Сотрудниками Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» и Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» в партнерстве с Инфраструктурным центром НТИ по направлению «Технет» СПбПУ выпущена монография «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности»– уникальное издание, объединившее в трех главах многолетние отечественные и зарубежные исследования, аналитические и экспертные материалы по одному из основных трендов IV промышленной революции и ключевых направлений развития цифрового инжиниринга (Digital Engineering) – разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) в целях создания в кратчайшие сроки глобально конкурентоспособной, наукоемкой и высокотехнологичной продукции.
Монография является развитием и расширением одноименного краткого доклада (сентябрь 2019 г.) и обзора «Цифровые двойники: вопросы терминологии» (декабрь 2021 г.), а также ряда статей, опубликованных в 2017–2022 гг.
В монографии «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности» 492 стр., 169 рисунков, 14 таблиц. Библиография включает 825 источников.
Монография подготовлена специалистами СПбПУ, Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Центра компетенций Национальной технологической инициативы «Новые производственные технологии» совместно с инженерами ведущего отечественного Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ, обладающими многолетним успешным опытом выполнения НИОКР по заказам предприятий высокотехнологичной промышленности наукоемких отраслей, под общим руководством проректора по цифровой трансформации СПбПУ, руководителя ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», профессора Алексея Ивановича Боровкова.
В авторский коллектив вошли аналитики ПИШ СПбПУ Ю. А. Рябов, Л. А. Щербина, Е. Р. Мартынец, А. А. Корчевская, А. Т. Хуторцова, К. В. Кукушкин, А. А. Гамзикова.
Рецензенты:
- заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор СПбПУ И. Л. Туккель,
- заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор СПбПУ Ю. Я. Болдырев.
Монография «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности» представляет собой результат комплексного исследования различных аспектов развития цифровых двойников. Рассмотрены как примеры определений и трактовок термина «цифровой двойник» зарубежных и отечественных специалистов и высокотехнологичных компаний, так и подход к созданию цифровых двойников высокотехнологичных изделий промышленности, опирающийся на уникальный опыт выполнения проектов инженерами и учеными СПбПУ. Подчеркнуто, что разработка и применение цифровых двойников обеспечивает промышленным компаниям переход на новый уровень технологического развития, позволяет в кратчайшие сроки создавать глобально конкурентоспособную продукцию нового поколения и способствует достижению лидирующих позиций на мировых рынках.
«Цифровые двойники – это, прежде всего, математические и компьютерные модели высокого уровня адекватности реальным материалам, физико-механическим и технологическим процессам, изделиям, машинам, конструкциям.
Цифровые двойники позволяют описывать и изучать с высокой степенью точности поведение изделия во всех возможных ситуациях и на всех стадиях жизненного цикла, включая нарушения нормальных условий эксплуатации и аварийные ситуации. Именно цифровые двойники могут указать критические зоны в изделии и критические характеристики, где целесообразно размещать те или иные датчики для измерения критических характеристик, например, на этапе сертификации высокотехнологичных изделий. <…>
Наш опыт говорит о том, что у мировых высокотехнологичных лидеров, с которыми мы работаем более двадцати лет, в настоящее время большая часть продукции разработана и хранится в цифровых двойниках и на цифровых платформах. То есть высокотехнологичный продукт представлен полномасштабной цифровой моделью, зачастую представляющей собой систему сотен взаимосвязанных математических и компьютерных моделей, учитывающих все особенности изготовления и поведения высокотехнологичного изделия, а потому разработанное изделие "готово к материализации" за 1–2 месяца и в тот момент, когда этого требует конъюнктура рынка.
Это значительно меняет структуру интеллектуальной собственности, она "уходит" в наукоёмкие интеллектуальные ноу-хау и, соответственно, хранится, "капитализируется" в цифровом виде – в цифровых двойниках на цифровых платформах.
Происходит цифровая трансформация бизнес-процессов и бизнес-моделей, и ключевым понятием, мейнстримом в цифровой экономике и в промышленности, которое интегрирует и робототехнику, и промышленный интернет, и большие данные, и искусственный интеллект и машинное обучение становится технология-интегратор – цифровые двойники.
