Новая технология мышления – разработка и применение цифровых двойников

22–23 июня 2020 года Центром компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» была проведена онлайн-конференция «Современная подготовка инженеров». Конференция стала одним из этапов реализации масштабного мероприятия «Разработка и апробация модели современной инженерной подготовки – «Advanced Engineering School» – в образовательных программах Центра НТИ СПбПУ».

Следите за новостями «Новый оборонный заказ. Стратегии» в Google News, будьте в курсе событий!

Конференция привлекла внимание большого количества специалистов – участниками конференции стали 202 человека – представителей более 30 университетов страны. На открытии конференции с приветственными словами выступили представители Правительства РФ, выдающиеся ученые и эксперты.

В рамках конференции были проведены коллоквиумы на темы «Форвардные инженерные задачи», «Какими технологемами мышления должны обладать современные инженеры (проектными, исследовательскими и т.д.)», «Содержание и дидактическая организация подготовки инженеров». Также в рамках мероприятия с лекцией на тему «Новая технология мышления – разработка и применение цифровых двойников. Проблемы-вызовы и подготовка специалистов, обладающих компетенциями мирового уровня» выступил профессор, проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра НТИ СПбПУ, лидер (соруководитель) рабочей группы «Технет» НТИ Алексей Иванович Боровков.

Цифровые двойники

Свое выступление Алексей Иванович начал с объяснения принципиально важных для понимания темы выступления вещей. Он рассказал, как Центр НТИ СПбПУ формулирует определение «цифровой двойник»:

«Цифровой двойник – это комплексная технология, процесс проектирования, в основе которого лежит разработка и применение семейства сложных мультидсциплинарных математических моделей, описываемых 3D-нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, с высоким уровнем адекватности».

При этом утверждать, что цифровой двойник – это реплика реального объекта неверно, отметил профессор: «Это как минимум половину возможностей цифрового двойника отрезать, или ввести в заблуждение последователей, что иногда делают некоторые вендоры, потому что им нужно внедрить свой продукт».

Цифровой двойник – это технология и процесс создания глобально конкурентоспособной продукции. Он интегрирует следующие основные компоненты:

- best-in-class технологии мирового уровня – из них путем комплексирования формируется цепочка создания глобально конкурентоспособной продукции. Внимание уделяется приоритизации технологий
- системный инжиниринг – позволяет обеспечивать и контролировать выполнение требований к продукции на протяжении всего жизненного цикла. Обсуждению MBSE уделялось особое внимание на протяжении онлайн-конференции
- многоуровневая матрица требований/целевых показателей и ресурсных ограничений – является ключевым элементом технологии разработки цифрового двойника. И чем больше будет целевых показателей, тем подробнее и точнее удастся описать поведение системы на всех этапах жизненного цикла
- триада «виртуальные испытания», «виртуальные стенды», «виртуальные полигоны»; количество проведенных испытаний примерно соответствует количеству целевых показателей; отличие между результатами виртуальных испытаний и физических/натурных испытаний находится в пределе не более 5%.

Боровков

 

«Цифровой двойник обладает предсказательным потенциалом. Он может «предсказать», что будет через день, неделю, месяц, год и так далее; какой будет ресурс у конструкции, когда она разрушится … Важно помнить, что целевые показатели, которые позволяют более подробно описать поведение системы на разных этапах жизненного цикла, конкурируют между собой. И для матрицы всех целевых показателей характерна рациональная «балансировка» конфликтующих целевых показателей и удовлетворение ресурсным ограничениям. Важным моментом является валидация – то есть процесс определения степени соответствия (уровня адекватности) моделей реальным процессам на основе достоверных данных испытаний. Иными словами, мы должны все математические модели сопоставить с теми экспериментами, которые есть. Если есть – сопоставляем, если нет – в некоторых случаях потребуется поставить эксперимент», - рассказал Алексей Боровков.

