Developing the concept of digital twins

Введение

На современном этапе развития глобальной цифровой экономики значительно повышается роль технологии обработки и анализа больших данных, обеспечивающих сбор и оценку значительных объемов структурированных, полуструктурированных и неструктурированных данных на протяжении всего жизненного цикла продукта. Автоматизированный сбор данных в режиме реального времени позволяет более точно оценивать состояние процессов и выявлять узкие места с целью принятия оперативных управленческих решений направленных на оптимизацию производственных процессов. Важным направлением цифровой экономики, в рамках которого исследуется вопросы повышения эффективности производства, улучшение характеристик оборудования, ускорение выхода продукции на рынок, стимулировании инноваций и повышении эффективности производственных операций, выступает концепция цифровых двойников. Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель физического объекта или процесса, основные функции которой включают детальный анализ, оптимизацию и управление производственными операциями. Создание цифрового двойника требует интеграции данных из различных источников, в том числе устройства IoT, датчиков и системы управления производством, для формирования точного и полного цифрового отображения реальных объектов, что подчеркивает значение качественной интеграции данных для повышения точности и функциональности цифровых моделей.

Развитие концепции цифровых двойников связано с работами Гривса М. [1], предложившего идею управления жизненным циклом промышленного продукта (PLM) в виртуальном пространстве. Несмотря на то, что сам термин «цифровой двойник» сформировался несколько позже, Гивсом М. были заложены его базовые элементы: наличие физического объекта, виртуального объекта и обеспечение обмена информацией между ними. Однако, в период зарождения концепции, цифровые двойники не получили широкого распространения. Это связано в первую очередь с тем, что большинство данных хранилось в бумажном виде и обрабатывалось вручную, получение и хранение потока различных данных о продукте или технологическом процессе в реальном времени было практически нереализуемо, а во вторую очередь, с отсутствием соответствующего аппаратного и программного обеспечения. Однако, несмотря на это предложенная концепция привлекла большое внимание как в академических кругах, так и в промышленности благодаря широкому потенциалу применения.

В настоящее время цифровые двойники внедряются для различных целей во многих прикладных областях, таких как: аэрокосмическая сфера, робототехника, интеллектуальное производство, возобновляемые источники энергии и перерабатывающая промышленность [2, 3]. В академических кругах определение «цифровой двойник» трактуется по-разному. Наиболее широко известное определение было предложено Глессгеном Е. [4], описавшим термин «цифровой двойник», как интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование сложного продукта, использующее наилучшие доступные физические модели для отражения срока службы соответствующего физического объекта. Более поздняя интерпретация термина «цифровой двойник» определила его, как как цифровое представление физического элемента или сборки с использованием интегрированных симуляций и сервисных данных, содержащее информацию из нескольких источников на протяжении всего жизненного цикла продукта [5]. В отечественной научной литературе среди авторов, работы которых направлены на исследование концепции цифровых двойников, можно отметить Дунину А.А. [6], Фролову А.В. [7], Попову Е.В. [8],Курганову Н.В. [9].

В своих работах, обозначенные авторы, отмечают, что разработка и внедрение цифровых двойников позволит оптимизировать производственные и управленческие процессы предприятий реального сектора экономики, обеспечит снижение количества отказов в производственном процессе, а также повысит промышленную безопасность и надежность работы оборудования. Использование механизма глубинного машинного обучения обеспечит более быструю разработку инновационных производственных решений в рамках сложных производственных цепочек и логистических систем, что значительно повышает актуальность исследования концепции цифровых двойников и направлений её внедрения в реальный сектор экономики.

Признавая значительный вклад ученых в данной сфере, необходимо подчеркнуть, что вопросы внедрения цифровых двойников продолжают оставаться предметом научного поиска. Так, не в полной мере раскрыты вопросы классификации цифровых двойников, нормативного регулирования, а также определения барьеров в процессе их внедрения в реальный сектор экономики. В связи с чем целью статьи выступает исследование тенденций и направлений использования цифровых двойников в промышленности и их роли в современной цифровой индустриализации. В качестве гипотезы исследования выступает предположение о том, что исследование тенденций и направлений использования цифровых двойников позволит определить ключевые области применения и выявить барьеры внедрения для дальнейшего определения путей их преодоления и оптимизации процесса интеграции цифровых двойников в производственные и экономические процессы.

