УДК 004

Обзор на реализацию цифровых двойников технологических операций

Доррер Михаил Георгиевич – доцент кафедры информационно-управляющих систем Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева 

Гугля Максим Дмитриевич – магистрант института информатики и телекоммуникаций Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Аннотация: Обзор посвящен вопросам интеграции инновационных технологий цифровых двойников в технологические процессы предприятия. Анализ данных представленных на данный момент в современной отечественной и зарубежной литературе, доказывает эффектность применения данной технологии и процессов. Которые используются для выявления погрешностей расчетов, человеческого фактора на этапах создания расчетных карт нормирования технологических операций и свидетельствует об их влиянии на технологические процессы. Оценка достигнутых результатов с позиций доказательной цифровой индустрии подтверждает целесообразность использования цифровых двойников в системе управления жизненным циклом продукта на предприятиях.

Ключевые слова: система управления жизненным циклом продукта, технологические процессы, цифровые двойники, расчетные карты нормирования технологических операций, программа индустрия 4.0.

Введение (Introduction)

Оптимизация производства предприятия, устранение ошибок в процессе создания или моделирование изделия, человеческий фактор, проблемы с логистикой, застоем производства изделий на линии. Список этих проблем актуальных, как сейчас, так и в прошлом и будущем на предприятиях разных видов деятельности, которые пытаются решить предприниматели [4].

Разрабатываются новые методики, системы, шаги, которые решают проблемы на производственных процессах для повышения конкурентоспособности обрабатывающей промышленности [12]. Текущее применение новых технологий в промышленности получило название четвертая промышленная революция [5].

Одна из эффективных систем в этом списке является система управления жизненным циклом продукции (Product Lifecycle Management – PLM-система) [15]. Представленная корпоративная программа направлена на поддержку полного жизненного цикла
продукции на производствах [6]. PLM-система предоставляет возможность создавать сложные технологические маршруты с несколькими заходами, создавать карту производственного процесса, принимая во внимание в маршруте перемещение и прослеживание изделий [13].

В последнее время в развитии концепции цифровой индустрии прослеживается взрывной рост. Один из основных компонентов цифровых двойников считается использование методов математического моделирования, а также интеллектуального анализа имеющихся данных для
формирования моделей производственных процессов и окончательной

продукции, базирующихся на обрабатывание сигналов, поступающих со
специально созданных или имеющихся сенсоров. Комплекс подобных моделей, представляющие виртуальные промышленные процессы, оборудования и систем называют цифровыми двойниками [9].

Цифровые двойники или похожие варианты: виртуальные макеты, цифровые копии – относительно молодая технология, появившаяся во многом благодаря возникновению серверов способных к мощным вычислениям действиям одновременно работая с большим объемом информации. Однако в сфере предпринимательства, в особенности отечественной, не так активно используется новый метод, несмотря на то, что в ряде отраслей способен быть весьма востребованным и экономически выгодным денежным вложением для будущего развития [3].

Задачей реализации цифрового двойника технологических операций на основе PLM-системы, является использование данных, получаемых от разных приборов, установленных на важных линиях производства или на этапе конечной сборки продукции. Целью которой является прогнозирование проблем в работе оснащения, оптимизация качества продукции и уменьшение негативного влияния производственных процессов на окружающую среду [14].

Для лучшего понимания внедрения цифровых двойников технологических процессов на предприятиях был проведен анализ статей. В качестве анализа были выбраны успешно реализованные зарубежные и отечественные проекты.

Методы интеграции инновационных технологий цифровых двойников в технологические процессы предприятия

Технология цифровых двойников или цифровых моделей за рубежом активно внедряется в бизнес-процессы, но в России также приступают к разработке и внедрении цифровых двойников в этих отраслях, что доказывает указ Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года № 899, а также рассмотренные статьи реализованных проектов. Обзор

предоставляет возможность показать наиболее полную картину происходящих технологических изменений, а также проанализировать возможности интеграции цифровых двойников в PLM-систему [7].

Например, в зарубежной Сербии используется цифровой двойник для создания тестового образца в котором с помощью модулей для создания разнообразных симуляций и динамического анализа самых сложных узлов в условиях, очень близких к реальным условиям эксплуатации, проводится расчет усилий, возникающих на элементах этого образца. Кроме того, эти значения сравниваются с результатами, полученными в реальных условиях с помощью специализированного оборудования. Полученные результаты расчетных значений в PLM-системах в значительной степени соответствуют полученным в реальных условиях результатам, так что применение программного обеспечения цифровых двойников в PLM для различных типов расчетов и анализа на этапе разработки продукта, является хорошим способом ускорить процессы внедрения новых образцов продукции [1].

