27 мая 2020 года проректор по перспективным проектам СПбПУ, лидер (соруководитель) рабочей группы «Технет» НТИ, руководитель Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», руководитель Инжинирингового центра CompMechLab® СПбПУ Алексей Боровков выступил в онлайн-формате с визионерской лекцией для руководителей АО «Группа „Илим“» – крупнейшей российской целлюлозно-бумажной компании. Выступление было посвящено теме «Технологии цифрового проектирования и моделирования (SmartDesign), цифровые двойники (DigitalTwin), цифровые тени (DigitalShadow).
В начале лекции Алексей Иванович сделал краткий экскурс в историю промышленных революций. Он отметил, что каждая новая промышленная революция характеризуется появлением новых видов деятельности и новых организационных структур, что в итоге приводит к более масштабным трансформациям, а именно – к изменению технологии мышления. «Четвертая промышленная революция, в рамках которой мы живем и работаем, отличается тем, что сближает материальный и цифровой миры. На пересечении этих миров создается цифровой двойник (DigitalTwin), который становится технологией и более того – драйвером устойчивого экономического развития компаний», – сказал Алексей Боровков.
Алексей Иванович представил уровни цифровой трансформации компаний (на основании материалов IDC, International Data Corporation). На уровне 1 (эпизодический) компания сопротивляется цифровой трансформации, ее бизнес и IT-стратегия не связаны друг с другом, не соответствуют корпоративной стратегии и не ориентированы на требования клиентов. На уровне 2 (ситуативный) компания признает необходимость разработки клиентоориентированной бизнес-стратегии на основе цифровых технологий, но ее применение ограничено рамками отдельных проектов. На уровне 3 (стандартный) компания осуществляет цифровую трансформацию: цели бизнес- и IT-стратегий взаимоувязаны и заключаются в создании продуктов и обеспечении уровня обслуживания клиентов за счет применения цифровых технологий. Эти цели, однако, никак не учитывают прорывной потенциал, которым обладают цифровые технологии. На уровне 4 (продвинутый) компания успешно осуществляет цифровую трансформацию: благодаря интеграции и синергии принципов управления из бизнес- и IT-стратегий, компания на постоянной основе создает продукты и услуги за счет применения цифровых технологий. Наконец, на уровне 5 (прорывной) компания постоянно осуществляет цифровую трансформацию: она активно использует прорывные методы внедрения цифровых технологий и создания бизнес-моделей, меняющих рынки. Результат уровня 5: компания переформатирует существующие рынки и создает новые рынки «под себя», становится безоговорочный лидером, который постоянно движется вперед и которого стремятся догнать конкуренты.
В качестве примера перехода на новый технологический этап развития Алексей Иванович привел в пример Германию. В 2011 году для повышения конкурентоспособности немецкой промышленности в этой стране была запущена программа Индустрия 4.0. Эта программа подразумевает переход от встроенных систем (embeddedsystems) к киберфизическим системам (cyber-physicalsystems) управления, соединяющим реальные объекты с информационными процессами или виртуальными объектами через информационные сети и интернет. Алексей Боровков отметил: «Германия длительное время готовила почву для перехода на Индустрию 4.0, проводя цифровизацию различных направлений экономики. В России этот подготовительный этап не был проведен. Но уже очевидно, что для компаний, работающих на глобальном высокотехнологичном рынке, нет другого пути, кроме как в Индустрию 4.0».
Алексей Иванович подчеркнул, что в условиях IV промышленной революции на первый план выходит конкуренция экосистем. Он рассказал о том, что в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого создана уникальная инновационная экосистема, в которую входят Институт передовых производственных технологий СПбПУ, Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» и группа высокотехнологичных спин-аут компаний CompMechLab®.
Институт передовых производственных технологий СПбПУ с 2016 года развивает в России концепцию «Фабрики Будущего» (FactoriesoftheFuture, FoF). «Фабрики Будущего – это тотальная цифровизация производственных процессов и производство в кратчайшие сроки глобально конкурентоспособной продукции. Ключевой инструмент и одновременно продукт Фабрик Будущего – цифровые платформы, а также цифровые двойники. На Западе крупнейшие компании-лидеры используют эту концепцию уже более 10 лет. Она является самым эффективным ответом на вызовы IV промышленной революции», – пояснил Алексей Иванович.
