Сегодня промышленность стремительно цифровизируется и всё больше компаний обращаются к технологии Digital Twins — к цифровым двойникам. Это виртуальные копии оборудования, цехов или даже целых заводов, которые работают на основе реальных данных. С их помощью можно прогнозировать износ деталей, оптимизировать производственные цепочки и тестировать разные сценарии организации работы предприятия. В статье разобрали, как устроены цифровые двойники и какие преимущества они дают бизнесу.
Что такое цифровой двойник
Основные компоненты системы
Цифровой двойник — это динамическая цифровая модель, которая воспроизводит поведение и состояние реального объекта на основе данных с систем мониторинга.
В промышленности цифровые двойники используются для анализа, прогнозирования и оптимизации работы оборудования и производственных процессов.
В основе цифрового двойника всегда есть два элемента:
- Физический объект — реальное изделие, установка или целое производство.
- Виртуальная модель — его цифровая копия, созданная с помощью программ для трехмерного проектирования и симуляции.
Между собой они связаны потоком данных. На физическом объекте устанавливают датчики, которые непрерывно фиксируют его состояние и передают информацию в виртуальную модель.
Отличие цифрового двойника от 3D-модели
3D-модель точно повторяет форму и конструкцию изделия, но остается статичной.
Цифровой двойник, напротив, «живет» вместе с объектом: он синхронизирован с реальными данными, обновляется в режиме реального времени и может прогнозировать изменения. Например, если в турбине растет температура подшипников, двойник отразит это и рассчитает, как перегрев скажется на ресурсе узла.
То есть цифровой двойник не только визуализирует объект, но и помогает принимать решения по его эксплуатации и обслуживанию.
Как работают цифровые двойники
Сбор данных в реальном времени
Работа цифрового двойника основана на постоянном обмене данными между объектом и его виртуальной моделью.
Информация со всех датчиков, которые размещены на объекте, поступает в единую сеть, которую называют промышленным интернетом вещей (Industrial Internet of Things, IIoT). Например, если речь идет об оборудовании, то датчики передают в IIoT информацию об основных параметрах его работы: температуре, давлении, вибрациях, скорости вращения, уровне износа и так далее. Из IIoT поток данных попадает в информационные системы предприятия, а уже оттуда — в цифровую модель.
Это позволяет двойнику показывать не только проектные характеристики объекта, но и его фактическое состояние в конкретный момент.
Машинное обучение и ИИ для анализа и прогнозирования
Когда данные поступают в систему, нужно обработать их и превратить поток разрозненной информации в цельную цифровую модель, которую можно будет использовать для анализа и прогнозов. Для этого используют алгоритмы машинного обучения и искусственного интеллекта (ИИ).
Алгоритмы ищут закономерности: связывают между собой показания датчиков, историю работы оборудования и результаты прошлых ремонтов. Это дает возможность:
- прогнозировать вероятность отказа узлов и время до следующего обслуживания;
- моделировать последствия изменений в настройках оборудования;
- предлагать оптимальные режимы работы для снижения энергопотребления и повышения ресурса.
Таким образом, цифровой двойник работает как аналитический центр: он собирает данные, анализирует их и помогает заранее принимать решения, которые повышают эффективность и надежность оборудования.
Тем, кто планирует внедрение цифрового двойника, важно решить для себя, что такое цифровой двойник, какие у него предполагаются функции, и какого эффекта от него ждать. К сожалению, ГОСТ пока регламентирует только цифровые двойники изделий, а не предприятий.
Еще критически важны актуальные и достоверные входные данные. Только тогда цифровой двойник станет полезным помощником для предприятия.
Цифровой двойник производства: полная виртуализация предприятия
Моделирование всего производственного цикла
Если цифровой двойник оборудования показывает, как работает отдельная машина, то цифровой двойник производства объединяет в виртуальную модель все ключевые процессы завода. В такой системе отражаются цепочки самых разных операций, таких как поступление сырья, движение заготовок, работа линий по выпуску готовой продукции.
Двойник позволяет проследить полный путь изделия и безопасно проигрывать разные сценарии. Например, смоделировать снижение скорости работы литейного цеха и сразу увидеть, как это отразится на загрузке участка механической обработки и на сроках сборки.
Цифровой двойник предприятия позволяет выявлять узкие места в производственной цепочке и корректировать процессы до того, как они приведут к реальным сбоям.
