«Единый день экспертизы по анти-БПЛА»

Трансформация ОПК, молоток и нерешаемые задачи: как прийти к цифровому двойнику и зачем это нужно

Тема: ВПК, Статьи

Российские оборонные предприятия неоднородны в плане цифровизации. Высокотехнологичные компании работают по одним государственным контрактам с заводами, которые не менялись с 1980-х годов. Одни воспринимают курс на цифровую трансформацию как средство для совершенствования техники; другие - как чью-то инициативу, из-за которой людям приходится работать не только с бумагой, но и с цифрой. Корреспондент Mil.Press Военное поговорил с военными, учеными, промышленниками и стандартизаторами о цифровых двойниках, их смысле и пути к внедрению.


Разное понимание цифровых двойников


На международном военно-техническом форуме "Армия-2020" впервые прошел конгресс "Диверсификация ОПК в интересах нацпроектов. Трансформация производственной базы". Организатором конгресса выступила коллегия Военно-промышленной комиссии Российской Федерации.

Корреспондент Mil.Press Военное накануне форума связался с членом коллегии ВПК Михаилом Осыко и уточнил, видит ли он какие-либо сложности с последовательным освоением технологии цифровых двойников предприятиями российской оборонки.

Площадка проведения форума "Армия"

"Цифровые двойники - это вещь полезная. Очень перспективное направление для решения задач в первую очередь конструирования и испытания образцов военной техники. Правда, не все одинаково понимают, что это такое и зачем они нужны", - высказал мнение Михаил Осыко.

В ходе опроса технического менеджмента российских предприятий корреспондент Mil.Press действительно столкнулся с тем, что ответы на одни и те же вопросы содержат разные определения и понятия: цифровой макет, цифровой прототип, цифровой двойник, цифровая тень, математическая модель, упрощенная верификационная модель и так далее. Специалисты, которых в России относительно немного, легко понимают, что это такое и чем различаются (или что из этого разные названия одной сущности), но для большинства все это остается чем-то абстрактным.

Решить задачу по нахождению общего языка могут нормативно-технические руководства - стандарты.

Стандартизацией в области умного производства, интернета вещей, искусственного интеллекта, больших данных и аналогичных направлений занимается Технический комитет 194 Росстандарта "Киберфизические системы".

Председатель ТК194 Никита Уткин рассказал корреспонденту Mil.Press Военное, что важные первые шаги в сфере стандартизации цифровых двойников уже сделаны.
"В августе 2020 года Росстандарт утвердил первую серию из десяти предварительных национальных стандартов, в том числе в области цифровых двойников. Получилось очень своевременно. Серия документов покрывает достаточно широкий срез вопросов регулирования цифровых двойников. Они совмещают в себе управленческие, технологические аспекты, связывают воедино использование интернета вещей, больших данных. Таким образом они позволяют промышленным предприятиям использовать цифровые технологии на всех этапах их жизненного цикла. Эта серия стандартов описывает и базовые вещи, включая термины и определения. Описывает типовую архитектуру. Каким должен быть общий структурированный подход к построению цифрового двойника на производстве. Включает также цифровое представление физических элементов", - рассказал руководитель технического комитета.
По его словам, при разработке учитывался не только современный западный опыт, но и особенности российского бизнеса.

При этом особенность документов в их форме: они утверждены в качестве предварительных национальных стандартов, что дает специалистам трехлетний срок на их апробацию и корректировку.

Разный потенциал применения


В публичном обсуждении принятых стандартов принимали участие специалисты от таких крупных игроков российского оборонной отрасли как "Швабе" и "Вертолеты России".

Заместитель генерального директора "Вертолетов России" по научно-технической политике и разработке вертолетной техники Михаил Короткевич рассказал корреспонденту Mil.Press Военное, что холдинг уже успешно применяет технологию цифровых двойников в производстве, а также описал, какие есть сложности.

