Задачи управления промышленными объектами через создание цифрового двойника предприятия
Модернизация производства — это комплексное, частичное или полное обновление систем или оснащения на предприятии. Данный процесс влечет за собой целый ряд мероприятий, среди которых большую часть занимает тщательный анализ и сбор информации.
В данной статье предлагается затронуть тему цифровых двойников[1] предприятий и их реализацию в виде набора цифровых информационных моделей.
В последние годы эта тема становится все более востребованной и острой. Среди причин такого повышенного интереса можно отметить:
- объявление национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации»;
- выполнение задач цифровизации строительной отрасли (раздел «Цифровизация строительной отрасли» в проекте «Стратегии развития строительной отрасли до 2030 года»[2]);
- рост применения технологий информационного моделирования;
- появление на рынке труда молодых специалистов, владеющих инструментом.
Все чаще владельцы предприятий и представители государственных структур обращают внимание на новые технологии применительно к своим задачам, в том числе и при решении вопросов модернизации. Ни для кого не секрет, что основная масса предприятий построена в прошлом веке и не соответствует современным требованиям. И, следовательно, чтобы вывести оных в список лидеров мирового технологического процесса и наилучших доступных технологий, необходима их модернизация. Это задача стратегического уровня. Политическая и экономическая обстановка, связанная с санкциями, пандемией и рядом других причин, только обострила эту необходимость.
Что же может позволить решить задачу цифровизации строительной отрасли в промышленном кластере? И почему именно о нем стоит говорить?
В России, на первый взгляд, есть все предпосылки для резкого роста и развития новых подходов к управлению через создание цифровых двойников: на правительственном уровне приняты или принимаются необходимые решения, говорящие об особом статусе задач цифровизации в строительной отрасли; в проектных организациях строительной отрасли полным ходом идет освоение технологий информационного моделирования; высшие учебные заведения меняют свои программы с учетом государственного заказа и общемировыми тенденциями; инвесторы и заказчики наконец-то научились не только выговаривать, но и понимать основной смысл и назначение технологий информационного моделирования (BIM-технологий). И надо отметить, что Россия быстро наверстывает разрыв в этом направлении.
Основные усилия по внедрению технологий информационного моделирования сейчас направлены на рынок жилищного строительства и госзаказ объектов социальной направленности. Однако даже рынок жилищного строительства не выдает ожидаемых результатов, если говорить о полном жизненном цикле объектов капитального строительства. И связано это в первую очередь с разрывом интересов игроков — инвестор (заказчик), как правило, не участвует в дальнейшей эксплуатации произведенной продукции, будь то жилые дома, школы, поликлиники или административные здания. И, как следствие, управляющие компании или комитеты городских структур, которым в дальнейшем предстоит эксплуатация этих объектов, имеют или мизерное представление о BIM и собственной вовлеченности в процесс цифровизации, или не имеют его вовсе.
И все-таки нельзя утверждать, что цифровые двойники в жилищном комплексе на территории России отсутствуют. Такие примеры есть, и связаны они только с крупными частными застройщиками, осваивающими территорию Москвы. Например, PSN Group (ТОП-5 девелопер Москвы по результатам 2016 года) была внедрена Единая система мониторинга, управления и аналитики для сети жилых комплексов (используются модели зданий), которая находится в промышленной эксплуатации, но по-прежнему постоянно развивается: происходит подключение новых жилых комплексов, разрабатываются новые модули, связанные с предикативным анализом работы оборудования, формируются планы развития[3]. Это скорее исключительный случай.
Другое дело — промышленные объекты. Любое предприятие проходит полный жизненный цикл от появления идеи до демонтажа, сохраняя интерес своего заказчика — управленца. И вот тут-то можно и должно в полной мере почувствовать преимущества применения технологий информационного моделирования в качестве создания цифрового двойника промышленного объекта.
