Среда 24 Сентября 2021

Догнали и перегнали

Россия первой разработала и утвердила стандарт цифровых двойников изделий. В нем обобщен опыт успешных проектов последних лет, реализованных с применением технологии цифровых двойников
Догнали и перегнали
Изделие и его цифровой двойник (иллюстрация)
researchgate.net

Технология разработки цифровых двойников изделий создана на пересечении материального и цифрового миров. Сегодня она становится драйвером устойчивого экономического развития компаний в ходе четвертой промышленной революции.

Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 16 сентября 2021 года оставил позади эпоху турбулентности в сфере применения технологии цифровых двойников. Этим приказом утвержден ГОСТ Р 57700.37–2021 "Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения". Впервые в мире вводится нормативный документ, сфокусированный на разработке изделий с помощью технологии цифровых двойников, а не оцифровке производственной инфраструктуры и логистики. Он устанавливает единое определение цифрового двойника изделия и вводит 11 определений основных понятий, связанных с применением технологии цифровых двойников, раскрывая понятия: "цифровая модель изделия", "цифровые (виртуальные) испытания", "цифровой (виртуальный) испытательный стенд", и "цифровой (виртуальный) испытательный полигон" и т.д. Известно, что для успеха любого важного дела, важно суметь договориться о терминах на старте. И вот с 1 января 2022 года, когда новый ГОСТ начнет действовать, заказчики, разработчики, пользователи изделий, созданных по технологии цифровых двойников, будут говорить на одном языке. Разработчики стандарта называют это единым семантическим пространством.

Интересно, что элементы технологии цифровых двойников раньше стали распространяться на Западе, но именно российские ученые и инженеры первыми систематизировали свой успешный опыт в этой сфере и закрепили его в формулировках стандарта. Нигде в мире кроме России на данный момент единые стандарты цифровых двойников изделий не разработаны.

Документ касается, в первую очередь, изделий машиностроения и станет отправной точкой для разработки отраслевых стандартов, ведь разные отрасли машиностроения имеют свою специфику.

О том, как задумывался, рождался, обсуждался и утверждался стандарт цифровых двойников изделий рассказали "Стимулу" инициатор разработки стандарта и один из главных его создателей проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, руководитель Центра НТИ "Новые производственные технологии" и Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab®) Алексей Боровков и другие участники процесса.

БОРОВКОВ.jpg
Проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, руководитель Центра НТИ «Новые производственные технологии» и инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) Алексей Боровков
Фото из личного архива Алексея Боровкова

Первый в мире


  Стандарт ГОСТ Р 57700.37–2021 - это 23-страничный текст, который содержит 11 определений основных понятий, применяемых при создании цифровых двойников изделий.

  Так, цифровой двойник – это "система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями". Он разрабатывается и применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, изменяясь на каждой стадии. Важно, что понятие "цифровая модель" включает и компьютерную модель, и математическую модель, которые были определены ранее.

  ГОСТ предполагает существование трех типов цифровых двойников, существующих на этапах разработки, производства и эксплуатации: ЦД-Р, ЦД-П, ЦД-Э. Выбор этих основных типов связан с тем, что в России действует 12 ГОСТ Р, в которых по-разному определяются и количество, и наименования стадий жизненного цикла. А эти три стадии – разработка, производство, изготовление – представлены во всех 12 национальных стандартах.

  Еще одна триада описывает систему виртуальных испытаний. Она включает цифровые (виртуальные) испытания, цифровые (виртуальные) испытательные стенды, цифровые (виртуальные) испытательные полигоны. Самим испытаниям тоже дано определение: "это экспериментальное определение количественных или качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта или воздействий".  

Разработка национального стандарта велась в соответствии с решениями Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии Российской Федерации от 21 августа 2018 года и  решениями протокола совещания в Минпромторге России от 18 апреля 2019 года, программами национальной стандартизации на 2020 и 2021 годы. Работа над документом осуществлялась в рамках деятельности технического комитета № 700 "Математическое моделирование и высокопроизводительные вычислительные технологии" под председательством заместителя Министра промышленности и торговли РФ Олега Рязанцева. В работе специально сформированной в рамках ТК 700 рабочей группы "Цифровые двойники" (руководитель - А.И.Боровков) участвовали представители 25 высокотехнологических предприятий и отраслевых институтов России: Крыловского государственного научного центра, ВНИИ "Центр", Концерна ВКО "Алмаз-Антей", Корпорации "Тактическое ракетное вооружение", ЦАГИ, госкорпораций "Росатома" и "Роскосмоса" и других.

Руководитель разработки - заместитель директора ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", заместитель научного руководителя ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", заместитель директора ИТМФ  Рашит Шагалиев, разработчик стандарта - Алексей Боровков.

  - Мы разработали первый в мире стандарт цифровых двойников изделий. До этого были стандарты, связанные с производственной логистикой и так далее, - комментирует Алексей Боровков. - Базовым для нас является математическое компьютерное моделирование. Вторая фокусировка - на суперкомпьютерные технологии. Одно из ключевых достижений стандарта - мы ввели впервые 11 новых терминов, которые раньше в нормативно-правовом поле представлены не были. Это и само определение цифрового двойника изделий, которое гармонизировано с тем, как воспринимают  цифровой двойник во всем мире. 

magnifier.png Это первый в мире нормативный документ, сфокусированный на создании изделий с помощью технологии цифровых двойников, а не оцифровки производственной инфраструктуры и логистики. Он устанавливает единое определение цифрового двойника изделия и вводит 11 определений основных понятий, связанных с применением технологии цифровых двойников

  Ключевым моментом разработки является цифровая модель изделия. Вот здесь, я бы сказал, большое достижение связано с тем, что мы указали, что это система математических компьютерных моделей и любых других электронных сопровождающих документов, вплоть до Excel-таблиц и CAD-моделей. 

  Стандарт обеспечивает нам понимание о том, какова структура, функциональность, поведение будущего изделия на всех стадиях его жизненного цикла, начиная с идеи и заканчивая утилизацией. Мы выделили три ключевых этапа  - разработка, производство, эксплуатация. Причем мы разделяем изделия на проектируемые, создаваемые "с нуля", и те, которые уже произведены и находятся на этапе эксплуатации. Ключевой момент - это применение моделей высокого уровня адекватности. Все создают математические модели, но у одних разработчиков модели довольно хорошо описывают реальные физико-механические процессы, эксплуатационные режимы и даже сами сложные конструкции, а у других - значительно хуже. Мы заложили в основу разработки цифровых двойников математические модели высокого уровня адекватности.

  Мы все с вами хорошо знаем, что четвертая промышленная революция и связанная с ней цифровая трансформация промышленности  так и ли иначе проходят под эгидой больших данных. Эти большие данные нам чрезвычайно интересны - причем, как генерация данных, так и, что гораздо более важно, генерация новых знаний. Новые знания формируются за счет выполнения большого числа виртуальных испытаний на виртуальных испытательных стендах и виртуальных испытательных полигонах. Их определения тоже даны в стандарте. Это чрезвычайно важно!

  Когда мы ведем разработку изделия, ключевым понятием является многоуровневая матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. И мы должны всем этим требованиям удовлетворить. Мы должны сбалансировать противоречащие между собой требования, найти компромиссные решения между требованиями и целевыми показателями, которых значительно - на порядки - больше, чем требований, и ресурсными ограничениями. Ресурсные ограничения - это всегда время, деньги, производственные, технологические, нормативные, экологические и другие ограничения. Это все разъясняется в стандарте. Там приведены общие требования к разработке цифровых двойников изделий.

  Мы старались быть лаконичными. Текст стандарта занимает всего 23 страницы, и в нем нельзя отразить все аспекты этой передовой технологии - технологии разработки цифровых двойников. Поэтому подробнее, чем это обычно принято в стандартах, написано введение. Оно больше напоминает стиль научной статьи, где представлена мотивировка и объяснение, для чего этот стандарт нужен, что он предназначен для всех отраслей машиностроения и для трех ключевых стадий жизненного цикла изделия - разработка, производство и эксплуатация.
"В Российской Федерации первым в мире появился национальный стандарт на цифровые двойники изделия. Впервые в мировой практике ГОСТ установил единые определения цифрового двойника, виртуальных испытаний, виртуальных испытательных стендов, виртуальных испытательных полигонов", - отметил с трибуны Десятого форума по цифровизации оборонно-промышленного комплекса России "ИТОПК-2021" руководитель Росстандарта Антон Шалаев.


ПРЕЗЕНТАЦИЯ.jpg
Начало презентации Стандарта ГОСТ Р 57700.37-021
Центр НТИ СПбПУ

Что изменит стандарт


Алексей Боровков отметил в беседе со "Стимулом", что "стандарт запускает деятельность по трем важным направлениям. Во-первых, это гармонизация со всеми другими стандартами, в которых употребляются похожие термины:  математическая модель или численное моделирование, - таких стандартов порядка десяти". Во-вторых,  "стандарт - и это особенно важно! - будет основой для разработки целой системы стандартов по цифровым двойникам, которые будут описывать и детализировать многие другие важные аспекты этой деятельности. И третье - этот стандарт будет основой для разработки отраслевых стандартов. Потому что есть большая разница в специфике между стандартами двигателестроения, авиастроения, автомобилестроения, нефтегазового машиностроения и других отраслей".

  "В российской нормативно-правовой системе впервые разработан Стандарт, устанавливающий определение, общие положения и требования по созданию и применению цифровых двойников изделий. Это передовая технология, способная внести наиболее весомый вклад в разработку конкурентоспособных изделий промышленности в кратчайшие сроки", - подчеркнул Олег Рязанцев на заседании Технического комитета 12 августа 2021 года, где была одобрена окончательная редакция стандарта ГОСТ Р 57700.37–2021.

magnifier.png «Положения стандарта предназначены в первую очередь для применения компаниями и организациями высокотехнологичных отраслей промышленности, которые поставили перед собой цель обеспечить конкурентоспособность продукции на мировом рынке, повысить скорость вывода продукции на рынок, ее качество, надежность и отказоустойчивость»

  В пояснительной записке разработчиков, подготовленной к этому заседанию, отмечается, что "положения стандарта предназначены, в первую очередь, для применения компаниями и организациями высокотехнологичных отраслей промышленности, которые поставили перед собой цель обеспечить конкурентоспособность продукции на мировом рынке, повысить скорость вывода продукции на рынок, ее качество, надежность и отказоустойчивость".
Алексей Боровков также отмечает, что стандарт станет своеобразной "точкой опоры" для промышленности. "Точка опоры, потому что стандарт обычно закладывается при формировании технического задания теми или иными заказчиками. И следующие работы - НИР, НИОКР - будут во многом опираться на этот стандарт.  Терминология будет единой во всей стране. Конечно, у тех, кто будет применять стандарты, ведь у нас стандарты не имеют обязательного действия. Они рекомендуются. Но те, кто будут применять, они будут говорить на одном языке - заказчики, исполнители, соисполнители и так далее. Это хорошая основа для движения вперед".

  "Разработка и принятие стандарта - это некий переломный момент. Это означает, что машиностроение, научно-техническое сообщество переходит на новый уровень развития, - полагает Алексей Боровков. - Прошел период некой турбулентности, неопределенности и множества трактовок, и начинается серьезная онтологическая работа, систематизация всех знаний, приобретенного опыта в ходе выполнения тех или иных пилотных проектов для разных отраслей. И вот эти знания уже нужно стандартизировать, дать очень четкие определения и применять их в дальнейшей деятельности, причем, я еще раз подчеркну, как основу для движения вперед по трем направлениям стандартизации".

