Новый оборонный заказ. Стратегии
Новый оборонный заказ. Стратегии
РУС |  ENG
Новый оборонный заказ. Стратегии

Прыжок в пространство возможностей…

Алексей Иванович Боровков – профессор, проректор по перспективным проектам, руководитель Инжинирингового центра (CompMechLab®) и Центра компетенций НТИ «Новые производственные технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

 

Под его руководством центр стал одной из самых успешных инновационных организаций в России, с филиалами по всей стране, аккумулирующими интеллектуальные инициативы молодых ученых и инженеров. В 2017 году спин-аут компания СПбПУ – высокотехнологичная инжиниринговая компания ООО «Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®) – стала лауреатом Национальной промышленной премии Российской Федерации «Индустрия».

О тренде в области цифровизации и цифровой трансформации промышленности, который следует развивать сегодня, чтобы совершить необходимый инновационный прорыв, и о том, что в этом направлении уже сделано разработчиками Инжинирингового центра, Алексей Иванович рассказал в эксклюзивном интервью журналу «Новый оборонный заказ. Стратегии».

Национальная промышленная премия Российской Федерации «Индустрия» впервые вручалась в 2014 году. Ежегодно за нее борются около сотни российских инновационных разработок, а лауреатом становится одна компания. Конкуренция серьезная. За что в 2017 году Инжиниринговый центр CompMechLab® получил премию?

– Получили мы ее, если говорить современным языком, за создание цифровой платформы CML-Bench™, которая предназначена для разработки цифровых двойников (Digital Twins). Фактически это цифровизация в самом серьезном наукоемком виде, которая представляет собой цифровую трансформацию бизнес-процессов и бизнес-моделей и обеспечивает создание глобально конкурентоспособной и востребованной продукции при тех или иных жестких ограничениях: финансовых, временных, производственных, технологических, экологических и т.д.

Когда вы говорите о конкурентоспособной продукции, то имеете в виду программное обеспечение, то есть саму написанную платформу, или продукцию, которую уже сделали или могут сделать благодаря этой платформе?

– Конечно, прежде всего, я имею ввиду наукоемкую и высокотехнологичную продукцию. Это могут быть автомобили, двигатели, самолеты, вертолеты и так далее. Мы создали современный инструментарий – компьютерную технологию, точнее, цифровую платформу, которая объединяет, «комплексирует» десятки best-in-class технологий мирового уровня.

Идет ли речь об экспорте самой этой технологии?

– Нет, сейчас не идет. Сейчас мы даже не планируем выводить ее на широкий рынок. Почему? Это уникальная российская разработка, аналогов которой в настоящее время не существует. Соответственно, именно цифровая платформа CML-Bench™ представляет ключевое конкурентное преимущество в процессе разработки новой продукции. Если вы обладаете конкурентным преимуществом, то зачем же его передавать или продавать? Короче говоря, речь должна идти о той или иной бизнес-модели, которая позволяет сохранять и, главное, развивать ключевое конкурентное преимущество.

То есть она дает инновационные преимущества и экспортировать ее нерационально?

– Да, вы правы, именно так. Речь идет о базовой критической технологии. В технологическом развитии мы выделяем три этапа (триаду): технологический прорыв, затем – технологический отрыв, далее – формирование технологического превосходства. Наша задача на сегодня – закрепить технологический прорыв, формируя технологический отрыв и технологическое превосходство, понять темпы своего развития, которые должны не только не уступать мировым, но даже в чем-то опережать их. Наконец, необходимо оценить необходимые ресурсы для системной работы

На каком этапе этой маркетинговой стратегии вы сейчас находитесь? И что нужно сделать, чтобы создать технологическое преимущество и получить ощутимый экономический результат в масштабах страны?

