Как работает технология
Цифровые двойники — виртуальные копии физических объектов или процессов в цифровой среде, которая имитирует реальные условия и взаимодействует с оригиналом в режиме онлайн. Они позволяют предприятиям обнаруживать слабые места, точнее прогнозировать результаты работы и производить более качественную продукцию. Технология становится ключевым инструментом четвертой промышленной революции.
Создание цифрового двойника состоит из нескольких этапов:
- Сбор данных о существующем в действительности объекте. Его тщательно изучают и с помощью IoT-датчиков и сенсоров фиксируют важные характеристики и процессы.
- Создание виртуальной модели. Она отображает инфраструктуру оригинала. Сроки создания зависят от задач, для которых разрабатывается цифровой двойник, а также от масштабов предприятия и структуры объектов. Это может занять от нескольких недель до нескольких лет.
- Запуск. Работу копии и материального объекта синхронизируют. Функционирование системы обеспечивается технологиями искусственного интеллекта и машинного обучения. Цифровой двойник не только копирует поведение оригинала, но и анализирует полученную информацию, строит прогнозы и помогает оптимизировать работу реального объекта.
- Внедрение изменений в физический объект по результатам экспериментов на виртуальном. Тестирование различных сценариев без рисков для оборудования позволяет выявлять потенциальные неисправности, сокращает затраты на обслуживание и предотвращает аварийные ситуации.
Главная цель цифровых двойников — экономить финансы, время и другие ресурсы предприятия. Двойники используются в различных отраслях промышленности и бизнеса: в производстве — для моделирования работы оборудования и оптимизации процессов, в строительстве — для проектирования зданий и мониторинга их состояния, в энергетике — для управления электростанциями и сетями.
К основным задачам цифровых двойников на производстве относятся:
- повышение эффективности работы отдельного станка или всего завода;
- подбор оптимальных параметров технологического процесса;
- упрощение прогнозирования с сохранением высокой точности;
- снижение количества тестирований на реальных объектах;
- продление срока эксплуатации оборудования;
- моделирование нештатных ситуаций;
- увеличение конкурентоспособности и прибыльности бизнеса;
- обучение и инструктаж персонала;
- повышение лояльности клиентов благодаря улучшению качества продукции.
Ценность цифрового двойника на производстве заключается в том, что он предлагает уникальную возможность виртуальной симуляции и оптимизации всей системы. Это также позволяет проверить, как будет создаваться изделие на основе технологических процессов с помощью систем автоматизации. Помимо этого, цифровой двойник помогает командам проектировать эффективные логистические решения для снабжения производственных линий.
Как российские заводы используют цифровых двойников
В России уже есть несколько успешных примеров реализации технологии.
«КамАЗ». Компания использует технологию цифровых двойников для улучшения производства двигателей. На предприятии создали виртуальную модель процесса изготовления поворотного кулака и разработали программу для станка с числовым программным управлением. Основная задача заключалась в сокращении времени выпуска детали.
Специалисты проанализировали техническую документацию и создали цифровые 3D-модели всех элементов производства: заготовок, деталей, инструментов и станков. После подбора оптимальных режимов обработки и современного режущего инструмента время изготовления детали сократилось почти в три раза. Кроме того, удалось найти новые технические решения для дальнейшего повышения производительности.
«ЛУКОЙЛ». В 2021 году компания запустила в эксплуатацию масштабную цифровую модель нефтяного месторождения в России. Создание комплексной интегрированной модели Ватьеганского месторождения — часть корпоративного проекта «Интеллектуальное месторождение». Инновационное решение предусматривает создание цифровых двойников свыше 3 тыс. скважин, а также моделирование 12 производственных объектов. Внедрение цифровых инструментов помогло в определении реального потенциала добычи, планировании, мониторинге и оценке объемов производства углеводородов.
«Росатом» развивает и внедряет технологию цифровых двойников в различных областях атомной отрасли. Например, этот инструмент используют для проектирования ядерного топлива, разработки новых материалов и оптимизации производственных процессов на АЭС и химических заводах. Цифровые двойники позволяют виртуально моделировать работу объектов, проводить эксперименты без риска, прогнозировать качество и состояние оборудования, а также повышать эффективность и безопасность всех этапов жизненного цикла продукции.
«Роснефть». Проект «Цифровое месторождение» — полномасштабный цифровой двойник, который позволяет удаленно проводить мониторинг и моделирование процессов подъема и транспортировки продукции и помогает инженерным службам принимать оперативные решения о корректировке режимов работы скважин и другого оборудования; контролировать применение средств индивидуальной защиты; передвижение техники и персонала по территории месторождений. Проект охватывает основные процессы нефтедобычи и логистики: от обучения работников до сдачи товарной нефти. Процессы в виде цифровых аналогов интегрированы друг с другом, моделируются и сравниваются с реальными данными с месторождений при помощи искусственного интеллекта. Система делает добычу нефти эффективной и безопасной, повышает прозрачность процессов.
«Ростех». «Объединенная двигателестроительная корпорация» разработала виртуальный прототип двигателя для учебно-боевых самолетов Як-130. Новая технология поможет компании улучшать характеристики двигателей и значительно упростит процесс создания новых версий. Благодаря компьютерному моделированию можно проводить меньше практических испытаний и быстрее получать необходимые разрешения на использование авиационных двигателей.
СИБУР. Компания внедряет технологию цифровых двойников для совершенствования производственных и логистических процессов. Алгоритм начинается с разработки модели производства, где детально воспроизводится оборудование, учитываются характеристики химических веществ и параметры технологического процесса. После создания модели специалисты проводят комплексные расчеты для определения наилучших рабочих параметров. Особое внимание уделяется поиску способов повышения как технологической, так и энергетической эффективности. Программное обеспечение позволяет анализировать различные показатели: энергозатраты, теплообменные процессы, а также финансовые потоки, включая оценку инвестиций в новое оборудование и целесообразность проведения модернизации.
Кроме того, компании удалось достичь прогресса в оптимизации железнодорожных перевозок. Виртуальные модели помогли сократить расходы на ремонт и улучшить организацию процесса отгрузки продукции.
Будущее цифровых двойников
В России активно развивается технология цифровых двойников. Ее основа — постоянно совершенствующиеся инструменты:
- системы для сбора, передачи и обработки информации;
- математические модели, описывающие физические процессы;
- мощные компьютеры для расчетов.
При этом реализация технологии имеет несколько ограничений. Например, недостаток квалифицированных сотрудников, сложности с внедрением информационных систем, недостаточная защита данных.
Продвижению этой сферы способствует создание межотраслевых стандартов, обеспечение совместимости технологий и формирование кадрового потенциала. Внедрение цифровых двойников в промышленность во многом зависит от государственной поддержки программ цифровой трансформации и финансовых вложений в научные исследования.
Уже сегодня на производстве технология помогает повысить эффективность минимум на 10 %, а в нефтяной отрасли — сэкономить от 5 % до 20 % капитальных вложений. Есть предположение, что в ближайшие годы крупные компании перейдут к дистанционному мониторингу и управлению целыми подразделениями и производствами через виртуальные системы.
Глобальная цифровизация производства приведет к созданию единой экосистемы взаимосвязанных цифровых двойников. Производители смогут обмениваться данными и опытом, создавая общие базы знаний и лучшие практики. Это ускорит процесс внедрения инноваций и повысит конкурентоспособность всей промышленности. В перспективе цифровые двойники станут основой для создания полностью автоматизированных фабрик будущего, где все процессы будут оптимизированы и контролируемы в режиме реального времени. Это позволит достичь беспрецедентного уровня продуктивности и качества производства.