Парадоксы цифровых двойников объектов с длительным жизненным циклом

Есть теоретические положения о цифровых двойниках, которые общеприняты и универсализированы для объектов разного целевого назначения.

Цифровые двойники: не просто модный тренд | Блог COMSOL
Что такое цифровые двойники и где их используют | РБК Тренды

Цифровой двойник (ЦД, Digital Twin) – это система взаимосвязанных высокоадекватных цифровых моделей изделия, технологических, производственных и эксплуатационных процессов, параметрами которых можно управлять полностью в виртуальной среде. Результаты десятков (сотен, тысяч) виртуальных испытаний должны совпасть с результатами итоговых натурных, физических испытаний с точностью до ±5%.

Технология цифровых двойников охватывает весь жизненный цикл продукта: от этапа проектирования, включая НИР и ОКР, производства – и до этапа послепродажного обслуживания и утилизации. Цифровой двойник «обучаем» в процессе эксплуатации, он становится «умнее» – этот процесс сопровождается пополнением базы данных, базы решений, базы знаний.

Новая парадигма. Цифровые двойники – стратегия инновационного прорыва в ОПК

Однако в прикладном плане отметим некоторые специфические парадоксы цифровых двойников объектов с длительным жизненным циклом.

Владимир Михайлович Макаров, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник научно-технического центра «Машиностроение» ГКС

Цифровой двойник - это пока не сложившийся термин

И он многопланово интерпретируется специалистами разных профилей и компетенций.

Цифровые двойники – прошлое, настоящее и будущее / Хабр (habr.com)
Цифровой двойник — Википедия (wikipedia.org)

При этом цифровые двойники бывают (по одной из гипотез):

• прототип (DTP) - представляет собой виртуальный аналог реального объекта, который содержит все данные для производства оригинала;
• экземпляр (DTI) - содержит данные обо всех характеристиках и эксплуатации физического объекта, включая трехмерную модель, и действует параллельно с оригиналом;
• агрегированный двойник (DTA) - вычислительная система из цифровых двойников и реальных объектов, которыми можно управлять из единого центра и обмениваться данными внутри.

Оптимальной погрешностью между работой цифрового двойника и его физического прототипа считают 5 %.

Обобщая, ЦД - это некая обобщенная электронная «Модель» объекта (практически – это совокупность частных Моделей под разные свойства объекта), постоянно уточняющаяся по мере эволюционного развития модели в своем жизненном цикле и получающая полноценное наполнение (по информационной насыщенности и адекватности) лишь на самом «финише» своего существования.

Цифровой двойник - это эволюционирующая Модель

ЦД - своего рода электронный «мираж» (фронтир) с невозможностью достичь предела совершенства в виде адекватности с физическим прототипом в период своего создания и «становления».

Агрегированная электронная Модель объекта, называемая ЦД, интегрально практически не существует вследствие разнородности частных модельных существований, которые сложно объединить на одной информационной платформе (но такой «эталон» СУПЕР- или ГИПЕРМодели предполагается при наличии IT-возможностей).

Разнесенность в жизненном цикле частных моделей (по периодам их формирования) делает отчасти «бессмысленным» сам факт формирования такой ГИПЕРМодели – т.к. двойник сформируется лишь тогда полноценно, когда приходит время объекту «умирать» (близок срок утилизации). В этой связи усовершенствовать объект становится непростой задачей на основе синтезированного и адекватного цифрового двойника (на ранних фазах ЖЦ объектов ЦД (как активный объект управления) еще нелигитимен и неадекватен по свойствам. А на завершающих стадиях ЖЦ – его польза пассивна и вряд ли может быть реализована эффективно!). В таких условиях ЦД может быть полезен лишь как информационная основа при создании и оптимизации характеристик модификаций (номенклатурной линейки) объектов одинакового целевого назначения, за проектную базу которой принят «синтезированный» ЦД.