Современный мир предлагает для решения таких задач множество технологий, концепций и инструментов: PLM/PDM, BigData (Большие данные), IIoT[4] (Промышленный интернет вещей), Cloud Computing (Облачные вычисления), GIS (Геоинформационные системы), BIM/openBIM и другие. Все это может быть востребовано при решении множества задач управления объектами предприятия, одной из которых является модернизация. Например, создание цифрового двойника путем формирования цифровых информационных моделей производственных цехов поможет собрать данные о состоянии оборудования, об основных и оборотных средствах, а также о производственных процессах и проанализировать их с помощью специализированных систем.
Модернизация предприятия без снижения объемов производства и, тем более, без его остановки — это задача, которая под силу современным технологиям. Кто-то может возразить, что такие задачи решались и прежде. Решались, но сейчас главный фактор — это время.
Несколько лет назад шли постоянные обсуждения отсутствия стандартов по технологиям информационного моделирования, а сейчас уже речь идет о более глубокой их проработке и применимости к особенностям российского рынка.
Если еще десять лет назад разворачивались целые баталии на тему отсутствия интеграции при применении программного обеспечения разных вендоров, то сейчас и этот вопрос начинает уходить в прошлое. Разработчики программного обеспечения становятся более открытыми друг другу, понимая, что не могут покрыть весь спектр решаемых в строительной отрасли задач. В качестве стандарта обмена и управления данными об объектах строительства в Российской Федерации принят формат IFC (Industry Foundation Classes — формат данных с открытой спецификацией)[5].
Так что же препятствует появлению цифрового двойника предприятия и его участия в вопросах модернизации и, возможно, в дальнейшем в задачах управления активами?
Ответ простой — желание заказчика, его умение идти к поставленной цели и добиваться ее, так как этот процесс невозможно решить в укороченные сроки.
В 2019 году Роснефть запустила в опытно-промышленную эксплуатацию цифровой двойник своего месторождения в Башкирии — проект «Цифровое месторождение»[6], выстраивая тем самым интегральную цепочку нового типа, включающую в себя «цифровое месторождение», «цифровой завод» и «цифровую АЗС». Разработка и запуск проекта «Цифровое месторождение» осуществляется в рамках стратегии «Роснефть-2022», предусматривающей переход на качественно новый уровень управления бизнес-процессами, повышение надежности и экономичности производства, сокращение потерь. Хоть в приведенном примере есть упоминание о «цифровом заводе», но все же выполненная работа относится к управлению производственными процессами, а не промышленными объектами недвижимости.
А вот другой пример. Как сообщается на сайте компании «Газпром нефть»[7] от 27 октября 2020 года, «Газпром нефть» получила патент на собственную цифровую разработку — Систему управления инженерными данными (СУПРИД). Система формирует электронные модели производственных установок — цифровые двойники, включающие в себя инженерно-техническую документацию и 3D-модель объектов. Сейчас СУПРИД охватывает Московский и Омский НПЗ «Газпром нефти», позволяя на 20% сократить временные затраты на выполнение регламентных мероприятий по эксплуатации, ремонту и обслуживанию. Экономический эффект от внедрения системы на нефтеперерабатывающих заводах компании оценивается более чем в 700 млн рублей в год.
Итак, видно, что процесс создания цифровых двойников предприятий уже начал свое движение по территории России, и хочется верить в появление новой технологии, которая с каждым годом будет все более востребованной и совершенной. Однако, прикоснувшись к цифровым двойникам в жизни, понимаем, что пока это или попытка перевести привычный процесс проектирования на новый уровень, или подтягивание моделей зданий без информационной части к своим системам автоматизации, или же моделирование без учета всех последующих задач использования цифровых информационных моделей: эксплуатация, модернизация, управление активами и так далее.