– Когда мы говорим о маркетинговой стратегии, то в первую очередь нужно исходить из следующей триады: Hi-Tech & PR & Маркетинг. Многие считают, что PR – это часть маркетинга, но я предлагаю их разделить. Эту триаду в действии, кстати, хорошо иллюстрирует пример с автомобилем Илона Маска, запущенным в космос. Когда мы обсуждали этот кейс в «Роскосмосе», специалисты говорили: «Ну вот, он всего один раз запустил, а мы-то запускали многократно!». Да это так, мы запускаем «чушки бетонные», да еще и не анонсируем это. Маск запустил в космос автомобиль, и об этом узнали все, даже те, кто про Маска ничего не знал, да и космосом никогда не интересовался. Результат – инвесторы наперебой предлагают деньги, ученые и инженеры-разработчики хотят сотрудничать. Hi-Tech & PR & Маркетинг в нужное время и в нужном месте порой незаменимы.

У нас к пиару относятся так: «Да зачем это надо?»

– В маркетинговом поле передовых технологий, а это именно наш случай, все происходит в соответствии с кривой развития технологий Гартнера (рис. 1). Первый опыт мы сделали еще в 2015 году, когда издали книгу «Бионический дизайн» и ввели в обиход и новый термин, и комплексную технологию, создающую изделия и продукты с принципиально новыми характеристиками. В нашей трактовке «бионический дизайн» (Bionic Design) – это аддитивные технологии плюс комплекс технологий оптимизации, например, многокритериальная, многопараметрическая, мультидисциплинарная оптимизация, ну и, конечно, топологическая и топографическая оптимизация. Совокупность решений под общим названием «бионический дизайн» дает возможность эффективно применить и уже ранее известные технологии. Термин «бионический дизайн» сразу начал попадать в различные документы, например, в конкурсную документацию для инжиниринговых центров.

 

 

Авторство этого термина принадлежит вам вместе с его «начинкой»? Ведь за бионическим дизайном затем последовали «цифровые двойники», «цифровые тени»…

– Да, если иметь в виду высокотехнологичную промышленность, разработку на основе математического моделирования, технологий оптимизации и аддитивное производство. Но на сегодня «бионический дизайн» фактически уже прошел все этапы кривой Гартнера. Сейчас эта комплексная технология развивается одновременно со смежной технологией – «генеративный дизайн» (Generative Design) и естественным образом, как составной компонент, входит в более мощную технологию – «цифровой двойник» (Digital Twin).

Это решение совершенно необходимо для разработки любой наукоемкой и высокотехнологичной продукции, любого высокотехнологичного производства, а потому особенно актуально для предприятий ОПК.

Необходимо понимать, что речь идет о цифровом двойнике, который, конечно же, не нужно путать с «цифровой тенью» производственного процесса или эксплуатируемого продукта. «Цифровая тень» (Digital Shadow) уже давно используется в разных индустриях по всему миру, обычно для мониторинга технического состояния эксплуатируемого объекта, но мало что дает с точки зрения предупреждения аварийных ситуаций, так как обладает лишь «свойством памяти», то есть «помнит» лишь то, что уже происходило. В силу большого количества датчиков, установленных на физическом объекте, она может предупредить о «штатном износе» узлов и агрегатов, но не способна предсказать аварийную ситуацию, которая зачастую зависит от неблагоприятного сочетания многих факторов.

Применение технологии «цифровых двойников» охватывает весь процесс – от этапа проектирования, включая аван-проект, НИР и ОКР, производства и до этапа послепродажного сервисного/технического обслуживания и ремонтов. Что еще более важно – эта система «обучаема» как постоянно пополняемая база данных, база решений, база знаний. В ОПК она совершенно необходима и незаменима, поскольку позволяет значительно снизить объем дорогостоящих стендовых и натурных испытаний, выполняя на этапе разработки огромное количество виртуальных испытаний на основе математических моделей, обладающих высоким уровнем адекватности реальным материалам, изделиям и физико-механическим процессам. Причем испытания зачастую проводятся на специально разработанных виртуальных стендах и виртуальных полигонах.

Есть уже готовые примеры применения? В какой точке кривой находится эта технология?

– Да, есть. Но у нас часто многие торопятся, желая превратить технологию сразу же в государственный стандарт, что на нынешнем этапе развития преждевременно, потому что критическая масса понимающих и подготовленных инженеров, обладающих высокой физико-математической подготовкой и готовых применять ее для создания, например, ВВСТ, еще не сформирована.