Демонстратор технологии CML-car.jpg
Иллюстрация цифрового двойника автомобиля
Центр НТИ СПбПУ

Кто принес кирпичики


   - Мы учли богатый опыт двух организаций, которые участвовали в разработке этого стандарта - это центр компетенций НТИ "Новые производственные технологии" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) Госкорпорации Росатом.
В создании стандарта учтен богатый успешный опыт работы наших организаций с разными отраслями промышленности, - говорит Алексей Боровков. - В разработке стандарта принимали участие более двух десятков организаций. Это крупнейшие наши корпорации-флагманы - "Росатом", "Ростех", "Роскосмос", это такие организации как ФГУП ЦАГИ, научный центр судостроения и кораблестроения - Крыловский государственный научный центр и многие другие. Особенно я бы отметил ВНИИ "Центр" - специализированную организацию,  которая оказывала сопровождение разработки этого стандарта и в дальнейшем будет оказывать консультационные услуги по применению этого стандарта на предприятиях.
Отмечу особо еще две организации - это корпорация "Тактическое Ракетное Вооружение" и  Концерн ВКО "Алмаз-Антей". Например, "Алмаз-Антей" представил на первую редакцию стандарта порядка 220 комментариев, замечаний, предложений. Всего их было представлено 493. И это тоже определенный рекорд! Никогда ранее - ни в практике Российской Федерации, ни даже Советского Союза - не поступало такое большое количество откликов, предложений,  улучшений. Это свидетельство высокой востребованности стандарта. Показатель того, что тема очень важная, актуальная, что по этой теме существует очень большое количество трактовок, интерпретаций, и поэтому ее актуальность не вызывает сомнения. Я уверен, что Российская Федерация разработала и вводит в действие с 1 января 2022 года этот стандарт на своей территории очень своевременно.


КАМА-1.jpg
Цифровая модель электромобиля КАМА-1
Центр НТИ СПбПУ

"Кортеж" открыл дорогу к стандарту

С начала деятельности Центра НТИ СПбПУ в 2018 году специалисты Центра выполнили более 250 НИОКТР-проектов с применением технологии разработки цифровых двойников.

Примерами того, как применение новых производственных технологий (цифровых двойников, виртуальных испытаний, виртуальных испытательных стендов и полигонов) позволяет значительно сократить время разработки, снизить ее себестоимость и достичь принципиально новых технических и потребительских характеристик изделия, могут служить: созданный "с нуля" за два года электромобиль "КАМА-1"; разработка несущей системы грузового автомобиля; конструктивные решения для авиационного газотурбинного двигателя; технологические решения и прототипы устройств для создания глобально конкурентоспособных газовых турбин; семейство многоцелевых высокооборотных дизельных двигателей; технологические решения для универсальной платформы проектирования электротранспорта CML-CAR™; принципиально новая конструкция системы очистки бурового раствора;  принципиально новая конструкция антарктических саней
для перевозки сверхтяжелых крупногабаритных грузов; концепт и элементы конструкции перспективного самолета-амфибии; виртуальные испытательные полигоны "Крыло", "Вертолет" – и другие высокотехнологичные решения. Интересно, что технологии разработки цифровых двойников применяются не только в машиностроении, но и, например, для изучения поведения
внутренних органов человека при внешнем механическом воздействии.

Но на самом деле все начиналось гораздо раньше - в конце 1980-х, когда молодой ученый Алексей Боровков задался вопросом, почему же советская промышленность не может сделать хороший автомобиль. Потом было участие команды политехников в проектировании кузовов ведущих мировых автомобильных марок - в интересах BMW и многих других компаний-лидеров мирового уровня.

magnifier.png «Мы узнали о возможностях питерского Политеха от иностранцев — в одном из их проектов участвует Porsche Engineering, — рассказал “Стимулу” глава Минпромторга РФ Денис Мантуров. — И они нам сказали: у вас уже есть чемпион, нужно максимально использовать его в проекте»