Цифровые двойники и цифровые тени. «Умные» цифровые двойники

Далее профессор обратил внимание на такие понятия как «умный» цифровой двойник и «умная» цифровая тень.

Моделировать можно поведение не только реальных материалов, объектов, систем, машин, конструкций и т.п., но и технологические процессы, с помощью которых эти реальные объекты создаются. То есть возникает цифровой двойник, который «знает», как он изготовлен, у него есть своего рода генетическая память. Именно такой цифровой двойник поступает на этап эксплуатации. На этапе эксплуатации цифровой двойник дает три обратные связи: на этап эксплуатации, на этап производства, и, самое важное, на этап проектирования.

 «В результате моделирования возникают две кривые, одна из которых соответствует цифровому двойнику объекта, а вторая – цифровом двойнику технологических процессов, в ходе которого изготовлен этот цифровой двойник. И здесь возникает умный цифровой двойник – то есть цифровой двойник, который «помнит», как его делали, с какой последовательностью его изготавливали. И именно Smart Digital Twin «берет под ручку» реальный объект и сопровождает его на всех этапах жизненного цикла». «Такой подход предъявляет высокие требования к фундаментальной физико-математической подготовке», - добавил Боровков.

Цифровой двойник двойнике не нужно путать с «цифровой тенью» производственного процесса или эксплуатируемого продукта. «Цифровая тень» уже давно используется в разных индустриях по всему миру, обычно для мониторинга технического состояния эксплуатируемого объекта, но обладает лишь «свойством памяти», то есть «помнит» лишь то, что уже происходило, и потому мало что дает, например, с точки зрения предупреждения аварийных ситуаций – в то время как цифровой двойник обладает «прогностическим» потенциалом и позволяет таких ситуаций избежать. В силу большого количества собирающих данные об объекте датчиков, установленных на физическом объекте, «цифровая тень» может предупредить о «штатном износе» узлов и агрегатов, но не способна предсказать аварийную ситуацию, которая зачастую зависит от неблагоприятного сочетания многих факторов. Ещё одной характерной отличительной чертой цифрового двойника является то, что он «подсказывает», что измерять и как измерять для получения заданного результата – то есть куда и как правильно установить датчики, чтобы получить необходимые данные.

Обеспечение глобальной конкурентоспособности

Рассказал Алексей Иванович Боровков и о том, как цифровые двойники обеспечивают глобальную конкурентоспособность: «Технология цифровых двойников дает на выходе серию решений, где на рынок выводится одно из них, а остальные решения остаются «в запасе», и могут быть выведены на рынок в зависимости от его конъюнктуры в любой момент. Этих решений хватит на несколько лет вперед». То есть формируется своего рода задел, состоящий из цифровых двойников «в засаде», которые в любой момент при необходимости могут быть материализованы.

В настоящее время реализуется новая промышленная революция, в основе которой лежит генерация новых данных. Это особенность цифровой экономики, где главное – не обработка или хранение, а именно генерация данных. Но важно прийти к ситуации, когда генерируются «умные» данные (Smart Big Data), и когда мы не производим много «мусора» - ненужных и бесполезных данных, которые только «мешают» достигать заданных результатов. Более того, в условиях этой новой промышленной революции возникает необходимость «одновременно и быстро делать то, что раньше делалось этапами и разными группами – и конструировать, и проектировать, и исследовать, и разрабатывать цифровой двойник. Понятно, что это другая технология мышления», - особенно отметил Алексей Боровоков.

Какой должна быть современная подготовка инженеров?

В отношении современной подготовки инженеров тезис о том, что новая промышленная революция – это другая технология мышления приобретает особенную актуальность и значимость.

В 2014 году было отмечена своеобразная «разбалансировка», когда выпуск инженеров в разы превысил потребности в кадрах – с одной стороны. С другой – низкие зарплаты в высокотехнологичной промышленности спровоцировали дефицит кадров. Именно тогда на правительственном уровне обратили внимание на меж- и мультидисципланарность и глубокое фундаментальное физико-математическое образование.