А как сформировать эту критическую массу?

– Исключительно решая реальные задачи, например, через пилотные проекты, которые заканчиваются получением измеримых результатов, о которых ранее считали, что они недостижимы.

Представляете, как воспринимают Инжиниринговый центр Политеха опытные конструкторы предприятий и КБ? «Пришли молодые ребята и пытаются нас учить!» Значит, единственная возможная для нас точка входа – это в рамках пилотного проекта решать «нерешаемые задачи». Это такие задачи, которые до их решения все считали «нерешаемыми» по тем или иным причинам. Такой пример как раз был с широко известным проектом «Кортеж» (головной исполнитель проекта – НАМИ), в реализации которого сотрудники Инжинирингового центра CompMechLab® принимали самое активное участие. В начале 2014 года вся автомобильная отрасль утверждала, что за те сроки (а нужно было сделать «до инаугурации» нового президента) и при тех ресурсах, которые выделялись (примерно 12 млрд рублей), невозможно достичь требуемого результата, сопоставимого по характеристикам с лучшими мировыми аналогами. Владимир Пирожков, известный промышленный дизайнер, помнится, в начале 2015 года, утверждал, что такие проекты делать – «сплошная авантюра», их успешная реализация возможна только при высоком уровне развития отечественной автомобильной промышленности, и не за 12 млрд рублей, а за 120+ млрд рублей (то есть за «за 2 млрд долларов»).

Тем не менее, проект был успешно реализован, причем за сумму, которая в десять раз меньше той, что принята в мировой автомобильной промышленности. Именно в рамках этого проекта мы интенсивно применяли технологию разработки цифровых двойников на основе сформированной матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, которых насчитывалось 125 тысяч. Вот что такое передовой цифровой дизайн и инжиниринг, точнее, Smart Design & Engineering…

Но дальше возникает острый вопрос: а нужна ли наша технология исполнителям гособоронзаказа? Они же обычно говорят: «Дайте нам миллиард (или – миллиарды), подвиньте срок “вправо”, и мы всё успеем сделать». А тут вдруг приходим мы и говорим: «Нет, с помощью передовых технологий “цифрового двойника” можно сделать дешевле и быстрее». Естественно, это рациональная постановка задачи. Однако в сегодняшней экономической ситуации мы уменьшаем бюджет исполнителям…

Эта ситуация («разрабатывать дешевле и быстрее») типична для гражданской высокотехнологичной промышленности, которая должна конкурировать на глобальных рынках, создавая конкурентоспособную продукцию за меньшие сроки и меньшие финансовые средства…

Красивая картина, когда от концепции до реализации идеи сокращается срок и уменьшаются затраты. Это должно быть выгодно государству и частному бизнесу, но, увы, не очень выгодно, как мы видим, исполнителям гособоронзаказа.

– Очень важный момент. Россия, как и многие другие страны, сейчас технологически находится в так называемой «долине смерти». Высокотехнологичная продукция становится с каждым годом все сложнее благодаря глобальной конкуренции и с учетом того, что постоянно появляются новые игроки, например, Илон Маск в автомобилестроении и ракетной технике, стираются границы между традиционными отраслями, возникают новые рынки. Времени для решения этих более сложных задач, которые ставятся перед нами, с каждым годом все меньше, точнее, у нас его просто нет. И денег для решения этих более сложных задач в более короткие сроки у нас все меньше. Понятно, что у нас никогда не будет таких финансовых средств, какие были у наших предшественников – Курчатова и Харитона, Королева и Глушко, Туполева и Ильюшина, Миля и Камова, наконец, Калашникова.

Итак, задачи становятся сложнее, времени для их решения – меньше, денег – тоже меньше. Это, вообще говоря, общий тезис, или, говоря образно, «долина смерти».