В процессе исследования использованы методы анализа научной литературы, системного подхода, а также сравнительного анализа, позволившего определить, что цифровые двойники представляют собой приоритетную концепцию, способную существенно повысить эффективность реального сектора экономика. Однако для успешного внедрения цифровых двойников в производственные процессы требуется интеграция различных цифровых технологий, таких как искусственный интеллект, интернет вещей и облачные технологии, что требует значительных финансовых вложений, наличия высокой квалификации работников, а также возможностей интеграции передовых цифровых технологий и имеющейся технологической и информационной инфраструктуры. Указанные выводы выступают основой для дальнейшей разработки направлений по преодолению барьеров внедрения цифровых двойников и расширению возможностей их использования.

Основная часть

Для повышения конкурентоспособности отечественной продукции и обеспечения технологического суверенитета страны большое значение имеет внедрение передовых цифровых и производственных технологии, среди которых особое место занимает концепция цифровых двойников. В реальном секторе экономики цифровые двойники выступают инструментом повышения производственной эффективности, снижения затрат и обеспечения промышленной безопасности, однако, для достижения максимальной отдачи от их внедрения необходимы технологические и организационные изменения, достижение которых возможно только за счет внедрения современных цифровых технологий, позволяющих создавать виртуальные копии оборудования, заводов и логистических цепочек, для получения возможности тестирования различных сценариев взаимодействия объектов. Если рассматривать цифрового двойника не как отдельный объект, а как часть целого производственного процесса, то его главное преимущество заключается в способности симулировать все этапы производства в виртуальной среде, что позволяет определять необходимое количество оборудования или компонентов, а также определять рациональное расположение производственных мощностей в зависимости от объема и ассортимента выпускаемой продукции.

Современное развитие производственного сектора связано с повышением требований к производственным и управленческим процессам, ростом масштабов производства, обеспечением конкурентоспособности и разнообразия продукции, а также увеличением наукоемкости и сложности производства. Использование цифровых двойников в сочетании с принципами бережливого производства и автоматизацией рутинных операций, помогает повысить эффективность работы предприятий и принимать обоснованные управленческие решения. Цифровые двойники позволяют проектировать, контролировать и оптимизировать производственные процессы, включая загрузку рабочих мест, логистику, распределение мощностей, качество и материалоемкость продукции. Основные преимущества цифровых двойников, для реального сектора экономики, представлены на рисунке 1 [10, 11, 12].

Рисунок 1. Преимущества использования цифровых двойников

Источник: составлено авторами на основании [10, 11, 12].

Цифровые двойники повышают надежность производственных систем и обеспечивают возможность быстрой перенастройки оборудования, что в свою очередь, снижает себестоимость продукции и расходы на проектирование, тестирование и выход на рынок [10, 11, 12]. Распространение технологии цифровых двойников в России формирует масштабную платформу для развития передовых технологий в производственном секторе, что подчеркивает их значение как катализатора изменений, которые могут охватывать не только отдельные процессы, такие как: моделирование, проектирование, конструирование и тестирование продуктов, но и оказывать влияние на целые отрасли промышленности.

Цифровой двойник производства, рассматриваемый как полная информационная модель, способная прогнозировать поведение систем на всех этапах их жизненного цикла, позволяет строить математические модели и выявлять закономерности производственных процессов, что способствует более точному управлению производством. Цифровые двойники рассматриваются как инновация, которая трансформирует управление производственными процессами, становясь важным элементом Индустрии 4.0 и перехода к следующему технологическому укладу. Цифровые двойники – многозадачные и многоуровневые технологии, потенциал которых высок, но их внедрение требует значительных усилий и координации различных видов деятельности для достижения успеха в цифровой трансформации.

Цифровые двойники можно рассматривать с двух точек зрения. Во-первых, это своего рода исследовательская платформа, позволяющая тестировать прототипы объектов и сокращать количество физических испытаний. Во-вторых, это инструмент для управления и анализа производственных процессов. Использование цифровых двойников, во взаимодействии с предиктивной аналитикой, помогает снизить риск промышленных аварий, а интеграция с искусственным интеллектом позволяет руководству предприятий собирать массивы данных для оптимизации производственных процессов, создания инноваций и разработки новых бизнес-моделей.