Для одновременной разработки цифровых двойников изделий в разных отраслях высокотехнологичной промышленности, соответственно, для одновременной и согласованной работы сотен инженеров, необходима программно-технологическая платформа, например, цифровая платформа разработки и применения цифровых двойников CML-Bench®.
Именно на цифровой платформе CML-Bench® происходит "капитализация" результатов интеллектуальной инженерной деятельности, разработанных математических и компьютерных моделей, результатов их верификации и валидации, оценки уровня адекватности моделей, разработанных специализированных цифровых (виртуальных) испытательных стендов и полигонов, результатов цифровых (виртуальных) испытаний, которые послужили основой для принятия обоснованных решений в процессе проектирования изделий.
Фактически, цифровая платформа CML-Bench® – это принципиально новая система управления знаниями и компетенциями, или, подробнее, система управления требованиями, изменениями, конфигурациями, математическими, компьютерными и цифровыми моделями, процессами верификации, валидации, оценки уровня адекватности моделей, результатами цифровых (виртуальных) испытаний, выполненных, в том числе, с применением разработанных цифровых (виртуальных) испытательных стендов и полигонов.
Принципиально важно, что цифроваяплатформа разработки и применения цифровых двойников CML-Bench® позволяет организовать специализированный бизнес-процесс – "цифровую сертификацию", который с каждым годом будет становиться всё более актуальным для высокотехнологичной промышленности, чтобы с наименьшими финансовыми и временными затратами проходить важнейший этап вывода инновационной продукции на конкурентные рынки – этап сертификации.
«Цифровая сертификация» – специализированный бизнес-процесс, основанный на сотнях / тысячах / десятках тысяч цифровых (виртуальных) испытаний как отдельных компонентов, так и системы в целом на цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах, целью которого является прохождение с первого раза всего комплекса натурных, сертификационных и прочих испытаний».
проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» и Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ
А. И. Боровков
Определение «цифровой сертификации», предложенное Центром НТИ СПбПУ, закреплено в Распоряжении Правительства РФ от 7 ноября 2023 г. № 3113-р об утверждении стратегического направления в области цифровой трансформации обрабатывающих отраслей промышленности, относящейся к сфере деятельности Министерства промышленности и торговли РФ. |
«Цифровой двойник – это уже не просто совокупность математических моделей, которые позволяют выполнить методологические исследования либо численное моделирование в процессе разработки, но и возможность определить, почему мы получили тот или иной результат.
Сегодня это реальная технология создания современных конкурентоспособных изделий в заданные сроки и в рамках выделенного финансирования.
На самом начальном этапе проекта мы ориентируемся на решение таких серьезных задач, как себестоимость изготовления продукции и стоимость жизненного цикла, и целевые показатели становятся основой опытно-конструкторской работы, а не определяются эмпирически уже по результатам вывода продукции на рынок».
заместитель генерального директора – генеральный конструктор АО «ОДК»
Ю.Н. Шмотин
«Цифровые двойники – это новая философия, основа четвертой промышленной революции. Но пока наши конструкторские бюро и заводы в недостаточной степени применяют эти технологии. Надо проанализировать, что необходимо для увеличения числа цифровых двойников, их внедрения в производство. В результате у нас будет появляться новая высокотехнологичная продукция».
генеральный директор АО «НПО “Высокоточные комплексы”» с 2022 года, заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации в 2017–2022 годах
О.Н. Рязанцев
«Ключевой целью дальнейшего развития [суперкомпьютерных технологий] станет совершенствование и внедрение новых технологий на основе цифровых двойников изделий. Они обеспечат качественно новый уровень использования вычислений при проектировании, создании и сопровождении на всех этапах жизненного цикла высокотехнологичной продукции».
заместитель директора по приоритетному технологическому направлению, заместитель научного руководителя РФЯЦ-ВНИИЭФ, первый заместитель директора ИТМФ-начальник НИО ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
Р.М. Шагалиев
Методологической основой формирования монографии стал, в первую очередь, масштабный практический опыт Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» и Инфраструктурного центра «Технет» СПбПУ в части разработки и применения передовых цифровых и производственных технологий при реализации проектов по заказам высокотехнологичных промышленных компаний, а также опыт разработки стратегических регламентирующих документов национального уровня, направленных на поддержку передовых цифровых и производственных технологий.