Соответственно, можно сделать утверждение, что традиционные подходы, которыми пытаются преодолеть «долину смерти», не сработают, так как они, что достаточно очевидно, для решения более сложных задач требуют больше времени и больше финансовых средств. Поэтому решение возможно только с помощью новых передовых best-in-class технологий мирового уровня. Должен быть целенаправленно и на системной основе сформирован технологический прорыв, о котором говорит президент, но далеко не все его слышат. То есть мы, развиваясь, дошли до определенного уровня развития, а нам вдруг ставят задачу значительно более сложную, налицо – скачок в уровне сложности. Преодолеть такой «скачок сложности» при уменьшении времени и финансовых средств тоже можно лишь скачком, при помощи технологического прорыва.

Цифровые двойники дают возможность этого скачка?

– Да. Обратимся к рисунку 2. Рассмотрим гипотетическую, но весьма правдоподобную ситуацию. Наш уровень развития характеризуется значением RL(t) (Russian Level), t – время, а темпы нашего развития, для простоты, характеризуются углом А. Мировой уровень развития – WL(t) (World Level), а темпы его развития – угол B. Из сопоставления графиков на рис. 2 видим, что WL(t) > RL(t) при всех t, так как B > A, причем разрыв WL(t) – RL(t) > 0, более того, для любых t2 > t1 мы получим WL(t2) – RL(t2) > WL(t1) – RL(t1) .

Что это означает? Это означает, что «что бы мы ни делали, с каждым днем мы отстаем все более», несмотря на наше развитие с темпами A, о котором мы с гордостью регулярно сообщаем нашему руководству (не упоминая, естественно, о темпах развития B у наших конкурентов).

Итак, перед нами стоит традиционная задача – «догнать и перегнать». Как нам в решении этой сложной задачи может помочь технология разработки цифровых двойников? Допустим, что мировой уровень WL(t0 = 0) = WL0 – это бенчмарк (Benchmark), и его мы берем за ориентир, который нам нужно преодолеть. Мы находимся на уровне RL(t0 = 0) = RL0, значит, мы должны за достаточно короткое время (t* – t0) (желательно, за месяцы, а не за годы!) «подпрыгнуть» к мировому уровню DT(t*) = DT* ~ WL(t*) = WL* – а это возможно сделать лишь с помощью технологии цифрового двойника (DT – Digital Twin). А дальше нам необходимо задать темпы совершенствования цифрового двойника DT*, которые характеризует угол D – такое совершенствование обеспечивают рациональная балансировка все большего числа характеристик матрицы требований / целевых показателей и ресурсных ограничений, а также применение технологий оптимизации и передовых производственных технологий.

Так как D > B > A, то в момент времени t** мы «догоним» мировой уровень DT (t**) = DT** = WL (t**) = WL**, однако при временах t > t** уже будем иметь: DT(t) > WL(t), t > t**, то есть мы получаем семейство цифровых двойников, превосходящих мировой уровень: DT (t**) < DT (t3) < DT (t4) < DT (t5) < … , t** < t3 < t4 < t5 < … . На рынок мы выводим изделие, которое отвечает цифровому двойнику DT(t3), подчеркнем, что DT(t3) превышает мировой уровень. А цифровые двойники DT(t4), D (t5), … – это «цифровые двойники», которые «сидят в засаде» и могут быть выпущены на рынок в любой момент, как того потребует конъюнктура глобального рынка.

Этот наш подход эксперты Клауса Мартина Шваба, родоначальника Четвертой промышленной революции, предложили называть «двойным прыжком лягушки» (Double Leap Frogging). Фактически на этом рисунке продемонстрированы технологический прорыв (t < t**), технологический отрыв (t > t**) и технологическое превосходство (t >> t**). Примеры, которые указывают на то, что это возможно, уже есть. Тот же проект «Кортеж», например.

 

 

Можете объяснить, как работает эта технология, и описать преимущества ее внедрения, в том числе экономические?

– Важно понимать, что «цифровой двойник» – это не цифровая копия реального объекта, это слишком упрощенное представление. Если подумать, то именно реальный объект является «копией» полноценного цифрового двойника. По пути цифровой копии (реплики) реального объекта ранее и дальше всех уже прошел General Electric. Например, в 2017 году они заявляли: «К концу года у нас будет миллион цифровых двойников». Правда, цифровыми двойниками они назвали ту часть, которую мы называем «цифровая тень». Они фактически просто изучали, как ведет себя конструкция в процессе эксплуатации, «нашпиговав» ее датчиками и собирая огромные массивы данных. Понятно, что этот подход хорошо работает только в том случае, если процесс проходит в штатном режиме или с незначительными отклонениями, которые происходят достаточно медленно.

«Цифровая тень» не может предсказать аварийную ситуацию, потому что «ее этому никто не научил», а «учиться» она может только на реальных примерах. А «цифровой двойник» способен смоделировать возможные критические ситуации, предложенные экспертами, заложить их в «цифровые мозги», провести многочисленные виртуальные испытания.

Итак, важно понимать, что цифровая тень обладает лишь свойством памяти, не имея возможности предсказывать аварийные ситуации, а цифровой двойник обладает уникальным предсказательным потенциалом.

То есть цифровой двойник способен «придумать», просчитать, смоделировать ситуацию? Как?

– Да, способен предсказать, и это главное. Рассмотрим пример. На этапе разработки, допустим, какого-либо сложного объекта есть генеральный конструктор, и у него, скажем, пять главных конструкторов, каждый из которых отвечает за проектирование отдельного агрегата. Предположим, каждый из главных конструкторов может «удержать в поле зрения» до ста целевых показателей: пять умножаем на сто – получаем пятьсот, значит, мы проектируем, контролируя пятьсот целевых показателей.

На самом деле реальный объект во всех режимах эксплуатации описывают, скажем, пять тысяч целевых показателей и характеристик. Следующий шаг в развитии и уточнении – их уже пятьдесят тысяч, поскольку «цифровой двойник» будет постоянно увеличивать число целевых показателей, параметров и характеристик, и в процессе разработки, и в процессе эксплуатации. А как только увеличение происходит на порядок, это уже нельзя не заметить, так как и качество проектирования возрастает значительно. Это и есть технологический прорыв, о котором часто упоминают …

Для справки: в проекте «Кортеж» при разработке Единой модульной платформы проходил испытания с учетом ста двадцати пяти тысяч целевых показателей и ограничений одновременно – именно это и было реализовано на цифровой платформе CML-Bench™, именно за это мы и получили Национальную промышленную премию Российской Федерации «Индустрия» в 2017 году. Тогда и был, фактически, установлен мировой рекорд. Напомню, что годом ранее, в июне 2016 года, на независимом полигоне в Берлине седан AURUS (тогда еще седан из проекта «Кортеж») с первой попытки получил высший балл на испытаниях по пассивной безопасности во фронтальном краш-тесте. Никогда до этого отечественный автопром не то что высших баллов не получал, он вообще «ничего не получал». Вот вам пример успешной реализации стратегии «двойной прыжок лягушки» в отдельно взятом проекте.

А если оценить все это в категориях экономических, то эффект скачка достигается снижением объемов стендовых и натурных испытаний в разы, в нескольких случаях – на порядок и более. Но важно понимать, что объем виртуальных испытаний, в том числе, на специально разработанных виртуальных стендах и виртуальных полигонах, возрастает на два порядка и в большее число раз. Если посмотреть на кривую маржинальности любого продукта у компаний – мировых лидеров, то мы увидим, что самые маржинальные этапы – это проектирование, а также послепродажное сервисное/техническое обслуживание и ремонт. Производство уже не является маржинальным, у мировых лидеров оно уже давно стало бережливым, во многих случаях – цифровым, сейчас идет этап интеллектуализации – оно становится «умным» производством.

Итак, цифровые двойники изделия/продукта, производственных технологических операций и режимов эксплуатации, совместно с цифровыми тенями эксплуатируемых изделий, позволяют значительно снизать затраты на всех этапах создания и обслуживания инновационного продукта, в первую очередь, на этапе проектирования.

Исходя из успешного опыта с AURUS из проекта «Кортеж» получается, что прорывная технология уже есть и ее можно и нужно масштабировать?