В России активное развитие цифровых двойников в промышленности связано с государственной стратегией цифровизации экономики и реализацией национального проекта «Цифровая экономика» [13]. Стимулирование развития современных цифровых технологий нацелено на повышение эффективности производства, сокращение затрат и ускорение выхода продукции на рынок [14, 15]. Ключевыми направлениями внедрения цифровых двойников стали их интеграция с ERP-системами, промышленным интернетом вещей (IIoT) и платформами для обработки больших данных. Такое объединение данных и аналитических инструментов позволяет создавать точные и гибкие виртуальные модели, способные к быстрой адаптации изменениям в производстве. Однако, несмотря на значительный потенциал, широкое внедрение цифровых двойников в России сталкивается с рядом барьеров, как технологического, так и управленческого характера, связанных с наличием высоких требований к квалификации сотрудников, сложностью интеграции технологий цифровых двойников с существующими промышленными системами и потребностью в защите данных. Важной задачей для дальнейшего внедрения технологии является создание межотраслевых стандартов, обеспечение совместимости цифровых технологий и подготовка квалифицированных кадров, где развитие государственно-частного партнерства и стимулирование инвестиций в исследования способны выступить катализатором интеграции цифровых двойников в отечественное производство [16].

Также необходимо отметить, что цифровой двойник — это не самостоятельная технология, а агрегатор множества цифровых инструментов, объединяющий разные цифровые технологии для создания более полного представления о работе физического объекта или процесса. В связи с чем отсутствие стандартов и типовых решений для построения цифровых двойников затрудняет их внедрение на практике. Несмотря на это, специалисты продолжают предлагать индивидуальные способы и методики, что говорит о движении в сторону стандартизации [17, 18, 19] На современном этапе регулирование создания цифровых двойников осуществляется на основе нормативных документов, представленных на рисунке 2.

Рисунок 2. Нормативное регулирование создания цифровых двойников

Источник: составлено авторами на основе [17, 18, 19].

Основным международным стандартом регулирования процессов создания цифровых двойников является серия стандартов, состоящая из четырех документов ISO 23247 «Автоматизированные системы и интеграция – Цифровые двойники для производства». Отечественный ГОСТ Р 57700.37 – 2021 «Цифровые двойники изделий», определяет положения разработки и применения цифровых двойников, уделяя внимание только категориальному аппарату. С точки зрения структурирования данной сферы особого внимания заслуживают предварительные национальные стандарты Российской Федерации (ПНСТ), достаточно глубоко раскрывающие во всех аспектах область цифровых двойников.

В соответствии с документами, представленными на рисунке 2 цифровые двойники классифицируются по ряду признаков, основные из которых представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Классификация цифровых двойников

Источник: составлено авторами на основе [17, 18, 20].

Несмотря на достаточно широкую классификацию необходимо отметить, что в России применение цифровых двойников в реальном секторе достаточно ограничено, что подтверждается данными, представленными на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Число организаций, применяющих цифровых двойников, ед.

Источник: составлено авторами по данным [23]

По данным рисунка 4 видно, что 2022 году, число организаций, использовавших цифровых двойников в целом по России снизилось. Наибольшее снижение произошло по таким видам деятельности, как обрабатывающее производство и торговля. В свою очередь, в 2023 году можно отметить следующую сложившуюся ситуацию – увеличение числа торговых организаций, использующих цифровых двойников, а в обрабатывающем производстве организациям не удалось достичь показателей использования цифровых двойников, имевшихся до 2022 года несмотря на рост числа отечественных разработок в сфере моделей виртуального производства (рисунок 5).

Рисунок 5. Динамика разработанных и планируемых к внедрению цифровых двойников

Источник: составлено авторами по данным [23]

