Алексей Боровков выступил в МГУ имени М. В. Ломоносова на X Международной конференции «Суперкомпьютерные дни в России» с докладом «Цифровой инжиниринг: разработка цифровых двойников и цифровая сертификация промышленных...

23 сентября 2024 года проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (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 Алексей Боровков выступил на пленарной секции X Международной конференции «Суперкомпьютерные дни в России» с докладом

• «Цифровой инжиниринг: разработка цифровых двойников и цифровая сертификация промышленных изделий».

Ежегодно Конференция собирает широкий круг представителей науки, промышленности, бизнеса, образования, государственных органов, учащихся – всех тех, кто связан с разработкой или использованием суперкомпьютерных технологий, больших данных, квантовых вычислений, технологий глубокого обучения, искусственного интеллекта, математического моделирования, систем хранения данных, сетевых технологий.

Деловая программа X Международной конференции «Суперкомпьютерные дни в России» включала пленарные и секционные заседания, выставку, тренинги и мастер-классы, круглые столы, специализированные семинары и многие другие мероприятия.

Участники пленарной секции

Модератор:

• Воеводин Владимир Валентинович, директор Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ им. М.В. Ломоносова, член - корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор;

Спикеры:

• Боровков Алексей Иванович, 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, профессор;
• Палташев Тимур Турсунович, доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной техники Университет ИТМО;
• Наумов Александр Андреевич, представитель компании Cloud.ru (ООО «Облачные технологии»);
• Московский Александр Александрович, генеральный директор группы компаний РСК;
• Пашнин Александр Валерьевич, руководитель отдела по внедрению и эксплуатации Суперкомпьютерных решений компании «АМДтехнологии».

В начале выступления проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков представил Экосистему технологического развития СПбПУ, деятельность которой направлена на комплексное изучение, развитие и применение технологий системного цифрового инжиниринга в разных научных областях и высокотехнологичных отраслях, включая взаимодействие с индустриальными партнерами по решению фронтирных инженерных задач, совершенствование системы инженерного образования, выполнение фундаментальных исследований и прикладных разработок мирового уровня, экспертно-аналитическая, нормативно-правовая и научно-образовательная деятельность.

Экосистема технологического развития СПбПУ представлена пятью федеральными структурами, сформированными по результатам побед в конкурсах Минобрнауки России:

– Передовая инженерная СПбПУ «Цифровой инжиниринг»,

– Научный центр мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии»,

– Центр компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии»,

– Инфраструктурный центр НТИ «Технет»,

– Центр трансфера и импортозамещения передовых цифровых и производственных технологий СПбПУ.

Алексей Иванович осветил основные показатели деятельности структур Экосистемы технологического развития СПбПУ и подчеркнул, что общий объем реализованных НИОКР с лидерами высокотехнологичных отраслей промышленности России составляет более 10 млрд рублей, из которых примерно одна треть – государственные гранты, а две трети – внебюджетные финансовые средства индустриальных партнеров.

• «В основе нашей деятельности лежит высокотехнологичный мультидисциплинарный подход – системный цифровой инжиниринг – к проектированию изделий, основанный на технологии цифровых двойников, которая включают в себя цифровые модели изделия (системы математических и компьютерных моделей, прошедших процедуры верификации и валидации, обладающих высоким уровнем адекватности изучаемым изделиям, явлениям и процессам) и двусторонние информационные связи с изделием и / или его составными частями.
• Цифровые двойники формируются и наполняются содержательной информацией на всех стадиях жизненного цикла изделия, но наибольшую эффективность цифровые двойники показывают, если применяются на этапе разработки, так как позволяет одновременно вести несколько траекторий проектирования, ориентируясь на подход "обобщенного генеративного дизайна" и в итоге разрабатывать изделие "за гранью интуиции, знаний и опыта главного конструктора".
• Ключевым элементом технологии цифровых двойников является матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. Балансировка матрицы аналогично сборке кубика Рубика с помощью цифровых испытаний, цифровых испытательных стендов и полигонов позволяет удовлетворить всем требованиям и найти оптимальную конфигурацию изделия. Данные о требованиях, целевых показателях и ресурсных ограничениях содержатся в цифровом ТЗ. 
  Часто при работе с матрицей требований инженерам становится ясно, что какое-либо требование является избыточно жестким, так как не оказывает влияние на всю техническую систему в целом и на 100%-достижение требований и целевых показателей. Поэтому можно обосновать корректный, а не оценочный, уровень реализации первоначально избыточного требования.
  Таким образом, данный подход обеспечивает наглядное отображение результатов проектирования, фактически, обеспечивает управление требованиями, управление изменениями и конфигурациями, которые все вместе приводят к снижению консервативности решений и принятию обоснованных инженерных решений, что позволяет  сократить себестоимость разработки изделий и сократить время вывода продукции на рынок»,
  – пояснил спикер.

Наукоемкие проекты в интересах индустриальных партнеров и НИР государственного значения реализуются на Цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®, разработанной и применяемой в соответствии с ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения».

Команда специалистов Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» под руководством Алексея Боровкова внесла значительный вклад в разработку и выпуск Национального стандарта ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения». Документ утвержден Росстандартом в сентябре 2021 года и действует в России с 1 января 2022 года, а 24 ноября 2023 года вошёл в перечень взаимно признаваемых стандартов между Китайской Народной Республикой и Российской Федерацией, в качестве экспертов с китайской отрасли выступили представители отрасли авиастроения, включая БПЛА.

• «В процессе утверждения этого стандарта в России, руководитель Росстандарта Антон Шалаев неоднократно обращал внимание, что "в России впервые в мире разработан ГОСТ по технологии цифровых двойников, охватывающий их разработку на всех стадиях жизненного цикла изделия". Стандарт определяет основные положения технологии цифровых двойников и закрепляет определения 11 ключевых терминов, используемых в технологии цифровых двойников.Национальный стандарт прошел согласование с представителями 50 предприятий высокотехнологичной промышленности и заложил фундаментальные основы для формирования отраслевых стандартов в области цифровых двойников, имеет высокую степень актуальности и в полной мере отвечает национальным целям развития экономики и промышленности страны.
• Ежегодно Россия предоставляет для независимой международной оценки около 40 стандартов и ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения» был принят в Китайской Народной Республике с первого раза. Утверждение стандарта и признание его в Китае – это важный шаг для развития технологии цифровых двойников и признание нашего успешного многолетнего опыта работы по этой тематике на международном уровне. Понятно, что полученные результаты вносят достойный вклад в обеспечение технологического суверенитета и направлены на достижение национальной цели – технологического лидерства»,
  – заключил проректор по цифровой трансформации СПбПУ.

В дополнение к стандарту специалисты Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» разработали онлайн-курс «Цифровые двойники изделий», доступный на платформе «Открытое образование». Курс уже успешно завершили четыре потока слушателей из 210 промышленных, научных и образовательных организаций.

Далее спикер представил Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® и подчеркнул, что она является уникальной разработкой инженеров СПбПУ, которая не имеет аналогов в мире по функциональности, адаптивности и производительности:

• «В настоящий момент на Цифровой платформе CML-Bench^® представлена 331 тысяча цифровых и проектных решений. Как правило, цифровых решений в 10 раз больше, чем проектных, так как цифровые решения в виде цифровых испытаний служат для нахождения обоснованных рациональных конфигураций высокотехнологичных изделий. Цифровые испытания представляют собой результаты математического и компьютерного моделирования, зачастую – и суперкомпьютерного моделирования. Проектные решения – это уже обоснованные цифровыми испытаниями решения, которые идут в основу РКД и должны обеспечивать изделию прохождение всех необходимых испытаний с первого раза, так уже выполнена программа цифровых испытаний, включая цифровые испытания на цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах (ВИС и ВИП).
• Все эти данные представлены в единой цифровой среде платформы и обеспечивают капитализацию знаний поколений инженеров, полученных в процессе участия в сотнях наукоемких проектов в разных отраслях промышленности за многие годы. Тем самым решается ещё одна важнейшая задача – задача преемственности поколений инженеров, передачи знаний, опыта, технологий от предшественников последователям, фактически, мы можем говорить о принципиально новой системе управления знаниями и компетенциями.
• Так, например, мы можем открыть на Цифровой платформе CML-Bench^® проект десятилетней давности и ознакомиться со всеми данными, цифровыми и компьютерными моделями, прошедшими процедуры верификации и валидации, результатами цифровых испытаний и вычислениями вне зависимости от смены условий или сотрудников. Цифровая платформа представляет новую систему управления данными, знаниями и компетенциями, обеспечивающую накопление Digital Brainware – этот подход успешно применяется нами много лет для решения актуальных фронтирных инженерных задач высокотехнологичной промышленности России.
• Развитая архитектура платформы, которая включает 170 программных систем и модулей CAx, позволяет осуществлять мультидисциплинарное компьютерное моделирование и высокопроизводительные расчёты для решения широкого задач в интересах разных отраслей и обеспечивать кросс-отраслевой трансфер технологий».

Суперкомпьютерный центр «Политехнический» (СКЦ) представляет вычислительное поле, объединяющее в себе четыре суперкомпьютера, имеет статус центра коллективного пользования и уникальной научной установки. СКЦ является самым мощным и высокопроизводительным центром на Северо-Западе России. Мощности Суперкомпьютерного центра «Политехнический» обеспечивают деятельность Цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® и функционирование Цифровой фабрики «Технет» ПИШ СПбПУ на её основе.

• «Решение актуальных промышленных задач-вызовов требует применения суперкомпьютерных технологий. На Цифровой платформе по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® на протяжении 10+ лет каждые сутки проходят ~ 100 цифровых испытаний, для этого необходимо ~ 57 000 ядро-часов HPC-системы, т.е. "в среднем" каждый час происходит 5 цифровых испытаний, работают ~ 2 400 ядер и ежесуточно генерируется 0,5 Tb содержательных данных (Smart Big Data).
• Благодаря значительному научно-технологическому заделу в цифровом виде (Digital Brainware) и работе на Цифровой платформе CML-Bench^® подразделения Экосистемы технологического развития СПбПУ выполняют около 125 НИОКР ежегодно и обеспечивается одновременная совместная работа на платформе 300 инженеров и специалистов»,
  – дополнил спикер.

Высокопроизводительные вычислительные системы СКЦ могут быть использованы научными коллективами структурных подразделений СПбПУ, исследователями сторонних организаций институтов и организаций Министерства образования и науки Российской Федерации, РАН, других научных, образовательных организаций, промышленных предприятий, индивидуальных предпринимателей и иных лиц, ведущих НИОКР, требующие применения высокопроизводительных вычислительных систем. В 2023 году в Суперкомпьютерном центре «Политехнический» была запущена новая система обработки данных, которая повысила общую производительность центра более чем на 15%.

Проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков отметил, что

• «Как правило, традиционная практика доводки изделия до необходимых требований путем дорогостоящих длительных испытаний опытного образца приводит к тому, значительно растет себестоимость разработки и время вывода продукции на высокотехнологичный рынок. Применение технологии цифровых двойников на этапе разработки высокотехнологичных изделий позволяет перейти к передовому специализированному бизнес-процессу «цифровая сертификация».

Напомним, что термин «цифровая сертификация» в редакции специалистов СПбПУ был утвержден Распоряжением Правительства Российской Федерации № 3113-р «Об утверждении стратегического направления в области цифровой трансформации обрабатывающих отраслей промышленности, относящейся к сфере деятельности Министерства промышленности и торговли РФ и внесении изменений в распоряжение Правительства РФ от 6 июня 2020 г. № 1512-р» от 7 ноября 2023 года.

• «Цифровая сертификация направлена на прохождение натурных испытаний с первого раза благодаря проведению достаточно большого, необходимого и обоснованного количества цифровых (виртуальных) испытаний на цифровых (виртуальных) испытательных стендах и полигонах.
• Триада “цифровые двойники – цифровая сертификация – цифровые платформенные решения” позволяет реализовать разработку высокотехнологичных изделий в рамках новой парадигмы проектирования, которая нацелена на достижение технологического лидерства с помощью передовых цифровых и производственных технологий, а также способствует цифровой трансформации высокотехнологичных отраслей промышленности»,
  – подчеркнул Алексей Иванович.

В продолжение обсуждения перехода к «цифровой сертификации» спикер привел актуальные примеры из новой отрасли беспилотных авиационных систем, которые доказывают несостоятельность прежних методов проектирования и сертификации.

Далее Алексей Боровков подчеркнул важность экспертно-аналитической деятельности по ключевым направлениям промышленности в контексте её цифровой трансформации. Алексей Боровков рассказал об экспертно-аналитических исследованиях подразделений Экосистемы технологического развития СПбПУ, отражающих состояние рынка отечественных и зарубежных программных продуктов и реальные потребностей предприятий в разрезе функциональных возможностей ПО по классам: CAD-, CAE-; САМ- и PLM. В мае 2024 года на конференции «Цифровая индустрия промышленной России» Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» представили результаты проведенных исследований в рамках экспертно-технического сопровождения Дорожной карты развития высокотехнологичной области «Новое индустриальное программное обеспечение».

Отметим, что структурные подразделения ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» – Центр НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» и Инфраструктурный центр «Технет» – включены в перечень соответствующих экспертных организаций согласно протоколу №1 заседания президиума Правительственной комиссии по модернизации экономики и инновационному развитию России от 30 марта 2023 года. Проректор по цифровой трансформации СПбПУ Алексей Боровков входит в состав президиума экспертного совета для проведения научно-технической экспертизы результатов реализации соглашений о намерениях между Правительством Российской Федерации и заинтересованными организациями в целях развития отдельных высокотехнологичных направлений и возглавляет Комитет по направлению «Новое индустриальное программное обеспечение» и «Новое общесистемное программное обеспечение» на основании Распоряжения Правительства Российской Федерации № 1242-р от 16 мая 2023 года.

• «Аналитические исследования позволяют нам системно отслеживать актуальные глобальные тренды рынка индустриального программного обеспечения, анализировать потребности промышленных предприятий и предоставлять необходимые данные в органы государственной власти для формирования актуальной научно-технологической повестки и своевременного ответа на вызовы в этом направлении»,
  – заключил Алексей Иванович.

В заключение Алексей Боровков рассказал о значимых проектах, реализованных совместно с индустриальными партнерами с помощью технологии цифровых двойников, среди которых

• разработка цифрового двойника авиационного двигателя ТВ7-117СТ-01 для АО «ОДК-Климов»;
• трехлетний проект государственного значения по разработке цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата совместно  с ПАО «ОДК-Сатурн» в интересах Министерства промышленности и торговли Российской Федерации;
• разработка цифрового двойника тепловыделяющей сборки (ТВС) ВВЭР-1000 с антидебризным фильтром и перемешивающими решетками для АО «ТВЭЛ» (входит в Госкорпорацию «Росатом»).

• «В контексте достижения технологического лидерства технология цифровых двойников способна не только обеспечить выпуск конкурентоспособной высокотехнологичной продукции на рынок в сжатые сроки при максимальной экономической эффективности для производителей, но и трансформировать процесс проектирования новых более совершенных конструктивных вариантов изделия, а также сформировать множество проектных решений для обеспечения гарантированного зарезервированного развития отраслей путем их вывода на рынок в зависимости от складывающейся конъюнктуры рынка»,
  – подвел итог Алексей Иванович.

В рамках пленарной секции спикеры затронули применение суперкомпьютерных технологий для оптимизации систем искусственного интеллекта, технологические и организационные вопросы эффективности работы суперкомпьютеров, создание энергоэффективной вычислительной инфраструктуры для передовых научных исследований и альтернативные решения для сложных вычислений.