисторах. Используя полупроводники появляется возможность использовать широко импульсную модуляцию (далее ШИМ). Изменение процента заполнения ШИМ увеличивает или уменьшает интенсивность нагрева. Таким образом мы получаем большое количество подуровней управления помимо состояний «включен» и «выключен».
Для задания параметров необходимо как-то управлять устройством - либо физическими кнопками, регуляторами, либо можно воспользоваться беспроводным соединением с приложением на телефоне. Оно позволит многократно увеличить функционал за счет гибкой настройки, возможной для каждого пользователя. Помимо этого, дизайн приложения можно адаптировать для слабовидящих людей. В