Легкий многоцелевой вертолет "Ансат"

"Мы уже 10 лет выпускаем документацию по некоторым ОКРам в виде цифровых моделей. Будущий выпуск документации без 3D-моделей в принципе невозможен. Это путь, по которому нужно идти. Только не нужно забывать, что это ведет к процессу технологического переоснащения серийных заводов: процедуры подготовки и организации производственных процессов без бумажной документации. А пока большинство серийных заводов выпускает как давно спроектированную на бумаге технику, так и разработанную в цифровом виде. Это создает сложности в виде необходимости проведения двух параллельных процессов организации производства. Как по прежней технологии, так и с использованием безбумажной технологии с макетом", - рассказал Короткевич.
По его мнению, в любом случае технология должна быть освоена, потому что она облегчает послепродажное обслуживание: "Во всем мире среди производителей техники идет конкурентная борьба за снижение стоимости летного часа. Если переходить на эксплуатацию по состоянию ВВТ, то без цифрового двойника не получится снизить стоимость летного часа и организовать качественное поддержание летной годности аппарата, планировать ремонты и плановое восстановление летной годности. В идеале нужно иметь точную цифровую копию каждого поставляемого образца военной техники".
Аналогичной позиции придерживается генеральный конструктор-заместитель генерального директора ОАК Сергей Коротков. По его словам, цифровая трансформация процесса создания авиационной техники является не просто модным трендом, а реальным изменением базовых подходов в авиастроении. Речь идет о комплексном изменении всех взаимосвязанных решений по всем этапам жизненного цикла самолета – от замысла и проведения первой осевой линии до разработки документации, испытаний, запуска в серийное производство, поддержки эксплуатации самолета.

На стенде ОАК

"Стратегия цифровой трансформации, которой следует ПАО "ОАК", предполагает переход при создании новых изделий к новым подходам сквозного управления основными и обеспечивающими бизнес-процессами - к единому цифровому полю, основой которого является цифровой двойник изделия. Как пример развития, плотное взаимодействие с ГК "Росатом" по прорывной технологии – суперкомпьютерному моделированию, позволяющему за счет использования "функциональных" цифровых двойников качественно оптимизировать процесс испытаний новой техники", - подробнее раскрыл подходы корпорации к цифровизации генеральный конструктор.

Он добавил, что сегодня одной из ключевых задач для корпорации стало формирование качественной системы послепродажного обслуживания.
"Особенно актуально это для гражданских самолетов "Суперджет 100" и, в будущем, МС-21. Предоставление цифровых сервисов, базирующихся на интеллектуальном анализе данных в процессе эксплуатации воздушного судна, должно стать неотъемлемой частью системы поддержки заказчика и быть зафиксированным в контрактах, - высказал свое мнение Коротков. - Эффективная монетизация по принципу "покупки летного часа" возможна только после реализации ряда проектов, обеспечивающих связь цифрового двойника изделия с объективными данными мониторинга эксплуатации и оперативного реагирования на изменения с помощью автоматизированной системы поддержки принятия технических и управленческих решений".
В то же время в отрасли до сих пор есть скептическое отношение к эффективности цифровых двойников. Например, в части моделирования процессов.

Модель пассажирского лайнера МС-21-300

Сергей Друзин, заместитель генерального директора по научно-техническому развитию - первый заместитель генерального конструктора "Алмаз-Антей", высказал корреспонденту Mil.Press Военное мнение, что цифровые двойники не стоит переоценивать.

"Вопрос в терминах. Цифровой двойник - это очень модное понятие. Но при этом мы всю жизнь занимались и занимаемся математическим моделированием. Есть модель того или иного процесса, когда нужное нам событие математически прописано. Так что это не нечто новое. Вся наша работа показывает, что создать цифровой двойник, в котором учтены все процессы, которые происходят с реальными объектами, мне кажется, невозможно. В нашей технике, я думаю, невозможно. Дьявол кроется в мелочах: все недостатки систем, которые мы выявляли в ходе испытаний, возникали, как правило, не от плохих расчетов, а из-за того, что какую-то проблему до испытаний никто даже представить не мог. Если я чего-то не предполагаю, я не могу этого описать. И чем в этом случае поможет двойник?", - задается вопросом эксперт.

По мнению специалиста, главное - это правильно представлять физическую сущность происходящих с изделием процессов, и ключевой вопрос не в технологиях, а в кадрах. Именно от человека зависит качество математического моделирования, и эти люди должны быть максимально погружены в свою область.

