The modern industry is digitalizing at an ultra-fast pace. An increasing number of industrial processes are controlled using digital technologies. Moreover, an increasing number of production and technological processes are implemented in a highly automated or robotic way, and for such processes it is generally impossible to control anything other than digital. A recent trend in the development of information technologies for production management is the creation of digital twins. This article analyzes the concepts of digitalization and digital twin. An idea is given about the approach to the introduction of digital twin technology into the production process and operation of complex technical systems, including in the transport industry. The subclasses of innovative tools used in this technology are structured. The directions of development of the system of functioning of its subsystems in special conditions are presented. Special attention is paid to methods of diagnostics and monitoring of the condition of objects with the possibility of predicting their changes in real time, as well as the use of additive technologies in the process of restoring the operability of complex technical systems, including transport.
digital shadow, digitalization, digital twin, operating system, special operating conditions, road transport, cargo, cargo transportation, transportation, moving, transport
В соответствии с Государственной программой Российской Федерации «Развитие машиностроения на период до 2025 года» в редакции, введенной в действие постановлением Правительства Российской Федерации №470-17 от 29 марта 2021 г., основные задачи в области формирования опережающего научно-технического задела и развития системы информационно-аналитического обеспечения предприятий машиностроения и его модернизации содержат внедрение современных средств проектирования и компьютерных технологий; внедрение перспективных систем обеспечения качества; эффективное использование информационных ресурсов в рамках единого информационного пространства, цифровизации всех интегрирующих процессов [1-8]. Важность данных направлений подчеркнул Президент Российской Федерации в своем выступлении перед кабинетом министров 4 декабря 2020 г. В рамках выступления президент России поручил провести в ближайшие 10 лет цифровую трансформацию Российской Федерации (РФ). Одним из основных направлений цифровизации на предприятиях машиностроения является создание системы управления полным жизненным циклом (СУПЖЦ) выпускаемой продукции. Создание такой системы позволит (по опыту ведущих иностранных государств) существенно снизить финансовые и материальные затраты на всех стадиях жизненного цикла сложных СТС и несомненно позволит повысить эффективность системы производства [9-15].
Материалы данной публикации являются результатом проведенного исследования, базирующегося на системном подходе с применением методов научного прогнозирования и экономического анализа, а также современных способов статистической обработки информации [16-20]. Результаты анализа предметной области свидетельствуют о том, что эффективность систем управления предприятиями промышленности все в большей степени зависит от достоверности, целостности, доступности, оперативности и качества обработки необходимой информации [21-29]. Одной из основных задач в рамках решения проблемы создания СУПЖЦ продукции и цифровизации системы эксплуатации СТС является разработка цифрового двойника, который открывает кардинально новые возможности по информационному обеспечению всех этапов эксплуатации образца СТС, в том числе и с применением технологий искусственного интеллекта (ИИ) (рис. 1) [30].
Рис. 1. Управление полным жизненным циклом продукции
ГОСТ Р 57700.37-2021 установил единое определение понятия «цифровой двойник изделия» (ЦД), под которым понимается система, состоящая из цифровых моделей изделия и двусторонней информационной связи с ним и (или) его составными частями [31]. Он предоставляет возможность в режиме реального времени отслеживать потоки документов, реализовывать различные программы планирования производства и эксплуатации, проводить оценку эффективности функционирования СУПЖЦ в целом. Основные требования к технологическим процессам при этом остаются такими же, как при использовании традиционных моделей производства: гибкость, ресурсоемкость, надёжность, автоматичность, способность к быстрой наладке оборудования.
Возможность стабильно работать и обмениваться данными о своём состоянии в формате 24/7 - важный аспект цифровизации, который реализуется за счет роботизации и процесса имитационного моделирования. Возможности этого процесса будут ограничены только вычислительными мощностями и уровнем компетенции технологов и эксплуатантов СТС [32].
Рис. 2. Технология «цифрового двойника» СТС
Реализация технологии «цифрового двойника» предполагает применение инновационного инструментария (совокупности сквозных цифровых технологий), который можно разделить на несколько подклассов инструментов: инструменты для взаимодействия с физическим миром, инструменты для моделирования, инструменты для построения сервисов и приложений, инструменты для работы с данными, протоколы взаимодействия.
Применение цифрового двойника потребует создания программного продукта, основанного на едином научно-методическом аппарате, способном в реальном времени отображать производственную обстановку предприятия и совокупность условий эксплуатации образцов вооружения, а также методики мониторинга состояния данных систем, реализующей технологию цифровой тени.