В Мексике пошли еще дальше и реализовали способ где одним из основных этапов при создании считается использование методов математического моделирования и интеллектуального анализа данных с целью реализации цифровых двойников производственных процессов и конечного изделия, основанных на обрабатывании сигналов, приходящих со специализированных сенсоров. Комплекты моделей, получаемые в основе цифровых двойников, могут быть сформулированы в виде вычислительных потоковых процессов, состоящих из набора вычислительных сервисов, каждый из которых представляет собой модель одного из этапов технологического процесса. Для организации гибкой поддержки облачных вычислений с целью выполнения цифровых двойников, были выполнены работы по внедрению на предприятие производства сервера включающие мощные компьютеры и программное обеспечение, что дало стабильность работы с потоковой обработкой данных в вычислительных системах [2].

В одной из работ в России предложили использовать метод описания

технологического процесса на основе цифрового двойника технологического процесса (ТП), который позволяет решить проблемы управления информационными потоками на предприятии без существенных материальных затрат. Использование цифрового двойника ТП, связанного с заданными технологом и фактическими значениями параметров ТП и его ресурсным обеспечением, открывает возможность для мониторинга ТП в режиме реального времени. Это дает возможность эффективно и оперативно осуществлять управленческие решения на основе проводимого анализа данных, что в свою очередь, сократит издержки предприятия. Осуществление системы мониторинга ТП на основе предложенного подхода раскрывает способности для подгонки под индивидуальные требования системы в соответствии с требованиями заказчиков для дальнейшего увеличения эффективности управления качеством изготавливаемых изделий [10].

Другое отечественное производство изделий разработали программу, которая обеспечивает мониторинг, контроль, анализ технологических и операционных процессов компании с целью повышения их эффективности и оптимизации. Программа обеспечивает: автоматическое обрабатывание входящих документов и технологической информации; поиск по объектам программы; предоставление данных в учетные системы посредством интеграции. Что позволяет реализовать цифровой двойник предприятия, показывающий свежую информацию с предприятия и оперативно на нее реагировать [8].

Лидером по внедрению цифровых двойников является Газпром. Была разработана типовая структурная схема управления производством, учитывающая полнофункциональную интеграцию автоматизированных систем управления технологическими процессами газопромысловых объектов, а также информационно-управляющих систем предприятия. Эта концептуальная модель реализации подходов «Индустрия 4.0» для российской нефтегазовой отрасли.

Использованная технология «цифровых двойников», осуществленная единой

интегрированной регулярно обновляющейся шестислойной моделью, содержащий в себе: проектно-сметную документацию в электронном виде, нормативно-справочную информацию, графический слой представления объектов, математические модели и онлайн-информацию, инженерные данные, получаемые от автоматизированных систем управления технологическими процессами [11].

Результаты

На основе анализа предоставленных выше реализованных зарубежных и отечественных проектов по реализации цифровых двойников технологических операций можно сформулировать таблицу 1, в которой объяснены основные критерии работы цифровых двойников ТП на предприятиях.

Таблица 1. Анализ использования ЦД ТП на предприятиях.

Реализация ЦД ТП

Условности использования

По опыту промышленных предприятий Сербии

Используется PLM система с цифровыми двойниками (ЦД) и заложенными симуляциями, анализа данных, для сравнительной проверки изготовленного продукта с ЦД.

По опыту промышленных предприятий в Мексике

Реализация на обработке сигналов интеллектуальных сенсоров и интеллектуального анализа данных для создания моделей производственных процессов и продукции.

Пример реализации в многономенклатурном машиностроительном производстве

Реализация двух ЦД ТП, один используется в проектировании изделия, другой с помощью датчиков и дополнительных устройств считывает готовое изделие, впоследствии сравнивая значения параметров двух ЦД ТП

Пример реализации в инженерном центре «Автоматизированные системы контроля»

Установка дополнительного обеспечения и введение дополнительных процедур и действий для работников на производстве, с целью получения необходимых данных для заполнения запрашиваемых данных для расчетов.

Модель реализации предприятия нефтегазового комплекса Газпрома

Использование инновационных технологий:
искусственного интеллекта, промышленного интернета вещей,
работа с большими объемами данных.

Из таблицы 1 видно, что для реализации цифровых двойников технологических операций необходимо использовать минимум два набора параметров изделия, один набор это чертежные, математические данные рассчитанного изделия, а второй набор включает в себя считывание с готового изделия и получение параметров изготовленного изделия, чтобы провести сравнительный анализ и выявить недостатки в процессе производства.