"Кто может смоделировать процесс, физической сущности которого он не понимает? Особенно, если это касается высокотехнологичных изделий. Молоток - согласен. Определенный материал обушка, пятки, ручки. Удар с определенной силой и углом. Определенный наклеп… Ударил, и ручка обломилась. Допускаю, что любой знакомый с сопроматом сможет сделать цифровой двойник молотка. Но двойник летающего изделия, сложнейшего, работающего в разных средах, не сможет сделать никто, кроме специалистов в этой области, которых в стране единицы. Смахивает на какое-то самоуспокоение: сейчас сделаем цифровые двойники, все у нас сразу наладится. У нас есть MATLAB, в которой мы все моделируем. В ней есть возможность наполнять базу массивами данных, этого пока достаточно", - сказал заместитель генерального директора "Алмаз-Антея".

Модель зенитного ракетного комплекса С-400 "Триумф"

Тем не менее, термин "цифровой двойник" в концерне используют. Наглядный пример такого моделирования приведен в "Вестнике концерна "Алмаз-Антей" в статье "Разработка цифрового двойника радиолокационной станции дальнего обнаружения" под авторством Дмитрия Балакина и Евгения Керского.

"Разработка цифрового двойника РЛС является актуальной задачей, так как по­является возможность проверить как можно больше практических решений за минималь­ное время, а также подтвердить их правиль­ность на этапе эскизного проектирования. Цифровой двойник должен обладать свой­ствами ситуационного моделирования и от­вечать на основной вопрос: как изменяются основные тактико-технические характери­стики (ТТХ) изделия в различных условиях функционирования. Например, как увидеть изменение оценки угловых координат, если каждый приемный канал антенны будет расфазирован, или оценить деградацию алгорит­ма помехозащиты при нелинейности АЧХ при­емника. Быстрые ответы на подобные вопросы существенно экономят время при принятии решений заказчиком, главным конструктором или разработчиком аппаратуры, - сообщают авторы. - К тому же, с помощью цифрового двойни­ка можно отлаживать новые концепции управ­ления РЛС и оперативно их внедрять в штат­ный режим работы. Кроме того, цифровой двойник позволяет верифицировать новые ме­тоды и алгоритмы цифровой обработки сиг­нала без присутствия на объекте испытаний, что существенно экономит время и трудозатра­ты. Также цифровой двойник позволяет много­кратно повторить различные эксперименты по помехозащите, по обнаружению и распозна­ванию сложных целей и многое другое".

В статье приводится описание не цифрового двойника, а упрощенной верификационной модели, но даже она отражает конструктивные и физические особенности аппаратной части разрабатываемого изделия.

Один из авторов статьи, Евгений Керский, начальник лаборатории "НИИ дальней радиосвязи" в разговоре с корреспондентом Mil.Press Военное отметил, что подобные модели очень актуальны не только для РЛС, но и для огневых средств поражения - систем ПВО.

55Ж6УМЕ, подвижная трехкоординатная РЛС средних и больших высот дежурного режима

Разные решения


В беседе с корреспондентом Евгений Керский высказал сожаление, что современных отечественных средств разработки пока не существует, и предприятиям приходится обращаться к зарубежным продуктам.

Никита Уткин, председатель ТК-194, заочно дополнил Керского: "Принципиально я не могу согласиться в полном объеме, что российских систем нет. Конечно, есть сложности. Масштабные системы, рассчитанные на крупные промышленные предприятия, на крупных индустриальных игроков вроде "Ростеха" - это в любом случае сложность, такой масштаб мы пока не освоили. Но в России есть опыт развития тематики цифровых двойников. Естественно, со своей спецификой. Например, деятельность CompMechLab, которые делают великолепные цифровые двойники на уровне изделий. Масштаб, конечно, меньше. Но это опыт, который можно и нужно масштабировать. Не только в части масштаба применения, но и в части масштаба анализируемой информации".

По словам специалиста, одно из главных преимуществ цифровых технологий: в них заложен потенциал нелинейного роста и масштабируемости. Если при помощи программного продукта можно собирать информацию с 10 датчиков интернета вещей, то при качественно построенной архитектуре можно масштабировать систему и собирать информацию с 10000 датчиков. Это закономерно ведет к увеличению объема данных, и обработка потребует роста производительности вычислительных средств, но это уже инструментальный момент.