В это же время возник термин «инженерно-технологический спецназ», под которым подразумевается подготовка инженеров, основной компетенцией которых должно стать создание новых конкурентоспособных продуктов на основе интеграции достижений в различных областях знаний и передовых наукоемких технологий. «Такой инженер в какой-то степени объединяет в себе и материаловеда, и конструктора, и расчетчика, и технолога, и, если надо, маркетолога. Но поскольку в одном человеке, получающем специализированное образование, все это объединить невозможно, нужен особый инструмент. И таким инструментом является матрица целевых показателей и ресурсных ограничений, которая содержит в себе те знания, которыми обладают разные узкие специалисты», - пояснил Боровков.

 

При этом на «инженерный спецназ» приходится не более 5% всех специалистов, и подготовка такого «инженерного спецназа» должна быть практико-ориентированной и осуществляться в рамках выполнения реальных НИОКР.

В качестве примера Алексей Боровков рассказал о модели развития Инжинирингового центра СПбПУ и о том, как на базе СПбПУ удалось создать Центр компетенций НТИ «Новые производственные технологии». За время со старта (в 1988 году) под руководством Алексея Ивановича было выполнено 522 выпускных работы, из них 211 магистерских диссертаций, 234 выпускные работы бакалавров и 77 дипломных работ. При этом в подготовке инженеров значение имеют и формализованные знания – то есть то, что студенты выносят из лекций, семинаров, и неформализованные знания – то есть те, которые студенты получают в ходе общения. «Естественно нужно было обеспечить преемственность с базовыми дисциплинами (план прикладной механики, который является базовым», - добавил Алексей Иванович. Рассказал профессор и об экосистеме инноваций СПбПУ на основе наукоемкого высокотехнологичного компьютерного инжиниринга, особое внимание уделив реперным точкам, которые и привели к созданию Центра компетенций НТИ.

Особое внимание при современной подготовке инженеров важно уделять междисциплинарности. С началом пандемии коронавируса нового типа Центр НТИ СПбПУ разработал математическую модель распространения инфекции, и, впоследствии наслоив экономику, социальную сферу, получил в результате уникальный опыт внедрения методов в нетрадиционные отрасли и сферы знаний и деятельности.

Кросс-отраслевые best-in-class решения

На базе Центра НТИ СПбПУ реализуются кросс-отраслевые best-in-class решения, что тоже соответствует новому способу мышления в условиях новой промышленной революции. «Это очень важно – работать с разными отраслями промышленности. Это позволяет понимать, как развиваются отрасли, их темпы развития, в частности, становится понятно, кто «забегает вперед», а кто является технологическим лидером. Безусловно, в настоящее время, по крайней мере, до начала распространения коронавирусной инфекции COVID-19, абсолютным лидером была автомобильная отрасль. Это самый большой рынок (около 100 млн автомобилей выпускается ежегодно), самая высокая конкуренция (на рынке работают сотни высокотехнологичных компаний), самые передовые технологии проектирования и производства, включая всем хорошо известное роботизированное производство. И зачастую эти лучшие технологии (best-in-class технологии) «диффундируют» в другую отрасль – происходит кросс-отраслевой трансфер технологий. И потому, работая с разными отраслями, мы имеем возможность быть на технологических фронтирах развития этих отраслей и переносить передовые решения из одной отрасли в другую, в которой об этих решениях знать не знают, зачастую – даже и знать не хотят, потому что отрасли между собой не общаются», - отметил Алексей Иванович Боровков.

Центр НТИ СПбПУ работает с предприятиями из высокотехнологичных отраслей: автомобилестроение, двигателестроение, атомное и нефтегазовое энергомашиностроение, авиастроение и ракетно-космическая отрасль, железнодорожный транспорт, судостроение и кораблестроение, металлургия.

