Development of a roadmap for the project of introducing digital twins into production processes

Введение

В условиях глобализации мировой экономики роль инноваций как фактора экономического роста усиливается. Инновации служат источником формирования конкурентных преимуществ на различных уровнях экономики. Достижения отрасли компьютерных технологий выступили тем фактором общественных преобразований, который привел к глобальным изменениям в жизни всего мирового сообщества. Важность развития Индустрии 4.0 в промышленном производстве становится все более очевидной. Ориентированность на проведение исследований и разработок является преимуществом промышленных предприятий, демонстрируя значительный научный и инновационный потенциал.

В этой связи актуальным становится создание цифровых двойников, которые сочетают в себе идеи искусственного интеллекта (ИИ), Интернета вещей (IoT), метавселенной, виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) для создания цифровых представлений реальных объектов, систем или процессов.

Тема цифровизация экономики занимает все больше места в научном пространстве. Это подтверждают научные публикации теоретиков и практиков, исследующих процесс цифровизации экономики в разных аспектах – в широком смысле как Индустрию 4.0 (А. А. Имаева [18] и другие) и частные направления: современные цифровые технологии в экономике (А. О. Гаврилкович [12]), создание цифровых платформ (А. В. Бабкин, П. А. Михайлов [10]) и другие. Цифровые двойники сочетают в себе идеи искусственного интеллекта (ИИ), Интернета вещей (IoT), етавселенной, виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) для создания цифровых представлений реальных объектов, систем или процессов. Анализ литературы по исследуемому направлению подтвердил, что компании по всему миру работают над использованием цифровых двойников для различных приложений (А. А. Корольков [19], А. А. Травушкина, А. Н. Щелокова, В. А. Шиболденков, О. М. Юсуфова [21], Н. А. Селин, Д. А. Минкин, А. Д. Блудовский [23], Д. А. Сосфенов [24], Р. В. Душкин, С. В. Контио, В. А. Лелекова, С. Фадеева [26]). Активно разрабатываются технологические ветки, включая инженерное проектирование сложной техники, иммерсивные 3D-среды, компьютерное моделирование (Н.А. Деомидько [15], Е.Ю. Деревянко, И.Б. Ларина [16], Д. А. Миронов, А. К. Ламм, Р.К. Расулов [20], А. А. Чурсин, П. П. Давыдов [27] и другие).

Данное коллективное исследование призвано восполнить такой пробел, как недостаток типовых дорожных карт для внедрения цифровых моделей в сфере машиностроительного производства. Это поможет оптимизировать предприятиям процесс внедрении цифровых двойников с помощью конкретного плана мероприятий

Цель исследования ставилась следующая: на примере внедрения цифровой модели для конкретного предприятия сформировать подробный план мероприятий для введения цифрового двойника в производственные процессы машиностроительных предприятий, с максимальным приближением его к типовому, для того, чтобы цифровую модель можно было применять адаптировано и в других производствах.

Научная новизна состоит в представлении структуры дорожной карты по внедрению цифровых двойников на базе уникальной авторской цифровой платформы «Systevo». Дорожная карта внедрения авторской цифровой модели разрабатывалась для крупного авиастроительного предприятия с обязательным учетом верификации и валидации и была успешно опробована. Исследование и его практическое решение выполнялись в рамках общемировой концепции перехода переход к умному производству, или Индустрии 4.0. Практическая значимость исследования состоит в предоставлении подробного типового плана мероприятий внедрения цифровых двойников.

Авторской гипотезой является предположение, что подробный типовой план мероприятий внедрения цифровых двойников могут служить полезным руководством для введения цифровых моделей в производственные процессы в первую очередь машиностроительных промышленных предприятий, в том числе крупных, однако представленную цифровую модель можно применять адаптировано и в других производствах. Это позволит управлять процессом разработки продукта, выполнять анализ текущего состояния, своевременно выявлять проблемы и предпринимать меры по их устранению, что в итоге способствует оптимизации бизнес-процессов предприятия.

Методология включала методы качественного, количественного, сравнительного и системного анализа. Авторский коллектив опирался на комплексный подход.