Выключатель GE GuardEon, созданный с помощью ANSYS Digital Twin

Алексей Боровков, кандидат технических наук, проректор по перспективных проектам СПбПУ, создатель компании CompMechLab, на которую ссылался Никита Уткин, раскрыл корреспонденту Mil.Press свое видение сути цифровых двойников и их перспективы.

"Правильно понимаемый и создаваемый цифровой двойник тем и отличается, что он дает результаты, которые раньше, как считалось, получить невозможно. Нерешаемые задачи. В этом случае цифровой двойник применяется от идеи - на этапе проектирования, аванпроекта и т.д. И дальше он сопровождает производство, эксплуатацию и вплоть до утилизации, формируя обратные связи на все этапы, чтобы их оптимизировать и улучшить. Ключевой элемент цифрового двойника - это математическая модель, которые должны быть верифицированы и валидированы на базовых экспериментах, имеющих отношение к данной задаче. Уже совсем другой элемент - это матрица требований цифровых показателей и ограничений, которая собирает в себе весь опыт организации на протяжении многих лет по проектированию данных устройств и изделий. Тогда в ней может быть значительное количество целевых показателей. Существенно больше, чем обычно принято при традиционном проектировании. Мы можем в итоге получить те решения, которые значительно превосходят традиционные подходы", - рассказал ученый.

Также он согласился, что в отрасли существует проблема разного понимания терминологии: "Термин "цифровые двойники" перегружен. Его используют многие компании и вкладывают зачастую разный смысл, иногда даже совершенно разный. Чтобы понять разницу между множеством существующих на рынке решений, нужен пилотный проект. Или должны быть в организации эксперты, которые глубоко погружены в тему. Есть цифровые двойники, которые построены на основе сенсорики - размещенных датчиков. Мы их называем "цифровые тени". Ты просто изучаешь поведение когда-то кем-то спроектированного изделия. Это один подход. Второй, более глубокий, это когда ты начинаешь с этапа проектирования. Проектируешь best in class - лучшее изделие - за счет балансировки конфликтующих целевых показателей. Которое удовлетворяет по всем требованиям: массе, прочностным, жесткостным характеристикам и так далее. Также учитываются ограничения производства, для чего очень важен качественный аудит предприятия".

По словам Боровкова, цель такого цифрового двойника - вывести изделие на испытания и пройти их с первого раза. Для многих это предел мечтаний. Если это удается, снижается объем натурных испытаний. Они ни в коем случае не заменяются, потому что они нужны для валидации математических моделей следующего поколения. После этого цифровой двойник выходит на этап эксплуатации и насыщается информацией.
Еще одно определение дал заместитель генерального директора - генеральный конструктор ОДК Юрий Шмотин, который сказал, что "Цифровой двойник – это обучаемая система, состоящая из комплекса математических моделей разного уровня сложности, уточняемая по результатам натурных экспериментов, позволяющая получить первый натурный образец изделия, соответствующий требованиям технического задания, а также предсказывающая его поведение на всем жизненном цикле".
Предсказательный потенциал цифрового двойника напрямую зависит от экспертов, которые с генерируют все эти ситуации, о чем ранее и говорил заместитель генерального директора по научно-техническому развитию - первый заместитель генерального конструктора "Алмаз-Антея" Сергей Друзин.

Турбореактивный двухконтрный двигатель с форсажной камерой и осесимметричным поворотным соплом АЛ-41Ф-1С

Ответ на спорный вопрос


На рынке сегодня представлен целый ряд решений для создания цифровых двойников. Впрочем, опрошенные Mil.Press Военное собеседники в отрасли сошлись во мнении, что выделить какого-то одного лидера сложно. Ориентиром могут стать программные продукты, которые уже внедрены на предприятии. Например, если в конструкторском бюро применяют решения ANSYS, руководство уже может планировать внедрение "венца" цифровых продуктов этого разработчика - ПО для создания цифровых двойников ANSYS Twin Builder. В России этот софт внедряет, в частности, ГК "ПЛМ Урал".