«У нас все проектные решения переводятся на язык прикладной науки, а язык науки – это, прежде всего, законы физики и дифференциальные уравнения в частных производных, которыми описываются все материалы, конструкции и физико-механические процессы, включая технологические процессы. А математическое описание поведения материалов, конструкций и процессов – это уже основа для трансдисциплинарного подхода и последующего кросс-отраслевого трансфера технологий» – поясняет профессор.

Модель 2+2+2

В СПбПУ разработана гибкая образовательная траектория с фазовыми переходами – модель «2+2+2». «Для освоения передовых технологий целесообразно реализовывать формулу 2+2+2, в которой мотивированные, талантливые и амбициозные студенты могли бы иметь возможность, поучившись на одной кафедре и поняв, что она им не подходит, свободно переходить на другие кафедры, предполагающие более высокий уровень образования. То есть можно было бы при необходимости гибко корректировать выбранные траектории обучения, отбирая лучших», - пояснил Боровков.

Как сказал Алексей Иванович, «мы должны умнеть быстрее, чем искусственный интеллект», - то есть все время оставляя за собой творческую деятельность, и инженер превращается в «постановщика» целевых показателей, ограничений, за ним остается творческий труд. «Цифровое проектирование – это полностью прозрачный процесс проектирования, который происходит по нескольким траекториям, а таких траекторий может быть несколько десятков в одном проекте», – заметил Боровков, поскольку вся история проектирования изделия хранится в системе CML-Bench™.

В настоящее время в системе CML-Bench™ представлено 175 000 проектных решений для сотен проектов из десятков отраслей, причём, и это чрезвычайно важно, в любой момент времени можно ознакомиться с принятыми ранее решениями, их обоснованием, а также с причинами отказа от тех или иных предложений. Иными словами, у каждого решения есть фамилия, имя, отчество, и можно посмотреть, например, какие решения принимались в конкретный день конкретного месяца.

Работа на удаленке

Поделился Алексей Боровков опытом работы в условиях пандемии. «Как на нас повлиял режим самоизоляции? А никак». Буквально за два дня удалось полностью перевести 300 инженеров на удаленный режим работы без какого-либо ущерба для деятельности. Результаты работы впечатляют: 

 

В заключении выступления Алексей Иванович поблагодарил всех участников конференции за интересные и содержательные доклады, опыт, которым поделились спикеры. Диалог о том, какой должна быть современная подготовка инженеров, безусловно, будет продолжен, и проведенная Центром компетенций НТИ СПбПУ конференция стала важным событием на пути совершенствования системы высшего образования, соответствующего современным запросам и вызовам.

Запись всего мероприятия размещена и доступна к просмотру на официальном YouTube-канале Центра НТИ СПбПУ.

Справочно:

Мероприятие «Разработка и апробация модели современной инженерной подготовки – «Advanced Engineering School» – в образовательных программах Центра НТИ СПбПУ» реализуется в рамках проекта 5-100 (Проект повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров).

Первый этап этого мероприятия прошел в феврале 2020 года. Тогда в ходе визита в Центр НТИ СПбПУ Петр Щедровицкий выступил с лекцией «Опережающая подготовка инженерных кадров как приводной ремень догоняющих индустриализаций России». Слушателями стали сотрудники Института передовых производственных технологий СПбПУ, Центра НТИ СПбПУ и его подразделений. Также на лекции присутствовал руководитель административного аппарата ректора СПбПУ Владимир Глухов.

Лекция вызвала живой интерес у аудитории: слушатели задавали уточняющие вопросы, поднимали темы, актуальные для развития Центра НТИ СПбПУ, подготовки инженерных кадров в Институте передовых производственных технологий СПбПУ и, в целом, в университете.

ВКС-конференция «Современная подготовка инженеров» стала вторым этапом реализации мероприятия по разработке и апробации модели современной инженерной подготовки – «Advanced Engineering School». Затем, осенью 2020 года, оно продолжится циклом лекций.

©«Новый оборонный заказ. Стратегии» 

Партнеры