Затем в стране появилась задача создать собственный президентский автомобиль. Политехники включились в работу не с самого начала. "Мы узнали о возможностях питерского Политеха от иностранцев — в одном из их проектов участвует Porsche Engineering, — рассказал "Стимулу" глава Минпромторга РФ Денис Мантуров. – И они нам сказали: у вас уже есть чемпион, нужно максимально использовать его в проекте". Видимым всему миру итогом проекта "Кортеж" стал въезд Владимира Путина в Кремль на церемонию инаугурации 7 мая 2018 года на автомобиле Aurus - представительском лимузине, центральной модели проекта "Кортеж", который также включал в себя седан, внедорожник и минивен.

"Компетенции мы формировали постепенно, на протяжении десяти лет, в ходе выполнения различных проектов в интересах западных автопроизводителей – мировых лидеров автопрома. В проекте "Кортеж" мы впервые применили эти технологии в России. Мы рады, что проект стал флагманским", - говорит Алексей Боровков. Затем у Алексея Боровкова начался этап вовлечения коллег из разных компаний и отраслей в процесс применения новой технологии. Пару лет от проекта "Кортеж" до пандемии он практически жил в самолетах и поездах. Разговаривая с ним, почти всегда фоном собеседник слышал или стук колес, или объявления о взлетах-посадках в разных аэропортах страны. Пандемия снизила эту активность и позволила сконцентрироваться на работе в уделенном формате на основе цифровых технологий и платформенных решений, а также на аналитической деятельности. В первую очередь, на разработке национального стандарта цифровых двойников изделий. 

Отвечая на вопрос "Стимула", могли стандарт появиться, если бы не "Кортеж", Алексей Боровков отметил, что "все пилотные проекты, которые выполнялись и Центром Национальной технологической инициативы "Новые производственные технологии", и коллегами, вносили свой вклад в создание стандарта".

- Когда мы строим здание, сначала идет фундамент, а потом по кирпичикам начинаем возводить стены. Каждый успешно реализованный проект, в котором были элементы цифровых двойников, связанные с математическим, компьютерным, суперкомпьютерным моделированием, безусловно вносили свой вклад, - отмечает он. - Если говорить про проект "Кортеж", то, конечно, здесь был сделан рывок. Это был мировой рекорд с точки зрения количества требований, целевых показателей, которые учитывались одновременно в одном проекте и которые подлежали балансировке. Но затем последовали не менее важные прорывные проекты. Здесь можно говорить и про электромобиль  "КАМА",  разработанный всего лишь за два года "с нуля" без ДВС-предшественника (у всех электромобилей в мире, как правило, есть предшественники той же марки, работающие на двигателе внутреннего сгорания, у всех, кроме КАМЫ-1 - "Стимул"). Но самые сложные революционные, я бы сказал, эпохальные проекты реализуются сейчас в сфере двигателестроения и дизелестроения. По данным ЮНЕСКО, газотурбинные двигатели признаны самыми сложными конструкциями на земле, и действительно, отрасль двигателестроения в лице Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК входит в госкорпорацию "Ростех"-"Стимул")  и Центрального института авиационного моторостроения имени П.И.Баранова является, я бы сказал, лидером с точки зрения системного подхода к разработке цифровых двойников. Такая же системная работа по разработке и применению цифровых двойников сейчас проводится в дивизионе ТВЭЛ госкорпорации "Росатом".

Темы: Среда

Еще по теме:
21.10.2021
Правительство объявило, что вложит пять миллиардов рублей в строительство Национального центра физики и математики в Сар...
12.10.2021
На прошлой неделе состоялся Demo Day — финал бесплатной долгосрочной программы развития инновационных проектов в сфере л...
08.10.2021
В Москве на ВДНХ прошел Всероссийский фестиваль технических достижений «Техносреда». Ведущие российские вузы и научно-ис...
07.10.2021
В Москве завершился отбор проектов стратегического развития российских вузов для программы «Приоритет 2030»
Наверх