Формирование цифровой экономики как вектор государственной экономической политики

Сегодня государственная экономическая политика руководствуется множеством стратегических, программных и плановых документов, в том числе в области цифровой трансформации промышленности. Президиумом Совета при Президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам был разработан Паспорт Национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» (2019) [5], Распоряжением Правительства Российской Федерации утверждена Стратегия цифровой трансформации обрабатывающих отраслей промышленности в целях достижения их «цифровой зрелости» (2021) [3]. Это принципы и нормы, предписанные в Указе «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года», где в перечне основных целей обозначено достижение «цифровой зрелости» ключевых отраслей экономики [1], и Указе «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [2], утвержденных Президентом Российской Федерации.

В Указе «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года» одной из главных целей развития РФ определена цифровая трансформация. В рамках данного направления обеспечивается достижение технологического прорыва, развитие российского IT-сектора, роста производительности труда в экономике, повышения эффективности государственного сектора, а также развитие сквозных технологий; утверждены более 60 ведомственных программ цифровой трансформации, 11 отраслевых стратегических направлений (стратегий) цифровой трансформации, стратегии цифровой трансформации всех субъектов Российской Федерации.

Для достижения национальной цели «Цифровая трансформация» в РФ создаются цифровые экосистемы. Минпромторг разработал концептуальный ведомственный проект «Цифровая промышленность» [7], где задачей является поддержка разработчиков цифровых платформ и программных продуктов. В рамках этого документа реализуется проект «Цифровой паспорт», целью которого является цифровизация максимального количества производственных и административных процессов промышленных предприятий. Цифровой паспорт является индикатором цифровой зрелости предприятий и позволяет оценить уровень цифровизации предприятия. Цифровой паспорт предприятия с 1 января 2024 года является обязательной процедурой, которая позволит повысить уровень готовности предприятия к цифровизации, а также повысить уровень индекса цифровизации.

Создание цифровых двойников в промышленной отрасли

Увеличение финансирования и инвестиций в компании (в том числе начинающие), которые создают программное обеспечение и инновационные решения для цифровых двойников, а также растущее внедрение анализа данных, Интернета вещей (IoT), машинного обучения (ML) и применения цифровых двойников в различных сферах, включая промышленность, являются ключевыми факторами, способствующими росту рыночных доходов.

Анализ развития рынка цифровых двойников в мире показывает активное развитие отрасли вплоть до 2032 года (рисунок 1).

Рисунок 1. Мировой рост рынка цифровых двойников, млрд. долл. [28]

Существенный рост рынка по созданию цифровых двойников ожидается в 2029 году. В связи с тем, что стремительный рост рынка происходит в среднем через пять лет и технология по созданию цифровых двойников предприятий еще до конца не опробована, нет и четких инструкций по их созданию. Каждый такой проект является уникальным и инновационным для компаний. К 2029 году ожидается стремительный рост программного обеспечения для создания цифровых двойников, появление нормативной базы и новых проектов, на что будет ориентироваться и весь рынок [17].

В Российской Федерации принят национальный стандарт ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения», который определяет общие положения разработки и применения цифровых двойников изделий. Согласно стандарту, цифровой двойник изделия (ЦД) – система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями. Цифровой двойник разрабатывается и применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия. Также при создании и применении цифрового двойника изделия участникам процессов жизненного цикла (по ГОСТ Р 56135) рекомендуется применять программно-технологическую платформу цифровых двойников [8].

Крупные предприятия составляют значительную часть рынка цифровых двойников. Это связано с тем, что крупные компании могут быстро вносить изменения и принимать решения о запуске, отзыве и пересмотре, используя цифровые двойники для проведения моделирования перед массовым производством, распространением или модификациями. Такие компании используют технологию цифровых двойников для объединения различных характеристик и компонентов для разработки продукта, программы или технической услуги. Потенциал цифровых двойников сегодня может быть достаточно легко использован крупными предприятиями в различных отраслях.