Опыт эксплуатации СТС в особых условиях, а также результаты исследований свидетельствуют, что при сложившейся совокупности элементов, образующих систему эксплуатации СТС, значительное влияние на эффективность данной системы оказывает не только организация процесса её функционирования, но и в значительной мере функционал и возможности инструментария ее подсистем таких как:
- подсистема контроля работоспособности СТС;
- подсистема системы технического обслуживания и ремонта СТС;
- подсистема освоения СТС.
Рис. 3. Мониторинг состояния СТС
Сложность современных образцов СТС требует создания в корне новых способов диагностики и мониторинга состояния объектов с возможностью прогнозирования его изменения в реальном времени. Для эффективной эксплуатации образцов СТС и сокращения затрат на техническое обслуживание и ремонт (ТОиР) необходим качественный мониторинг состояния образца СТС в процессе эксплуатации (рис. 3).
Актуальность контроля работоспособности СТС связана с развитием систем диагностирования и определяется, в том числе, требованиями руководящих и директивных документов [33-36].
Разработка такой системы потребует:
- создания информационных баз данных;
- автоматизации управленческих процессов ТОиР;
- внедрения технологии электронного двойника;
- создания системы поддержки принятия решений;
- разработки новых методов диагностирования СТС и совершенствования существующих;
- разработки и унификации новых средств диагностики (СД) с расширенными возможностями, средств отечественного программного обеспечения и элементов интерфейса [37].
Рис. 4. Контроль параметров СТС
Требуют кардинального переосмысления подходы к принципам построения, структуре и задачам подсистем СЭ СТС. К примеру, для эффективной эксплуатации образцов СТС и минимизации затрат на техническое обслуживание и ремонт (ТОиР) необходима современная подсистема мониторинга работоспособности и предупреждения отказов (МРПО) СТС в процессе эксплуатации (рис. 4). Применяемые в настоящее время подходы и средства диагностики технического состояния, разработанные еще в 70-80-х годах XX в., не удовлетворяют потребности в качестве диагностирования узлов и агрегатов СТС (в особенности блоков цифрового оборудования и сложных электронных компонентов) и не предоставляют необходимую совокупность сведений о контролируемых параметрах для поддержания СТС в исправном состоянии. В связи с высокой интеллектуализацией современных и перспективных образцов СТС, возникает актуальная необходимость в анализе возможности внедрения автономных информационных систем (АИС), построенных на принципах предиктивной диагностики в структуру МРПО. АИС потенциально способна адаптировать графики техобслуживания к потребностям конкретного образца СТС, извлекать данные датчиков в реальном времени, встроенные в узлы и агрегаты СТС, предупреждать о возможности отказа узла или агрегата и давать рекомендации на их замену или техническое обслуживание, что позволяет значительно снизить процент выхода из строя образцов СТС по эксплуатационным причинам и позволит управлять уровнем технической готовности техники. Данный факт свидетельствует об актуальной необходимости разработки и внедрения новых способов диагностики и мониторинга состояния СТС с возможностью прогнозирования их изменения в реальном времени.
Совершенствование подсистемы восстановления работоспособности СТС напрямую связано с развитием и внедрением электронных моделей образцов техники. Применение технологии цифрового двойника позволит не только создавать более дешевую, надежную и качественную продукцию, но и значительно расширит перечень возможностей ремонтных органов. В первую очередь, это будет связано с применением аддитивных технологий и автоматизации процесса восстановления работоспособности СТС. Аддитивные технологии (от англ. Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. Получение изделия происходит послойно, шаг за шагом путем формирования (тем или иным способом) слоя материала, отверждения или фиксации этого слоя в соответствии с конфигурацией сечения СAD-модели и соединения каждого последующего слоя с предыдущим (рис. 5).
Рис. 5. Процесс послойного лазерного сплавления
Данная технология представляет значительный интерес для выполнения задачи повышения эффективности процесса восстановления работоспособности СТС. Послойный синтез предполагает проведение построения в среде инертного газа с охлаждением определенных зон, с местной усадкой металла, с захватом молекул газа окружающей среды (азота или аргона), с образованием дефектов, вызванных работой лазера, неоднородностью модельного материала и др. Модельные (строительные) материалы могут быть жидкими (фотополимерные смолы, воски и др.), сыпучими (пески, порошковые полимеры, металлопорошковые композиции), в виде тонких листов (полимерные пленки, листы бумаги и др.), а также в виде полимерной нити или металлической проволоки, расплавляемой непосредственно перед формированием слоя построения.