Монография «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности»включает три главы.
В первой главе подробно рассмотрена концепция цифровых двойников: описаны основные этапы возникновения и развития понятия «цифровой двойник», представлены систематический обзор научной литературы и результаты библиометрического анализа научных публикаций по тематике цифровых двойников в промышленности, подходы мировых и отечественных компаний к концепции цифровых двойников, а также авторский подход Центра НТИ СПбПУ к технологии разработки и применения цифровых двойников изделий. Кроме того, в первой главе рассмотрен первый в мире национальный стандарт по теме цифровых двойников изделий ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения».
Вторая глава сфокусирована на описании технологического рынка, возникшего в результате популяризации, развития и расширения технологии цифровых двойников. Представлен фактический объем рынка по состоянию на 2022 год, описаны темпы его роста, приведен прогноз развития рынка, а также описаны ключевые игроки, ведущие деятельность на рынке цифровых двойников. Подготовлен обзор основных направлений развития рынка, в том числе описание трендов, драйверов и барьеров, оказывающих воздействие на процесс его развития.
Третья глава сфокусирована на анализе различных аспектов реализации технологии цифровых двойников. Приведены примеры механизмов и мер поддержки со стороны государств, а также существующие формы сотрудничества различных стейкхолдеров, которые оказывают значительное влияние на темпы развития технологии. Рассмотрено более 20 примеров реализации проектов с использованием технологии цифровых двойников в мире и России. В ходе исследования проанализированы проекты в различных отраслях экономики, таких как авиационная промышленность, автомобильная промышленность, двигателестроение, энергетическое и нефтегазовое машиностроение, добыча полезных ископаемых, строительство и др.
В приложениях представлены определения понятия «цифровой двойник» более 50 мировых и российских высокотехнологичных компаний мировых аналитических и консалтинговых компаний, международных консорциумов, мировых научно-исследовательских и технологических институтов, университетов и центров.
Кроме того, рассмотрено более 10 платформенных решений для разработки цифровых двойников, которые были выведены на рынок мировыми и российскими высокотехнологичными компаниями. В глоссарии приведено более 175 терминов и определений в области цифровых двойников и связанных технологий.
Монография «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности» будет интересна широкому кругу читателей.
Для тех, кто только начинает интересоваться темой передовых цифровых и производственных технологий и цифровых двойников, в монографии найдутся ответы на базовые вопросы о том, что такое цифровые двойники, как зарождалась и формировалась концепция цифровых двойников, каким образом технология цифровых двойников продолжает развиваться в мире на сегодняшний день, а также многие другие вопросы.
Читатели, уже обладающие такими знаниями, смогут развить свое представление о передовой технологии разработки цифровых двойников как технологии-интеграторе и технологии-драйвере развития высокотехнологичной промышленности.
Для представителей менеджмента высшего и среднего звена различных отраслей высокотехнологичной промышленности наибольшую ценность в монографии представляют практические примеры реализации технологии цифровых двойников в мире.
Преподавателям технических университетов, инженерам, а также всем, кто углубленно интересуется теоретическими и практическими вопросами развития цифровых двойников, будет особенно интересна концепция цифровых двойников изделий Центра НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии».
Один из экземпляров монографии «Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности» Алексей Боровков торжественно вручил Специальному представителю Президента Российской Федерации по вопросам цифрового и технологического развития, генеральному директору АНО «Платформа НТИ» Дмитрию Пескову на Пятом международном форуме «Передовые цифровые и производственные технологии».
Специальные экземпляры издания подарены руководителям госкорпораций и высокотехнологичных компаний, промышленных предприятий и их структурных подразделений, представителям органов государственной власти, научно-исследовательских, общественных организаций и университетов, которых связывает давнее и эффективное сотрудничество со структурными подразделениями Экосистемы технологического развития СПбПУ, а также всем индустриальным и научно-образовательным партнерам, заинтересованным в развитии взаимодействия в области научных разработок и совместных высокотехнологичных НИОКР.