Когда цифровой дублер будет играть главную роль

Впервые идею цифровых двойников начали использовать в авиакосмической промышленности. Массово термин «digital twins» начал применяться с 2003 года после публикации статьи профессора Технологического университета Флориды Майкла Гривза.

Цифровой двойник – это виртуальный прототип реального объекта или процесса. Получая информацию с помощью устройств IIoT, «цифровой близнец» дает рекомендации по оптимизации режима эксплуатации и эффективному управлению реального объекта. Особенностью является непрерывный сбор и анализ информации на протяжении всего жизненного цикла физического оригинала, что позволяет не только быстро решать возникающие проблемы, но и предотвращать появление.

Эксперты выделяют три типа двойников:

• прототип (Digital Twin Prototype)

Цифровой аналог реального физического объекта. Он содержит полную информацию по продукту начиная со стадии проектирования. 3D-моделирование объекта, требования к производству, описание технологических процессов, требования утилизации и т.п.

• экземпляр (Digital Twin Instance)

Включает в себя данные по мониторингу физического объекта. Это сбор информации с датчиков, которые установлены на оборудовании, что позволяет автоматически контролировать и прогнозировать поведение этого оборудования.

• агрегированный двойник (Digital Twin Aggregate)

Система, которая объединяет цифровые двойники с физическими прототипами. Такие системы часто применяются для обучения персонала, с ее помощью можно получить реальную практику и видеть результат действий на виртуальной модели.

Где востребованы digital twins и как они влияют на бизнес-процессы?

Одной из первых интерес к цифровым двойникам начала проявлять нефтяная отрасль. Здесь всегда используются передовые технологии, в том числе по причине растущей конкуренции со стороны альтернативных источников энергии.

Британо-голландская компания Shell работает в Северном море и участвует в проекте по созданию виртуального дублера морской платформы. Проект включает в себя разработку модели платформы, которая будет использовать данные от датчиков для мониторинга состояния платформы и прогнозирования ее будущего состояния. Уже несколько лет активно осваиваются системы «smart oil field», которые состоят из искусственного интеллекта, IIoT и big data. Использование технологий позволило Shell увеличить общий коэффициент извлечения газа на 5%, а нефти на 10% и начать разработку скважин, которые были нерентабельными из-за отдаленного расположения.

Масштабным кейсом внедрения технологии цифровой копии в Казахстане стал проект КазМунайгаза. В направлении Разведка и Добыча КМГ внедряет концепцию «Интеллектуального месторождения». В Казгермунай налажен сбор всех производственных показателей в режиме реального времени, автоматизирована цепочка: начиная от скважины и заканчивая пунктом сдачи. На основе данных принимаются управленческие и производственные решения, и достигается снижение операционных затрат до 5-7%. По итогам реализации проекта достигнуто снижение фактических неплановых потерь от простоев с 4739 до 981 (за три квартала 2020) тонн нефти, время простоя оборудования снижено в 6,5 раз в год.

Самый крупный рынок digital twins в энергетическом секторе находится в США. Основу электроэнергетики США составляют электростанции, которые работают на угле и газе, изначально рассчитанные на базовую нагрузку. Хотя они предназначены для постоянной работы, гибкий режим эксплуатации приводит к значительным тепловым, механическим и химическим нагрузкам. Для решения этих проблем национальная лаборатория энергетических технологий (NETL) Министерства энергетики США и ее партнеры разработали цифровой двойник, который имитирует электростанцию, использующую парогазовую установку. Проект направлен на оптимизацию проектирования сенсорной сети (расчет оптимального размещения, количества и типа датчиков), управление процессами и операционные стратегии для повышения производительности, гибкости и мониторинга состояния электростанции.

Австралийская компания AGL внедрила технологию двойника для оптимизации работы электростанции. Будучи владельцем крупнейшей электростанции в Южной Австралии, AGL является критически важным активом в стране. Станция сжигает природный газ для выработки пара, что приводит в действие восемь турбин для генерации электроэнергии. Внедрение виртуальной модели электростанции планировалось как для обучения операторов, так и для обеспечения эффективного решения проблем, связанных с отказами и неисправностями, с возможностью расследования причин сбоев. В качестве приложения для моделирования технологического процесса AGL выбрала Yokogawa Plant Simulator от компании Yokogawa Australia & New Zealand, которая более 20 лет разрабатывает высокоточные динамические симуляторы для процессного машиностроения.

В железнодорожной отрасли тоже активно осваивают digital технологии. Компания General Electric одной из первых представила разработки в этой области, создав двойник своего локомотива серии Evolution (Trip Optimizer) который позволяет оптимизировать поездку на основе данных с датчиков, непрерывно собираемых в процессе эксплуатации. Датчики могут контролировать до 250 параметров, включая вибрации, температуру двигателя, деформации и давление в ключевых точках. Набор алгоритмов обрабатывает данные и сообщает о возможных проблемах диспетчерам. Компания считает, что виртуальный двойник поможет клиентам General Electric сэкономить 8–10% на топливе и снизить выбросы на 174 тыс. тонн в год. Кстати, в рамках программы цифровых железных дорог, между GE Transportation и Казахстан темир жолы в 2018 году был подписан договор о внедрении системы Trip Optimizer.

Другой пример связан с использованием цифрового двойника в компании, которая занимается повышением безопасности на железных дорогах Дании. Компания-разработчик Furgo будет производить сканирование с использованием лидаров (метод дистанционного зондирования) на борту поездов, создавая виртуальную копию всей инфраструктуры, собирая информацию о путях и объектах вдоль железнодорожного коридора. Информация, собираемая в единое хранилище, будет использоваться для технического обслуживания, прогнозирования и оптимизации ремонтных, управления активами, ландшафтного дизайна и для оказания помощи в работе строительных и сигнальных групп.

Цифровые двойники основываются на целом ряде эволюционирующих технологий, поэтому их развитие напрямую связано с ростом возможностей этих технологий. Аналитики Deloitte прогнозируют, что к 2021 году мировой рынок виртуальных близнецов достигнет 16 млрд. долларов.

«Цифровые двойники могут существенно усилить способность предприятий принимать проактивные решения на базе данных, повысить эффективность их деятельности и избавить от потенциальных проблем, – говорится в отчете Deloitte. – Они также могут предоставить возможность безопасным и экономным образом прорабатывать сценарии что-если, то есть по сути дела экспериментировать с будущим».

Не стоит забывать и о том, что будучи встроенными в объекты повышенной важности (например, атомные электростанции) цифровые двойники будут иметь большую уязвимость. Опасность кибератак и утечек информации может быть сдерживающим фактором для цифровизации производства.