Инновации будут играть важнейшую роль в объединении передовых технологий для достижения концепции Индустрии 4.0 во многих областях человеческой деятельности. Одной из самых передовых отраслей в деле цифровизации и роботизации, является промышленное производство. Традиционно, морское дело и судостроение активно используют новейшие технические разработки, но пока немного отстают в деле автоматизации производственных процессов от передовых отраслей. Но, что самое печальное, наблюдается значительное отставание в области цифровизации и мониторинга. Как и в случае с индустрией 4.0, новые цифровые технологии будут внедрены и в эту отрасль. Поэтому интересно будет провести сравнение развития технологии цифровых двойников в производственной и морской сферах.
Обзор реальных реализаций в этих двух областях указывает на увеличение стоимости за счёт внедрения новых технологий и промышленных роботов. Хотя это и не будет обсуждаться в этой статье, но следует отметить, что внедрение почти исключительно осуществляется промышленностью, в отличие от академических исследований в морской области.
Важным различием между этими отраслями является движущая сила внедрения цифровых двойников – развитие этой технологии в морском деле часто было обусловлено возможностями, а не потребностями. Морские суда и платформы уже давно оснащаются множеством датчиков, обеспечивающих большие потоки данных. В конечном счёте, этот подход привёл к ряду проблем, касающихся нескольких аспектов:
— сложность (а порой невозможность) обработки больших массивов данных;
— неверное представление цифровых моделей;
— отсутствие уверенности в достоверности данных;
— всестороннего представление информации без значительных знаний о конкретной предметной области;
— порой недостаточный уровень связи между наземными службами и судами в море.
Ведущие разработчики предлагают новый подход к проектированию систем мониторинга, ориентированный на потребности судовладельца. Эта методика фокусируется на цели, потребителях, объёме и ценности цифрового сервиса. В этой перспективе цифровые двойники следует рассматривать не как «цель» для внедрения, а скорее, как «средство» для создания цифровых сервисов, которые обеспечивают ценную оперативную информацию о морских активах на протяжении всего жизненного цикла актива и за его пределами (включая логистику и техническое обслуживание на верфях).
В обеих этих отраслях специалисты разделяют схожие взгляды на потребности, которые должны быть удовлетворены цифровыми двойниками. В области производства было разработано больше фреймворков, предлагающих более подробные рекомендации для концептуальной разработки и внедрения цифровых двойников. Тем не менее, морская сфера создала ценные шаблоны проектирования для цифровых решений.
Интересно, что в обеих областях крупные игроки отрасли разрабатывают и внедряют открытые платформы для внедрения цифровых двойников, которые обеспечивают необходимую инфраструктуру и поддержку сообществ пользователей. В будущем планируется работа по разработке и внедрению цифровых двойников как в производственной, так и в морской сферах, и, в конечном счёте, оценка этих реализаций для работающих приложений.
Структуры реализации в сфере морского судоходства
Пока известно очень небольшое количество сред реализации для сферы морских грузоперевозок. Но структуры, предлагаемые разработчиками, подают весьма радужные надежды. В них используются цифровые модели, управляемые данными реального времени, в кластеризованных наборах. Этот подход используется в качестве альтернативы традиционным математическим моделям, которые не в состоянии обеспечить полномасштабные наборы судовых данных. Структура обработки всех информационных потоков для характеристик судна и навигации не описывает в явном виде структуру цифрового двойника, но удовлетворяет базовым требованиям решения для судовладельцев.
Архитектура разделена на бортовые и береговые приложения с передачей данных между ними через традиционные передатчики и приёмники. Цифровые модели, управляемые данными, создаются на борту в виде кластеров с входными данными в реальном времени из бортовых измерений, относящихся к характеристикам корабля и навигации.