В этом парадокс цифровых двойников объектов, имеющих длительный жизненный цикл, исчисляемый десятками лет. Этот «парадокс» роднит ЦД с опытным специалистом-носителем неких уникальных знаний: «если бы «молодость» умела, а «старость» могла». В молодости мы еще недееспособны в профессии, а в старости польза от накопленных знаний и умений минимальна.

Парадокс статуса

Цифровой двойник не имеет пока четко определенных временных и информационных границ, при достижении которых исходная геометрическая и расчетно-аналитическая CAD/CAE-модель объекта становится ЦД как легитимного атрибута создаваемого объекта. Если внимательно вчитаться в п.1 (см. тексты по ссылкам), то достаточная информационная насыщенность двойника наступает только после получения «больших данных» об объекте моделирования – это осуществляется на фазах натурных испытаний и физической эксплуатации «в полях». Таким образом, обобщенная Модель объекта приобретает статус «двойника» лишь на стадии его эксплуатации (причем как минимум в послегарантийный период). Поэтому следует аккуратно относится к этому термину на начальных стадиях жизненного цикла объектов – любые электронные модели на этих фазах являются лишь начальным информационным прообразом будущего ЦД (если конечно хватит сил и терпения полноценно его сформировать). Поэтому цифровые двойники - удел долгоиграющих игроков рынка с длительными циклами выпуска продукции и стабильных компаний, выпускающих наукоемкую «сложную» продукцию с многомерными тактико-техническими характеристиками, частные модели которых и следует агрегировать в цифровом двойнике как обобщенную свертку.

Цифровой двойник – это не стартап

Следующий «парадокс» в целевом свойстве ЦД: цифровой двойник – это не стартап, имеющий относительно короткий период рыночного становления и внедрения. Цифровым двойником нельзя «захотеть» заниматься – это вынужденная форма проектно-производственной и сервисной деятельности компаний, если они хотят получить качественный и конкурентоспособный продукт – изделие. Этому нужно учиться и весьма долго, да еще и иметь способности расчетно-аналитической и проектно-технологической работы. Такие работы и компетенции называют наукоемкими.

Если цифровые двойники кому-то «не потребуются» - значит это не конкурентная продукция и умирающие компании, так как без подобных цифровых «инструментов» нельзя достичь бизнес-эффективности.

ЦД – это не самоцель, а лишь важный инструмент управления проектами и бизнесом при исполнении контрактов по наукоемким (высокотехнологичным) изделиям. И цифровой уклад «подарил» нам такую возможность синтезировать архиважный виртуальный IT-предмет прогностического исследования и оптимизации материальных объектов с самых ранних фаз их ЖЦ, что весьма эффективно (см. принцип КАНАРСПИ) и что было недостижимо в прежних технологических укладах.

Цифровой двойник, как правило, синтезируется в разных информационных средах и агрегируется путем интероперабельных технологий

Пока вряд ли существует некая ГЛОБАЛЬНАЯ информационная среда, способная аккумулировать все многообразие характеристических профилей объекта. Почему выбирается та или иная информационная среда для моделирования? Это отражает продуктовую специфику и многомерность технических требований к объекту. Причем выбор инструментариев не так уж и велик для изделий сложного машиностроения, а отечественных IT-инструментов для полноценных и глубоких исследований свойств сложных систем-агрегатов, машин, судов и летательных аппаратов почти нет.

ЦД – это наукоемкая компетенция и эксклюзивное «know-how»

Наши технологии синтеза ЦД изделий машиностроения и наши проекты мы в данном обзоре не имеем возможности раскрывать.

Можно ознакомиться с некоторыми нашими наработками в открытых литературных источниках по этой теме. Например:

https://ritm-magazine.com/ru/public/cifrovaya-podgotovka-proizvodstva-v-mashinostroenii
https://ritm-magazine.ru/ru/magazines/2021/zhurnal-ritm-mashinostroeniya-no-5-2021#page-3435
https://ritm-magazine.ru/ru/magazines/2021/zhurnal-ritm-mashinostroeniya-no-10-2021#page-3940

Автор: Владимир Михайлович Макаров, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник научно-технического центра «Машиностроение» ГКС (АО "Группа Систематика")