В массе случаев появляющихся на свет цифровых двойников видно, что отсутствует главное — требования заказчика, которые зафиксированы в виде документов и будут неукоснительно выполняться исполнителями; что зачастую исполнители живут интересами, очерченными рамками своих договоров и получением вознаграждения за свой труд, без желания понять, что за каждым этапом жизненного цикла объекта до момента его ликвидации идет следующий этап со своими задачами, использующими результаты предыдущего этапа, и что несогласованный переход от одного этапа к другому может привести к большим финансовым издержкам. А ведь технологии информационного моделирования предназначены для наименее рискового прохождения объекта капитального строительства по всему жизненному циклу. Но для этого надо просто правильно организовать работу. Это значит, что впереди предстоит много интересной работы.
Компания ООО «Бюро ЕСГ» — это системный интегратор, который принимает активное участие в проработке правильного подхода к созданию цифровых двойников промышленных объектов. Нашими клиентами являются крупные промышленные компании в нефтегазовой, сталелитейной, судостроительной и других отраслях. «Бюро ЕСГ» имеет многолетний опыт по внедрению технологий информационного моделирования, применению технологий лазерного сканирования, созданию систем управления инженерными/проектными данными, использованию геоинформационных систем и их интеграции с цифровыми информационными моделями. Наша компания предоставляет полный комплекс услуг по разработке технологии создания цифрового двойника предприятия с учетом его последующего использования.
За последние годы специалистами ООО «Бюро ЕСГ»[8] выполнены и продолжают выполняться работы по созданию цифровых двойников как на основе лазерного сканирования, так и с использованием проектной, рабочей и исполнительной документации. ООО «Бюро ЕСГ» принимает активное участие при разработке требований заказчиков к цифровым информационным моделям в различных отраслях промышленности[9], в том числе для ПАО «Газпром нефть», а также в разработке методик создания цифровых информационных моделей с применением программного обеспечения разных разработчиков.
ООО «Бюро ЕСГ» принимает участие в пилотных проектах по разработке импортозамещающих систем управления инженерными данными и их интеграции с цифровым двойником предприятия. Группой специалистов ООО «Бюро ЕСГ» по геоинформационным системам реализован ряд проектов по созданию электронного генплана, а также интеграции BIM и 3D-ГИС.
[1] Цифровой двойник (англ. Digital Twin) — цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Концепция «цифрового двойника» является частью четвертой промышленной революции и призвана помочь предприятиям быстрее обнаруживать физические проблемы, точнее предсказывать их результаты и производить более качественные продукты. Википедия.
[2] https://nopriz.ru/upload/iblock/892/TSifrovizatsiya-stroitelnoy-otrasli-dlya-Strategii.pdf
[3] Информация получена с интернет-ресурса https://hmps-business.ru/portfolio/sistema-monitoringa-upravleniya-i-analitiki-dlya-psn-group.html
[4] Промы́шленный интерне́т веще́й (англ. Industrial Internet of Things, IIoT) — это система объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека. Применение Интернета вещей в промышленности создает новые возможности для развития производства и решает ряд важнейших задач: повышение производительности оборудования, снижение материальных и энергетических затрат, повышение качества, оптимизация и улучшение условий труда сотрудников компании, рост рентабельности производства и конкурентоспособности на мировом рынке. Википедия.
[5] ГОСТ Р 10.0.02-2019/ИСО 16739-1:2018 Система стандартов информационного моделирования зданий и сооружений. Отраслевые базовые классы (IFC) для обмена и управления данными об объектах строительства.
[6] Более полную информацию можно получить на сайте Роснефть (https://www.rosneft.ru/press/news/item/195043/).
[7] «Газпром нефть» защитила патентом собственную систему управления инженерными данными
[8] Более подробно об опыте компании ООО «Бюро ЕСГ» и предоставляемых услугах можно узнать на сайте http://esg.spb.ru
[9] Автор статьи в период работы в СПб ГАУ ЦГЭ (Центр государственной экспертизы Санкт-Петербурга) сформулировала требования к цифровым информационным моделям, представляемым для проведения экспертизы в Санкт-Петербурге (https://www.spbexp.ru/docs/podgotovka-informatsionnykh-modeley-bim/), которые уже успешно применяются и продолжают развиваться.
Создатели «М1-Арена» - об уникальных решениях проекта
Искусство выбора подрядчиков обеспечивает важное конкурентное преимущество.
Это позволяет реализовывать проекты своевременно, в рамках установленного бюджета и с необходимым качеством.
Валерий Ждахин, директор ООО «Элеваторс Рус»:
– Наша компания предлагает клиентам широкий ассортимент высококачественных пассажирских и грузовых лифтов производства российских и зарубежных предприятий, различной грузоподъемности, для промышленных, административных и жилых многоэтажных объектов. Среди наших поставщиков такие предприятия, как SRH, OTIS, KONE, Schindler, ThyssenKrupp, Kleemann, Vigor и др. Elevators Rus осуществляет поставки и монтаж лифтового оборудования различных категорий – от эконом-класса до люксового сегмента, а также эскалаторов, травелаторов, грузовых подъемников и автолифтов. География нашей работы не ограничивается Санкт-Петербургом. Объекты компании есть в Москве и Подмосковье, Ленинградской, Мурманской, Владимирской областях, Карелии, Удмуртии и других регионах.
Среди наших проектов есть и достаточно уникальные. Так, многофункциональный спортивно-концертный комплекс «М-1 Арена», возведенный в Северной столице, стал для нас достаточно сложным и интересным объектом. Специфика была связана в значительной степени с конфигурацией лифтовых шахт, которая потребовала проведения дополнительных работ. На этот комплекс нами была осуществлена поставка нескольких единиц различной техники. Это два пассажирских лифта SRH (совместное германо-китайское предприятие, одно из крупнейших в мире; Elevators Rus является его официальным диллером в Петербурге). Также мы установили в «М-1 Арене» две гидравлические подъемные платформы – 5-тонную и «тонник». Кроме того, мы поставили грузовой лифт германского производства грузоподъемностью 1 т. В настоящее время заканчиваем монтировать панорамный лифт снаружи здания. Все виды работ были выполнены Elevators Rus в соответствии с пожеланиями заказчика – в самые сжатые сроки, чтобы можно было начать эксплуатацию объекта без задержек.
Это не единственный уникальный проект, который мы реализовали. Достаточно часто приходится решать небанальные задачи, особенно в исторических зданиях. Например, для находящегося в центре Петербурга отеля «Гутенберг», который расположен в доме 1811 года постройки, где, естественно, не предполагалось никаких лифтов, и «приткнуть» их там просто некуда. Многие отступились от этой задачи, но мы сумели ее решить, заказав на заводе в Греции особый лифт. Мы считаем, что безвыходных ситуаций не бывает и всегда можно найти интересный вариант.
Вячеслав Ганцев, продакт-менеджер компании SP Glass:
– Поддержание комфорта в помещении, в котором люди занимаются спортом, то есть испытывают высокие физические нагрузки, – это особенно сложная задача. При строительстве здания важно учитывать множество факторов, включая остекление, которое должно быть крайне энергоэффективным и зимой, и летом. При выборе стекла учитывали несколько основных моментов: обеспечение наибольшего сопротивления теплопередаче, снижение нагрузки на кондиционеры в летнее время, гармоничное сочетание цвета стекла с облицовкой фасада здания.
При остеклении МФК «М-1 Арена» использовали стекло Pilkington Suncool 40/22 Pro T общей площадью около 3 тыс. кв. м. Оно является прекрасным решением для тех случаев, когда требуются высокое светопропускание, максимальная нейтральность при взгляде изнутри и отличная защита от солнечного излучения.
Существует мнение, что в нашем не избалованном солнцем регионе совершенно необязательно требовать от остекления повышенной защиты от солнца. На самом деле, если стеклянный фасад занимает практически всю внешнюю площадь здания, то поддержание комфорта внутри здания летом – очень сложный вопрос. Расходы на охлаждение помещения часто в два или три раза выше, чем на его нагрев. При крайне высокой стоимости мощных установок кондиционирования вопрос становится архиважным.