В качестве примера организаций, внедряющих и внедривших концепцию цифровых двойников в реальном секторе стоит отметить ПАО «КАМАЗ» и ОАО РЖД. Так, ПАО «КАМАЗ» реализована работа по созданию цифровых моделей для технологических процессов, включая сборку и механическую обработку деталей [6]. В 2019 году была завершена разработка трехмерных моделей для 48 станков и 50 единиц технологических приспособлений, а также проектировка 1780 изделий, которые позже были внедрены в производственный процесс [6]. В 2018 году ПАО «КАМАЗ» начал сотрудничество с Санкт-Петербургским политехническим университетом по проекту, направленному на разработку новых моделей автобусов и троллейбусов на основе цифрового моделирования [21]. Технология цифровых двойников также нашла применение в проекте «Цифровая железная дорога», реализуемом организацией ОАО РЖД. В рамках проекта «Цифровая железная дорога» технологии цифровых двойников применяются для оптимизации и повышения эффективности различных процессов, в том числе для управления инфраструктурой и предиктивной аналитики. Так, в качестве пилотного проекта выступает цифровой двойник железнодорожного моста через реку Кола в Мурманской области, представляющий собой аппаратно-программный комплекс непрерывного мониторинга состояния конструкции моста в реальном времени, позволяющего своевременно выявлять необходимость ремонтных работ [22].

Создание цифрового двойника основано на многопрофильном численном моделировании, методах векторной оптимизации, а также системной интеграции Интернета вещей, облачных технологий и машинного обучения. Соответственно исследуя возможности создания и внедрения цифровых двойников становится важным вопрос использования указанных цифровых технологий в реальном секторе экономики. Динамика использования современных цифровых технологий на отечественных предприятиях представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Число организаций, использующих цифровые технологии, ед.

Источник: составлено авторами по данным [23]

Как видно на рисунке 6, несмотря на снижение числа организаций, использующих цифровые технологии в 2023 году по сравнению с 2022 годом, можно отметить, что имеется определенный технологический потенциал для внедрения интегрированных управленческих виртуальных технологий. Однако, как видно на рисунке 7, только менее 50% предприятий, применяющих технологии искусственного интеллекта, используют его с целью углублённого анализа данных и машинного обучения.

Рисунок 7. Распределение организаций по направлениям использования AI, ед.

Источник: составлено авторами по данным [23]

Также необходимо отметить, что реализация организациями концепции цифровых двойников на современном этапе сопряжена с рядом проблем, зависящих как, от масштаба и сложности самой цифровой технологии, так и барьерами, которые являются общими для всех. Нахождение технологии цифровых двойников в зачаточном состоянии означает, что, несмотря на то что она обладает большим потенциалом, ее внедрение сопряжено с барьеры, которые носят инженерный, технологический и коммерческий характер (рисунок 8).

Рисунок 8. Барьеры внедрения цифровых двойников

Источник: составлено авторами на основании [1-10]

Создание и интеграция цифровых двойников требуют значительных инвестиций в оборудование и инфраструктуру для сбора, хранения и обработки данных. В России дефицит специалистов в сфере передовых цифровых технологий также замедляет внедрение цифровых двойников в промышленном секторе, организациям приходится преодолевать ряд барьеров, возникающих в подборе персонала, обладающего необходимыми знаниями и навыками для внедрения и поддержки цифровых двойников. В связи с чем будущее цифровых двойников в России напрямую связано с реализацией национальных проектов (программ), направленных на: развитие инфраструктуры для внедрения цифровых технологий, создание качественной системы подготовки высококвалифицированного персонала, а также разработку отечественного программного обеспечения, позволяющего снизить зависимость от зарубежных технологий и адаптировать их под особенности российского производства.

Заключение

С момента своего появления концепция цифровых двойников эволюционировала из абстрактной идеи в зрелую технологию, которая находит все более широкое применение в различных областях промышленности. Эффективность использования цифровых двойников в производственном процессе нашла свое подтверждение в ряде исследований [1-5], благодаря которым цифровые двойники стали важным инструментом в продвижении «интеллектуального» производства. Они позволяют управлять производственными процессами в реальном времени и обеспечивают связь между физическими объектами и их цифровыми аналогами.

Несмотря на значительные преимущества, связанные с внедрением цифровых двойников в организации, процесс их разработки и внедрения сталкивается с рядом серьезных проблем. Основной из них является огромный объем работ по цифровизации существующих объектов и технологических процессов, а также нехватка высококвалифицированных специалистов в этой области. При этом отсутствие единственно верного решения по цифровизации для разных организаций обусловлено множеством факторов, среди которых можно выделить: возможность интеграции новых технологий в уже существующую инфраструктуру, требуемый объем затрат, что особенно сложно для крупных производственных организаций, сложность их поддержки и соответствие стратегии организации.