Технология цифровых двойников часто используется производителями для улучшения бизнес-операций, таких как работа предприятия в целом, производительность оборудования, оптимизация цепочек поставок. Цифровой двойник может полностью представлять сложные процессы в промышленных операциях, позволяя либо моделировать их для анализа компромиссных решений, либо оптимизировать их в реальном времени с использованием таких методов, как машинное обучение (ML). В результате крупные производственные компании и поставщики услуг цифровых двойников сотрудничают для внедрения цифровых двойников в производственных секторах.

В обеспечении точности, надежности и применимости цифровых моделей в широком спектре отраслей экономики ключевую роль играют верификация и валидация [11]. Верификация отражает взаимосвязь между математической и компьютерной моделью, валидация – между компьютерной моделью и данными, полученными по результатам испытаний физического объекта моделирования [22].

На рисунке 2 представлен алгоритм проведения верификации и валидации цифровой модели.

Рисунок 2 – Алгоритм проведения верификации и валидации цифровой модели [сост. авт. по: 22]

На производстве проводят оба вида проверки: и валидацию, и верификацию. Результаты верификации дают ответ на вопрос: «Выполнены ли установленные требования к объекту?». Верификация использует такие методы, как ревью, пошаговое руководство, инспекцию и отладку, в то время как валидация использует такие методы, как тестирование черного ящика, белого ящика и нефункциональное тестирование [14].

Процедура валидации программного обеспечения (ПО) должна быть разработана таким образом, чтобы охватить основные физические свойства, которые относятся к интересующей области, все соответствующие данные физического моделирования, начальные и граничные условия. Процесс валидации ПО КМ выполняется в соответствии с ГОСТ Р 57700.1–2017 «Численное моделирование для разработки и сдачи в эксплуатацию высокотехнологичных промышленных изделий. Сертификация программного обеспечения. Требования» [9].

В технологической стратегии управленческих решений по разработке и внедрению цифровых моделей первым шагом становится дорожная карта. Это неотъемлемый элемент всего процесса.

Дорожное картирование как поэтапный план внедрения цифровых двойников на базе цифровой платформы

Термин «дорожная карта» достаточно широко используется в сферах международных отношений, экономики и менеджмента.

Активная разработка и принятие дорожных карт в России начались в 2010-х гг., однако на данный момент в правовых актах Российской Федерации отсутствует единое определение термина «дорожная карта». Чаще всего термин «дорожная карта» используется как синоним словосочетания «план мероприятий». В Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 г., одобренной Правительством РФ 17 января 2008 г. (на данный момент не действует), содержится следующая формулировка: «Дорожные карты – детальный комплексный план достижения поставленной цели, выбранной в результате научного предвидения. Основан на построении связной графической сети действий (мероприятий), направленной во времени» [4].

План мероприятий «дорожная карта» по определению Национальной технологической инициативы (НТИ) – это укрупненный план реализации целей НТИ в определенной области, содержащий в своей структуре паспорт дорожной карты, ее целевые ориентиры и показатели, описание сферы реализации дорожной карты, сведения о сформированном научно-технологическом заделе в этой сфере, оценку рисков, план реализации и финансовый план [6].

В большинстве случаев дорожное картирование направлено, прежде всего, на информационную поддержку процесса принятия управленческих решений по развитию или преобразованию объекта планирования. Тем не менее, могут быть выделены следующие основные цели: решение конкретной проблемы объекта (составление локальной дорожной карты), инновационно-направленное развитие объекта (построение и применение таких дорожных карт носят, как правило, более широкий и междисциплинарный характер) [25]. Основываясь на общих принципах управления, а также работах ученых в данной области можно выделить следующие основные этапы построения дорожных карт (рисунок 3).

Рисунок 3 – Типовой алгоритм составления дорожной карты [сост. авт. по: 13]

Дорожная карта разрабатывается с целью координации действий, следование которым поможет успешно внедрить технологию цифровых двойников на предприятии. Дорожная карта определяет стратегию внедрения, определяет сроки и ответственных за выполнение работ, обеспечивает контроль работ.

