Кейс: Цифровой двойник индустриального объекта. Автоматическая газораспределительная станция

Массовое развитие виртуальных сред и метавселенных открывают для пользователей невиданные ранее возможности. Сегодня в этих мирах можно не только общаться между собой, но и проводить концерты (например как концерт рэпера Трэвиса Скотта в видеоигре Fortnite), делать премьеры фильмов, покупать виртуальную недвижимость и открывать офисы или представительства реально существующих компаний. Однако, технологии виртуальной реальности и другие интерактивные медиа предназначены не только для развлечений, и выходят далеко за пределы видеоигр и подобного досуга. Одним из популярных примеров использования виртуальных сред и цифровых двойников в промышленности является проект Omniverse от компании NVIDIA, которые совместно с BMW создали цифровую реплику завода в Регенсбурге, чтобы в режиме реального времени моделировать масштабное производство.

Подобные двойники — это цифровые (виртуальные) модели объектов, процессов или сложных систем. Они воспроизводят особенности поведения оригинала, а зачастую синхронизированы с ним, чтобы смоделировать и предсказать течение процессов в зависимости от изменяющихся условий.

В этой статье хочу рассказать о недавнем опыте студии производства интерактивных медиа Gaidamaka.pro, и о том, как мы сделали интерактивную VR-модель газораспределительной станции для инжиниринговой компании «Газэнергокомплект». Проект был представлен на Петербургском международном газовом форуме в октябре 2021.

Как говорилось выше, виртуальные среды или цифровые двойники — это копии реальных или проектируемых объектов. С их помощью возможно моделировать технические и технологические процессы или отрабатывать поведение персонала на интерактивной модели без необходимости присутствовать на реальном объекте. Зачастую цифровой двойник создаётся на ранней стадии, на этапе идеи, чтобы все участники и соавторы понимали, как объект будет выглядеть и работать. Запрос на подобные виртуальные среды идет в первую очередь от индустриальных и инжиниринговых компаний.

Существует три основные ситуации, когда цифровой двойник будет полезен. Первая — объект еще не существует, но есть потребность в интерактивной визуализации и ускорении проектирования. Вторая — он в труднодоступном месте, а эксплуатация неподготовленным оператором или даже нахождение внутри опасно (например, это реплика атомной станции или симуляция воздушного судна, на которых нужно отработать внештатную работу). Третья ситуация — объект это уникальный прототип, существующий в единственном экземпляре, а протестировать его или обучиться на нем должно большое количество человек.

По данным исследования, навыки, полученные в симуляции, переносятся в реальный мир с хорошим коэффициентом закрепления. Помимо этого, работа в VR среде безопасна и позволяет повторять тренировку неограниченное количество раз. По данным PwC благодаря тренировкам в VR-симуляции люди на 275% увереннее применяют полученные навыки в сравнении с результатом общепринятых учебных программ. В своей статье о цифровых двойниках Gartner cообщает, что грядущее применение тренировочных виртуальных сред и симуляций позволит повысить эффективность больших индустриальных производств до 10%.

Сегодня все больше индустриальных компаний признают пользу цифровых сред и двойников для отображения сложных технических процессов наглядными визуальными средствами. Это помогает при обучении сотрудников или принятии бизнес-решений. К нам обратилась одна из таких компаний — «Газэнергокомплект». Эта компания разрабатывает и производит газовое оборудование и поставила задачу создать цифровой двойник одной из газораспределительных станций для демонстрации потенциальным заказчикам с дальнейшим фокусом на обучение персонала. Отображение получилось максимально наглядным и позволило составить однозначное представление о пространстве и процессах, проходящих в штатных и аварийных ситуациях. Благодаря визуализации объекта средствами VR зритель легко мог оценить реальные размеры оборудования, достоверно ощутить внутреннее пространство станции, увидеть как объект реагирует на различные ситуации. Такая наглядность помогает полностью вовлечь внимание человека в процесс, показать то, что обычно скрыто от глаз и подчеркнуть преимущества и особенности демонстрируемой модели. Мы подготовили два варианта отображения. Первый — стандартная демонстрация на экране. Второй — визуализация через гарнитуру виртуальной реальности. Посетители выставки сразу обращали внимание на большой тач-стол, ориентированный в проход, а руководители и главные инженеры крупных компаний с интересом надевали шлем и изучали модель газораспределительной станции в виртуальной среде. Конечно, были и те, кто по ряду причин от шлема отказывался, именно для них визуализация дублировалась на экран.

Если вы посмотрели ролик, то увидели, что у нашей VR модели: есть тач-столешница, экран и гарнитура виртуальной реальности. Изображение на тач-столе полностью совпадает с мнемосхемой на экране оператора и отображает текущее состояние всей газораспределительной станции. Интерактивные модели для экрана и гарнитуры отображают блоки и узлы станции, движение газа от входа до выхода, включая контур подогрева газа, редукторы давления, фильтры и другое оборудование. Все компоненты работают на нескольких компьютерах и синхронизированы по сети. Таким образом, взаимодействуя со схемой на touch-столе, мы можем имитировать на модели различные ситуации, в том числе аварийные.