Затем Алексей Боровков рассказал о ключевых направлениях деятельности, имеющихся компьютерных ресурсах и компетенциях мирового уровня Центра НТИ СПбПУ. Он отметил, что Центр является лидером в сфере разработок наукоемких и мультидисциплинарных технологий, конструкций, оборудования и продуктов на основе передовых производственных технологий (цифрового проектирования и моделирования, компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга, компьютерных технологий оптимизации и аддитивных технологий). Особое внимание он уделил развитию консорциума Центра НТИ СПбПУ: «По состоянию на май 2020 года консорциум насчитывает 74 участника и более 25 компаний-партнеров. Такая партнерская сеть дает возможность в сжатые сроки реализовывать масштабные проекты и решать сложные мультидисциплинарные задачи через объединение уникальных компетенций и ресурсов».
Алексей Иванович подчеркнул, что достижение лидирующих позиций в сфере передовых производственных технологий – одно из ключевых направлений стратегии развития Политехнического университета как глобально конкурентоспособного научно-образовательного центра.
«В 2015 году Политехнический университет был включен в реализацию Национальной технологической инициативы – стратегического вектора технологического развития России. В 2019-м году, совместно с более чем 230 экспертами из 125 организаций и компаний мы разработали основополагающий документ – дорожную карту по развитию «сквозной» цифровой технологии «Новые производственные технологии», утвержденную Правительственной комиссией, для реализации в рамках федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика». Дорожная карта используется в качестве главного ориентира для оказания мер государственной поддержки и создает условия для системного и качественного развития цифровых технологий», – пояснил Алексей Боровков. Он также отметил, что СПбПУ – инициатор разработки и участник реализации дорожной карты «Технет» (передовые производственные технологии) НТИ. Научный и технологический задел Политехнического университета, а также мегапроект «Фабрики Будущего», инициатором которого он выступает, легли в основу формирования дорожной карты «Технет».
Алексей Иванович рассказал о том, что по направлению «Технет НТИ» в декабре 2018 года Центр НТИ СПбПУ и Объединенная двигателестроительная корпорация утвердили дорожную карту сотрудничества «Технет НТИ – ОДК». Стороны договорились осуществлять взаимодействие по созданию «умных» цифровых двойников двигателей и внедрению инновационных технологий по всему жизненному циклу продуктовых программ корпорации и ее дочерних предприятий. Также в рамках сотрудничества предполагается проведение обучения специалистов ОДК в Центре НТИ СПбПУ для формирования компетенций в области Индустрии 4.0, в том числе цифрового проектирования и моделирования, новых материалов и передовых производственных технологий.
Затем Алексей Боровков перешел к детальному представлению новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования на основе разработки и применения «умных» цифровых двойников (Smart Digital Twin). Алексей Иванович подробно рассказал об инструментах цифровой трансформации: цифровом двойнике (Digital Twin), «умном» цифровом двойнике (Smart Digital Twin), цифровой тени (Digital Shadow), «умной» цифровой тени (Smart Digital Shadow) (читайте подробнее на эту тему – эксклюзивное интервью А.И. Боровкова для третьего номера ежеквартального дайджеста Центра НТИ СПбПУ «Цифровые двойники: мифы и реальность»).
Алексей Иванович отметил, что разработка цифрового двойника начинается в момент появления идеи о разработке нового продукта. Цифровой двойник – это технология-интегратор: он формируется на основе применения «сквозных» цифровых технологий (компоненты робототехники и сенсорика, технологии виртуальной и дополненной реальности, искусственный интеллект, системы распределенного реестра, технологии беспроводной связи и новые производственные технологии).
Для создания цифрового двойника используются исключительно best-in-class технологии мирового уровня, применяется системный инжиниринг и его современная версия – ModelBasedSystemEngineering 2.0. «Ключевой составляющей цифрового двойника является многоуровневая матрица требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, где происходит процесс рациональной балансировки всех конфликтующих между собой показателей и ресурсных ограничений (временных, финансовых, технологических, производственных, экологических и др.). Важный этап разработки цифрового двойника – применение технологий оптимизации – многокритериальных, многопараметрических, многодисциплинарных и др., – пояснил Алексей Боровков. – Итогом этой работы, а также проведения многочисленных виртуальных испытаний с использованием виртуальных стендов и полигонов становится построение нескольких траекторий проектирования, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Один из разработанных цифровых двойников выводится на рынок, другие – «сидят в засаде» до момента, когда сложится необходимая рыночная конъюнктура. Так формируется гарантированное зарезервированное развитие компании, ее устойчивый экономический рост».
Алексей Иванович представил уникальную разработку Центра НТИ СПбПУ – Цифровую платформу разработки цифровых двойников CML-Bench™, удостоенную в 2017 году Национальной промышленной премии Российской Федерации «Индустрия». Эта платформа позволяет управлять процессами цифрового проектирования, мультидисциплинарного математического моделирования и оптимизации, процессами генерации, хранения, обработки, передачи и защиты больших данных (в первую очередь «умных» – Smart Big Data), ресурсами высокопроизводительных вычислительных систем (HPC-Hardware), десятками best-in-class компьютерных технологий (CAE-Software) и, конечно, Digital Brainware (цифровая платформа CML-Bench™ содержит более 175 000 проектных решений из многих высокотехнологичных отраслей промышленности, сформированных в ходе выполнения реальных проектов).