Авторами разработана дорожная карта по внедрению цифровых двойников на базе цифровой платформы «Systevo», которая была опробована на авиастроительном предприятии – Арсеньевской авиационной компании «Прогресс» им. Николая Сазыкина (ААК «Прогресс»), в этой связи позиции дорожной карты «обезличены».

В рассматриваемом случае были определены следующие стратегические цели дорожной карты:

- внедрить цифровых двойников и обеспечить мониторинг состояния оборудования для выявления и устранения потенциальных проблем с целью минимизации времени простоя оборудования;

- обеспечить автоматизацию бизнес-процессов предприятия с помощью цифровых двойников с целью оптимизации использования ресурсов, улучшения производительности труда и сокращения времени цикла производства;

- обеспечить сокращение затрат на обслуживание и ремонт с помощью внедрения системы мониторинга технического обслуживания на основе цифровых двойников;

- обеспечить мониторинг и анализ ключевых показателей работы оборудования за счет внедрения цифровых двойников с целью увеличения общего коэффициента эффективности оборудования;

- внедрить системы мониторинга состояния объекта в реальном времени с использованием цифровых двойников для своевременного выявления и устранения потенциальных сбоев;

- обеспечить оптимизацию запасов с помощью анализа данных и прогнозирования состояния объекта;

- оптимизировать бизнес-процессы предприятия за счет использования цифровых двойников, тем самым сокращая время выполнения производственных операций и повышая общую эффективность производственного цикла;

- обеспечить улучшение качество продукции посредством более точного моделирования и контроля производственных процессов, что позволит снизить процент брака, улучшить конечное качество продукции и повысить удовлетворенность клиентов.

- обеспечить использование цифровых двойников для предварительного анализа и симуляции производственных сценариев с целью повышения уровня автоматизации производственных процессов;

- назначить обучающие лекции, консультации по работе с цифровыми двойниками и новыми технологиями для сотрудников предприятия, обеспечивая высокий уровень квалификации персонала и готовность к работе в условиях цифровой трансформации.

Таблица 1 отражает характеристики рабочей группы по внедрению цифровых двойников в соответствии с экономической стратегией ААК «Прогресс».

Таблица 1. Рабочая группа дорожной карты по внедрению цифровых двойников [сост. авт. по результатам апробации]

Персональный состав рабочих групп, утверждаемый приказом, формируется из представителей сторон в соответствии с их ролью, обязанностями и ответственностью в процессе выполнения работ по проекту. Составы рабочей группы могут меняться в зависимости от плана работ.

Основной целью и назначением рабочей группы является обеспечение условий проведения работ по проекту, необходимых для достижения результатов, определенных дорожной картой, в срок и с гарантированным уровнем качества.

Целевые показатели и график реализации дорожной карты представлены в таблицах 2, 3.

Таблица 2 – Перечень целевых показателей дорожной карты и их значений [сост. авт. по результатам апробации]

Таблица 3. Плановый график реализации дорожной карты [сост. авт. по результатам апробации цифровой платформы «Systevo»]

В результате следования дорожной карте, регулярного мониторинга и контроля цифрового двойника в рассматриваемом для ААК «Прогресс» случае зафиксировано повышение производительности труда на 35%; увеличение значения общего коэффициента эффективности оборудования (OEE) на 30%; уменьшение количество отказов и сбоев оборудования на 40%; сокращение времени на выполнение производственных операций на 35%.

Данную дорожную карту можно принять как типовую при применении аналогичного программного продукта на промышленном предприятии. Приведена цель плана мероприятий, представлена структура дорожной карты, краткая характеристика ее разделов, работ по каждому контрольному мероприятию.

Заключение

В условиях динамично развивающегося рынка цифровые модели обеспечивают гибкость и устойчивость производственных процессов, что обеспечивает предприятие конкурентными преимуществами и возможностью повышения эффективности деятельности. Дорожные карты при разработке и внедрении цифровых моделей служат гарантией оптимального прохождения этого процесса. Основные шаговые позиции необходимо прописывать в соответствии с проверочными мероприятиями. Следует также обратить внимание, что отдельно должны быть учтены также основные расходы по разработке дорожной карты, в том числе метрики юнит-экономики.