Перед передачей эта информация предварительно обрабатывается для обнаружения аномалий и объединяется в меньшие сгруппированные наборы данных, чтобы в достаточной степени уменьшить размер передаваемых байтов информации. Береговая постобработка, по сути, полностью меняет предварительную обработку, чтобы воссоздать состояние цифровых моделей, синхронизировав с теми, которые изначально были собраны на борту судна. Затем данные обрабатываются и создаются визуализации, такие как графики и диаграммы, чтобы помочь в принятии решений. Вся информация может храниться в локальных или облачных сетях на суше.
Платформы разработки
В обеих структурах уже разработаны платформы для облегчения внедрения решений цифровых двойников. В производственной сфере используется «Mind Sphere» от компании Siemens, а в морской сфере — «Veracity» от DNV GL.
В 2017 году компания «Сименс» запустила программную систему под названием Mind Sphere, которая призвана помочь предприятиям оцифровывать и внедрять решения по использованию цифровых двойников. Mind Sphere предоставляет платформу для реализации цифровых двойников через «облачную открытую операционную систему для Интернета вещей (IoT)». Возможности этой платформы включают в себя:
• Подключение физических устройств к цифровому миру, предлагающее простую и безопасную передачу данных из шлюза IoT в облако.
• Открытая платформа как услуга для делового партнёрства. Разработчики могут разрабатывать, выполнять и совместно использовать приложения на этой платформе.
• Предоставление специализированных отраслевых приложений и цифровых услуг. Mind Sphere предлагает готовые к использованию приложения для различных функций и производственных задач.
• Реализация цифрового двойника за счёт интеграции с комплексным программным обеспечением.
В 2017 году DNV GL запустила аналогичную отраслевую платформу данных — «Veracity». Эта платформа и торговая площадка позволяют разработчикам и поставщикам цифровых услуг разрабатывать и продавать услуги, API, приложения и идеи. В частности, эта система стремится связать владельцев и операторов активов с экспертами в предметной области, цифровыми услугами и учёными в морской, нефтегазовой и энергетической отраслях. Veracity построена на базе Microsoft Azure, которая обеспечивает безопасное хранение, совместное использование и обмен данными в облаке.
Типичные преимущества для пользователя, помимо управления информационными потоками, включают оптимизацию энергопотребления и профилактическое обслуживание для принятия оперативных решений.
Кроме того, DNV GL, Норвежский университет науки и технологий, Rolls-Royce и SINTEF Ocean инициировали создание стандарта с открытым исходным кодом для морских цифровых двойников. Этот стандарт призван унифицировать совместный проект по реализации успешных отраслевых цифровых двойников. За двухлетнюю работу над проектом было привлечено больше партнёров, чем рассчитывали вначале. Готовая пилотная версия была официально запущена в сентябре 2018 года. Инициатива направлена на разработку открытой платформы моделирования (OSP), которая предоставляет программное обеспечение для моделирования и набор морских эталонных моделей. Главной целью проекта является установление руководящих принципов моделирования и стандартов интерфейса, которым должны соответствовать вновь разрабатываемые модели.
Эти результаты уже доступны в открытом доступе для обеспечения эффективного и безопасного создания систем цифровых двойников для сферы морского судоходства. Разработчики сообщают, что прототип использует облачные технологии для совместной работы над моделями из разных местоположений.
Примеры реализации цифровых двойников в производственных областях.
1. На сборочной линии SMT-PCB был разработан цифровой двойник для сбора данных о энергопотреблении. Данные были проанализированы и использованы в последующем моделировании для поиска оптимальной конфигурации системы. Результатом проекта стало снижение энергопотребления в 2,7 раза без ущерба для пропускной способности линии электропитания.
2. Норвежский производитель машин Tronrud Engineering использовал различные программные пакеты Siemens для создания цифровых двойников своей продукции. Они использовались для моделирования и проверки дизайна, что позволяло вести параллельную разработку и обмениваться информацией внутри команды разработчиков. Общая производительность на всех этапах производства увеличилась вдвое, время проектирования сократилось на 10%, а время ввода в эксплуатацию сократилось на 20-25%.