Установка мокапов свидетельствует о грамотном подходе архитектора к проекту. Визуальная оценка необходима, чтобы удостовериться, что выбранные материалы действительно сочетаются друг с другом. К тому же оттенок стекла проявляется по-разному в зависимости от времени года, суток, погоды. Для данного объекта мы подобрали стекло элегантного серо-синего оттенка.
Михаил Копков, генеральный директор ООО «ЯРРА Проект»:
– Генеральным проектировщиком многофункционального комплекса Академии боевых искусств «Арена М-1» на Приморском проспекте выступила проектная организации ООО «ЯРРА Проект», которая входит в группу компаний «РосСтройИнвест».
Для проектирования такого уникального сооружения потребовалась разработка специальных технических условий с утверждением в Минстрое и прохождением экспертизы.
ООО «ЯРРА Проект» выполнило уникальный проект многофункционального спортивного комплекса. Уникальность его заключается в конструкции купола из деревоклееных балок с пролетом 60 м.
Все разделы проектной документации, в том числе основные архитектурно-планировочные и конструктивные решения, были выполнены генеральным проектировщиком.
Большое внимание при проектировании данного комплекса уделялось энергоэффективности, для чего в проект закладывались самые прогрессивные решения, оборудование и материалы.
Создание яркого архитектурного образа, соответствующего назначению здания и местоположению объекта, – было задачей авторов проекта. Архитектурно-планировочное решение продиктовано конфигурацией участка. Здание – овальной формы, с выделенным объемом купола и пластичными декоративными элементами. Главный вход расположен со стороны Приморского проспекта. Подходы и подъезды предусматриваются со всех сторон здания. По периметру здания предусмотрен проезд пожарных машин. Весь участок расположен в водоохранной зоне. Проектом предусмотрено оборудование спорткомплекса сооружениями, обеспечивающими охрану водных объектов от загрязнения в соответствии с водным законодательством и законодательством в области охраны окружающей среды.
Объемно-пространственное и архитектурно-художественное решение здания разработано с учетом условий инсоляции, освещенности и пожарных требований. Решение фасадов определено объемно-пространственным решением.
Отделка фасадов выполнена из алюминиевых композитных панелей AlucobondA2, по системе вентилируемого фасада. Светопрозрачные конструкции выполнены из полуструктурной алюминиевой витражной системы фасадного остекления с заполнением двухкамерными стеклопакетами.
Спортивный комплекс представляет собой арену под куполом овальной формы 70 на 50 м, со вспомогательными помещениями и административной частью.
На первом этаже основной части здания располагается входная группа помещений, включающая входной вестибюль, вестибюль для зрителей и спортсменов, кассы, фойе, гардеробы, санитарные узлы для посетителей и необходимые подсобные и административные помещения, буфеты и рестораны.
На втором этаже расположены вестибюли зрительного зала, двухсветное помещение арены, помещения для учебно-тренировочных занятий.
Арена оборудована стационарными трибунами на 1000 зрителей.
Николай Галота, директор по продажам фабрики театральных кресел «Еврозал»:
– Фабрика театральных кресел «Еврозал» – это современное производство общественной мебели, занимающее главные позиции на рынке театральных кресел России.
По заказу Академии боевых искусств и компании M-1 Global фабрикой была изготовлена и установлена тысяча кресел для зрителей «М-1 Арены».
Пожеланием заказчика была схожесть кресел с креслами, установленными на Второй сцене Мариинского театра.
Техническое оснащение производства и опыт позволяют нам изготовлять мебель любой сложности и наивысшего качества.
Фабрикой «Еврозал» были произведены кресла, максимально удовлетворяющие пожеланиям заказчика, аналогичные установленным в Мариинском театре, но адаптированные к функциональным особенностям «М-1 Арены». Кресла отвечают всем современным требованиям и подходят для проведения мероприятий любого уровня.
