Цифровые модели и двойники: почему за ними будущее и где учат с ними работать

В этом году более тысячи студентов впервые в России получат квалификацию в сфере создания цифровых моделей и двойников. Уникальный сетевой курс, в котором участвуют вузы из разных регионов страны, а также Молдавии, Казахстана и Беларуси, проводит Университет 2035 в сотрудничестве с центром компетенций НТИ Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого. Программа состоит из академического, практического и проектного этапов. Рассказываем, как и зачем студентам, вузам и компаниям участвовать в проекте.

Образовательная программа Цифровые модели и двойники состоит из нескольких этапов. Первый этап обучения проходит бесплатно и доступен в режиме онлайн. На нем студенты могут выбрать один из трех модулей:

Бакалавры, прошедшие аттестацию этого этапа, получают сертификат с оценкой, магистры – удостоверение о повышении квалификации от вузов-партнеров. В проекте участвуют МГТУ «СТАНКИН», СПбГУ и экономический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.

Из-за популярности курса набор проводится в несколько волн. Первый этап прошли более тысячи студентов. Второй и третий этапы пройдут этой осенью. Они включают практическую работу в команде над проектами для индустриальных партнеров из бизнеса и госорганов. Это позволит научиться работать с конкретным ПО, а также платформенными решениями, и создать MVP или прототип для решения поставленной заказчиком задачи. Например, для проверки гипотезы PoC (Proof of Concept) разработки опытного образца цифрового двойника объекта или части производственного процесса, VR/AR-среда, 3D-модели и т.д. В случае успеха сложившаяся стартап-команда может получить предложение о работе от индустриального партнера, для которого делает проект.

Второй и третий этапы курса также бесплатны для студентов. За обучение платят вузы, участвующие в программе, или технологические партнеры, для которых студенческие команды выполняют проекты.

Стоит отличать цифрового двойника от цифровой модели. Первые применяются, в основном, на производстве и служат для «описания» конкретного узла или агрегата. Их задача более конкретна. В то время как вторым можно поручить более общие задачи. Например, анализ поведения покупателей, моделирование ситуаций, проработка процессов в сфере гостеприимства или создание VR-сервисов. Есть также цифровая тень – она способна предсказать поведение реального объекта – но только в тех условиях, в которых осуществлялся сбор данных. Не позволяет моделировать ситуации, в которых реальный объект не эксплуатировался, однако она и несколько проще полноценного двойника.

Условно цифровые двойники можно разделить на три типа:

Главным образом, все двойники служат двум целям.

Первая цель – недорого провести сложные эксперименты. В этом случае не создаются физические объекты – а их заменяет инженерная компьютерная модель, помещенная в особую математическую среду, имитирующую условия реальной. И уже на ней проводятся эксперименты, что позволяет сразу отделить удачные решения от заведомо тупиковых вариантов. А это, в свою очередь, значительно удешевляет НИОКР.

Вторая цель – когда возникает необходимость проверить механизм, до которого трудно добраться или измерить параметры процесса, который сложно засечь. Такие исследования могут проводиться в любой сфере: производственной, металлургии, нефтедобывающей и так далее.

«Создается модель, цифровой двойник процесса или объекта. На сам объект устанавливают датчики в определенных узлах – и они передают информацию на цифрового двойника. Который уже находится в смоделированной среде, и на основе поступающих данных сам цифровой двойник обучается. Далее уже он выдает свою информацию о том, что может произойти с объектом или его узлом. Таким образом, можно либо регулировать параметры, либо формировать рекомендации того, что нужно сделать с реальным объектом, чтобы избежать возможных проблем», – пояснил Эдуард Хамаза.

Спектр применения технологии ЦМД достаточно широк: ведь с их помощью можно проверить состояние любого оборудования, на которое во время работы невозможно посмотреть. Например, систему вентиляции, водоотведения, турбину. Или же проследить за процессом варки и отлива стали на всех этапах. Двойники помогут понять, что может пойти не так и каким образом избежать издержек.

Потому цифровые двойники применяют в промышленности, на производствах и во многих других сферах, включая даже образование. Если абстрагироваться от производственной сферы, то, в первую очередь, стоит обратить внимание на сектор энергетики. Здесь цифровые двойники используются для создания, например, виртуальных ветряных электростанций. С помощью компьютерной модели можно подобрать оптимальные параметры работы для каждого ветрогенератора с учетом местности, в которой он расположен и даже времен года. А с другой стороны, на основе полученных с установок данных – использовать двойник, чтобы создать новые турбины, наиболее эффективные в специфических условиях каждого конкретного региона.

Не осталась в стороне и городская среда.

Поскольку технологии цифрового моделирования помогают создавать имитации реальных событий и ситуаций, они просто незаменимы в сфере гостеприимства. Технология способна значительно повлиять на развитие индустрии. Например, если создать модель ресторана быстрого питания и понаблюдать за загруженностью в разные часы, а также проанализировать людские потоки вокруг – можно сделать так, чтобы ресторан работал продуктивнее. Тестируя различные варианты, можно сократить ротацию кадров, создать более благоприятные условия как для сотрудников – так и для посетителей.

Технология цифровых двойников сравнительно недавно пришла в сферу розничной торговли. Однако здесь она оказалась столь же полезной, как и в ресторанно-гостиничном бизнесе. Особенно в том, что касается моделирования поведения посетителей магазинов. Собирая детализированные реальные данные из физических магазинов розничной сети, можно лучше понять поведение покупателей, а в дальнейшем разработать алгоритмы для снижения количества краж, предотвращения конфликтных ситуаций и увеличения времени нахождения клиента в зале.

Незаменимы ЦМД и в здравоохранении. Ведь если создать виртуальный образ человеческого тела, можно получить уникальные данные. Например, представление о состоянии здоровья человека в течение его жизни.

«Сейчас одна из основных идей – реализовать цифровой двойник университета. Система будет точно знать, сколько человек и в какой аудитории находится в каждый момент времени. Таким образом, можно будет просчитать полную логистику внутри учреждения. И на основе электронной модели составить расписание, которое бы позволило более оптимально использовать имеющиеся помещения. Это может быть не только университет – любая другая организация», – сказал Эдуард Хамаза.

Если говорить про сферу машиностроения, то внедрение технологии цифровых двойников позволит обеспечить сокращение сроков вывода на рынок новых продуктов до пяти лет с момента формирования технического задания на продукт. Такой результат будет достижим в совокупности с другими лучшими технологиями, имеющимися на рынке, считает заместитель генерального директора и генеральный конструктор АО «ОДК» Юрий Шмотин. Цифровые двойники также позволят проводить работы по модернизации существующих изделий значительно быстрее – в сроки, не превышающие два года.