3. Компания Rolls-Royce сообщила о разработке цифровых двойников для регистрации и контроля работы своих реактивных двигателей. Они описывают своего цифрового двойника как подключённого, контекстуально осведомлённого и «разумного». Понятие «контекстно-осведомлённый» относится к «пониманию» всей архитектуры своей операционной среды, «подключённый» означает, что он может быть коммутирован к другим системам, а понятие «разумный» предполагает, что двойник самообучается в своей среде и может учиться у других систем искусственного интеллекта. Потоки информации для их нового двигателя Pearl 15 являются двунаправленными, а это означает, что двигатель отправляет данные в оперативный центр на земле, а оперативный центр также может отправлять информацию обратно в двигатель.
Примеры успешной реализации цифровых двойников в морской сфере.
1. Newport News Shipbuilding запустила «цифровую верфь», в которой они стремятся создать цифровую копию всей своей верфи. Siemens NX Design поддерживает представление цифрового двойника, а программное обеспечение «Team Center» служит основной информационной системой управления.
2. Princess Yachts Limited использует Siemens NX и Team Center для виртуального создания и моделирования своих яхт перед их физическим производством. Они уже разработали несколько цифровых двойников для выпущенных ими яхт M-класса. Владельцы судостроителя предполагают, что со временем цифровые двойники станут неотъемлемой частью их процесса проектирования.
3. Порт Роттердама (PoR) сотрудничал с IBM, Cisco, Esri и Axians для создания платформы интернета вещей (IoT) для цифрового преобразования в «Самый умный порт». Руководство стремится создать цифровой двойник всего порта, что должно способствовать автономному судоходству в будущем.
4. Компания Rolls-Royce Marine разработала свою систему управления энергопотреблением. Данные собираются с судна и обрабатываются в регистраторе данных Rolls-Royce. В системе предусмотрен бортовой и береговой портал. Информация о работе судна отображается экипажу через бортовой интерфейс в режиме реального времени. Береговой портал отображает почти в реальном времени исторические оперативные данные всего флота.
5. SAP Technology создала цифровое представление морской ветровой электростанции Arctic Wind и поддерживает цифровой двойник в SAP Cloud. Данные в режиме реального времени собираются с датчиков на турбинах, чтобы обеспечить удалённый мониторинг физического актива, поддержку технического обслуживания и эксплуатации, а также в качестве основы для моделирования подсоединения будущих систем.
Несмотря на совершенно разный характер рассматриваемых отраслей, потребности у них обеих, которые были определены для цифровых двойников, очень похожи. Обе сферы подчёркивают важность сбора разноплановой информации в реальном времени, интеграции данных из разных источников и использования этих потоков данных в моделировании и аналитике. Обнаружение ошибок и необходимость оптимизации планирования/управления занимают видное место в производственной сфере. В морской сфере возможность удалённого доступа к данным с судов (которые порой находятся в местах недоступных для передачи информации) имеет решающее значение. Интересно, что только морская сфера подчёркивает необходимость обработки больших объёмов данных перед пакетной передачей, хотя производственные системы могут существовать в масштабе, сравнимом с морскими системами.
С точки зрения концептуальной разработки, структуры в области производства предлагается более подробная информация для определения функций и ролей цифровых двойников. Шаблоны проектирования, предлагаемые для морского судоходства и судостроения, менее детализированы, но обеспечивают интересные оригинальные подходы.
В обеих областях деятельности есть платформы для реализации цифровых двойников, которые были разработаны крупными игроками. Эти платформы, направленные на внедрение технологии цифровых двойников за счёт предоставления необходимой инфраструктуры и создания пользовательских сообществ, отражают желание принять концепцию Индустрии 4.0. На сегодняшний день стоит признать, что решения в использовании цифровых двойников оказали реальное влияние как на промышленное производство, так и на сферу морского судоходства.
|