Наиболее важные достоинства аддитивных технологий заключаются в:
- значительном сокращении длительности технологических процессов и уменьшении производственных отходов;
- уменьшении номенклатуры материалов и себестоимости изделий;
- вариативности и индивидуализации изготавливаемых и восстанавливаемых изделий;
- возможности изготовления деталей высокой сложности;
- улучшении характеристик готовых изделий и придании дополнительной прочности восстанавливаемым изделиям;
- мобильности производства и ремонта;
- снижении веса деталей;
- сокращении сроков обучения персонала ремонтных органов.
Активное применение аддитивных технологий изменит привычный уклад технологических процессов производства и восстановления деталей. Многофункциональный 3D-принтер не только добавит процессу восстановления СТС мобильности, но и сможет заменить значительный перечень оборудования, как в стационарных, так и в передвижных мастерских.
В условиях широкого распространения технологии 3D печати и активного применения роботизированных многофункциональных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), автоматизации основного перечня операций ремонта, требует глубокого переосмысления процесс технического обслуживания и ремонта СТС, а также процесс пополнения комплектов запасных частей и принадлежностей (ЗИП). Совершенствование подсистемы технического обслуживания и ремонта (СТОР) СТС также будет напрямую связано с развитием и внедрением электронных моделей цифровых двойников, аддитивных технологий и автоматизации процесса ТОиР СТС. Требуют всестороннего изучения возможности применения технологии цифрового двойника, систем управления техническим обслуживанием с применением ИИ, а также внедрения новых способов ремонта и разработки новых робототехнических эвакуационных и ремонтных средств, применение которых потенциально способно беспрецедентно расширить возможности ремонтных органов. В перспективе такая система позволит перейти от регламентированной планово-предупредительной системы ТОиР к системе ремонта СТС по состоянию или к проактивной системе ТОиР и позволит модульно выбирать ту или иную СТОР для конкретного комплекса или образца СТС с учетом технической сложности и режима экономии денежных средств на поддержание его в исправном состоянии.
Соответственно перспективными направлениями использования технологии «цифрового двойника» и аддитивных технологий в интересах повышения эффективности эксплуатации СТС следует рассматривать:
- оперативное изготовление деталей для ремонта СТС;
- изготовление запасных частей, комплектующих и изделий с оптимизированной геометрией и сложной конфигурацией;
- изготовление специализированного инструмента, приспособлений и оснастки в соответствии с возникающими потребностями.
Развитие подсистемы освоения СТС в среднесрочной перспективе будет связано с совершенствованием существующей 3-х ступенчатой программы применения УТС магистрально-модульной архитектуры построения. Данная программа будет основана на внедрении автоматизированных информационных технологий и технологий искусственного интеллекта, таких как:
- адаптивное обучение;
- персонализированное обучение;
- автоматическое оценивание;
- интервальное обучение.
Визуализация операций технического обслуживания и ремонта СТС при обучении эксплуатации и ремонту будет осуществляться на основе интерактивной электронной ремонтной документации, разрабатываемой на каждый образец СТС (на основе внедрения технологии цифрового двойника).
Вышеуказанные тенденции свидетельствуют о необходимости совершенствования всех подсистем СЭ СТС и разработки концепции технического облика перспективной системы эксплуатации СТС на основе внедрения технологии цифрового двойника.
1. Solohov I.V. Problemy nauchno-metodicheskogo obespecheniya mezhvedomstvennogo informacionnogo vzaimodeystviya // Voennaya mysl'. 2017. № 12. S. 45-51.
2. Vedernikov Yu.V. Modeli i algoritmy intellektualizacii avtomatizirovannogo upravleniya diversifikaciey deyatel'nosti promyshlennogo predpriyatiya / Yu.V. Vedernikov [i dr.] // Voprosy oboronnoy tehniki. Seriya 16: Tehnicheskie sredstva protivodeystviya terrorizmu. 2014. № 5-6 (71-72). S. 61-72.
3. Saurenko T.N., Anisimov E.G., Rodionova E.S. Metodika ocenki ozhidaemoy stoimosti proektirovaniya tehnicheskih i tehnologicheskih innovaciy // Upravlencheskoe konsul'tirovanie. 2019. № 11 (131). S. 120-128.
4. Saurenko T.N. Optimizaciya parametricheskih ryadov produkcii predpriyatiya s uchetom sluchaynosti rynochnogo sprosa i upuschennoy vygody // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2022. T. 8. № 2. S. 3-9.
5. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Chernysh A.Ya. Effektivnost' investiciy. Metodologicheskie i metodicheskie osnovy.- Moskva: Voennaya Ordena Lenina, Krasnoznamennaya, Ordena Suvorova Akademiya General'nogo shtaba Vooruzhennyh sil Rossiyskoy Federacii, 2006.- 123 s.
6. Anisimov V.G. Model' podderzhki prinyatiya resheniy pri formirovanii tovarnoy strategii i proizvodstvennoy programmy predpriyatiya // Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Ekonomika. 2016. № 2. S. 62-73
7. Chvarkov S.V. Uchet neopredelennosti pri formirovanii planov innovacionnogo razvitiya voenno-promyshlennogo kompleksa // Aktual'nye voprosy gosudarstvennogo upravleniya Rossiyskoy Federacii: Sbornik materialov kruglogo stola.- Voennaya akademiya general'nogo shtaba vooruzhennyh sil Rossiyskoy Federacii, Voennyy institut (Upravleniya nacional'noy oboronoy). 2018. S. 17-25.
8. Afanas'ev, A.S. Upravlenie processami zhiznennogo cikla / A.S. Afanas'ev, Yu.L. Vyaschenko, K.M. Ivanov // VOENMEH BGTU, Baltiyskiy Gosudarstvennyy Tehnicheskiy Universitet VOENMEH Im. D. F. Ustinova. - 2019, - №5 (58).
9. Tebekin A.V. Sposob formirovaniya kompleksnyh pokazateley kachestva innovacionnyh proektov i programm // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2018. T. 4. № 11. S. 30-38.
10. Saurenko T.N. Konceptual'nye polozheniya ocenki effektivnosti innovacionnogo razvitiya kompanii // Ekonomicheskie strategii EAES: problemy i innovacii: Sbornik materialov II Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii.- Moskva: Rossiyskiy universitet druzhby narodov, 2019. S. 217-234.
11. Tebekin A.V. Evolyucionnaya model' prognoza chastnyh pokazateley innovacionnyh proektov (na primere tehnicheskih innovaciy) // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2019. T. 5. № 6. S. 55-61.
12. Anisimov V.G. Modeli organizacii i provedeniya ispytaniy elementov sistemy informacionnogo obespecheniya primeneniya vysokotochnyh sredstv // Trudy Voenno-kosmicheskoy akademii im. A.F. Mozhayskogo. 2015. № 648. S. 6-12..
13. Peschannikova E.N. Metodicheskiy podhod k formirovaniyu portfelya zakazov predpriyatiya // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2021. T. 7. № 2. S. 41-50.
14. Chernysh A.Ya. Stohasticheskaya model' ocenki srokov okupaemosti investiciy v innovacionnye proekty // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2022. T. 8. № 1. S. 3-9.
15. Koval'chuk A.M., Romanyuta A.E. Metodicheskiy podhod k ocenke nadezhnosti ciklicheski primenyaemyh slozhnyh tehnicheskih sistem // Zhurnal tehnicheskih issledovaniy. 2021. T. 7. № 4. S. 57-62.
16. Avdeev M.M. Informacionno-statisticheskie metody v upravlenii mikroekonomicheskimi sistemami. Sankt-Peterburg; Tula: Grif i K (Tula). 2001.- 139 s.
17. Tebekin A.V. Model' prognoza stoimosti i srokov modernizacii promyshlennyh predpriyatiy // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2019. T. 5. № 3. S. 31-37.
18. Anisimov E.G. Ekonomicheskaya politika v sisteme nacional'noy bezopasnosti Rossiyskoy Federacii // Nacional'nye prioritety Rossii. 2016. № 3 (21). S. 22-32.
19. Il'in I.V. Matematicheskie metody i instrumental'nye sredstva ocenivaniya effektivnosti investiciy v innovacionnye proekty. - Sankt-Peterburg, 2018. 289 s.
20. Anisimov V.G. Metody operativnogo statisticheskogo analiza rezul'tatov vyborochnogo kontrolya kachestva promyshlennoy produkcii / V.G. Anisimov, E.G. Anisimov [i dr.].- Sankt-Peterburg, Tula: Mezhdunarodnaya akademiya informatizacii. 2001.- 72 s.
21. Saurenko T.N. Prognozirovanie incidentov informacionnoy bezopasnosti // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2019. № 3. S. 24-28.