В зависимости от параметров, активированных пользователем, модель станции начинает автоматически реагировать. Включается сигнализация, активизируются алгоритмы выравнивания давления, подача газа переводится с основных линий на резервные, очищаются фильтры, при высоких уровнях избыточного давления происходит полная остановка станции и стравливание излишков газа. После автоматического прохождения алгоритма, пользователь может повторить его по шагам в ручном режиме. Это полезно для наглядной демонстрации работы неподготовленному зрителю или для обучения сотрудников.

В своей работе мы используем движок Unreal Engine, который позволяет создавать VR-визуализации практически любой сложности. Благодаря оптимизациям, подобные модели работают на недорогом компьютерном оборудовании и возможна реализация даже для мобильных платформ. Например, что для отображения модели на UHD (4K) экране с отрисовкой 120 кадров в секунду и без потерь качества графики достаточно видеокарты уровня NVIDIA GTX 1070. На создание подобной виртуальной модели нужно закладывать два — три месяца.

В случае привычного видео ролика камера двигается по заранее определённому сценарию, мы полностью управляем тем, что зритель увидит в кадре. В VR-шлеме зритель может посмотреть в любую сторону, куда ему захочется. Полностью спрогнозировать поведение человека в свободной симуляции невозможно. Поэтому если в интерактивной модели что-то неправильно настроено, и что-то где-то не переключилось, не повернулось, чего-то не произошло — опытный специалист сразу это заметит. Поэтому адаптация отображения сцены в шлеме виртуальной реальности потребовала въедливой и кропотливой работы. И по факту может потребовать в несколько раз больше усилий, чем вы ожидаете изначально.

При этом у VR-визуализаций существует известная сложность: надевая шлем виртуальной реальности, человек оказывается в новой для себя среде и отрезан от физической реальности. Зритель начинает двигаться вслепую, рискует что-то задеть, оступиться, при этом опасается выглядеть глупо. Из-за этого посетители публичных мероприятий, например выставок, могут избегать взаимодействовать с демонстрируемым продуктом в очках виртуальной реальности. Эту проблему решает хорошо подготовленный стендист, помогающий зрителю, отдельно оборудованная VR-зона или очки с режимом сквозного просмотра.

В нашем случае стендист заботливо помогал неподготовленным зрителям пройтись по всем алгоритмам работы станции, перенося из одного места в другое, показывая, что произойдёт, если изменится конкретный параметр системы, и как система отреагирует целиком. При активном участии стендиста люди не чувствовали себя отрезанными от реальности и живо интересовались происходящим в симуляции. Мы считаем, что активное вовлечение и комфорт зрителя важны также, как и техническая реализация цифровой модели.

Если говорить о применении VR-технологий в знакомой и защищенной среде, (например, в корпоративном классе обучения или в домашней обстановке), взаимодействие пользователя с цифровым двойником проходит максимально естественно. Как показывает наш опыт, люди с ещё большим интересом используют VR-технологии, что повышает их вовлеченность в процесс обучения и его результативность.

Команда разработки данного проекта стремилась отобразить симулируемую среду и её объекты в максимально реалистичном ключе, чтобы человек получил естественный и достоверный опыт. Мы детально проработали многие нюансы и даже те вещи, которые на первый взгляд могут показаться вторичными. Система отопления, правильное расположение элементов аварийной сигнализации, проработанные светотени и характерные блики на неидеальных поверхностях. Такая работа над деталями превращает абстрактную трёхмерную модель в реалистичный объект, который хочется изучать и с которым хочется взаимодействовать. Это обеспечивает максимальное погружение в виртуальную среду и действительно запоминается.

Цифровые двойники с высокой визуальной детализацией вовлекают зрителей, и позволяют быстро вникнуть в суть работы оборудования или процесса. Команда Gaidamaka.pro оценивает, что подобные модели принесут реальную пользу не только для наглядной демонстрации, но и для отработки и закрепления полезных навыков, что подтверждают данные аналитической компании Gartner. При подключении подходящей математики отображаемых процессов, симуляции в виртуальных средах становятся полноценными отладочными моделями. Более того, мы видим возможность портирования подобных систем в недорогие автономные шлемы виртуальной реальности, что значительно уменьшит затраты при внедрении этих технологий.

Если вы или ваша компания верите в будущее применения цифровых двойников в промышленности — напишите нам, будем рады обсудить в комментариях.

#vr #digital_twin #metaverse #unrealengine #UE #industy #industry4 #industrialdesign #hmd