Фабрика театральных кресел «Еврозал» – первый отечественный производитель театральной и киноконцертной мебели европейского уровня, известный как на территории России, так и за ее пределами.
Купол как инновация
Одним из несомненно уникальных элементов «М-1 Арены» стал купол, выполненный из большепролетных клееных деревянных конструкций в сочетании с металлическими элементами. Их производство осуществила корпорация «Русь».
Слово «уникальный» применительно к куполу использовано не случайно. Деревянные конструкции такого масштаба – редкость не только в российской, но и в мировой практике. Весной 2019 года с этим проектом корпорация «Русь» стала победителем в номинации «Технологичность и качество» отраслевой экспертной премии в области деревянного строительства PROWOOD, которую организует Ассоциация Деревянного Домостроения.
«Наше участие в проекте «М-1 Арены» неслучайно. Дело в том, что наша компания является одной из немногих в России и единственной в Санкт-Петербурге, производственные мощности которой позволяют выпускать такие сложные и масштабные деревянные элементы», – отмечает руководитель направления большепролетных конструкций корпорации «Русь» Вячеслав Груничев.
По его словам, успешно реализовать столь крупный проект стало возможным только благодаря установленному на заводе самому современному оборудованию: гиперпрессу фирмы Ledinek и пятикоординатному автоматическому портальному центру (а если попросту – огромному многофункциональному станочному комплексу) корпорации CMS Industries. «Только такая техника последнего поколения, работающая на специальных программах, способна обеспечить, во-первых, ювелирную геометрическую точность (погрешность – не более 0,5 мм) каждого элемента, а во-вторых – высокую скорость выполнения работ (как при запрессовке склеиваемых деревянных заготовок, так и при изготовлении самих конструкций). Изготовление деревянных конструкций в составе купола «М-1 Арены» общим объемом 440 куб. м заняло у нас всего 4 месяца», – рассказывает эксперт.
С учетом условий транспортировки длинномерных конструкций, балки длиной 28–35 м в соответствии с проектом состояли из двух частей, соединяемых на жесткий стык. Осуществление операции требует идеального сопряжения элементов для обеспечения несущей способности.
В центре купола размещается металлическое кольцо весом 11,5 т. На него опираются балки из большепролетных клееных деревянных конструкций длиной от 25 до 35 м. «Технология сборки предусматривала временную установку опорного кольца на специальной монтажной площадке на высоте проектной отметки (20 м) и монтаж противоположных балок попарно для обеспечения устойчивости конструкции», – говорит Вячеслав Груничев.
Выстроенная таким образом купольная система отличается прочностью, надежностью и высокой несущей способностью. На нее в «М-1 Арене» для трансляции происходящего на сцене крупным планом монтируется медиакуб. В целом несущая способность купола позволяет выдерживать дополнительное вывешивание конструкций весом до 10 т.
Примечательно, что купол получился не только прочным, но и весьма привлекательным с эстетической точки зрения. «На мой взгляд, сложно представить себе материал и по внешнему виду, и даже на ощупь столь же комфортный для человека, как дерево. Его использование при строительстве купола придало арене комплекса совершенно особое очарование. Как мне кажется, и феноменальные акустические свойства объекта своим происхождением обязаны именно дереву. В отличие от бетона, который глушит звук, древесина обеспечивает резонанс, который в сочетании с эллипсообразной формой арены и создал столь «звучащий» зал», – подчеркивает Вячеслав Груничев.
Справка
Общий объем клееных деревянных конструкций в составе купола «М-1 Арены» составляет 440 куб. м, из них: гнутоклееные – 258 куб. м, прямолинейные – 182 куб. м. На обшивку конструкции ушло 157,7 куб. м доски. Конструкция включает также металлическое центральное опорное кольцо весом 11,56 т и монтажный металл весом 11,35 т.