– Да. И выглядит это так. При проектировании возникает так называемый «цифровой двойник» первого типа – цифровой двойник изделия, на этапе производства возникает «цифровой двойник» второго типа – цифровой двойник производственных технологических операций. Как только объединяются цифровой двойник изделия и цифровой двойник технологических операций, цифровой двойник становится «умным цифровым двойником» (Smart Digital Twin), он обладает «генетической памятью» о том, как и в какой последовательности его изготавливали. Далее «умный цифровой двойник» говорит нам о критических зонах и критических характеристиках на этапе эксплуатации, то есть отвечает на важнейшие вопросы: «где измерять?» и «что измерять?». Это, в свою очередь, позволяет сформировать «умную цифровую тень» (Smart Digital Shadow) и существенным образом сократить объем «мусорных данных», получаемых на этапе эксплуатации. С одной стороны, «умная цифровая тень» с каждым этапом эксплуатации делает наш цифровой двойник «умнее», с другой стороны, позволяет организовать три важных обратных связи – на этап эксплуатации, на этап производства и, конечно, самую важную – на этап проектирования и создания новых и более конкурентоспособных изделий/продуктов в кратчайшие сроки.

Ну, хорошо, а дальше? Как предусмотреть внешние воздействия, как предугадать изменения среды условий эксплуатации?

– Например, при влиянии агрессивной среды на материал происходит деградация его свойств. Конечно, в области изучения этих процессов лидирует атомная энергетика. Затрагивая другие высокотехнологичные отрасли, их опыт, необходимо сказать о кросс-отраслевом трансфере технологий, осуществляемом в рамках трансдисциплинарного подхода. Мы одновременно работаем с десятью высокотехнологичными отраслями, и каждая отрасль решает те или иные специфические задачи, «забегая вперед» в своем развитии по сравнению с другими отраслями. В итоге, достигая определенных высот в одной отрасли, мы имеем возможность перенести положительный опыт разработки «цифровых двойников» из одной отрасли в другую.

То есть, по идее, скоро технология разработки «цифровых двойников» станет основой всей проектной работы в разных отраслях?

– Да, но не все так просто внедряется. Приходят люди, у которых раньше не было таких возможностей, им «вдруг» дают «неограниченные возможности», естественно, они просто в них не верят. Они привыкли, что у них нет инструмента для того, чтобы гарантировать получение результата в кратчайшие сроки, и, соответственно, по какому пути проектирования ни пойдешь, возникает риск невыполнения проекта в срок. При этом они, как правило, выбирают лишь один путь, лишь одну траекторию проектирования, которая кажется им наиболее верной.

С другой стороны, в нашей практике весь процесс проектирования нестационарный и нелинейный, со множеством точек бифуркаций, в результате мы «запускаем» 10, 20 или 30 траекторий проектирования, причем заранее не знаем, какая из этих траекторий приведет нас к успеху. Итак, за столом сидят эксперты и в режиме обсуждения генерируют варианты – «а я бы сделал вот так», а другой эксперт: «а я – вот так». Если работать традиционным образом, то генеральный конструктор должен на это ответить: «Стоп! Прекратить разговоры! Будем делать вот так!» – и фактически обрубить все другие возможности. А ведь среди них, безусловно, есть более предпочтительные, но они сразу не видны, так как современное проектирование – это проектирование «за гранью опыта и интуиции генерального конструктора», но для этого необходимы принципиально иные инструменты проектирования, чем те, которыми сейчас обладает промышленность.

То есть, процесс разработки «цифрового двойника» расширяет пространство возможностей?

– Да, именно так, и это очень важно. Мы можем «запустить» несколько траекторий проектирования. Потом, через какое-то время, опять собрать экспертов и подвести промежуточные итоги, посмотреть, какая идея, гипотеза или концепция сработала, контролируя при этом огромное количество целевых показателей и ограничений. Фактически мы меняем процесс проектирования, переходя к проектированию «с непрерывными воротами качества».

Пространство возможностей безгранично…

Беседовала Александра Григоренко

©«Новый оборонный заказ. Стратегии» 
№ 2 (61), 2020 г., Санкт-Петербург