«Цифровая платформа CML-Bench™ для распределенной разработки цифровых двойников позволяет в процессе цифрового проектирования и моделирования выполнять десятки и сотни тысяч виртуальных испытаний на специализированных виртуальных стендах и полигонах. В этих работах одновременно принимают участие сотни инженеров. В итоге цифровая платформа CML-Bench™ позволяет осуществлять рациональную балансировку ~ 125 000 требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, что, безусловно, является фундаментальной характеристикой, обеспечивающей глобальную конкурентоспособность продукции», – пояснил Алексей Боровков.
Алексей Иванович привел в пример проекты, выполненные инженерами Центра НТИ СПбПУ и ГК CompMechLab®: проект «Кортеж»/AURUS, головной исполнитель ФГУП «НАМИ», – разработка кузова единой модульной платформы; разработка Вибросита – основного элемента системы очистки бурового раствора (ТВЭЛ/Росатом). На их примере он продемонстрировал эффективность применения российской цифровой платформы CML-Bench™.
Также Алексей Иванович отметил, что платформа CML-Bench™ обеспечивала и продолжает обеспечивать эффективную и бесперебойную работу инженеров Центра НТИ СПбПУ в течение всего режима самоизоляции, и привел статистику работы команды за 8 недель (с 30 марта по 24 мая 2020 года):
Четырехчасовая лекция вызвала большой интерес у слушателей. Они задали много уточняющих вопросов и обратились к Алексею Боровкову за дополнительными комментариями.
Так, слушатели лекции интересовались:
Разработка какой технологии позволит быть конкурентными на рынке IT-технологий? – «Работая активно с промышленностью, я понимаю, что сейчас ключевой технологией – причем, интегратором, драйвером – является технология цифровых двойников. Для того чтобы владеть этой технологией, нужно работать с мировыми компаниями и видеть на реальных примерах, как цифровые двойники позволяют создавать конкурентные преимущества. Процесс следующий: вначале необходимо быть вровень с технологическим фронтиром, затем – сделать технологический отрыв, а после этого – выйти на технологическое превосходство, то есть нужно убегать быстрее, чем тебя догоняют. Технология цифровых двойников именно это и позволяет сделать».
Кем должен быть руководитель цифровых проектов в компании – хорошим управленцем, инженером или математиком? – «Когда речь идет о создании высокотехнологичной продукции, чрезвычайно важным является понимание процессов разработки этой продукции, и для этого базовое образование, конечно, должно быть инженерным. Другое дело, что дальше на это нанизываются менеджерские функции, управление логистикой, ценообразованием. И в таком случае на первый план выходит подход ModelBasedSystemEngineering 2.0, о котором я говорил. Пример – проект «Северный морской транзитный коридор», в котором цель – обеспечить на две недели быстрее доставку из Азиатско-Тихоокеанского региона в Роттердам, чем через Суэцкий канал».
Каким образом определяется необходимый уровень глубины моделирования (детализации реальных процессов) для цифрового двойника? – «Ключевым элементом является валидация. Стандарт для валидации был разработан в середине 1990-х годов в США, в первую очередь – в NASA. Когда сотрудники NASA убедились, что более 75% их расчетов аэродинамики не соответствуют действительности, то поняли, что необходимы изменения. Появились термины Verification и Validation. Verification – термин, связанный с программным обеспечением и его сертификацией, за него несет ответственность разработчик. Validation – зона ответственности инженера, процесс, когда сравниваются результаты численного моделирования с результатами натурных экспериментов. Если экспериментальные данные отсутствуют, можно считать, что мы ничего не знаем о процессе, и необходимо поставить эксперименты. Цифровой двойник может указать, какие датчики и где поставить, какие эксперименты провести».
Можно ли на основании цифровой тени создать цифровой двойник? – «Это будет очень приблизительный подход, он называется «обратная задача». Мы выборочно ставим тысячи датчиков и по вторичным признакам наблюдаем за процессом, получаем фрагментарные данные, с помощью которых хотим описать сложные процессы. В результате только накапливаем терабайты мусорных данных. Важно понимать, что цифровая экономика – это, среди прочего, экономика данных, и ключевым этапом в ней является генерация Smart Big Data, то есть содержательной информации. В этом нам помогает цифровой двойник. Он, как я уже говорил, обладает предсказательным потенциалом и может определить критические зоны и характеристики на всех этапах жизненного цикла объекта».