Заключение (Conclusions)

Цифровой двойник технологических операций это одно из революционных решений в четвертой промышленной революции, который решает проблемы, связанные с техническими операциями.

Проведённый обзор статей по зарубежным и отечественным решениям, а также сформированная таблица 1 с особенностями при работе с цифровыми двойниками технологических операций на предприятиях, что позволяет сформулировать основную задачу. Реализация поддержки на определенных или всех стадиях жизненного цикла изделия, с помощью данных, которые могут быть собраны с помощью специализированных датчиков и использованы для улучшения стадий жизненного цикла изделия и цифровой модели двойника.

Именно такой подход будет применен при введении на предприятие ООО «ОКБ Микрон» цифровых двойников технологических операций. Будет разработан план по проверке наилучшего решения из представленных вариантов и наиболее подходящее под требование заказчика будет внедрена в используемую среду на предприятии 1С: ERP и Appius PLM.

Список литературы

  1. Pantić Ivan & Matejic, Milos & Blagojevic Mirko. (2018). Single-stage cycloid reducer dynamic analyses using plm software. 4th international scientific conference cometa.
  2. URL:researchgate.net/publication/339596617_SINGLE-STAGE_CYCLOID_REDUCER_DYNA.
  3. Алаасам А. Б. А. Микро-потоки работ: сочетание потоков работ и потоковой обработки данных для поддержки цифровых двойников технологических процессов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика. 2019. Т. 8. № 4. С. 100-116.
  4. Арифулин Н. А. Технология "цифровых двойников" и ее применение в процессе автоматизации основных процессов промышленного предприятия // StudNet. 2022. Т. 5. № 1. С. 55-56.
  5. Диана Г. В. Государственно-частное партнерство как инструмент развития инновационных процессов в АПК в условиях цифровизации экономики // Региональные проблемы преобразования экономики. 2022. № 4. С. 17-22.
  6. Заборовский, Д. А. Управление качеством услуг в условиях цифровой экономики // Вестник образования и развития науки Российской академии естественных наук. 2019. №3. С. 20-23.
  7. Кокорев А. А. Методы интеграции конструкторского и технологического проектирования // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 14. С. 15-23.
  8. Курганова Н. В. Внедрение цифровых двойников как одно из ключевых направлений цифровизации производства // International Journal of Open Information Technologies. 2019. №Т. 7. № 5. С. 105-115.
  9. Программа управления технологическими и операционными процессами (Шифр «Цифровой двойник процесса». Правообладатель: Общество с ограниченной ответственностью Инженерный Центр «Автоматизированные системы контроля» (RU). № 2022617879. Бюл. № 5. 26.04.2022 URL: elibrary.ru/download/elibrary_48492775_23037698.PDF.
  10. Прохоров А., Лысачев М. Научный редактор профессор Боровков А Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт. Издание первое, исправленное и дополненное изд. М.: ООО«АльянсПринт», 2020. 401 с.
  11. Разработка и применение цифрового двойника машиностроительного технологического процесса // Вестник машиностроения. 2019. № 9. С. 37-43.
  12. Семенов П. В. Концептуальная модель реализации технологии "цифровых двойников" для предприятий нефтегазового комплекса // Газовая промышленность. 2019. № 7(787). С. 24-30.
  13. Соломонов А. П. Автоматизированные информационно-аналитические системы в управлении финансовыми ресурсами на предприятиях // Региональные проблемы преобразования экономики. 2019. №11 (109). С. 319-322.
  14. Стародубцева Е. Д. Цифровая трансформация подходов к мониторингу системы менеджмента качества на промышленном предприятии // Национальная концепция качества: государственная и общественная защита прав потребителей: Сборник тезисов докладов международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 30 сентября – 01 2019 года / Под редакцией Е.А. Горбашко. – Санкт-Петербург: Общество с ограниченной ответственностью "Редакционно-издательский центр "КУЛЬТ-ИНФОРМ-ПРЕСС", 2019. С. 175-178.
  15. Старожук Е. А. Анализ основных рисков снижения эффективности деятельности промышленных предприятий при внедрении цифровых двойников в автоматизированную систему управления жизненным циклом продукции // Вопросы инновационной экономики. 2020. Т. 10. № 3. С. 1381-1392.
  16. Хасцаев Б. Д. Автоматизация и планирование процессов производства на предприятиях // Национальная Ассоциация Ученых. 2020. № 61-1(61). С. 17-21.

Интересная статья? Поделись ей с другими: