Увеличение числа цифровых двойников способствует ускорению и снижению затрат на разработку высокотехнологичной продукции. Об этом в интервью RT рассказал Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг».
По его словам, в ближайшее время цифровые двойники получат активное применение в таких секторах, как нефтегазовая промышленность, атомная энергетика, машиностроение, а также в авиа- и судостроении. Искусственный интеллект играет важную роль в эффективной проверке конечных результатов работы разработчиков, используя нейросети для быстрой обработки данных.
Цифровой двойник представляет собой как технологию, так и её результат, который служит виртуальным отражением реального изделия. В 2022 году был принят национальный стандарт, который разработали специалисты Центра НТИ «Новые производственные технологии» и 25 высокотехнологичных организаций. Этот стандарт определяет цифровой двойник как систему, включающую цифровую модель изделия и двусторонние информационные связи с реальным объектом.
Однако следует отметить, что многие путают понятия «цифровой двойник» и «цифровая тень», что может приводить к недопониманию их функций и роли в технологическом процессе.
Цифровая тень формируется на основе данных, получаемых с работающего объекта. Установка датчиков и использование промышленного интернета позволяют передавать большие объемы информации, что приводит к образованию Big Data.
Эти данные требуют хранения и обработки для извлечения полезной информации, чтобы анализировать состояние объекта и его работу в различных режимах на протяжении длительного времени. Это можно сравнить с медицинской картой человека, где фиксируются изменения здоровья в течение жизни.
Концепция цифровых двойников была предложена в 2002 году профессором Майклом Гривзом из Мичиганского университета. Он утверждает, что цифровые двойники начинают свою жизнь с идеи создания нового продукта.
Технология цифровых двойников позволяет начинать разработки на стадии, когда изделия ещё не существует, учитывая его функциональные, технические, стоимостные и экологические характеристики. Это особенно важно, так как именно на этой стадии закладываются конкурентные преимущества нового продукта.
В современном мире, для создания высокотехнологичного изделия с превосходными характеристиками, необходима технология цифровых двойников. Это также согласуется с определением технологического лидерства Российской Федерации.
Что касается связи искусственного интеллекта с цифровыми двойниками, то нейросети, в частности, помогают оперативно оценивать влияние изменений на конечный результат, что ускоряет разработку и повышает эффективность процессов.
Объединение технологий искусственного интеллекта и цифровых двойников является многообещающим направлением, особенно когда ИИ способен предложить новые решения.
Санкт-Петербургский политехнический университет (СПбПУ) активно реализует проекты, применяя технологии цифровых двойников с 2002 года. Первым значимым проектом стала реконструкция шпиля Петропавловского собора и флюгера «Ангел». В этом проекте специалисты СПбПУ разработали пространственную конечно-элементную модель для анализа воздействия ветровой нагрузки на флюгер, а также элементную модель всего шпиля.
Это дало возможность оценить обоснованность выбора конструктивных решений и материалов, что способствует более точным реконструкциям и сохранению исторических объектов. В феврале 2003 года была успешно собрана система поворотного механизма, и работы были произведены в соответствии с историческими стандартами.
В 2004 году технологии цифровых двойников, разработанные лабораторией «Вычислительная механика» (CompMechLab) СПбПУ, подтвердили прочность главного циркуляционного насоса на Тяньваньской АЭС в Китае. Эти начала находят практическое применение в различных сферах, от реставрации исторических памятников до обеспечения безопасности на современных предприятиях.
С 2014 по 2016 год на платформе CML-Bench был реализован значимый проект государственного уровня — «Кортеж». В этом проекте мы сотрудничали с ФГУП «НАМИ» для проектирования каркасных элементов кузовов автомобилей Aurus.
Сегодня на CML-Bench реализовано свыше 60 проектов в десяти высокотехнологичных отраслях, включая атомную и нефтегазовую, авиастроение, судостроение и автомобилестроение.
Например, по заказу «ОДК-Сатурн» наши инженеры создавали цифровой двойник морского газотурбинного двигателя (ГТД) на протяжении трех лет. ГТД считается одним из наиболее сложных инженерных устройств.
Также мы впервые в области газотурбинного двигателестроения разработали цифровой двойник авиационного ГТД ТВ7-117СТ-0, который получил сертификат типа у Росавиации в декабре 2022 года после успешных испытаний.
Накопленный нами опыт в двигателестроении и платформенных решениях сейчас применяется в развивающейся отрасли беспилотных авиационных систем. Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» активно участвует в национальном проекте «Беспилотные авиационные системы», разработав концепцию единой среды проектирования на базе CML-Bench.
Инженеры разработали многофункциональные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) под названием «Снегирь». Модель «Снегирь-1» представляет собой гибридную конструкцию, в которой объединены преимущества мультироторной и самолетной архитектуры.
В 2024 году был создан «Снегирь-1.5» для выполнения лётных испытаний и проверки систем управления, а также верификации математических моделей. С учетом быстрого роста рынка БПЛА возникает необходимость замещения зарубежных комплектующих российскими аналогами.
Распространение отечественных электродвигателей для БПЛА, которые должны быть простыми в производстве, является актуальной задачей. В ответ на эту потребность инженеры разработали новый электродвигатель CML_03 с улучшенными характеристиками.
Он был создан с применением цифрового моделирования, что позволило оптимизировать количество полюсов, изменить форму магнитов и адаптировать коронки зубцов. В результате достигнута пиковая мощность на 15% выше, чем у зарубежных аналогов, а КПД увеличен на 2%.
Кроме того, удалось снизить биения момента на 30%, что улучшает плавность работы двигателя. Масса нового электродвигателя составляет около 150 г.
Также стоит отметить, что Санкт-Петербургский политехнический университет (СПбПУ) зарекомендовал себя как один из мировых лидеров в области разработки технологии цифровых двойников. Это подтверждается растущим числом заказов из различных отраслей и положительными оценками со стороны экспертов и государственных органов.
Процесс создания цифровых двойников включает в себя разработку матрицы требований, целевых показателей и ресурсных ограничений.
Главная сложность заключается в уравновешивании этой матрицы, так как необходимо учитывать большое количество порой конфликтующих требований и показателей, при этом не ухудшая один из параметров в пользу другого.
Важным аспектом является также соблюдение законов физики, что не позволяет пренебрегать реальными условиями эксплуатации.
После этого производятся масштабные цифровые испытания на специализированных стендах и полигонах для проверки соответствия моделей реальным объектам.
Успешные результаты этих испытаний позволяют уверенно проводить натурные испытания, как это было с автомобилем «Aurus», для которого была создана матрица из 125 тысяч требований.
Это способствовало тому, что «Aurus» с первой попытки получил высшие оценки по безопасности в независимых тестах.
Вся подготовка заняла полтора года, и в итоге было проведено множество цифровых испытаний, что значительно сэкономило время и ресурсы.
Для достижения технологического лидерства России необходимо сосредоточиться на разработке цифровых моделей в ключевых отраслях, влияющих на бюджет страны.
Нефтегаз, атомная энергетика, машиностроение, авиастроение, судостроение и автомобильная индустрия являются ключевыми секторами экономики, однако важной разработкой стали цифровые модели органов человека, начатые учеными Сеченовского университета в 2022 году.
Оцифровка человеческого организма, особенно его жизненно важных органов, может принести значительную пользу в медицине. Цифровые технологии уже долгое время интегрируются в медицинскую практику, включая создание ловушек для тромбов, разработанных 20 лет назад для американской компании, и моделирование офтальмологических операций.
В 2006–2007 годах Сеченовский университет создал цифровую модель головного мозга, применяя технологии из различных отраслей, включая атомную энергетику и биоинженерию. Успешное использование цифровых технологий в индивидуальных протезах показывает значительный потенциал.
Рынок цифровых двойников продолжает расти на 60–65% ежегодно, и учитывая мировую тенденцию к персонализации медицины, ожидается расширение применения цифровых двойников. В перспективе может быть создан цифровой двойник всего человека, который сможет сопровождать его в течение жизни, осуществляя предиктивную аналитику и рекомендую изменения в образе жизни для поддержания здоровья.
Тем не менее, существуют технические ограничения при создании цифрового двойника мозга и других органов из-за сложности описания биологических систем с помощью математических уравнений, которые могут отразить химические и биологические процессы. Эти аспекты требуют внимательного рассмотрения, как это было и в случае атомного проекта, который вызвал множество этических вопросов, но со временем его значение стало очевидным.
