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.
Вид сверху. В геодезии все активнее применяются БПЛА
Профессиональные БПЛА требуют серьезного вложения денежных средств. Технология исследования местности с помощью БПЛА имеет ряд особенностей.
По словам и. о. зав. кафедрой городского хозяйства, геодезии, землеустройства и кадастров СПбГАСУ Алексея Волкова, геодезическая деятельность предусматривает разнообразное использование БПЛА. В инженерно-геодезических изысканиях для строительства они чаще всего используются при создании и обновлении инженерно-топографических планов масштабов от 1:500 до 1:5000 как основы для производства дальнейших работ (без подземных коммуникаций). Многие компании применяют БПЛА при рекогносцировочном обследовании территории предполагаемого строительства, при строительном контроле объемов выполненных работ и контроле геометрических параметров возводимых конструкций.
В целом, отмечает руководитель конструкторского бюро Optiplane Кирилл Яковченко, использование БПЛА позволяет существенно удешевить и ускорить проведение измерительных работ геодезистом, особенно если площадь или протяженность объекта больше, чем люди способны охватить традиционными методами съемки. Есть случаи, когда без данного оборудования просто не обойтись. Существуют труднодоступные места, добраться до которых зачастую практически невозможно или чрезвычайно дорого.
Эксперт выделяет три вида беспилотников. Первый – это квадрокоптеры, у которых синхронизацией моторов управляет инерциальная система. Такое оборудование отличается хорошей управляемостью, маневренностью и гибкостью эксплуатации. Недостаток – малые скорость и продолжительность полетов. Второй тип – самолеты (планеры), тут главная цель – экономичный полет. Главные недостатки самолетов – это невозможность маневрировать, зависать над объектом и включать реверс, большие петли разворота (лишние расстояния) при выходе на параллельную линию для покрытия площадей. Третий тип БПЛА – это дроны с гибридной аэродинамикой, например, винтокрылы, которые лишены недостатков предыдущих двух схем. Они могут вертикально взлетать и садиться, а также маневрировать на малой скорости. Кроме того, они могут летать далеко, как самолеты.
Начальник отдела мониторинга и геодезического контроля компании «Строй-Эксперт» Дмитрий Егоров рассказывает, что для геодезистов интерес представляют БПЛА самолетного и вертолетного типа: «Самолетный тип обеспечивает высокую скорость и дальность полета, используется в основном для аэрофотосъемки больших площадей земной поверхности и линейных объектов. Вертолетный используется для детальной аэрофотосъемки небольших участков и точечных объектов».
Цена вопроса
Стоимость беспилотников варьируется очень широко из-за разных задач использования. Приобретение высокопрофессионального БПЛА для геодезической организации – серьезные финансовые расходы. Кроме самого летательного аппарата, поясняет Алексей Волков, необходимо приобретать камеру, GNSS-оборудование, гиростабилизирующее оборудование, а также специализированное программное обеспечение. Поэтому средняя стоимость комплектов БПЛА для геодезических работ может быть от 300 тыс. до 3 млн. рублей.
Генеральный директор кадастровой компании «Вита-Хауз» Марьян Будич отмечает, что для того, чтобы выбрать хороший беспилотник, нужно обратить внимание на некоторые характеристики, а именно устойчивость и стабильность прибора, точность позиционирования и, конечно, качество матрицы фотоаппарата. По его словам, самые распространенные и дешевые беспилотники – DJI Phantom. Их стоимость начинается от 80 тыс. рублей. С их помощью можно проводить геодезические работы, но характеристики фотографий неидеальны, на них больше искажений, и эти аппараты не снимают до сантиметровой точности. Еще один недостаток дешевых беспилотников в том, что они легкие – и уровень стабильности у них низкий. Это означает, что на проведение съемки влияют погодные условия, например, ветер.
«Более профессиональные БПЛА на рынке можно встретить по цене от 200 тыс. руб. Они тяжелее и устойчивее – и, соответственно, камера фотоаппарата позволяет делать более детальные снимки. Кроме того, при работе с БПЛА следует учитывать и покупку специального программного обеспечения, стоимость которого может доходить до 100 тыс. рублей. В такой специальной программе сшиваются все фотографии, сделанные беспилотником, проводится фототриангуляция. Такую сшивку программа делает за 8–12 часов. Разумеется, для этого нужен мощный компьютер. Его покупка обойдется тоже примерно в 100 тыс. рублей», – объясняет Марьян Будич.