Оптимизация производственных мощностей и логистики
При виртуализации целого предприятия в модели отражены не только параметры работы оборудования, но и размещение складов, перемещение материалов и маршруты доставки грузов внутри завода. Это дает возможность рассчитать, насколько эффективно используются производственные мощности и как лучше распределить ресурсы.
С помощью модели предприятие может тестировать разные варианты организации производства: сколько смен потребуется для выполнения заказа, как перераспределить загрузку между цехами, каким образом перестроить внутреннюю логистику, чтобы сократить время перемещения заготовок.
Такой подход позволяет согласовать производство и снабжение, уменьшить затраты на хранение и транспортировку и более точно планировать рабочие графики.
Применение цифровых двойников в промышленности: кейсы
ПАО «ОАК»: цифровые двойники самолетов
ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация» (входит в «Ростех») использует цифровые двойники для проектирования и испытаний новых моделей воздушных судов.
Если раньше проверка формы планера и аэродинамики в аэродинамических трубах могла занимать один-два года, то теперь суперкомпьютеры позволяют просчитать десятки вариантов конструкции за недели. Это ускоряет разработку и снижает вероятность ошибок на ранних этапах.
Цифровые двойники используются и после проектирования. Они позволяют моделировать поведение самолета в разных условиях, выявлять причины возможных отказов техники и оценивать их последствия. Благодаря этому инженеры могут более точно просчитывать нагрузку на системы и совершенствовать эксплуатационные характеристики воздушных судов.
У нас в цехах есть система мониторинга оборудования, которая не совсем двойник, но тоже приносит много пользы после внедрения. Например, мы выявили и устранили систематические задержки начала смен почти на час. А анализ данных о режимах работы оборудования позволил технологу удаленно оптимизировать процессы. Благодаря этому в одном из проектов мы достигли 40% сокращения времени на обработку и переналадку. Это доказывает, что даже без создания полноценного цифрового двойника целенаправленный сбор и анализ данных дает значимый эффект.
Tata Steel: цифровые двойники заводов
Один из крупнейших мировых производителей стали планирует создать цифровые двойники своих предприятий. Цель Tata Steel — перейти к «умным заводам», где управление всеми ключевыми процессами происходит на основе точных данных.
Компания уже запустила пилотные проекты на предприятиях в Джамшедпуре (Индия): виртуальные модели позволяют визуализировать производственные операции и моделировать разные сценарии работы оборудования.
В Tata Steel рассчитывают, что цифровые копии предприятий помогут компании повысить гибкость управления, быстрее реагировать на изменения спроса и двигаться к стандартам Industry 4.0.
Siemens: цифровой двойник склада
Компания Siemens построила полностью автоматизированный склад на заводе по производству электродвигателей в Бад-Нойштадте (Германия). Перед строительством в компании создали цифровой двойник склада: смоделировали его взаимодействие с производством и цепочку движения материалов. Это позволило оптимизировать логистику и быстрее ввести склад в эксплуатацию.
После запуска Siemens продолжит использовать цифровую модель. Планируется, что двойник будет помогать в организации хранения, выстраивать поставки в нужной последовательности и определять порядок комплектации заказов.
Преимущества цифровых двойников
Снижение времени простоя оборудования
Цифровой двойник помогает выявлять признаки неисправностей еще до того, как они приведут к поломке. Он сопоставляет показания датчиков с историей работы оборудования и моделирует то, как отдельные отклонения повлияют на ресурс узла. Благодаря этому можно планировать обслуживание и вовремя менять детали.
Это снижает количество внеплановых остановок и делает производство более предсказуемым.
Сокращение расходов и повышение общей эффективности
Цифровой двойник помогает оценить, насколько рационально используются мощности предприятия. С помощью него можно увидеть, где оборудование работает с перегрузками, а где, наоборот, есть простои, а также понять, нет ли на каких-то участках перерасхода энергоресурсов и материалов. Эта информация дает возможность перераспределить нагрузку и более точно настроить процессы.
В результате снижаются затраты на энергию и сырье, а коэффициент общей эффективности оборудования (Overall Equipment Effectiveness, OEE) повышается: машины работают более стабильно, реже простаивают и приносят больше полезной отдачи.