Технические специалисты группы компаний в беседе с корреспондентом Mil.Press Военное согласились, что любые разработчики программных решений должны тесно взаимодействовать с создателем ВВТ. Они подтвердили слова Алексея Боровкова о необходимости качественного технологического аудита и запуска пилотного проекта, а также что "цифровые двойники" понимаются в промышленности по-разному. И касается это не только России, но и любой страны, где есть высокотехнологичное производство.

В "ПЛМ Урал" считают, что лучше понять путь предприятия к цифровому двойнику можно через "эволюционные формы".

Начнем с цифрового макета. Он представляет из себя совокупность набора электронных чертежей и трехмерных моделей, описывает как само изделие, так и процессы его создания и обслуживания.

Разработка изделия в ПО ANSYS

Цифровой прототип, связанный через интернет вещей с датчиками на реальном изделии, представляет из себя цифровой двойник начального уровня. Теперь он служит не только для описания и виртуальных испытаний, но и для оптимизации процессов эксплуатации изделия: определения ресурса, предсказания поломок, оптимизации технического обслуживания элементов и так далее.

То есть цифровой двойник в понимании ГК "ПЛМ Урал" - это имитационная модель реального изделия, которое находится в эксплуатации. Модель, которая отслеживает параметры текущего состояния с учетом фактической истории изменения режима его работы.

В идеале такой цифровой двойник закладывается на этапе эскизного проектирования. На этапе технического проекта происходит наполнение цифрового двойника по результатам расчетно-конструкторской проработки. Наполнение позволяет определить необходимый объём расчётных работ.

Финальный облик цифрового двойника появляется по результатам расчетно-экспериментальной доводки изделия и технологической подготовки производства. Он же и позволяет определить (снизить) необходимое количество технических испытаний и оценить влияния производственных отклонений.

По результатам приемосдаточных испытаний изделия проводится выпуск цифрового двойника. Работа цифрового двойника корректируется на этапе опытной эксплуатации. На этапе промышленной эксплуатации цифровой двойник уже тиражируется как система мониторинга и предиктового контроля работы изделия: прогноз ресурса/аварийных ситуаций/корректировка режимов работы и т.д.

В результате цифровой двойник через виртуальные датчики помогает контролировать изделие в реальном времени, осуществлять предиктивное обслуживание и отрабатывать различные сценарии происходящих с изделием процессов на виртуальной модели.

Функциональность ANSYS Twin Builder

Самостоятельно внедрить специальное программное обеспечение для создания и тиражирования полноценных эффективных цифровых двойников предприятия без опыта данной проработки довольно сложно. Но при участии поставщиков комплексных решений, которые поставляют софт, проводят обучение и разработку методик создания цифровых двойников, передают опыт практической реализации проектов, помогают наладить связи с поставщиками аппаратной части технологии и решений интернета вещей это успешно реализуется. ГК "ПЛМ Урал" обладает высоким уровнем компетенций по вопросам внедрения программного обеспечения, сопутствующего оборудования и технологий, проведения инженерных расчетов для предприятий, разработки учебных курсов, обучения и повышения квалификации специалистов на собственной образовательной базе. Специалисты компании имеют более 25 лет уникального опыта внедрений на рынке цифровых технологий, в том числе в создании цифрового двойника электрической машины.

В России применение цифровых двойников пока ограничивается масштабом крупных корпораций и сложнейших изделий - авиационной, ракетной, космической техники. В то же время за рубежом цифровые двойники применяются более масштабно. К примеру, корпорация General Electric (GE) начала работать с ANSYS Digital Twin с 2016 года. Уже спустя год был представлен выключатель GE GuardEon, разработанный с использованием концепции цифрового двойника.

Масштабный курс российской оборонки на цифровизацию и цифровую трансформацию предприятий поддерживается как открытостью технического руководства предприятий к обсуждению новых решений по повышению качества изделий при снижении стоимости эксплуатации, так и системной работой в сфере стандартизации.

Для того, чтобы весь этот потенциал не пропал, нужно волевое решение руководства ОПК на технологический аудит и на запуск пилотных проектов. Цифровой двойник, как и любое высокоуровневое программное решение, влечет за собой существенные изменения бизнес-процессов организации. Скорость этих изменений и экономический эффект будут напрямую зависеть от генеральных директоров и собственников предприятий.