22. Anisimov, V.G.,Anisimov, E.G.,Zegzhda, P.D.,Saurenko, T.N.,Prisyazhnyuk, S.P. Indices of the effectiveness of information protection in an information interaction system for controlling complex distributed organizational objects // Automatic Control and Computer Sciences, 2017, 51(8), pp. 824-828. DOI: https://doi.org/10.3103/S0146411617080053.
23. Zegzhda P.D. Metodicheskiy podhod k postroeniyu modeley prognozirovaniya pokazateley svoystv sistem informacionnoy bezopasnosti // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2019. № 4. S. 45-49.10.
24. Anisimov E.G. Osnovy postroeniya modeley intellektualizacii v sistemah bezopasnosti // Voprosy oboronnoy tehniki. Seriya 16: Tehnicheskie sredstva protivodeystviya terrorizmu. 2014. № 9-10 (75-76). S. 22-27.
25. Zegzhda P.D. Modeli i metod podderzhki prinyatiya resheniy po obespecheniyu informacionnoy bezopasnosti informacionno-upravlyayuschih sistem // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2018. № 1. S. 43-47.
26. Balyasnikov V.V. Model' prichinnogo analiza na osnove ispol'zovaniya dannyh ob osobyh situaciyah // Voprosy oboronnoy tehniki. Seriya 16: Tehnicheskie sredstva protivodeystviya terrorizmu. 2015. № 1-2. S.31 - 38.
27. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Bosov D.B. Setevye modeli i metody resursno-vremennoy optimizacii v upravlenii innovacionnymi proektami.- Moskva, 2006.- 117 s.
28. Tebekin A.V. Metodicheskiy podhod k modelirovaniyu processov formirovaniya planov innovacionnogo razvitiya predpriyatiy // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2019. T. 5. № 1. S. 65-72.
29. Anisimov V.G. Analiz i ocenivanie effektivnosti investicionnyh proektov v usloviyah neopredelennosti. Moskva: Voennaya akademiya General'nogo shtaba Vooruzhennyh sil Rossiyskoy Federacii; 2006. 288 s.
30. Ponomarev, K. S. Cifrovoy dvoynik proizvodstva - sredstvo cifrovizacii deyatel'nosti organizacii // Avtomatizaciya i modelirovanie v proektirovanii i upravlenii. - 2019. - № 2(4). - S. 11-17. - DOIhttps://doi.org/10.30987/article_5cf2d1c56f8944.09486334.
31. GOST R 57700.37-2021 Komp'yuternye modeli i imitacionnoe modelirovanie. Cifrovye dvoyniki produktov. Osnovnye polozheniya.
32. Pantyuhin, O. V. Cifrovoy dvoynik izdeliy special'nogo naznacheniya / O. V. Pantyuhin, S. A. Vasin // Kachestvo. Innovacii. Obrazovanie. - 2021. - № 1(171). - S. 37-40. - DOIhttps://doi.org/10.31145/1999-513x-2021-1-37-40.
33. Rahmanov, M. L. Sovremennye cifrovye tehnologii i cifrovoy dvoynik / M. L. Rahmanov, A. V. Shishkin // Kachestvo i zhizn'. - 2021. - № 2(30). - S. 57-59. - DOIhttps://doi.org/10.34214/2312-5209-2021-30-2-57-59.
34. Ukaz Prezidenta RF ot 21.07.2020 g. №474 "O Nacional'nyh celyah razvitiya Rossiyskoy Federacii na period do 2030 goda" - URL: https://demo.consultant.ru/cgi/online.cgi?req=home&rnd=9807B19AB7015F491A50A89BE40C6D94#doc/LAW/357927/0/1635228762182 (data obrascheniya: 11.10.2021).
35. Ukaz Prezidenta RF ot 10.10.2019 g. №490 "O Nacional'noy strategii razvitiya iskusstvennogo intellekta na period do 2030 goda" - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_335184/ (data obrascheniya: 11.10.2021).
36. Ukaz Prezidenta RF ot 16.12.2015 g. № 623 "O nacional'nom centre razvitiya tehnologiy i bazovyh elementov robototehniki" - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_190576/ (data obrascheniya: 11.10.2021).
37. Ukaz Prezidenta RF ot 07.05.2012 g. №603 "O realizacii planov (programm) stroitel'stva i razvitiya Vooruzhennyh Sil Rossiyskoy Federacii, drugih voysk, voinskih formirovaniy i organov i modernizacii oboronno-promyshlennogo kompleksa" - URL: http://www.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?base=LAW;n=129338;req=doc#IBuOtmSUFHRtTa3x1 (data obrascheniya: 11.10.2021).