Не быть вне закона
В 2016 году российские власти ужесточили возможности использования БПЛА. Согласно принятому закону, аппараты, взлетная масса которых более 250 г, должны быть зарегистрированы и сертифицированы. В государственный орган необходимо предоставить план полета и получить отметку об его согласовании.
В настоящее время данные правила использования БПЛА как гражданами, так и многими компаниями не исполняются. Тем не менее, представители геодезических компаний опасаются, что их беспилотники стоимостью в несколько сотен тысяч рублей могут быть без предупреждения сбиты сотрудниками правоохранительных органов или спецслужб.
Безусловно, считает Кирилл Яковченко, правовые ограничения нужны, чтобы отделить профессионалов от «серых дронщиков», летающих без разрешений и создающих опасность для имущества и здоровья граждан: «На наш взгляд, важно ввести обязательное страхование гражданской ответственности для работ с использованием БПЛА. В этом случае страховые компании быстро проведут квалификационный отбор участников рынка. Кроме того, необходимо выполнить необходимую работу над нормативно-правовыми актами, указанными в «дорожной карте» AeroNet».
С его доводами согласны и другие эксперты. «Некоторые БПЛА весят достаточно много, и если они управляются непрофессионалами – могут возникнуть серьезные проблемы. Также их характеристики позволяют подниматься на высоты, где летают самолеты и вертолеты, что естественным образом приводит к опасности. Поэтому правовое регулирование этой сферы обязательно должно быть», – полагает Марьян Будич.
По словам Дмитрия Егорова, ужесточение возможности использования БПЛА, безусловно, необходимо: «Эти аппараты являются такими же участниками воздушного движения, как и все остальные. Следует допускать к управлению беспилотным летательным аппаратом только тех, кто прошел специализированное обучение, а также усовершенствовать саму процедуру получения разрешения на полеты БПЛА».
Сравнение облака точек и 3D-модели по данным БПЛА и НЛС. Зеленый цвет – ошибка в 25 мм, синий – 5–10 мм
Мнение
Дмитрий Егоров, начальник отдела мониторинга и геодезического контроля ООО «Строй-Эксперт»:
– Специалисты ГК «Строй-Эксперт» проводили собственное исследование, сравнивая данные аэрофотосъемки и данные, полученные с помощью наземного лазерного сканирования (НЛС). Сравнивали следующие параметры – точность, полноту, время выполнения и создания 3D-модели. В результате пришли к выводу, что использование БПЛА немного уступает в точности данных НЛС, но скорость выполнения и полнота данных в некоторых случаях в разы лучше, чем при использовании НЛС.
Включить «автопилот». Современные технологии позволяют ускорить строительство
Современные информационные технологии позволяют ускорить этапы строительства и усилить контроль над ними. Внедрение этих сервисов требует дополнительных финансовых затрат, но их использование впоследствии положительно отражается на эффективности деятельности компании.
Эксперты выделяют три основных вида автоматизированных систем, которые сейчас активно используются в строительстве. Все они помогают оптимизировать и ускорить технологическую и экономическую деятельность компании.
Три в одном
К первому виду относятся приложения САПР (системы автоматизированного проектирования). Они управляют проектированием в 2D и 3D, дизайном и т. п. Здесь есть и российские, и зарубежные нишевые решения.
Второй вид – это системы учета, начиная от классических ERP (планирование ресурсов предприятия) и заканчивая специфическими решениями, актуальными именно для строительной отрасли. Например, для учета работ подрядчиков на строительной площадке подходит российская разработка «1С:Подрядчик строительства». «Это достаточно простое и доступное решение. Зарубежные аналоги – более дорогие», – говорит исполнительный директор компании «Первая форма» Михаил Хаскельберг.
Третий вид автоматизированных систем связан с управлением, решением операционных задач, поддержкой принятия решений и контроля исполнения поручений. Оптимально для этого использовать BPM-платформы.
Специализированное программное обеспечение помогает справиться с большими объемами информации, ускоряет поиск «узких мест» и увеличивает возможности для роста, отмечает генеральный директор ITLand Сергей Лебедев. По его словам, обычно в первую очередь автоматизируют ключевые процессы – трудоемкие, с большим количеством операций и документов, комплексно их объединяя. Наиболее эффективно использовать единовременно ERP, PM и BIM. Информационное моделирование зданий (BIM) задействует 3D-модели объектов, сопоставляя их с информацией из ERP и PM о материалах, работах, подрядчиках, сроках, стои-мости. Соответственно, девелоперская компания получает сквозной контроль над полным циклом работ, от проектирования до эксплуатации.