Ускорение вывода новых продуктов на рынок
Перед запуском нового изделия предприятия обычно тратят много времени на отладку технологических процессов: подбирают режимы обработки материалов, проверяют качество получаемых деталей, выявляют и устраняют ошибки в настройках оборудования. С цифровым двойником это делается проще и быстрее: моделируется выпуск в виртуальной среде, тестируются разные сценарии и выявляются слабые места до начала реального производства.
Когда к моменту начала выпуска линии уже настроены под заданные параметры, первые партии получаются с меньшим количеством брака, новый продукт раньше выходит на рынок и быстрее начинает приносить прибыль.
Как создать цифровой двойник: этапы разработки и внедрения
Выбор платформы
Первый шаг — определиться, на какой технологической базе будет построен цифровой двойник. Для этого анализируют задачи предприятия: будет ли это модель отдельного станка, цеха или всего производства.
В зависимости от целей выбирают платформу, которая поддерживает нужные функции: работу с потоками данных от датчиков, трехмерное моделирование, симуляцию процессов или интеграцию с системами управления.
Важно учитывать и масштабируемость: система должна иметь возможность «расти» вместе с предприятием, чтобы к ней можно было подключать новое оборудование, склады и другие участки.
Интеграция с существующими системами
Цифровой двойник не работает изолированно — он обменивается данными с корпоративными информационными системами предприятия. Для этого его связывают с такими системами, как:
- ERP (Enterprise Resource Planning) — система планирования ресурсов предприятия. В ней ведут учет финансов, закупок и управления персоналом.
- PLM (Product Lifecycle Management) — система управления жизненным циклом продукта, где хранится информация о конструкции изделия, технологии его производства и специфике использования.
- MES (Manufacturing Execution System) — система управления производственными операциями, которая управляет последовательностью технологических шагов на линии и сопоставляет план выпуска продукции с реальной загрузкой оборудования.
Такая интеграция позволяет объединить производственные данные с планированием и управлением. За счет этого цифровой двойник становится не просто моделью, а инструментом, который отражает работу предприятия во всех ее аспектах — от проектирования до выпуска продукции.
Будущее цифровых двойников: тренды и перспективы развития
Цифровые двойники уже выходят за рамки отдельных проектов и становятся частью комплексных цифровых экосистем. В ближайшие годы можно ожидать, что технология будет развиваться в нескольких направлениях, таких как:
- Усиленная интеграция с искусственным интеллектом. Алгоритмы будут не только анализировать текущие данные, но и подбирать оптимальные режимы работы, моделировать редкие сценарии и самостоятельно предлагать новые варианты конструкции изделий или организации процессов.
Пока рано говорить о полной смене роли инженера-технолога, но вектор изменений очевиден. В будущем генеративный искусственный интеллект возьмет на себя всю рутинную работу — например, создание полного технологического процесса по 3D-модели и техзаданию. У нас такое уже тестируется: система выдает готовый маршрут изготовления, режимы резания и подбор инструмента. Задача технолога трансформируется в роль эксперта: проверять, корректировать выводы ИИ и дообучать систему, фокусируясь на сложных и нестандартных задачах.
- Использование облачных платформ. Перенос данных и расчетов в облако позволит строить цифровые двойники крупных объектов: заводов, энергетических комплексов или даже целых городов.
- Появление единых стандартов. Сейчас цифровые двойники разных производителей построены на разных платформах и часто используют несовместимые форматы данных. Из-за этого сложно объединить модели оборудования, логистики и целых производственных линий в одну систему. Разработка единых стандартов обмена информацией и совместимых интерфейсов позволит легко связывать цифровые двойники разных уровней — от виртуальной модели отдельного станка до двойника всей производственной цепочки.
Наконец, возрастает значение экологической эффективности. С помощью цифровых двойников предприятия снижают энергопотребление, уменьшают расход сырья и могут точнее оценивать углеродный след продукции. Это делает технологию не только инструментом повышения производительности, но и важной частью устойчивого развития.
Цифровые двойники — это не просто абстрактная концепция четвертой промышленной революции, а реальный инструмент, который приносит предприятиям измеримые результаты уже сейчас. Они делают производство более прозрачным, помогают точнее управлять процессами и быстрее выводить новые продукты на рынок. Для многих отраслей цифровые модели становятся естественным шагом к более устойчивому и гибкому производству.
