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.
Инновационная подготовка
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:
- «Технологии цифровой промышленности»,
- «Компьютерный инжиниринг в цифровом проектировании и производстве»,
- «Цифровые модели и двойники киберфизических производственных систем».
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.
Те, кто пройдет вторую и третью ступень, получат по сути не просто повышение квалификации, а новую профессию, а предприятие – готовую команду для реализации проекта. Это первый в России подобный курс, и он включает не только создание цифровых двойников и управление ими, но также и широкий спектр цифрового моделирования в разных областях и для различных индустрий.
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.
Программа “Цифровые модели и двойники” – один из самых востребованных продуктов Университета 2035. Сейчас мы работаем с более чем 80 вузами-участниками программы. По окончании командных этапов обучения успешно завершившие их студенты также получат удостоверение о ДПО.
От теории к практике
Цифровой двойник (англ. digital twin) – виртуальный аналог реального объекта либо процесса. Это компьютерная модель, которая в своих ключевых характеристиках дублирует его и способна воспроизводить его состояния при разных условиях. Фактически, это «мостик» между цифровой реальностью физическим миром.
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:
- прототип (Digital Twin Prototype, DTP) – виртуальный аналог реального физического объекта. Он содержит все данные по этому продукту, включая информацию со стадий проектирования и производства, например, требования к изделию, трехмерную модель объекта, описание технологических процессов, условия утилизации и т.д.,
- экземпляр (Digital Twin Instance, DTI) – данные, описывающие физический объект. Например, аннотированная трехмерная модель, сведения о материалах и компонентах изделия, информацию о рабочих процессах, итоги тестов, записи о проведенных ремонтах, операционные данные от датчиков, параметры мониторинга и пр.,
- агрегированный двойник (Digital Twin Aggregate, DTA) – система, которая объединяет все цифровые двойники и их реальные прототипы, позволяя собирать данные и обмениваться ими в реальном времени.
ЦМД и бизнес
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.
Жизненныи цикл [продукта] можно представить следующими этапами: сначала создается цифровая копия, потом на ее основе создается физическии объект, которыи начинает обмениваться данными с цифровым; на дальнеиших этапах функционирования объекта физический и цифровой двойники работают в связке (Из книги “Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт”).
«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.
Двойник широкого спектра
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.
В металлургии есть успешные кейсы: при сталеварении на одном предприятии была проблема – они не улавливали определенного момента температуры. Из-за этого происходила большая потеря самого материала – он просто выплескивался из печей. Был создан цифровой двойник, настроены датчики. Система регулировала точную температуру в необходимый момент. Так удалось избежать потерь и сэкономить.
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.
В виртуальном пространстве можно выстроить отдельный квартал, район или даже целый город. Технология поможет планировщикам лучше понимать различные факторы, влияющие на качество жизни горожан. И позволит выработать алгоритмы для решения текущих проблем – например, как снизить энергопотребление без потери комфорта граждан. Своя цифровая копия есть, например, у Сингапура – и едва ли она долго будет оставаться единственной в своем роде.
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.
Благодаря «цифровому пациенту» врач сможет лучше понимать генезис хронического заболевания, анализировать влияние негативных факторов и многое другое. Безусловно, до появления цифровой модели целого человека еще далеко – но вот отдельные части тела уже «оцифровывают». В компании Philips разработали приложение HeartModel, которое формирует детализированное 3D-изображение человеческого сердца на основе УЗИ снимков.
Экономический эффект
«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.