Тем не менее, по мнению исполнительного директора компании DMSTR Антона Романова, комплексный процесс автоматизации на сегодняшний день является достаточно сложным, трудоемким и не всегда применимым в условиях современного строительства. К тому же автоматизация требует достаточно больших затрат, которые окупаются при «длинном» сроке реализации проекта, и с наибольшей долей вероятности – не по одному объекту. «Что касается унификации IT строительной отрасли, на мой взгляд, сегодня говорить об этом несколько преждевременно, так как непременным и обязательным условием для внедрения унификации в любой сфере деятельности является унификация составных элементов автоматизированной системы. В строительстве сейчас, несмотря на наличие множества передовых технологий, существует ряд моментов, которые процесс автоматизации не охватывает», – считает Антон Романов.
Работа на перспективу
Как рассказывают представители группы компаний Softline, стоимость внедрения автоматизированных систем может быть очень разной и зависит от величины и потребностей бизнеса. Внедрение простых систем автоматизации в сегменте среднего и малого бизнеса может уложиться в сумму порядка 2 млн рублей. Масштабные проекты в крупных строительных компаниях, имеющих в активах большие производственные мощности, будут стоить в разы дороже, иногда затраты доходят до миллиардов рублей. По мнению руководителя отдела САПР и ГИС группы компаний Softline в Москве Дмитрия Русина, целесообразность их применения зависит от постановки задачи, бюджета на закупку ПО и оборудования, а также конечных целей, которых нужно достигнуть за определенный временной интервал. «Программные решения позволяют автоматизировать управление проектом в целом и организовать эффективный обмен данными между всеми участниками строительного производства для оперативного принятия решений на всех этапах его реализации», – добавляет он.
По словам руководителя компании «ИМПУЛЬС-ИВЦ» Дмитрия Марикуца, в среднем, как показывает практика, стоимость внедрения программ автоматизации всех строительных процессов варьируется в пределах 1–2% от готовой выручки компании. Затратно это для строительной компании или нет, безусловно, решать собственникам, отмечает он. Наиболее правильно рассматривать такой проект как инвестиционный, направленный на повышение эффективности (рост объема производства и экономию затрат по всем направлениям). Ведь современная система автоматизации позволяет держать все строительные процессы под контролем и окупает себя в разумный срок.
Руководитель направления компании «БАРС Груп» Тимур Валиев отмечает, что при использовании системы автоматизации важно ее взаимодействие с информационными ресурсами участников рынка на каждом этапе жизненного цикла объектов капитального строительства: «В рамках каждого этапа – у всех свои бизнес-процессы и свои информационные ресурсы от различных вендоров. И на каждом этапе необходимо обмениваться этими данными – как с информационными ресурсами других участников процесса, так и с государственными информационными ресурсами. К сожалению, сегодня пока отсутствуют государственные стандарты и форматы такого взаимодействия».
Непосредственно под объекты строи-тельства в ближайшее время будут создаваться индивидуальные сервисы по управлению производством работ, основанные на шаблонах для различных типов объектов, считает директор департамента по работе с проектными организациями Partner Projects Division компании Schneider Electric Дмитрий Бибик. «В соответствии с сервисами будет выстраиваться дальнейшее взаимодействие участников процесса: подрядчиков, заказчиков, надзорных органов и проч. По полученной исполнительной модели можно будет проводить анализ качества выполненных работ. Сейчас технологии автоматизации строительных процессов находятся на начальных этапах развития, поэтому затраты на внедрение таких технологий вряд ли будут низкими, при том, что качество новых инструментов будет относительно невысоким. Однако, несмотря на это, использование подобных приложений будет сокращать затраты на строительство», – полагает эксперт.
Директор компании «СибКапСтрой» Сергей Басараб считает, что пока рано говорить о необходимости широкого применения технологий автоматизации: «Если быть точнее, их нужно применять там, где нужно, где это действительно приведет к повышению эффективности, при этом без удорожания стоимости работ. Ведь в рыночной экономике конечному потребителю неважно, с помощью каких технологий выполнялись работы, если при одинаковом качестве цена работ будет выше. Иными словами, не нужно забивать гвозди микроскопом. Я полагаю, что сегодня автоматизация может быть эффективна в процессах планирования и контроля работ, так как эти направления напрямую связаны с оптимизацией сроков и повышением качества производимых работ».