Цифровые двойники

Инновационные технологии приходят в российскую промышленность

Для начала определимся с тем, что такое цифровой двойник (Digital Twin) и для чего он нужен. По сути, это дальнейшее развитие технологий компьютерного моделирования, которые начали использоваться сначала в науке, а потом и в промышленности со второй половины XX века.

Термин «цифровой двойник» впервые использовал профессор Майкл Гривз из Мичиганского университета в 2002 году. Это не просто цифровая модель физического объекта, устройства или процесса. Реальное оборудование передает своему виртуальному близнецу данные с помощью датчиков, и эта связь осуществляется на протяжении всего жизненного цикла. То есть цифровой двойник преобразуется вместе с физическим объектом в режиме реального времени.

Цифровые двойники часто используются для того, чтобы оптимизировать и значительно ускорить процесс разработки промышленных изделий. На самом же деле область применения этой технологии намного шире — к примеру, в современной медицине тоже используют цифровые двойники, в том числе внутренних органов человека.

Новые подходы к проектированию автомобилей

В России работы, связанные с внедрением цифровых двойников, ведутся уже несколько лет под эгидой Национальной технологической инициативы в рамках дорожной карты направления «Технет» (передовые производственные технологии). Лидером направления стал Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ). Наверное, не все знают, что специалисты вуза приняли участие в создании семейства российских автомобилей представительского и высшего класса Aurus (головной исполнитель — ФГУП «НАМИ»). Практически одновременно со стартом проекта «Кортеж» в инжиниринговом центре CompMechLab® СПбПУ началось создание и развитие цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench™. Проектирование узлов и деталей российского лимузина стало ее первым практическим применением в масштабном проекте.

Как сообщил в интервью РИА Новости в кулуарах ПМЭФ-2018 проректор по перспективным проектам, руководитель центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» Алексей Боровков, поначалу мало кто верил в успех проекта «Кортеж». Но результат оказался более чем достойным. Цифровые двойники разрабатывались для создания единой модульной платформы и проектирования кузовов лимузина, седана, минивэна и внедорожника. Это позволило существенно снизить объем натурных испытаний. «Были выполнены десятки тысяч виртуальных испытаний и получены цифровые двойники, на основе которых были изготовлены соответствующие элементы опытного образца. Показательный результат: в июне 2016 года седан — будущий Aurus Senat — на независимом полигоне в Берлине с первого раза получил высший балл по пассивной безопасности», — рассказывал тогда Алексей Боровков.

Сегодня специалисты Петербургского политеха успешно сотрудничают с разными автопредприятиями. И применяют технологии разработки цифровых двойников для создания машин не только представительского класса, но и массового производства.

Фото: Центр компетенций НТИ при СПбПУ

Так, в конце 2018 года специалисты CompMechLab занялись проектированием «с нуля» малогабаритного электромобиля, названного «Кама-1». Это небольшой городской кроссовер для массового потребителя, полностью подготовленный к серийному производству. Проект выполнялся при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Задача была решена в рекордные для отрасли сроки: всего за два года. Такой скорости разработки удалось достичь за счет применения технологии «умного» цифрового двойника (Smart Digital Twin), позволяющей проводить виртуальные испытания автомобиля, моделировать и измерять любые его показатели от начала проектирования и до эксплуатации готового изделия, вплоть до его утилизации.

Сейчас предсерийный образец электромобиля «Кама-1» находится на стадии проведения всех заключительных испытаний. Широкой публике электромобиль будет впервые представлен 10-11 декабря в Москве — на площадке VII ежегодной национальной выставки ВУЗПРОМЭКСПО-2020.

Платформенные решения цифровой экономики

Созданная в центре НТИ СПбПУ цифровая платформа CML-Bench™ может использоваться не только для проектирования автомобилей. По сути, платформенные решения — один из ключевых инструментов новой модели производства в эпоху цифровой экономики. Несколько лет назад в рамках направления «Технет» НТИ была сформулирована концепция «фабрик будущего» как модель применения передовых производственных технологий в любых отраслях высокотехнологичной промышленности.

Основных типов таких фабрик — три. Первый — это цифровая фабрика (Digital Factory), обеспечивающая проектирование и моделирование глобально конкурентоспособной высокотехнологичной продукции. «Умная» фабрика (Smart Factory) отвечает за производство с высоким уровнем его автоматизации и роботизации. Виртуальная фабрика (Virtual Factory) — это распределенная сеть цифровых и «умных» фабрик.

Все три типа фабрик будущего должны быть объединены общими платформенными решениями, которые обеспечивают управление всем производством: от получения заказа на разработку и заканчивая выводом готовой продукции на рынок.

Фактически инжиниринговый центр CompMechLab® СПбПУ и функционирует в рамках этой новой парадигмы. Ключевым инструментом и результатом разработок является цифровой двойник, учитывающий все целевые показатели и ресурсные ограничения проекта (в том числе технологические, производственные, временные, финансовые и дркгие). Основой разработок является постоянно развиваемая цифровая платформа, обеспечивающая все управленческие и инженерные процессы проектирования с удаленным доступом к системе для всех участников проекта, включая заказчиков и сертифицированных поставщиков, в режиме 24/7. Последнее обстоятельство получило особенную актуальность в свете событий 2020 года: несмотря на эпидемиологическую ситуацию в России и в мире, ни один проект инжинирингового центра не остановился.

В портфолио Политеха — впечатляющие проекты, демонстрирующие эффективность не только передовых технологий и платформенных решений, но и собственно цифровой экономики как идеи.

Специалисты Петербургского политеха уже разработали два типа внедорожника УАЗ «Патриот» 3170. В 2018 году было подписано соглашение с «КамАЗом» о создании универсальной модульной пассажирской платформы для автобусов, электробусов, троллейбусов с разными типами двигателей — традиционных внутреннего сгорания, газовых, электрических и гибридных.

Центр НТИ СПбПУ активно сотрудничает с авиастроительными компаниями по улучшению эксплуатационной надежности самолетов Superjet 100 и МС-21. Вместе с холдингом «Вертолеты России» петербургские инженеры заняты в проекте создания гражданского скоростного вертолета.

Для тех, кто не знаком с технологией цифровых двойников и назначением цифровых платформ, есть и неочевидные области их применения. Так, СПбПУ участвует в проекте «Северный морской транзитный коридор» по созданию комплексной транспортно-логистической системы для международных транзитных морских грузоперевозок на маршруте Азия — Европа через Северный морской путь. Применение цифровых технологий позволит оптимизировать затраты, сроки разработки проекта, проведение натурных испытаний.

Другой актуальный для всех пример, не связанный с промышленностью, — исследование распространения воздушно-капельных инфекций. Именно специалисты Петербургского политеха и НИИ гриппа имени Смородинцева стали разработчиками цифровой модели, способной с высокой степенью вероятности предсказывать развитие ситуации по борьбе с COVID-19.

Другими словами, передовые производственные технологии активно применяются в нашей стране в самых разных областях. Но в первую очередь это один из ключевых инструментов цифровой трансформации российской промышленности в рамках направления «Технет» НТИ.